CN107896506A - 距离传感器 - Google Patents

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Abstract

在一个实施例中，一种距离传感器包括：投影光源；第一光引导装置，其被定位成引导由该投影光源发射的光；衍射光学元件，其被定位成将由该第一光引导装置引导的光分离成在不同方向上行进的多个投影射束；以及图像捕获装置，其被定位成捕获视场中的图像，包括由多个投影射束在视场中对象上的入射创建的投影图样。

Description

距离传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求保护2015年5月10日提交的美国临时专利申请序列号62/159,286的权益。通过引用将该申请以其整体并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及计算机视觉系统，并且更特别地涉及用于测量交通工具和空间中的对象或点之间的距离的传感器。
背景技术
诸如机器人交通工具和无人机之类的无人驾驶交通工具通常依赖于用于周围环境中的障碍物检测和导航的计算机视觉系统。这些计算机视觉系统进而通常依赖于从周围环境获取视觉数据的各种传感器，计算机视觉系统处理该数据以便收集关于周围环境的信息。例如，经由一个或多个成像传感器获取的数据可被用来确定从交通工具到周围环境中的特定对象或点的距离。
发明内容
在一个实施例中，一种距离传感器包括：投影光源；第一光引导装置，其被定位成引导由该投影光源发射的光；衍射光学元件，其被定位成将由该第一光引导装置引导的光分离成在不同方向上行进的多个投影射束；以及图像捕获装置，其被定位成捕获视场中的图像，包括由多个投影射束在视场中对象上的入射创建的投影图样。
在另一实施例中，一种距离传感器包括：多个投影光源；第一多个光学纤维，其中该第一多个光学纤维中的每个光学纤维的第一端部被耦合至该多个投影光源中的一个投影光源；多个衍射光学元件，其中该多个衍射光学元件中的每个衍射光学元件都被耦合至该第一多个光学纤维中的一个光学纤维的第二端部；多个照明光源，其包括不同于多个投影光源的光源；第二多个光学纤维，其中该第二多个光学纤维中的每个光学纤维的第一端部被耦合至该多个照明光源中的一个照明光源；多个照明光学器件，其中该多个照明光学器件中的每个照明光学器件都被耦合至该第二多个光学纤维中的一个光学纤维的第二端部；以及图像捕获装置，其中该多个衍射光学元件和多个照明光学器件围绕该图像捕获装置的中心光轴成环形布置。
在另一实施例中，一种距离传感器包括：布置在电路板上的多个垂直腔面发射激光器；多个渐变折射率透镜；其中该多个渐变折射率透镜中的每个渐变折射率透镜都被定位成使由该多个垂直腔面发射激光器中的一个垂直腔面发射激光器产生的光射束准直；多个衍射光学元件，其中该多个衍射光学元件中的每个衍射光学元件都被定位成将由该多个渐变折射率透镜中的一个渐变折射率透镜准直的射束分离成在不同方向上行进的多个射束；以及多个鲍威尔棱镜（Powell lens），其中该多个鲍威尔棱镜中的每个鲍威尔棱镜都被定位成根据由该多个衍射光学元件中的一个衍射光学元件生成的多个射束来生成投影图样。
附图说明
可以通过结合附图来考虑下面的详细描述来容易地理解本公开的教导，在附图中：
图1A图示本公开的距离传感器的第一实施例的横截面视图；
图1B图示图1A的距离传感器的俯视图；
图2图示图1A和1B的距离传感器的示例视场；
图3A图示本公开内容的距离传感器的第二实施例的横截面视图；
图3B图示图3A的距离传感器的俯视图；
图4图示用于计算从传感器到空间中的对象或点的距离的方法的流程图；
图5图示可通过其来计算从传感器到对象或点的距离的三角测量技术；
图6A图示本公开内容的距离传感器的第三实施例的横截面视图；
图6B图示图6A的距离传感器的俯视图；
图7图示可由图6的距离传感器生成的第一示例投影图样；
图8图示可由图6的距离传感器生成的第二示例投影图样；
图9描绘本公开内容的距离传感器的第四实施例的一部分；以及
图10描绘适合于在执行本文中描述的功能中使用的通用计算机的高级框图。
为了促进理解，在可能的情况下已经使用相同的参考数字来标出各图中共同的相同元件。
具体实施方式
在一个实施例中，本公开涉及一种距离传感器。可在无人驾驶交通工具中使用距离传感器，以便帮助计算机视觉系统确定从该交通工具到周围环境中的特定对象或点的距离。例如，距离传感器可将一个或多个光射束投射到该对象或点上并且然后根据飞行时间（TOF）、对反射的光的分析（例如激光雷达）或其他装置来计算距离。然而，这种类型的常规距离传感器往往体积大，并且因此可能不适合于在紧凑交通工具中使用。此外，该传感器可能制造起来是非常昂贵的并往往具有有限的视场。例如，即使使用多个常规成像传感器的布置也提供小于360度的视场。
