CN102985786A

CN102985786A - 投光器和用于距离测定的视觉系统

Info

Publication number: CN102985786A
Application number: CN2011800350175A
Authority: CN
Inventors: F.J.德布鲁伊恩; H.A.W.施梅茨
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2013-03-20
Also published as: US20130113927A1; RU2608690C2; WO2012007898A1; BR112013000904A2; RU2013106906A; JP6230911B2; JP2013534635A; EP2593748A1; BR112013000904A8

Abstract

一种投光器，其包括层状平面光学元件堆叠，其中该堆叠包括一组（103）被布置成提供多个光图案的平面光学元件（107-111）。该堆叠可特别地包括一组具有不透明图案的透明层，使得通过这些透明层传播的光产生光图案。这些光图案到达被布置成将这些光图案聚焦于不同的焦距处的微透镜阵列（101）。在某些情况下，可编程光学元件可被用来产生这些光图案。视觉系统可基于投射的光图案的反射来确定对象的特性。该方法特别地可提供有效且低成本的用于距离测定的投光系统。

Description

投光器和用于距离测定的视觉系统

技术领域

本发明涉及一种投光器和相关联的视觉系统，并且具体地但非排外地，涉及用于从投射光的反射检测对象的特性的方法。

背景技术

随着复杂信号处理的出现和实用性的日益增加以及可控光学元件的日益增加，已经导致光学和视觉系统变得越来越复杂并且提供越来越高级的功能性。实际上，光学系统或视觉系统被日益用来提供自动化的或辅助的功能性诸如对象检测、距离测定等。

作为一个示例，美国专利US7012750公开了一种在其中将光学图案投射在对象上并且用来聚焦摄像机的系统。该系统包含一种用于调整摄像机的聚焦直到图案在焦点上的聚焦检测装置。所公开的系统通过发送相干的激光通过微透镜阵列生成光学图案。微透镜阵列的衍射促使相干的激光产生干涉图案，并且通过相长干涉引起波峰而通过相消干涉引起波谷。US7012750公开了使用各向异性的阵列透镜以提供被投射到对象上以辅助自动聚焦的线干涉图案。

作为另一示例，已经提出的是，在不同的焦距处投射不同的图案使得在不同的距离处的对象可反射不同的图案。然而，这样的多焦点系统倾向于是相对复杂的、死板的、昂贵的以及次最优的（suboptimal）。

此外，虽然已经提出过光学图案的日益高级和复杂的应用，但是这些倾向于受到特定应用的限制或次最优地执行。

因此，改进的或增强的系统将是有利的，其中包含提供另外的功能性、应用、灵活性、便利的实施方式、减少成本和/或提供相对于现行方法改进的性能的方法。

发明内容

因此，优选地，本发明试图逐一地或以任意组合缓和、减轻或排除上述缺点中的一个或多个。

根据本发明的一方面，提供了一种包括层状光学元件的布置的投光器，堆叠包括：被布置成提供多个光图案的至少一个光学元件的组；以及微透镜阵列，其被布置成将多个光图案聚焦在不同的焦距处。

本发明可提供具有适合于许多不同应用的附加功能的投光器。具体地，本发明可提供产生能够反射对象的多焦点光学图案的低复杂性和/或低成本装置。从投射在对象上的图案可确定对象的各种特性。对微透镜阵列连同多个光学光图案的使用提供特别有效的实施方式。该投光器可提供在该离投光器不同的距离处聚焦的光学图案的特别有效的产生。

这些微透镜可被特别地布置成作为落在每个微透镜上的光的折射的结果而将光图案聚焦在不同的距离处。在许多情境下，微透镜阵列可有利地是各向同性的微透镜阵列。

在一些实施例中，该布置可特别地为对象的堆叠。

在一些实施例中，该至少一个光学元件和/或微透镜阵列可为大致平面的。

如果元件或光学层是大致平坦的，则其可被视为平面的。例如，如果与二维平面的偏差小于在二维平面中的有效区域的最大延伸的10%，则元件或层可被视为平面的。有效区域可为有助于产生的图案的有效部分的区域。该组平面光学元件可包括一个或多个光学元件。

