DE69600286T2

DE69600286T2 - Verfahren und gerät zum beobachten von objekten bei geringer beleuchtung

Info

Publication number: DE69600286T2
Application number: DE69600286T
Authority: DE
Inventors: Alexei Vitalievich Morozov; Sergey Yurievich Soukhorossov
Original assignee: YALESTOWN CORP NV
Current assignee: YALESTOWN CORP NV
Priority date: 1996-03-01
Filing date: 1996-03-26
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2016-03-27
Also published as: DE69600286D1; KR970707685A; RU2069885C1; HU9602854D0; LV11646A; KR100240599B1; EP0750202B1; EP0750202A1; PL322683A1; RO117886B1; WO1996019100A3; WO1996019100A2; ES2119574T3; HUP9602854A2; EP0750202A4; DK0750202T3; ATE166159T1; JPH10503296A; CA2207439A1; AU5672296A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Technik der optischen Geräte, insbesondere eine Vorrichtung für optischen Radar.

Hintergrund der Erfindung

Ein Verfahren zur Bilderzeugung von Objekten in reduzierter Beleuchtung, gemäss welchem ein Beobachtungsgegenstand durch eine gepulste Lichtquelle beleuchtet wird, ist bekannt und wurde in EP Nr. 363735 offenbart. Vom Objekt zurückreflektiertes Licht wird durch einen optischen Bildempfänger empfangen. Der Betrieb eines gesteurten Verschlusses des Bildempfängers ist mit dem Aussenden von Lichtpulsen synchronisiert. Die Vorrichtung, die dieses Verfahren ausführt, umfasst eine gepulste Lichtquelle mit einer Übertragungsoptik, und einen optischen Bildempfänger mit einem gesteuerten Verschluss. Bilder von Objekten, die in einem Gebiet von grösstem Interesse liegen, können erhalten werden indem die Verzögerung zwischen dem Moment der Lichtpulsaussendung und dem Moment wo der Verschluss sich öffnet reguliert wird.
Ein Nachteil des bekannten Verfahrens und der Vorrichtung ist, dass es mit der Benützung einer Lichtquelle und einer Kamera nur möglich ist Bilder von Objekten zu erlangen, die sich in einem schmalen Gebiet der Sichtbarkeit befinden. Ein Weg das Gebiet der Sichtbarkeit zu erweitern besteht darin die Anzahl der gleichzeitig betriebenen Lichtquellen (Pulse) oder Kameras (jede Quelle oder Kamera arbeitet in ihrem eigenen Bereich) mit weiterer Summierung der Videosignale zu erhöhen. Eine solche Vorrichtung würde jedoch bedeutend umständlicher sein und die Leistung ihrer Lichtquellen würde nicht voll genutzt (see EP Nr. 0468175). Abgesehen davon verwendet eine solche Vorrichtung kein natürliches Umgebungslicht, welches ermöglicht zusätzliche Informationen über die Objekte zu erhalten.
Das relevanteste Verfahren und die relevanteste Vorrichtung im Stand der Technik ist im UK patent Nr. 2212689 offenbart. Gemäss diesem Verfahren wird ein Objekt (Objekte) mit einer gepulsten Lichtquelle und mit einer zusätzlichen konstanten Lichtquelle beleuchtet. Von den Objekten zurückreflektiertes Licht wird von einem optischen Bilddetektor empfangen, der Betrieb seines steuerbaren Fensters ist mit der Aussendung von Lichtpulsen synchronisiert. Die Vorrichtung zur Bilderzeugung von Objekten in reduzierter Beleuchtung umfasst eine gepulste Lichtquelle mit einer kombinierenden Optik und einer zusätzlichen konstanten Lichtquelle, einen optischen Bilddetektor mit einer regulierbaren Verstärkung, Mittel für eine automatischen Einstellung der durchschnittlichen Bildhelligkeit und eine Steuereinheit deren Eingang mit einem der Ausgänge einer Synchronisierungseinheit verbunden ist, von welcher ein anderer Ausgang mit dem Eingang der gepulsten Lichtquelle verbunden ist.
Die Erfindung überwindet die oben beschriebenen Nachteile teilweise. Zusätzliche Informationen über die Objekte werden durch Benutzung von natürlichem Umgebungslicht oder durch zusätzliche Beleuchtung der zu betrachtenden Szene erlangt. Dadurch wird die Helligkeit von Objekten, die sich in verschiedenen Distanzen von der Vorrichtung befinden und die durch die konstante Lichtquelle beleuchtet werden, varieren und in der Gegenwart einer grossen Anzahl von Objekten im Bildvordergrund werden Bilder von Objekten im Hintergrund schattiert werden. Der gleiche Effekt wird beim Betrieb in trübem Medium auftreten (Nebel, Schneefall, Rauch, usw.).