本公开的实施例提供一种制造上经济的紧凑距离传感器，其包括很少移动部件或没有移动部件，并且可以在高达360度的视场中测量距离。在一个实施例中，该传感器使用一组射束分离装置（诸如光学纤维和衍射光学元件（DOE）阵列）来在广角透镜周围生成多个投影点。该多个投影点中的每一个都将多个射束发射到视场中。从射束的外观来说，传感器可以在180度半球视场中测量距离。通过背靠背地安装两个此类传感器，可以在360度视场中测量距离。DOE使得有可能将由单个光源（例如激光器）生成的射束分离成被投射在视场中对象或点上的多个投影射束。然而，在其他实施例中，通过DOE来使由多个光源发射的射束分离。然后可以在投影和来自多个投影的图像捕获的一个循环中计算从传感器到该对象或点的距离。能测量到360度视场中的距离的紧凑传感器可以为包括无人驾驶交通工具导航、内窥镜检查的应用和其他应用提供有意义的数据。
图1A和1B图示本公开的距离传感器100的第一实施例。特别地，图1A图示距离传感器100的横截面视图，而图1B图示图1A的距离传感器100的俯视图。距离传感器100可被安装到例如无人驾驶交通工具，或者可被用作内窥镜的一部分。
如图1A中所图示的，该距离传感器100包括以紧凑配置布置的多个部件。该部件包括至少一个光源104，第一射束分离装置（在下文中被称为第一衍射光学元件106）、多个光引导装置（诸如光学纤维1021-102n（在下文中被统称为“光学纤维102”））、第二射束分离装置阵列（在下文中被称为第二衍射光学元件1081-108n（并且在下文中被统称为“第二衍射光学元件108”））、以及包括广角透镜112的成像传感器110。
基本上围绕中心轴A-A’对称地布置该部件。在一个实施例中，中心轴A-A’与成像传感器110的光轴相一致。在一个实施例中，该光源104被定位在中心轴A-A’的第一端部处。在一个实施例中，该光源104是沿着中心轴A-A’发射单个光射束的激光器光源。在下文中，由光源104发射的单个射束也可被称为“主射束”。在一个实施例中，该光源104发射已知对人类视觉来说相对安全的波长的光（例如红外线）。在另一实施例中，该光源104可以包括用来调整其输出的强度的电路。在另一实施例中，该光源104可以以脉冲形式发射光，以便减轻环境光对图像捕获的影响。
该第一衍射光学元件（DOE）106被定位成沿着中心轴A-A’接近光源104（例如相对于由光源104发射的光所传播的方向，在光源104的“前面”）。特别地，该第一DOE 106被定位成拦截由光源104发射的单个光射束并且将单个射束或主射束分离成多个二次射束。该第一DOE 106是能够将主射束分离成多个二次射束（其在不同方向上从该主射束偏离）的任何光学部件。例如，在一个实施例中，该第一DOE 106可包括圆锥形反射镜、全息胶片、微透镜或线发生器（例如鲍威尔棱镜）。在这种情况下，以圆锥形状来布置该多个二次射束。在另一些实施例中，可通过装置而不是衍射来使该主射束分离。
该光学纤维102中的每一个都在一个端部处被耦合至第一DOE 106并且在另一端部处被耦合至第二DOE 108的阵列中的各DOE 108之一。以这种方式，各光学纤维102中的每一个都被定位成将由第一DOE 106产生的二次射束中的至少一个载送到第二DOE 108的阵列中的各DOE 108之一。
第二DOE 108的阵列被定位成沿着中心轴A-A’接近第一DOE 106（例如相对于由光源104发射的光所传播的方向，在第一DOE 106的“前面”）。特别地，该第二DOE 108的阵列被定位成使得第一DOE 106被定位在光源104和第二DOE 108的阵列之间。如在图1B中更清楚图示的，在一个实施例中，第二DOE 108布置成环形阵列，其中中心轴A-A’通过环的中心并且在该环周围以规则间隔将该第二DOE 108隔开。例如，在一个实施例中，在该环周围以近似三十度将该第二DOE 108隔开。在一个实施例中，相对于由光源104发射的光所传播的方向，第二DOE 108的阵列被定位在成像传感器110的主点“后面”（即光轴A—A’与像平面相交处的点）。
每个第二DOE 108都被定位成从第一DOE 106接收由各光学纤维102之一传递的二次射束之一并且将该二次射束分离成以径向方式远离第二DOE 108指引的多个（例如两个或更多个）三次射束。因此，每个第二DOE 108都限定从其将一组投影射束（或三次射束）发射到视场中的传感器100的投影点。在一个实施例中，多个三次射束中的每一个相应地成扇形散开以覆盖近似一百度的范围。第二DOE 108是能够将相应的二次射束分离成多个三次射束（其在不同方向上从该二次射束偏离）的任何光学部件。例如，在一个实施例中，每一个第二DOE 108可包括圆锥形反射镜、全息胶片、微透镜或线发生器（例如鲍威尔棱镜）。然而，在其他实施例中，通过装置而不是衍射来使该二次射束分离。
在一个实施例中，以扇形或径向图样来布置每多个三次射束，在各射束中的每一个之间具有相等的角度。在一个实施例中，各第二DOE 108中的每一个都被配置成投射在表面上创建不同视觉图样的三次射束。例如，一个第二DOE 108可投射圆点图样，而另一第二DOE 108可以投射线或x图样。
成像传感器110被定位成沿着中心轴A’A’，在第二DOE 108的阵列的中间（例如相对于由光源104发射的光所传播的方向，至少部分在第二DOE 108的阵列的“前面”）。在一个实施例中，该成像传感器110是图像捕获装置，诸如静止或视频相机。如上文所讨论的，该成像传感器110包括创建半球视场的广角透镜112，诸如鱼眼透镜。在一个实施例中，该成像传感器110包括用于计算从距离传感器110到对象或点的距离的电路。在另一实施例中，该成像传感器包括用于通过网络将所捕获的图像传达给处理器的网络接口，在这里处理器计算从距离传感器100到对象或点的距离并且然后将所计算的距离传达返回给距离传感器100。