在一些实施例中，该（平面）光学元件在某种程度上可为弯曲的。具体地，如果弯曲的元件的厚度是例如曲率半径的最大5%，则其可被视为平面。

投光器可利用在从该组平面光学元件到微透镜阵列的方向上的光辐射。

根据本发明的可选特征，该投光器包括光源，该光源被定位使得来自该光源的光通过该一组至少一个光学元件传播到该微透镜阵列；以及其中该一组至少一个光学元件包括具有对应于该多个光图案中的光图案的光衰减图案的至少一个光衰减光学元件。

这可提供在不同距离处的特别有效的、低复杂性、低成本和/或改进的光学图案的产生。在许多实施例中，该方法可允许使用低成本光源和光学元件。实际上，在一些实施例中，提供扩散光的低成本光源可与以在其上附带有不透明或半透明的例如印刷的图案的透明基底的形式的低复杂性光学元件一起使用。

第一组光学元件可被定位在光源与微透镜阵列之间。

根据本发明的可选特征，该一组至少一个光学元件包括至少一个发光元件，该至少一个发光元件被布置成发射对应于所述多个光图案中的至少一个图案的空间光图案。

在许多实施例中，这可提供增加的性能、减小的能量消耗、增加的灵活性、或便利的实施方式。例如，它可规避对将被包括的独立光源的需要。所述至少一个平面发光元件可因此不仅传播光而且可本身产生形成光图案的光。因此，所述至少一个平面发光元件可为有源地产生光的元件，且所产生的光对应于多个光图案的图案。

根据本发明的可选特征，所述至少一个平面发光元件是有机发光二极管OLED阵列。

这可提供特别有利的实施方式，其中在将成本和能量消耗保持在低水平的同时，产生准确的光学图案。此外，OLED当被用于如下情境下时可为特别有效的：除光图案外，投光器还辐射其它光，诸如例如在除用于光图案外的其它频率下的扩散光。

根据本发明的光学特征，所述一组至少一个光学元件包括多个图案化的光学元件，每个图案化的光学元件具有对应于所述多个光图案的图案的不同的固定图案。

根据本发明的可选特征，该投光器被布置成以同时辐射所述多个光图案中的至少一些。

这在许多实施例中可允许特别有效的实施方式并且可降低成本或复杂性。此外，该方法允许例如视觉检测系统能够假定图案始终是存在的。当在单个图像中分析甚至较快的快门时间时，该方法可例如允许不同的图案被考虑。

根据本发明的可选特征，该投光器被布置成以时间顺序辐射所述多个光图案中的至少一些。

这在许多实施例中可允许特别有效的实施方式并且可降低成本或复杂性和/或可提供改进的性能。它可例如规避对多个图案化的光学元件的需要。该方法可进一步特别地经得起实施方式的检验，其中这些光图案可通过动态可控的光学元件产生，因为该方法可常常允许图案灵活地产生。

根据本发明的可选特征，所述一组至少一个光学元件的至少一个光学元件是能够响应于控制信号改变光学特性的可控元件的可编程光学阵列；并且该投光器进一步包括用于产生控制信号以提供所述多个光图案中的至少一个的装置。

这在许多实施例中可提供特别有利的操作和/或实施方式。例如，它可允许图案适于特定的特性。光学特性可为发光或光衰减特性中的至少一个。

根据本发明的可选特征，所述多个的光图案是红外光图案。

这在许多情境下可为特别有利的。本发明可例如提供可由视觉系统用来推导特性而不会使用户分心或对用户不便的不可见的光学图案化。

根据本发明的可选特征，该投光器进一步包括可见光源，该可见光源被布置成通过微透镜阵列辐射可见光。

特别地，投光器连同不可见的光学光图案可提供可见光辐射，且无图案化。因此，单个投光器不仅可用来例如照亮一区域，而且也可提供可用来分析该区域的附加的图案化。特别地，可见光可为不相干的散射光。在一些实施例中，可见光可进一步透过所述一组光学层中的至少一个传播。

根据本发明的可选特征，所述多个光图案中的至少一些是相互具有不同的空间重复图案的重复图案。

这可提供对微透镜阵列的特性的非常有利的使用以提供仅是为重复图案改变空间重复距离的不同的焦距。特别地，图案可通过空间地重复在微透镜阵列的节距与确定焦距的图案片段重复的节距之间具有关系的图案片段而形成。在一些实施例中，图案片段重复的节距可有利地高于微透镜阵列的微透镜之间的节距。在一些实施例中，图案片段重复的节距可有利地低于微透镜阵列的微透镜之间的节距。