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung überwindet die obengenannten Nachteile dieses Standes der Technik und liefert ein gleichmässig helles Bild von Objekten, die sich in verschiedenen Distanzen innerhalb des Sichtfeldes der Vorrichtung befinden, welche beides, natürliches Umgebungslicht und eine zusätzliche Lichtquelle benützt, und ermöglicht Objekte im Gebiet von grösstem Interesse gemäss deren Helligkeit zu trennen.
Dank der Tatsache, dass unter Bedingungen von reduzierten Lichtpegeln Bilder von Objekten, die sich in verschiedenen Distanzen befinden, die gleiche Helligkeit aufweisen, ist die vorliegende Erfindung für den Gebrauch auf Motorfahrzeugen, wo es notwendig ist Bilder nicht nur von Objekten die sich in einer gewissen Distanz befinden sondern von allen Objekten die sich gleichzeitig vor dem Fahrzeug befinden, geeignet. Es ermöglicht ständige Kontrolle der aktuellen Situation und macht die Situation vorhersagbar, unter Beibehaltung der Möglichkeit Objekte in einer gewissen Distanz vom empfangenen Bild der ganzen Szene zu trennen.
Die obengenannten Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch Benutzung einer Ausführung erreicht, in welcher nach der Aussendung jedes Lichtpulses die Verstärkung eines optischen Bildempfängers fortwährend erhöht wird bis zum Moment, wo das Licht, welches von den entfertesten Objekten innerhalb eines ausgewählten Beobachtungsgebietes reflektiert wird, zum Empfänger so zurück kommt, dass Bilder gleicher Helligkeit von den zur Betrachtung ausgewählten beleuchteten Objekten erhalten werden. Um Bilder von Objekten unter zusätzlicher Beleuchtung zu erhalten wird die Verstärkung auf eine fixierte Stufe gesetzt und bis zur Aussendung des nächsten Lichtpulses auf dieser Stufe gehalten. Zusätzlich, um konkrete Objekte im beleuchteten Betrachtungsgebiet zu trennen, erhöht sich die Verstärkung sofort wenn das zuerst von diesen Objekten reflektierte Licht zum Empfänger gelangt, dann erhöht sich die Verstärkung fortwährend und wird dann sofort reduziert, wenn das zuletzt von diesen Objekten reflektierte Licht zum Empfänger gelangt. Natürliches Umgebungslicht kann als zusätzliche Lichtquelle verwendet werden.
Um die oben beschriebenen Ziele der vorliegenden Erfindung zu erreichen werden die Synchronisierungseinheit und die Steuereinheit so gemacht, dass es möglich ist jeden Lichtpuls zu synchronisieren und die Verstärkung des optischen Bildempfängers bis zum Moment zu erhöhen, wo das Licht, welches von den entfertesten Objekten innerhalb des Beobachtungsgebietes reflektiert wird, zum Empfänger zurückkommt, und die Verstärkung bis zum Moment der Aussendung des nächsten Lichtpulses auf einer konstanten Stufe zu halten. Der optische Bildempfänger kann einen Bildverstärker umfassen, dessen Verstärkung durch varieren der Steuerspannung auf seiner Mikrokanalplatte gesteuert wird. Die Synchronisierungseinheit und die Steuereinheit können so gemacht sein, dass sie es ermöglichen die Verstärkung des Bildverstärkers sofort zu erhöhen, sie weiter zu erhöhen und sofort zu reduzieren um einige konkrete Objekte im Beobachtungsgebiet zu trennen.
Die oben diskutierten und weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und Zeichnungen richtig eingeschätzt und verstanden werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es wird nun auf die Zeichnungen verwiesen in welchen gleiche Elemente in den verschiedenen Figuren gleich numeriert werden.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm welches die Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der Synchronisierungseinheit und der Steuereinheit des optischen Bildempfängers;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm des optischen Bildempfängers und der Steuereinheit der Objektivlinse;
Fig. 4 enthält Zeitdiagramme des Betriebes der Vorrichtung für die Bilderzeugung von Objekten in reduzierter Beleuchtung.