因此，在一个实施例中，该距离传感器100使用单个光源（例如光源104）来产生从其来发射各组投影射束（例如包括圆点图样或线图样）的多个投影点。可以从视场中投影射束的外观来计算从距离传感器100到对象的距离（如下面更详细讨论的）。特别地，第一和第二DOE的使用使得有可能从由光源发射的单个光射束在透镜周围生成多个投影点。这加上用来将光从第一DOE传递到第二DOE的光学纤维102的使用允许距离传感器100当在宽视场内测量距离的同时保持相对紧凑的形状因子。该成像传感器110和光源104还可以被安装在同一面中以便使设计更紧凑；然而，在一个实施例中，第二DOE 1081-108n被定位在成像传感器110的主点后面以便增加可以被投影射束覆盖的视场（例如以使得该视场的深度角更靠近全180度，或者在某些情况下甚至更大）。
此外，因为第二DOE 108中的每一个都投射不同图样的三次射束，所以成像传感器中的电路可以容易地确定所捕获的图像中的哪些射束是由第二DOE 108中的哪些创建的。如在下面更详细讨论的，这便利于距离计算。
图2图示图1A和1B的距离传感器100的示例视场200。在图2中，还以分解视图图示距离传感器100的某些部件。如所示，视场200基本上是半球形形状。此外，由距离传感器100产生的多个三次光射束将光图样投射在“虚拟”半球上。该图样由所图示的一系列同心圆来表示，在这里每个三次射束都会遇到半球。该圆被描绘为随着离距离传感器100的距离的增加而在尺寸上逐渐减小，以便示出由三次射束创建的图样如何在视觉上由于对象距离而改变。
如图2中所示，距离传感器100的视场覆盖近似180度。在一个实施例中，可以通过背靠背地安装两个距离传感器将该视场扩展到近似360度，例如以使得它们各自的光源在分隔开近似180度的两个不同方向上发射主射束。
尽管传感器100被图示为包括仅单个光源104（这减少传感器100中部件的总数），但是在备选实施例中，该传感器可包括多个光源。例如，图3A和3B图示本公开内容的距离传感器300的第二实施例。特别地，图3A图示距离传感器300的横截面视图，而图3B图示图3A的距离传感器300的俯视图。该距离传感器300例如可被安装到无人驾驶交通工具，或者可被用作内窥镜的一部分。
如在图3A中所图示的，距离传感器300包括以紧凑配置布置的多个部件。该部件包括多个光源3041-304m（在下文中被统称为“光源304”），第一射束分离装置（在下文中被称为第一衍射光学元件306）、多个光引导装置（诸如光学纤维3021-3022（在下文中被统称为“光学纤维302”））、第二射束分离装置阵列（在下文中被称为第二衍射光学元件3081-308n（并且在下文中被统称为“第二衍射光学元件308”））、以及包括广角透镜312的成像传感器310。
基本上围绕中心轴A-A’对称地布置该部件。在一个实施例中，中心轴A-A’与成像传感器310的光轴相一致。在一个实施例中，该光源304被定位在中心轴A-A’的第一端部处。在一个实施例中，该光源304包括多个激光光源，每一个都沿着中心轴A-A’发射单个光射束。在下文中，由各光源304之一发射的单个射束也可被称为“主射束”。该光源304可包括两种或更多种不同类型的光源，诸如发射不同波长的光的两个或更多个激光光源。在一个实施例中，该光源304中的每一个都发射已知对人类视觉来说相对安全的波长的光（例如红外线）。在另一实施例中，该光源304中的一个或多个可以包括用来调整其输出的强度的电路。在另一实施例中，该光源104中的一个或多个可以以脉冲形式发射光，以便减轻环境光对图像捕获的影响。
该第一衍射光学元件（DOE）306被定位成沿着中心轴A-A’接近光源304（例如相对于由光源304发射的光所传播的方向，在光源304的“前面”）。特别地，该第一DOE 306被定位成拦截由各光源304之一发射的单个光射束并且将单个射束或主射束分离成多个二次射束。该第一DOE 306是能够将主射束分离成多个二次射束（其在不同方向上从该主射束偏离）的任何光学部件。例如，在一个实施例中，该第一DOE 306可包括圆锥形反射镜、全息胶片、微透镜或线发生器（例如鲍威尔棱镜）。在这种情况下，以圆锥形状来布置该多个二次射束。在另一些实施例中，可通过装置而不是衍射来使该主射束分离。
该光学纤维302中的每一个都在一个端部处被耦合至第一DOE 106并且在另一端部处被耦合至第二DOE 308的阵列中的各DOE 308之一。以这种方式，各光学纤维302中的每一个都被定位成将由第一DOE 306产生的二次射束中的至少一个载送到第二DOE 308的阵列中的各DOE 308之一。