根据本发明的可选特征，投光器进一步包括投影透镜，该投影透镜位于微透镜阵列的所述一组至少一个光学元件的对面；并且其中由微透镜阵列产生的光图案中的每一个的焦面是在朝微透镜阵列的投影透镜的平面的一侧上。

这在许多实施例中可改进光发射。具体地，它可允许光学图案在一定距离处的聚焦，所述距离大于通常仅利用微透镜阵列所获得的距离。因此，它可通过将这些微透镜焦平面平移到在更远距离处的焦平面来补充微透镜阵列的聚焦。

根据本发明的可选特征，这些光图案中的至少一个被布置成提供非平面焦面和不平行于微透镜阵列的平面的焦面中的至少一个。

本发明可提供可适于特定应用和/或环境的非常灵活的焦面。该方法可改进性能和/或可允许进一步的应用。例如，光学图案中的一个或多个可被布置成产生相对于微透镜阵列的平面倾斜的焦平面。

根据本发明的一方面，提供了一种视觉检测系统，该系统包括：先前描述的投光器；接收器，其用于从摄像机接收图像；图案检测器，其被布置成对在对应于多个光图案的图像中的图案执行图案检测；以及回路，其用于响应于图案检测，确定反射来自投光器的光的对象的特性。

基于所投射的光学图案，该方法可允许对对象的特性的方便的和/或改进的确定。该图像可为视频序列的帧，并且该系统可使用多个帧来确定该特性。

根据本发明的可选特征，该特性是下列中的至少一个：对象的存在；对象的距离；对象的位置指示；对象的大小；对象的移动；以及对象的形状估计。

该方法可允许对反射从投光器所辐射的光的对象的多个特性的方便的和/或改进的确定。

本发明的这些和其它方面、特征和优点将从参考下文所描述的一个或多个实施例变得明显并且根据其解释。

附图说明

现将参考附图仅通过举例的方式来描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明的一些实施例的投光器的元件的示例的图示；

图2是根据本发明的一些实施例的用于投光器的光图案的示例的图示；

图3是根据本发明的一些实施例的投光器的元件的示例的图示；

图4是根据本发明的一些实施例的用于投光器的光图案的示例的图示；

图5是利用微透镜阵列聚焦光的概念的示例性图示；

图6是根据本发明的一些实施例的用于投光器的光图案的示例的图示；

图7是根据本发明的一些实施例的投光器的元件的示例的图示；

图8是根据本发明的一些实施例的投光器的元件的示例的图示；

图9和图10示出根据本发明的一些实施例来自投光器的光图案的投射的示例；

图11是根据本发明的一些实施例的视觉系统的元件的示例的图示；

图12是根据本发明的一些实施例的来自投光器的光图案的投射的示例的图示；

图13是根据本发明的一些实施例的投光器的元件的示例的图示；

图14是根据本发明的一些实施例的投光器的元件的示例的图示；

图15是根据本发明的一些实施例的投光器的元件的示例的图示；

图16是根据本发明的一些实施例的投光器的元件的示例的图示；以及

图17是根据本发明的一些实施例的投光器的元件的示例的图示。

具体实施方式

图1示出根据本发明一些实施例的投光器的示例的图示。

在该示例中，投光器包括元件的布置，该元件的布置具体地是层状平面光学元件的堆叠。然而，应了解，在其它实施例中，可使用例如弯曲的元件。

在该示例中，堆叠包括（在与光发射相对的方向上）：微透镜阵列101以及一组用于提供光图案的平面光学元件（自此以后还被称为图案元件或层）。因此，该一组平面光学元件对微透镜阵列101提供多个光图案，该微透镜阵列101提供光图案上的聚焦效应，使得这些光图案在不同的焦距处聚焦。

在特定示例中，投光器进一步包括内部光源105，该内部光源105在该示例中是平面光源。平面光源105可例如作为诸如LED的光源的阵列或通过平面光学元件而产生，该平面光学元件散布例如从该元件的边缘横跨该元件的表面输入的光。