Beschreibung der Bevorzugten Ausführung

Zuerst auf Fig. 1 verweisend, die Vorrichtung für die Bilderzeugung von Objekten unter reduzierter Beleuchtung umfasst eine gepulste Lichtquelle 1. Licht wird durch eine übertragende (formende) Optik 2 auf den Beobachtungsgegenstand hinzu ausgebreitet. Der Eingang der Lichtquelle ist mit dem ersten Ausgang einer Synchronisierungseinheit 3 verbunden. Der zweite Ausgang der Synchronisierungseinheit 3 ist mit einer Steuereinheit 4 eines optischen Bildempfängers verbunden. Der Ausgang der Steuereinheit des optischen Bildempfängers ist mit dem optischen Bildempfänger 5 verbunden. Der Bildempfänger umfasst eine Empfangsoptik (Objektivlinse) 6. Eine Steuereinheit der Objektivlinse ist mit dem Bildempfänger und der Synchronisierungseinheit gekoppelt.
Die Synchronisierungseinheit 3 triggert die gepulste Lichtquelle 1, welche zusammen mit der formenden Optik 2 benützt wird um eine gepulste Beleuchtung von Objekten (in Fig. 1 nicht gezeigt) zu liefern. Gleichzeitig mit der Triggerung der Lichtquelle 1 triggert die Synchronisierungseinheit 4 (sic) die Steuereinheit 4, welche fortwährend die Empfangsverstärkung 5 so erhöht, dass Bilder von beleuchteten Objekten eine gleiche Helligkeit haben. Zusätzlich zu dem generiert die Synchronisierungseinheit 3 ein Signal, welches vorgesehen ist um Objekte, die sich an einem gewissen Bereich innerhalb eines Gebietes einiger Tiefe befinden, zu wählen. Die genannte Tiefe und Bereich sind durch externe Signale zu setzen. Das oben genannte Auswählsignal wird auf die Steuereinheit 4 angewandt, welche sofort die Verstärkung des Bildempfängers 5 erhöht, dann weiterfährt sie zu erhöhen, und die Verstärkung sofort reduziert wenn von Objekten an einem gewissen Bereich zuletzt reflektiertes Licht zum Empfänger gelangt. Wenn Signale am Ausgang der Synchronisierungseinheit 3 aufhöhren zu agieren setzt die Steuereinheit 4 die Verstärkung des Empfängers auf eine konstante Stufe. Das ermöglicht Bilder von Objekten in natürlicher Umgebungsbeleuchtung zu empfangen. Der Wert der konstanten Verstärkungstufe definiert die Helligkeit des Objektbildes, während der Wert der sofortigen Verstärkungserhöhung/-erniedrigung die Bildhelligkeit der Auswahl von konkreten Objekten unter Benützung von zusätzlicher Beleuchtung bestimmt. Diese Helligkeitswerte können durch externe Signale gesetzt werden. Der Bildempfänger 5 mit einer Empfangsobjektivlinse ist beabsichtigt Bilder der zu betrachtenden (optisch oder fernvisuell) Objekte abzubilden. Die Verstärkung des Empfängers wird durch die Steuereinheit 4 eingestellt. Die durchschnittliche Höhe der Verstärkung 5 des Bildempfängers definiert die durchschnittliche Helligkeit des empfangenen Bildes und kann durch ein externes Signal gesetzt werden. Die Steuereinheit 7 der Objektivlinse dient dazu eine Iris und die Schärfe in Abhängigkeit der Helligkeit des empfangenen Bildes und der Distanz zu den konkreten gewählten Objekten automatisch entsprechend zu setzen.