第二DOE 308的阵列被定位成沿着中心轴A-A’接近第一DOE 306（例如相对于由光源304发射的光所传播的方向，在第一DOE 306的“前面”）。特别地，该第二DOE 308的阵列被定位成使得第一DOE 306被定位在光源304和第二DOE 308的阵列之间。如在图3B中更清楚图示的，在一个实施例中，第二DOE 308布置成环形阵列，其中中心轴A-A’通过环的中心并且在该环周围以规则间隔将该第二DOE 308隔开。例如，在一个实施例中，在该环周围以近似三十度将该第二DOE 308隔开。在一个实施例中，相对于由光源304发射的光所传播的方向，第二DOE 308的阵列被定位在成像传感器310的主点“后面”（即光轴A—A’与像平面相交处的点）。
每个第二DOE 308都被定位成从第一DOE 306接收由各光学纤维302之一传递的二次射束之一并且将该二次射束分离成以径向方式远离第二DOE 308指引的多个（例如两个或更多个）三次射束。因此，每个第二DOE 308都限定从其将一组投影射束（或三次射束）发射到视场中的传感器300的投影点。在一个实施例中，多个三次射束中的每一个相应地成扇形散开以覆盖近似一百度的范围。第二DOE 308是能够将相应的二次射束分离成多个三次射束（其在不同方向上从该二次射束偏离）的任何光学部件。例如，在一个实施例中，每一个第二DOE 308可包括圆锥形反射镜、全息胶片、微透镜或线发生器（例如鲍威尔棱镜）。然而，在其他实施例中，通过装置而不是衍射来使该二次射束分离。
在一个实施例中，以扇形或径向图样来布置每多个三次射束，在各射束中的每一个之间具有相等的角度。在一个实施例中，各第二DOE 308中的每一个都被配置成投射在表面上创建不同视觉图样的三次射束。例如，一个第二DOE 308可投射圆点图样，而另一第二DOE 308可以投射线或x图样。
成像传感器310被定位成沿着中心轴A’A’，在第二DOE 308的阵列的中间（例如相对于由光源304发射的光所传播的方向，至少部分在第二DOE 308的阵列的“前面”）。在一个实施例中，该成像传感器310是图像捕获装置，诸如静止或视频相机。如上文所讨论的，该成像传感器310包括创建半球视场的广角透镜312，诸如鱼眼透镜。在一个实施例中，该成像传感器310包括用于计算从距离传感器300到对象或点的距离的电路。在另一实施例中，该成像传感器包括用于通过网络将所捕获的图像传达给处理器的网络接口，在这里处理器计算从距离传感器300到对象或点的距离并且然后将所计算的距离传达返回给距离传感器300。
图4图示用于计算从传感器到空间中的对象或点的距离的方法400的流程图。在一个实施例中，可由集成在成像传感器中的处理器（诸如图1A中图示的成像传感器110或图3A中图示的成像传感器310）或者如在图10中图示并且在下文所讨论的通用计算设备来执行该方法400。
方法400在步骤402中开始。在步骤404中，激活光源以生成光的主射束。在一个实施例中，由单个光源来生成单个主射束；然而，在其他实施例中，由多个光源来生成多个主射束。在一个实施例中，一个光源或多个光源包括激光器光源。
在可选步骤406中，使用定位在该主射束沿着其传播的路径中的第一射束分离装置（例如衍射光学元件）来将该主射束分离成多个二次射束。该第一射束分离装置可以是例如圆锥反射镜。例如，当距离传感器（成像传感器是其一部分）包括仅单个光源时执行步骤406。
在步骤408中，使用射束分离装置阵列中的第二射束分离装置（例如第二衍射光学元件）将多个二次射束中的每个射束分离成多个投影或三次射束。在一个实施例中，多个第二射束分离装置定位成环形，以使得每个第二射束分离装置都被定位在二次射束之一沿其传播的路径中。在一个实施例中，第二射束分离装置中的至少一些是圆锥反射镜。在其中距离传感器包括多个光源中的一个实施例中，该方法400可直接从步骤404进行到步骤408。在这种情况下，（使用多个光源生成的）该多个主射束中的每一个主射束都被第二射束分离装置之一直接分离成多个投影射束。
在步骤410中，捕获该对象或点的至少一个图像。该图像包括被投射到该对象或点上以及周围空间上的图样。通过将一系列圆点、线或其他形状投射到该对象、点或周围空间上的各投影射束中的每一个来创建图样。
在步骤412中，使用来自在步骤410中捕获的图像的信息来计算从传感器到该对象或点的距离。在一个实施例中，使用三角测量技术来计算该距离。例如，由传感器投射的各图样的各部分之间的位置关系可以被用作用于计算的基础。
该方法400在步骤414中结束。因此，结合在图1A-1B中或图3中描绘的传感器的方法400可以在图像捕获和计算的单个循环中测量从传感器到空间中的对象或点的距离。
图5例如图示三角测量技术，在步骤412中可通过该三角测量技术计算从传感器到对象或点的距离。特别地，图5图示图1的示例成像传感器110以及可用两个第二衍射光学元件1081和1082限定的两个投影点。该各投影点与成像传感器110隔开相等的距离x，以使得在两个投影点之间存在距离s（例如x = s/2）。各投影点中的每一个发射相应的投影射束5001和5002，其被入射在对象上以创建图样中的相应点5021和5022（例如圆点或线）。通过成像传感器110来检测这些点5021和5022并且它们可被用来如下计算成像传感器110和对象之间的距离D：
D = s/(-tanα2 + tanα1 + tanθ2 + tanθ1) （等式1）