内部光源105发出光，该光通过一组平面光学元件103传播到微透镜阵列101。在该示例中，内部光源105产生不相干的散射光。这在许多实施例中可为有利的，并且这与诸如激光光源的相干光源相比通常可引起大幅降低成本，因为散射光源倾向于显著较低的成本。此外，它在许多实施例中可提供更加易操控且均质的光。具体地，可基本上降低不利的干涉现象出现的灵敏度和可能性。

在该示例中，一组光学元件103被示出为包括三个元件107、109、111，该三个元件为在其上具有光衰减图案的光衰减光学元件。图案元件107、109、111特别地在透明基底上具有不透明图案。不透明区域与透明区域之间的对比度可有利地不低于10:1，并且更加有利地不低于100:1。在许多情境下，这样的方法可为特别有利的，因为它可允许低成本和容易的实施方式。例如，图1的示例的图案元件可仅作为低成本塑料的基底而产生，并且通过激光打印机已经将不透明图案印刷到该基底上。

以这种方式，该一组光学元件产生一组光图案（相当于从多个图案元件107-111形成组合图案的不同的子图案）。

光图案传播到执行聚焦效应的微透镜阵列101，使得不同的光图案相对于微透镜阵列101聚焦在不同的距离处。

在图1的示例中，微透镜阵列101是各向同性的微透镜阵列，其中所有透镜是大致相等的（例如所有的尺寸（长度、宽度、高度）可在制造公差内。通常，它们可变化小于10%）。此外，微透镜可被对称地布置在两个平面方向上，即，节距在水平和垂直方向上可为大致相同的。这样的各向同性的微透镜阵列在许多实施例中可不仅提供改进的光学特性，而且由于它们较容易制造，所以还可降低成本。在该示例中，微透镜可具有大约1mm乘1mm的大小，但应了解，这对于不同的实施例可变化。在大多数的实施例中，在0.3 mm至5 mm之间的微透镜节距倾向于是有利的。

在图1的示例中，多距离聚焦通过图案与微透镜之间的相互作用而实现。具体地，微透镜在图案上的效应受到控制以产生不同的焦距。因此，这通过设计图案而实现，使得微透镜阵列的聚焦效应对于不同的图案是不同的。

在该示例中，这具体地通过具有空间重复的图案片段的重复图案的图案来实现。具体地，图案被产生用来提供重复图案片段的阵列。图案使用与微透镜阵列101的节距相关的重复节距。

实际上，可表明，对于这样的重复图案，在微透镜阵列101的不同的透镜之间的相互作用相互配合以提供取决于空间重复（spatial repetition）的节距的焦距。因此，在图1的示例中，不同的图案元件107-111使用不同的空间重复图案。具体地，它们对于重复使用不同的节距，并且进一步地它们使用不同重复的重复片段。

图2示出可能的重复图案的示例。在该示例中，重复片段只是数字（分别为1、2和3）并且空间重复频率是不同的。图3图示出组合的复合图案如何寻找这样的示例，其中这些图案已经被印刷在相互堆叠放置的塑料元件上。图4图示出由塑料制成的三个图案元件的实际堆叠的图片，且描述的图案连同微透镜阵列被印刷在顶部上。

空间重复节距可具体地在与微透镜阵列节距相同的数量级上。例如，对于图案中的一个，重复节距可为，比如，比微透镜节距高10%，对于另一个，重复节距可为，比如，比微透镜节距高20%，对于另一个，重复节距可为，比如，比微透镜节距高50%等。此外，也可增加重复片段的大小用于增加重复节距。例如，在图2的示例中，具有较高重复节距的数字本身也增大。

作为不同的空间重复频率的结果，微透镜阵列101将会促使不同的图案被聚焦在不同的距离处。因此，通过使用具有相同焦距的微透镜和提供可被定位在微透镜的焦平面中的掩模的图案元件产生焦平面，使得每个透镜有效地将光线投射在无穷远处或至少在相同的像距处（远大于焦距）。随后，通过来自透镜的组合的光的整体组合而形成多个焦平面。

图5图示出利用微透镜阵列聚焦光的概念。从左至右，光被投射在带有以有规律的距离p_M分布的孔的掩模上，距离p_M被称为掩模节距。仅来自孔的光继续到微透镜阵列。透镜是相等的并且被以有规律的相互距离p_L放置，距离p_L被称为透镜节距。描绘的是，主要光线在傍轴近似下通过每个微透镜的中心，忽略微透镜的物理厚度。为了光线的适当的会聚，需要满足两个几何条件：第一条件关于每个单独的微透镜的聚焦，第二条件关于一批微透镜的整体聚焦。为了满足第一条件，在掩模中的每个孔需要聚焦在离焦点一定的距离处，s_W，其中当满足下列条件时获得s_W：