Beispiel der Ausführung

Nun auf Fig. 2 verweisend, die Synchronisierungseinheit schliesst einen Steueroszillator 8 ein, welcher einen Puls erzeugt der eine Lichtquelle triggert. Der durch die Lichtquelle ausgesandte Lichtpuls breitet sich auf die Beobachtungsgegenstände hinzu aus. Dann wird das Licht durch die Objekte reflektiert und kommt zum Empfänger zurück. Zusammenfallend mit der Triggerung der Lichtquelle triggert der Steueroszillator einen monostabilen Multivibrator 9 welcher einen Puls bildet, dessen Dauer gleich der Zeit ist, die das Licht benötigt um zum am maximalen Bereich liegenden Objekt zu gelangen. Der maximale Bereich ist der Bereich zu den Beobachtungsgegenständen, von denen reflektiertes Licht immer noch vom Bildempfänger detektiert wird. Der Puls vom monostabilen Multivibrator 9 geht in einen Sägezahn-Spannungsgenerator 10, welcher einen dreickförmigen Puls bildet, siehe Fig. 4. Der dreieckige Puls geht dann in einen Summator 11. Dieser Puls dient dazu die Bildhelligkeit von durch die Lichtquelle beleuchteten und in verschiedenen Entfernungen liegenden Objekten auszugleichen. Um es genauer zu sagen, dieser Puls dient dazu die Helligkeit von Objekten auszugleichen, welche sich unter von der gepulsten Lichtquelle gelieferten Beleuchtung an verschiedenen Distanzen im Betrachtungsfeld befinden.
Der Steueroszillator 8 triggert auch einen monostabilen Multivibrator 12, der einen Puls generiert dessen Dauer manuell vom Operateur eingestellt wird und die Dauer ist gleich der Zeit, die vom Licht benötigt wird von der Lichtquelle zum nächsten Rand des beleuchteten Gebietes, wo sich einige konkrete Objekte befinden, und zurück zum Empfänger zu gehen. Der monostabile Multivibrator 12 seinerseits triggert einen monostabilen Multivibrator 13, welcher Pulse mit einer manuell eingestellten Dauer erzeugt, welche gleich der Zeit ist, die das Licht benötigt um sich vom nächsten Rand des beleuchteten Gebietes zum entfernten Rand und zurück zum nächsten Rand fortzupflanzen. Der durch den monostabilen Multivibrator erzeugte Puls wird hinsichtlich der Amplitude manuell durch Benutzung eines Verstärkers 14 eingestellt und wird auf den Summator 11 angelegt. Der Puls am Ausgang des Verstärkers 14 bestimmt die Distanz zum nächsten Rand des zu beleuchtenden Gebietes, seine Tiefe und Helligkeit, das bedeutet, er dient dazu einige konkrete Objekte, die sich innerhalb des Gebietes von grösstem Interesse befinden, gemäss ihrer Helligkeit zu trennen. Das Signal des Summators wird auf den Schalter 15 angelegt, welcher das Signal vom Summator 11 an den Ausgang überträgt wenn der Puls am Ausgang des monostabilen Multivibrators 9 aktiv ist entspricht das dem Empfang eines Bildes, das hauptsächlich unter dem Licht einer gepulsten Lichtquelle erhalten wurde. Nachdem der Puls am Ausgang des monostabilen Multivibrators 9 aufhört zu agieren wird ein Signal mit manuell eingestelltem konstantem Wert an den Ausgang des Schalters 15 angelegt. Dieses Signal dient dazu die Helligkeit von Bildern, die unter anderen (einschliesslich natürlichen) Lichtquellen abgebildet wurden, zu justieren und dadurch ist das Problem Objektbilder unter natürlichem Umgebungslicht abzubilden gelöst. Als Resultat wird am Ausgang von Schalter 15 ein Signal mit drei spezifischen Teilen gebildet: mit Teil 29 wird bezweckt Bilder von gleicher Helligkeit unter zusätzlicher Beleuchtung durch die gepulste Lichtquelle abzubilden, mit Teil 27 wird bezweckt Objekte von grösster Bedeutung zu beleuchten, und mit Teil 28 wird bezweckt Bilder in natürlichem Umgebungslicht abzubilden.
Das auf diese Weise geformte Verstärkungssteuersignal wird an den Bildempfänger 5 angelegt. Der Bildempfänger kann auf der Basis eines Bildverstärkers mit Mikrokanalplatte (microchannel plate MCP) gemacht werden. Wie es in Fig. 3 gezeigt wird, wird das obengenannte Signal nach der Verstärkung durch den Verstärker 16 an die Mikrokanalplatte 25 des Bildverstärkers 17 angelegt, welcher auf seinem Bildschirm 24 ein verstärktes Bild abbildet, welches an der Photokathode 26 unter Benutzung einer Empfangsobjektivlinse 6 empfangen wurde. Da die Verstärkung der MCP proportional zum Quadrat der Spannung ist wird die linear varierende Verstärkungssteuerspannung die reziprok quadratische Abhängigkeit von der Ausstrahlung der Objekte unter Beobachtung im Bereich während dem Bildempfang unter gepulster Beleuchtung und dadurch werden die Bilder von gleicher Helligkeit sein (sic).
Eine Fernsehkamera 22 kann verwendet werden um das Bild auf dem Bildschirm des Bildverstärkers 17 in ein Fernsehsignal zu verwandeln. Für weitere Verarbeitung wird das Videosignal von der Fernsehkamera an den Videomonitor oder andere fernvisuellen Mittel angelegt.
Für die automatische Steuerung der mittleren Bildhelligkeit wird das Signal, das proportional zum Strom auf dem Bildschirm des Bildverstärkers ist, auf den Eingang eines Schwellenwert Verstärkers 18 angelegt, dessen aktiver Schwellenwert kann manuell zur Einstellung der mittleren Bildhelligkeit justiert werden. Das Ausgangssignal des Verstärkers 18 steuert die mittlere Verstärkung des Verstärkers 16 und wird auch verwendet um die in die Objektivlinse des Empfängers eingebaute Iris zu steuern.
Für automatische Fokussierung der Objektivlinse auf das beleuchtete Gebiet wird die Spannung, welche die Distanz zu diesem Gebiet steuert und welche vom monostabilen Multivibrator 12 verwendet wird, an einen Verstärker 20, welcher eine nicht-lineare Amplitudencharakteristik hat, und weiter an eine Servosteuerung 21, welche die Brennweite der Objektivlinse steuert, angelegt. Der Verlauf der Amplitudencharakteristik des Verstärkers ist so gewählt, dass die beste Fokussierung der Empfangsobjektivlinse für irgendeinen Bereich erhalten wird.