在这里α2是在第二衍射光学元件1082的中心轴c2和投影射束5002之间形成的角，α1是在第二衍射光学元件1081的中心轴c1和投影射束5001之间形成的角，θ2是在成像传感器110的中心光轴O和成像传感器110以其来感知由投影射束5002创建的点5022的角之间形成的角，并且θ1是在成像传感器110的中心光轴O和成像传感器110以其来感知由投影射束5001创建的点5021的角之间形成的角。
从下面的关系式来导出等式1：
D* tanα1 + D * tanθ1 = x （等式2）
D* tanα2 + D * tanθ2 = s-x （等式3）
等式2和3允许计算从投影图样（包括例如圆点图样）的源到将投影图样投射到其上的对象的距离。当用不同投影点在该源周围发射各光点时，基于形成投影图样的各光点（例如圆点）之间的位置关系来计算该距离。在该实施例中，各光点之间的位置关系是先验已知的（即不被测量而作为计算的一部分）。
如上文所讨论的，本公开内容的距离传感器可能非常适合的一个应用是内窥镜检查，这归因于其紧凑的尺寸以及测量高达360度视场中的距离的能力。例如，图6A和6B图示本公开内容的距离传感器600的第三实施例。特别地，图6A图示距离传感器600的横截面视图，而图6B图示图6A的距离传感器600的俯视图。该距离传感器600可能适合于用作内窥镜的一部分。
如在图6A中所图示的，距离传感器600包括以紧凑配置布置的多个部件。该部件包括多个照明光源（在下文中被统称为“照明光源602”，其中的一个照明光源6021在图6A中可见）、多个投影光源（在下文中被统称为“投影光源604”， 其中的一个投影光源6041在图6A中可见）、多个光引导装置（诸如光学纤维（在下文中被统称为“光学纤维606”，其中的两个光学纤维6061和6066在图6A中可见））、多个射束分离装置（在下文中被称为衍射光学元件（在下文中被统称为“DOE 608”，其中的一个DOE 6081在图6A中可见））、多个准直透镜（诸如渐变折射率（GRIN）透镜，在下文中被统称为“GRIN 透镜616”，其中的一个GRIN透镜6161在图6A中可见）、多个鲍威尔棱镜6141-6143（在下文中被统称为“鲍威尔棱镜614”）、多个照明光学器件组件6181-6183（在下文中被统称为“照明光学器件组件618”）、以及包括广角透镜612的成像传感器610。
基本上围绕中心轴A-A’对称地布置该部件。在一个实施例中，中心轴A-A’与成像传感器610的光轴相一致。在一个实施例中，该照明光源602和投影光源604被定位在中心轴A-A’的第一端部处。在一个实施例中，该照明光源602包括多个发光二极管（LED），每一个都在基本上平行于中心轴A-A’的方向上发射照明。
在一个实施例中，该投影光源604包括多个激光光源（诸如垂直腔面发射激光器），每一个都在基本上平行于中心轴A-A’的方向上发射单个光射束。在下文中，由各投影光源604之一发射的单个射束也可被称为“主射束”。在一个实施例中，该投影光源604中的每一个都发射已知对人类视觉来说相对安全的波长的光（例如红外线）。在另一实施例中，该投影光源604可以包括用来调整它们的输出的强度的电路。在另一实施例中，该投影光源604中的一个或多个可以以脉冲形式发射光，以便减轻环境光对图像捕获的影响。
经由光学纤维606的第一子集将该照明光源602连接至照明光学器件组件618。该照明光学器件组件618可包括透镜、衍射元件或帮助将由照明光源602生成的照明指引到适当方向上的其他部件。在一个实施例中，该照明光学器件组件618被定位成沿着中心轴A-A’接近照明光源602（例如相对于由照明光源602发射的光所传播的方向，在照明光源602的“前面”）。如在图6B中更清楚图示地，在一个实施例中，照明光学器件组件618布置成环形阵列，其中中心轴A-A’通过环的中心并且在该环周围以规则间隔将该照明光学器件组件618隔开，例如与鲍威尔棱镜614交替。例如，在一个实施例中，在该环周围以近似120度将该第二DOE 308隔开。在一个实施例中，相对于由照明光源602发射的光所传播的方向，该照明光学器件组件618被定位在成像传感器610的主点“后面”（即光轴A—A’与像平面相交处的点）。
经由光学纤维606的第二子集将该投影光源604连接至GRIN透镜616。在一个实施例中，该GRIN透镜616被定位成沿着中心轴A-A’接近投影光源604（例如相对于由投影光源604发射的光所传播的方向，在投影光源604的“前面”）。每个GRIN透镜616都被耦合至各DOE608之一，其进而被耦合至各鲍威尔棱镜614之一。每组GRIN 透镜616、DOE 608和鲍威尔棱镜614一起经由光学纤维606接收由投影光源604之一发射的单个光射束并且将单个射束或主射束分离成多个二次射束。该DOE 608可以是能够将主射束分离成多个二次射束（其在不同方向上从该主射束偏离）的任何光学部件。例如，在一个实施例中，该DOE 608可包括圆锥形反射镜、全息胶片、微透镜或线发生器。在另一些实施例中，可通过装置而不是衍射来使该主射束分离。