（1）

其中f_L是微透镜中的每一个的焦距。

实际上，与掩模距离s_M相比，聚焦距离s_F倾向于是大的，使得与s_M相比s_F可采取无限大。因此，实际上，掩模距离被选为等于微透镜阵列的焦距，

（2）。

一批微透镜的积分变换由掩模节距p_M相对于透镜节距p_L来确定，其中p_L需要满足：

（3）。

当该掩模被放置在阵列中的微透镜的焦距处时，我们可合并这些表达式并且获得下列实用表达式：

（4）。

掩模节距p_M需要被挑选为大于透镜节距p_L以获得聚焦在微透镜阵列的前面的图案，其与s_F的正值相关联。可替代地，s_F的负值与聚焦在掩模后面的虚平面处的图案相关联；当p_M被挑选为小于透镜节距p_L时所实现的情形。

在特定示例中，使用多个图案元件107-111来产生光图案，其中每个图案元件具有阻挡光的图案。应了解，在其它实施例中，它可以是被组合以产生对应于多个光图案的期望的复合图案的透明部。

例如，图6图示出如下示例：以“1”、“2”或“3”形式的空间重复的符号在除此以外不透明的掩模内留下透明孔。

此外，在图1的示例中，由不透明图案产生的复合图案被合并，产生甚至更加不透明的图案。然而，在其它实施例中，通过合计（sum）透明的图案可产生复合图案，诸如例如在图6的合并的图案示例中。

例如，参照透明（或“白色”）如“1”以及参照（黑色）掩模如“0”，单独的图案的物理堆叠可导致迅速成为非常不透明的阻塞大多数光的掩模。物理堆叠可被看作在每个位置（x,y）处的掩模的局部单独的位L（x,y）的逻辑与（AND）操作，即：复合图案可被给出如下：

L _tot(x,y) = L ₁(x,y) & L ₂(x,y) & L ₃(x,y), （5）

其中“&”是逻辑与运算符。

代替这样的物理堆叠，使用逻辑或（OR）操作可产生复合图案，即：如下：

L _tot(x,y) = L ₁(x,y) | L ₂(x,y) | L ₃(x,y), （6）

其中“|”表示逻辑或操作。

这样的方法被用于图6的示例中。

这具有如下结果：“2”为“1”留下空间，并且“3”留下其它图案所需的一切透明。当然，越来越多的图案的组合促使不透明的掩模最终消失，因此，图案的数量在许多实施例中可被限制到合理的数量。

应了解，在其它实施例中，可使用其它操作以及具体地其它（逻辑上的）操作。例如，可使用图案位的中位数来产生复合图案。

因此，清楚地，不是使用一系列各自提供一个图案的不同的光学元件，而是可使用直接提供包括单独的图案的复合图案的单个元件。实际上，这样的元件甚至可与微透镜阵列本身一体化。例如，复合图案可直接被印刷在如同由图7的示例图示的微透镜阵列101上。具体地，图7示出具有等于允许图案化的掩模被印刷在或附着到微透镜阵列的平面侧的微透镜的焦距的厚度的掩模和微透镜阵列的特定几何布置的示例。

在图8中提供了另一示例，该示例进一步将光源105图示为具有附加的光学元件803的单点光源801，该附加的光学元件例如可为扩散元件、为准直透镜构造的部分的准直元件（通常为菲涅耳透镜）、偏振元件或有源（二次）照明元件。

因此，该图案可有利地例如被印刷到微透镜阵列101的后面上。在与光源的结合中，在许多实施例中，图案掩模优选地是反射的而不是不透明的，使得掩模将所阻挡的光朝光源反射回。由于光被重复利用，这就提高了投射的亮度。

另外，除透明/不透明的方式外，可采用其它方式生产掩模：可以独立的颜色/波长和/或偏振对几个图案编码。从偏振片的片段建立的掩模（的投射）（例如，水平=‘1’和垂直=‘2’）在视觉上是均匀的，但是可使用装备有偏振滤光器的摄像机进行分析。