Industrielle Anwendung

Das vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung für die Bilderzeugung von Objekten unter reduzierter Beleuchtung werden unter Benutzung eines aktuellen Technologiestandards für dieses Industriegebiet realisiert. Die Benutzung der Vorrichtung hat ihre hohe Effizienz erwiesen weil sie zusätzlich zu all den Vorteilen des Stands der Technik fähig ist zum Beispiel die Arbeit eines Fahrers in einem Schneesturm, bei Schneefall, usw. zu unterstützen, die ungünstigen Wirkungen von Lichtstreuungen durch Nebel- und Schneepartikel zu vermindern, sowohl als auch die Blendung durch Scheinwerfer von sich nähernden und passierenden Fahrzeugen zu reduzieren.

Claims

1. Ein Verfahren zur Bilderzeugung von Objekten unter reduzierten Beleuchtungsbedingungen gemäss welchem das Objekt (die Objekte) durch eine gepulste Lichtquelle und durch eine zusätzliche konstante Lichtquelle beleuchtet wird, von den Objekten zurückreflektiertes Licht von einem optischen Bildempfänger empfangen wird, wobei diese Operation mit der Aussendung der Lichtpulse synchronisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass während der Aussendung jedes Lichtpulses die Verstärkung des optischen Bildempfängers fortwährend verändert wird bis zu dem Moment, wo das von den sich innerhalb eines ausgewählten Beobachtungsgebietes befindenden entfertesten Objekten reflektierte Licht so zurückkommt, dass es die gleiche Bildhelligkeit aufweist wie die von beleuchteten, zur Beobachtung ausgewählten Objekten, und der Wert der Verstärkung bis zur nächsten Aussendung eines Lichtpulses auf einem konstanten Wert gehalten wird.

2. Ein Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass um einige konkrete Objekte innerhalb eines Beobachtungsgebietes zu trennen die Verstärkung erhöht wird unmittelbar nachdem von diesen Objekten zurückreflektiertes Licht empfangen wurde, dann fortwährend erhöht wird und unmittelbar nachdem das letzte, von den konkreten Objekten zurückreflektierte Licht empfangen wurde reduziert wird.

3. Ein Verfahren wie in Anspruch 1 und 2 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass natürliches Umgebungslicht als zusätzliche konstante Lichtquelle benützt wird.

4. Eine Vorrichtung zur Bilderzeugung von Objekten unter reduzierten Beleuchtungsbedingungen, welche eine gepulste Lichtquelle mit einer Übertragungsoptik und einer zusätzlichen konstanten Lichtquelle, einen optischen Bildempfänger mit justierbarer Verstärkung, Mittel für automatische mittlere Helligkeitskontrolle des Bildes und eine Steuereinheit, deren Eingang mit einem der Ausgänge einer Synchronisierungseinheit gekoppelt ist von der ein anderer Ausgang mit dem Eingang einer gepulsten Lichtquelle gekoppelt ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisierungseinheit und die Steuereinheit entworfen sind die Möglichkeit zu bieten jeden Lichtpuls zu synchronisieren und die Verstärkung des optischen Bildempfängers bis zu dem Moment zu erhöhen, wo das von den innerhalb eines ausgewählten Beobachtungsgebietes entfertesten Objekten reflektierte Licht zurückkommt und die Verstärkung bis zur nächsten Pulsaussendung auf einem konstanten Wert zu halten.

5. Die Vorrichtung wie in Anspruch 4 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Bildempfänger einen Bildverstärker (II) mit einer mittels Änderung einer Steuerspannung auf seiner Mikrokanalplatte steuerbaren Verstärkung umfasst.

6. Die Vorrichtung wie in Anspruch 5 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisierungseinheit und die Steuereinheit entworfen sind sofortige Erhöhung der Verstärkung des Bildverstärkers, deren weitere konstante Erhöhung und deren sofortige Reduktion für die Trennung einiger konkreter, sich innerhalb eines Beobachtungsgebietes befindenden Objekte zu liefern.