如在图6B中所图示的，传感器600可包括三个组，每个组都具有：（1）照明光源602、光学纤维606、和照明光学器件618（下文中的“照明组件”）；以及（2）投影光源604、光学纤维606、GRIN透镜616、DOE 608、和鲍威尔棱镜614（下文中的“投影组件”）。该照明组件和投影组件可以以交替方式围绕中心轴A-A’布置，以使得每个照明组件与下一照明组件间隔开近似120度，并且每个投影组件与下一投影组件间隔开近似120度。然而，在另一些实施例中，可使用不同数目的照明组件和投影组件。此外，照明组件和投影组件之间的间隔可改变。
成像传感器610被定位成沿着中心轴A’A’，在照明组件和投影组件的环的中间（例如相对于由照明组件和投影组件发射的光所传播的方向，至少部分在照明组件和投影组件的“前面”）。在一个实施例中，该成像传感器610是图像捕获装置，诸如静止或视频相机。如上文所讨论的，该成像传感器610包括创建半球视场的广角透镜612，诸如鱼眼透镜。在一个实施例中，该成像传感器610包括用于计算从距离传感器600到对象或点的距离的电路。在另一实施例中，该成像传感器包括用于通过网络将所捕获的图像传达给处理器的网络接口，在这里处理器计算从距离传感器600到对象或点的距离并且然后将所计算的距离传达返回给距离传感器600。
如上文所讨论的，该距离传感器600可能尤其非常适合于内窥镜检查应用，这归因于其发射照明辐射和投影图样二者的能力。图7图示可由图6的距离传感器600生成的第一示例投影图样。如所图示的，该投影图样包括多组平行线（例如，在这里距离传感器600的每个投影组件都投射一组平行线）。这些平行线组的平面在中心轴A-A’附近相交。
图8图示可由图6的距离传感器600生成的第二示例投影图样。如所图示的，该投影图样包括多组平行线（例如，在这里距离传感器600的每个投影组件都投射一组平行线）。这些平行线组的平面可相交以形成其中心位于中心轴A-A’附近的三角形状。
图9描绘本公开内容的距离传感器的第四实施例的一部分。特别地，图9图示距离传感器的光学单元900，其可被用来投射用于通过成像传感器（未被示出）的检测的图样。多个类似配置的光学单元可被布置在共用电路板上以将多个投影图样投射在视场中。
如图9中所图示的，该光学单元900包括以紧凑配置布置的多个部件。该部件包括电路板902、光源904、光引导装置（诸如准直透镜906）、射束分离装置（在下文中被称为衍射光学元件（DOE）908）、以及线发生器910。
该部件关于中心轴A-A’基本上对称地布置在电路板902上。在一个实施例中，该中心轴A-A’与该距离传感器的成像传感器的光轴相一致。该光源904可被直接定位在电路板902上，并且在一个实施例中，该光源904被定位在中心轴A-A’的第一端部处。在一个实施例中，该光源904是沿着中心轴A-A’发射单个光射束的激光光源，诸如VCSEL。在下文中，由光源904发射的单个射束也可被称为“主射束”。在一个实施例中，该光源904发射已知对人类视觉来说相对安全的波长的光（例如红外线）。在另一实施例中，该光源904可以包括用来调整其输出的强度的电路。在另一实施例中，该光源904可以以脉冲形式发射光，以便减轻环境光对图像捕获的影响。
准直透镜906被定位成沿着中心轴A-A’接近光源904（例如相对于由光源904发射的光所传播的方向，在光源904的“前面”）。特别地，该准直透镜106被定位成拦截由光源904发射的单个光射束并且将单个射束或主射束聚焦在DOE 908上。
该DOE 908被定位成沿着中心轴A-A’接近光源904（例如相对于由光源904发射的光所传播的方向，在光源904的“前面”）。特别地，该DOE 908被定位成拦截由准直透镜906聚焦的单个光射束并且将单个射束或主射束分离成多个二次射束。该DOE 908是能够将主射束分离成多个二次射束（其在不同方向上从该主射束偏离）的任何光学部件。例如，在一个实施例中，该DOE 908可包括圆锥形反射镜、全息胶片或微透镜。在这种情况下，以圆锥形状来布置该多个二次射束。在另一些实施例中，可通过装置而不是衍射来使该主射束分离。
该线发生器910被定位成沿着中心轴A-A’接近光源904（例如相对于由光源904发射的光所传播的方向，在光源904的“前面”）。特别地，该线发生器910被定位成拦截由DOE908产生多个二次射束并且将该二次射束进一步分离成多个三次射束。在一个实施例中，该线发生器910是鲍威尔棱镜。
因为可以在没有光学纤维的情况下制造光学单元900，所以它可以在非常小的尺度上制造以便在紧凑距离传感器中使用。
图10描绘适合于在执行本文所述的功能中使用的通用计算机的高级框图。如在图10中所描绘的，系统1000包括一个或多个硬件处理器元件1002（例如中央处理单元（CPU）、微处理器、或多核处理器）、存储器1004（例如随机存取存储器（RAM）和/或只读存储器（ROM））、用于计算距离的模块1005、和各种输入/输出装置1006（例如存储装置，包括但不限于磁带驱动器、软盘驱动器、硬盘驱动器或光盘驱动器、接收器、发射器、透镜和光学器件、输出端口、输入端口和用户输入装置（诸如键盘、键区、鼠标、麦克风等等））。尽管示出了仅一个处理器元件，但是应该指出通用计算机可采用多个处理器元件。此外，尽管在图中示出了仅一个通用计算机，但是如果对于特定说明性示例以分布式或并行方式来实施如上文所讨论的（一个或多个）方法（即跨多个通用计算机或并行通用计算机来实施（一个或多个）上述方法或（一个或多个）整个方法的步骤），则意图使该图的通用计算机代表这些多个通用计算机中的每一个。此外，一个或多个硬件处理器可以被利用来支持虚拟化或共享的计算环境。该虚拟化计算环境可支持代表计算机、服务器或其他计算设备的一个或多个虚拟机。在此类虚拟化虚拟机中，诸如硬件处理器和计算机可读存储装置之类的硬件部件可被虚拟化或在逻辑上表示。