应了解，有各种选项用于合并多个聚焦在不同的距离处的图案。举例来说，这些图案可能占据掩模的不同的区域。一示例将会限制如下图案：这些图案使得最远的焦点将在掩模的周长（perimeter）内并且所聚焦的图案更靠近中心。不同的图案可被印刷在非重叠同心环形区域（“子弹眼”）中。相同的同心分割也可部分地重叠以确保足够的光通过等。

因此，图1的投光器产生包括聚焦在不同距离处的多个光图案的光输出。在该示例中，多个光图案同时产生并且因此被多个对象同时反射。该效应将促使图案呈现在靠近图案的焦距的对象上。例如，在靠近第一光图案的焦距的对象上的反射将导致图案被清楚地投射在那个对象上，靠近第二光图案的焦距的对象将让那个图案清楚地投射在其上等。因此，取决于距离，多个图案在多个焦距处的投射允许不同的图案呈现。这样的场景的示例在图9和图10中示出。

特定的方法允许这样的图案通过平面布置而产生。实际上，该方法提供了（同时）创建多个投射的图案的切实可行的办法，该多个投射的图案中的每一个聚焦在不同的距离处。平面光学元件和微透镜阵列的具体使用允许极具实用性的且有利的实施方式。实际上，投光器可使用例如塑料光学元件的堆叠实现，并且塑料光学元件中的每一个易于生产。此外，当使用平面光学元件作为该设施例如安装、堆叠等时，较容易的实施方式通常是可能的。作为特定示例，图1的层可简单地相互堆叠定位。实际上，通过仅仅铺设相互堆叠的适当的平面光学元件，且堆叠简单地被放置在标准高架投射器的顶部上供光源105使用，已经创造了实验装置。另外，从平面布置输出的光的特性在许多情境下可为非常有利的。例如，该投光器可作为分布式的投光器执行更多，并且可提供覆盖大表面的光输出而非表现为单点投光器。另外，在许多实施例中，平面堆叠方法可允许用于投光器的有利的形状因数（form factor）。

多焦点辐射的图案可被用来检测反射来自投光器的光的对象的特性。图6图示出包括诸如参照图1描述的投光器1101的视觉系统的示例。投光器1101辐射包括多个聚焦在不同距离处的图案的光。该光可被辐射到检测区域1103中，在该检测区域中，一个或多个对象可位于可反射来自投光器1101的光的位置。因此，位于在靠近投光器1101的焦距的距离处的对象将会反射相应的图案。在该示例中，视觉系统包括用于基于辐射图案的检测确定一个或多个对象的一个或多个特性的功能。

具体地，视觉系统包括覆盖检测区域1103的摄像机1105。为了清楚和简洁起见，将参照单个捕捉的图像进行描述并且因此摄像机1105可为单拍式/图像摄像机。然而，应了解，摄像机可为摄影机并且该检测可基于一系列图像。具体地，下列描述可被视为参照一系列图像中的一个图像，并且具体地参照视频序列中的一帧。

摄像机联接到接收器1107，该接收器1107与摄像机1105的检测功能接口。接收器从摄像机接收图像信号并且将相应的图像供给联接到接收器1107的检测处理器1109。检测处理器1109被布置成为在对应于投光器1101的光图案的图像中的图案执行图案检测。具体地，检测器可相对于可能的辐射图案中的每一个估计整个图像以看是否发生任何匹配。检测处理器1109可具体地将图像分割成区域，在这些区域中，每个片段对应于辐射图案中的被认为在片段中占优势的一个，或对应于在片段中存在的不占优势的图案（例如，如果在任何焦距处不存在任何对象）。

应了解，可使用任何适当的图案检测算法，并且技术人员应当知道可能的图案检测算法的范围。

检测处理器1109被联接到估计处理器1111，该估计处理器1111被布置成响应于由检测处理器1109进行的图案检测以确定反射来自投光器的光的对象的特性。估计处理器1111可基于由检测处理器1109进行的分割具体地确定该特性。

例如，该方法可用来检测对象是否存在于检测区域103中。例如，投光器1101可被布置成将光辐射到没有对象的空间中。到后壁的距离可比射出的图案的任何焦距更长。因此，当在空间中不存在任何对象时，光将作为未聚焦的光撞击后壁，从而不呈现任何占优势的或清楚的图案。摄像机将记录相应地不包含任何占优势的图案的空间的图像。检测处理器1109将相应地将整个的图像分割成对应于非显著图案的片段（或多个片段）。估计处理器1111将估计分割（segmentation）并决定没有任何对象存在，因为未检测到任何图案。