应该指出，可以以软件和/或软件和硬件的组合的方式来实施本公开，例如使用专用集成电路（ASIC）、可编程逻辑阵列（PLA）（包括现场可编程门阵列（FPGA）、或部署在硬件设备、通用计算机或任何其他硬件等同物上的状态机，例如关于上文讨论的（一个或多个）方法的计算机可读指令可以被用来配置硬件处理器以执行上文公开的方法的步骤、功能和/或操作。在一个实施例中，针对用于计算距离的本模块或过程1005的指令和数据（例如包括计算机可执行指令的软件程序）可以被加载到存储器1004中并且由硬件处理器元件1002来执行以实施如上文结合示例方法400讨论的步骤、功能或操作。此外，当硬件处理器执行指令来实行“操作”时，这可以包括直接实行操作和/或促进、指引另一硬件装置或部件（例如协处理器等等）或与之合作以实行操作的硬件处理器。
执行与上文描述的（一个或多个）方法有关的计算机可读或软件指令的处理器可以被认为是编程的处理器或专用处理器。照此，用于计算本公开的距离（包括相关联的数据结构）的本模块1005可以被存储在有形或物理（概括为非瞬时）计算机可读存储装置或介质（例如易失性存储器、非易失性存储器、ROM存储器、RAM存储器、磁性或光学驱动器、装置或磁盘等等）上。更具体地，该计算机可读存储装置可包括提供存储信息（诸如被处理器或计算装置（诸如计算机或应用程序服务器）访问的数据和/或指令）的能力的任何物理装置。
尽管已经在上文描述了各种实施例，但是应该理解已经仅通过示例的方式提出各种实施例，并且不作为限制。因此，不应该通过上述示例性实施例中的任一个来限制优选实施例的广度和范围，而是应该仅根据以下权利要求以及它们的等同物来限定优选实施例的广度和范围。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种设备，包括：
投影光源；
第一光引导装置，其被定位成引导由该投影光源发射的光；
衍射光学元件，其被定位成将由该第一光引导装置引导的光分离成在不同方向上行进的多个投影射束；
图像捕获装置，其被定位成捕获视场中的图像，包括由多个投影射束在视场中对象上的入射创建的投影图样；
照明光源，其包括不同于投影光源的光源；
第二光引导装置，其被定位成引导由投影光源发射的光；以及
照明光学器件，其被定位成将来自第二光引导装置的光指引到视场中，其中该照明光学器件包括多个照明光学器件，该衍射光学元件包括多个衍射光学元件，并且该多个照明光学器件和多个衍射光学元件以交替模式围绕图像捕获装置的中心光轴布置成环形配置。
2.根据权利要求1所述的设备，其中该投影光源包括单个激光光源。
3.根据权利要求1所述的设备，其中该投影光源包括多个激光光源。
4.根据权利要求3所述的设备，其中该多个激光光源包括至少两种不同类型的激光光源。
5.根据权利要求1所述的设备，其中该第一光引导装置包括多个光学纤维。
6.根据权利要求5所述的设备，其中该衍射光学元件包括多个衍射光学元件，并且其中该多个光学纤维中的每个光学纤维都被耦合至多个衍射光学元件中的一个衍射光学元件。
7.根据权利要求6所述的设备，进一步包括：
附加的衍射光学元件，其与该多个衍射光学元件分离，将投影光源耦合至多个光学纤维。
8.根据权利要求6所述的设备，其中该多个衍射光学元件围绕图像捕获装置的中心光轴布置成环形。
9.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：
准直透镜，其被定位在第一光引导装置和衍射光学元件之间；以及
线发生器，其中该线发生器被定位成使得衍射光学元件位于准直透镜和线发生器之间。
10.根据权利要求9所述的设备，其中该线发生器是鲍威尔棱镜。
11.根据权利要求9所述的设备，其中该准直透镜是渐变折射率透镜。
12.根据权利要求1所述的设备，其中该投影光源包括布置在电路板上的多个垂直腔面发射激光器。
13.根据权利要求12所述的设备，其中该光引导装置包括定位在投影光源和衍射光学元件之间的准直透镜。
14.根据权利要求13所述的设备，其中该准直透镜是渐变折射率透镜。
15.一种设备，包括：
投影光源；其中该投影光源包括布置在电路板上的多个垂直腔面发射激光器；
第一光引导装置，其被定位成引导由该投影光源发射的光；其中该第一光引导装置包括定位在投影光源和衍射光学元件之间的准直透镜；
衍射光学元件，其被定位成将由该第一光引导装置引导的光分离成在不同方向上行进的多个投影射束；
线发生器，其中该线发生器被定位成使得衍射光学元件位于准直透镜和线发生器之间；以及
图像捕获装置，其被定位成捕获视场的图像，包括由多个投影射束在视场中对象上的入射创建的投影图样。
16.根据权利要求15所述的设备，其中该线发生器是鲍威尔棱镜。
17.一种设备，包括：
多个投影光源；
第一多个光学纤维，其中该第一多个光学纤维中的每个光学纤维的第一端部被耦合至该多个投影光源中的一个投影光源；
多个衍射光学元件，其中该多个衍射光学元件中的每个衍射光学元件都被耦合至该第一多个光学纤维中的一个光学纤维的第二端部；
多个照明光源，其包括不同于多个投影光源的光源；
第二多个光学纤维，其中该第二多个光学纤维中的每个光学纤维的第一端部被耦合至该多个照明光源中的一个照明光源；
多个照明光学器件，其中该多个照明光学器件中的每个照明光学器件都被耦合至该第二多个光学纤维中的一个光学纤维的第二端部；以及
图像捕获装置，其中该多个衍射光学元件和多个照明光学器件围绕图像捕获装置的中心光轴以环来布置。
18.一种设备，包括：
布置在电路板上的多个垂直腔面发射激光器；
多个渐变折射率透镜，其中该多个渐变折射率透镜中的每个渐变折射率透镜都被定位成使由该多个垂直腔面发射激光器中的一个垂直腔面发射激光器产生的光射束准直；
多个衍射光学元件，其中该多个衍射光学元件中的每个衍射光学元件都被定位成将由该多个渐变折射率透镜中的一个渐变折射率透镜准直的射束分离成在不同方向上行进的多个射束；以及
多个鲍威尔棱镜，其中该多个鲍威尔棱镜中的每个鲍威尔棱镜都被定位成根据由该多个衍射光学元件中的一个衍射光学元件生成的多个射束来生成投影图样。

Claims (20)

1.一种设备，包括：
投影光源；
第一光引导装置，其被定位成引导由该投影光源发射的光；
衍射光学元件，其被定位成将由该第一光引导装置引导的光分离成在不同方向上行进的多个投影射束；以及
图像捕获装置，其被定位成捕获视场中的图像，包括由多个投影射束在视场中对象上的入射创建的投影图样。
2.根据权利要求1所述的设备，其中该投影光源包括单个激光光源。
3.根据权利要求1所述的设备，其中该投影光源包括多个激光光源。
4.根据权利要求3所述的设备，其中该多个激光光源包括至少两种不同类型的激光光源。
5.根据权利要求1所述的设备，其中该第一光引导装置包括多个光学纤维。
6.根据权利要求5所述的设备，其中该衍射光学元件包括多个衍射光学元件，并且其中该多个光学纤维中的每个光学纤维都被耦合至多个衍射光学元件中的一个衍射光学元件。
7.根据权利要求6所述的设备，进一步包括：
附加的衍射光学元件，其与该多个衍射光学元件分离，将投影光源耦合至多个光学纤维。
8.根据权利要求6所述的设备，其中该多个衍射光学元件围绕图像捕获装置的中心光轴布置成环形。
9.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：
照明光源，其包括不同于投影光源的光源；
第二光引导装置，其被定位成引导由投影光源发射的光；
照明光学器件，其被定位成将来自第二光引导装置的光指引到视场中。
10.根据权利要求9所述的设备，其中该照明光学器件包括多个照明光学器件，该衍射光学元件包括多个衍射光学元件，并且该多个照明光学器件和多个衍射光学元件以交替模式围绕图像捕获装置的中心光轴布置成环形配置。
11.根据权利要求9所述的设备，进一步包括：
准直透镜，其被定位在第一光引导装置和衍射光学元件之间；以及
线发生器，其中该线发生器被定位成使得衍射光学元件位于准直透镜和线发生器之间。
12.根据权利要求11所述的设备，其中该线发生器是鲍威尔棱镜。
13.根据权利要求11所述的设备，其中该准直透镜是渐变折射率透镜。
14.根据权利要求1所述的设备，其中该投影光源包括布置在电路板上的多个垂直腔面发射激光器。
15.根据权利要求14所述的设备，其中该光引导装置包括定位在投影光源和衍射光学元件之间的准直透镜。
16.根据权利要求15所述的设备，其中该准直透镜是渐变折射率透镜。
17.根据权利要求15所述的设备，进一步包括：
线发生器，其中该线发生器被定位成使得衍射光学元件位于准直透镜和线发生器之间。
18.根据权利要求17所述的设备，其中该线发生器是鲍威尔棱镜。
19.一种设备，包括：
多个投影光源；
第一多个光学纤维，其中该第一多个光学纤维中的每个光学纤维的第一端部被耦合至该多个投影光源中的一个投影光源；
多个衍射光学元件，其中该多个衍射光学元件中的每个衍射光学元件都被耦合至该第一多个光学纤维中的一个光学纤维的第二端部；
多个照明光源，其包括不同于多个投影光源的光源；
第二多个光学纤维，其中该第二多个光学纤维中的每个光学纤维的第一端部被耦合至该多个照明光源中的一个照明光源；
多个照明光学器件，其中该多个照明光学器件中的每个照明光学器件都被耦合至该第二多个光学纤维中的一个光学纤维的第二端部；以及
图像捕获装置，其中该多个衍射光学元件和多个照明光学器件围绕图像捕获装置的中心光轴成环形布置。
20.一种设备，包括：
布置在电路板上的多个垂直腔面发射激光器；
多个渐变折射率透镜，其中该多个渐变折射率透镜中的每个渐变折射率透镜都被定位成使由该多个垂直腔面发射激光器中的一个垂直腔面发射激光器产生的光射束准直；
多个衍射光学元件，其中该多个衍射光学元件中的每个衍射光学元件都被定位成将由该多个渐变折射率透镜中的一个渐变折射率透镜准直的射束分离成在不同方向上行进的多个射束；以及
多个鲍威尔棱镜，其中该多个鲍威尔棱镜中的每个鲍威尔棱镜都被定位成根据由该多个衍射光学元件中的一个衍射光学元件生成的多个射束来生成投影图样。
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