然而，如果诸如人的对象在离充分地紧密地对应于焦距中的一个的投光器一定的距离处进入空间，则对象将会反射更清楚的且可能良好聚焦的图案。检测处理器1109将相应地将所捕捉到的图像分割成对应于该图案的至少一个片段。作为响应，估计处理器1111将继续确定：由于带有占优势的图案的该（多个）片段的存在，对象已经进入检测区域1103。

该系统可基于图案检测确定更多特定的特性。例如，基于图案识别，可估计到对象的距离。作为低复杂性的示例，可将图像分割成对应于图案中的每一个的片段，并且对应于片段的对象可被视为在对应于相应的图案的焦距处。在更加复杂的实施例中，该系统可能能够检测出，对象反射这些图案中的一个以上。例如，如果对象在彼此相对靠近的两个焦距之间，则该对象可反射两个图案，虽然有一些模糊。这可由视觉系统进行检测，该视觉系统可确定该距离将在两个焦距之间。在一些实施例中，可评价图案之间的相对模糊以估计出在两个焦距之间的间隔内的准确的距离。

作为另一示例，该视觉系统可被布置成估计对象的大小。例如，根据该图案，可首先检测到对象的距离。然后，可使用分割来确定图像中的对象的大小。具体地，可对该分割进行估计以产生对应于检测到的对象的图像对象。低复杂性实施例可例如仅仅合并与相同的图案相关联的靠近的片段。基于在图像中的对象的大小以及估计的距离，然后可计算对象的大小。

作为另一示例，该视觉系统可被布置成估计对象的形状。例如，该形状可被视为对应于片段的形状，该片段对应于适当的图案。

作为特定示例，图7示出如何使用该方法来检测特性，诸如对象的高度（在该特定示例中，试验对象为Smurf图）。在该示例中，投光器被放置在试验对象上方并且产生聚焦在基面以上的不同的高度处的图案。该试验对象将反射对应于第一表面在垂直方向上的相对高度的图案，导致具有组合图案1201的图像。

在该特定示例中，投光器对特定图案的投射与提供区域的照明的光照明器组合。具体地，该系统在照亮区域的街灯1203中被实现。该街灯产生例如作为靠近地面的红外光图案的光图案。

然后，该视觉系统可处理图像以检测图案并且例如可确定作为对应于最高的焦平面的检测到的图案的对象的高度。

在许多情境下，所描述的方法的优势是，平行于焦平面的运动并不导致运动模糊。相反，在许多情境下，这样的运动在提供在图像中的反射的图案的更大的区域上实际上是有利的。例如，如果使用了长曝光时间，则运动对象将会沿着其路径反射图案并且将相应地产生期望的图案的延伸区域。如果已知（或例如针对其中对象是静止的前一个图像估计出）对象的大小，则图案的范围可用来估计例如运动对象的速度。

作为另一示例，该系统可用来估计在垂直于焦平面的方向上的运动部件。例如，如果摄像机1105记录其中反射的图案从对应于较长焦距的那些图案逐渐地变为对应于较短的焦距的那些图案的视频序列，则该视觉系统可估计对象正朝摄像机移动。此外，基于对应于相同的图案的片段的图像运动，可估计帧之间的任何侧向运动。

因此，结合例如计算机视觉，对多焦点投射的使用可产生各种用于检测和定位静态对象和移动对象的新选项。多焦点光投射可例如被用于其中接近性起到区分角色作用的任何形式的检测。实际上，甚至结合低成本计算机视觉，该方法允许对在离投光器特定的距离处的对象的鲁棒辨识。

在许多弱光情境下，该方法可提供特别有利的性能。实际上，仅低复杂性图案检测是必要的，并且这可常常允许甚至在非常弱光环境下的可接受的操作。此外，对于沿焦平面（即，通常在检测区域/图像中的侧面）的方向的移动，运动模糊（归因于长快门时间而引起）将趋向仅导致易于检测图案。在这样的运动存在的情况下，由于图案本身不移动，所以检测保持稳定。事实上，实验已经表明，运动模糊反而倾向于扩大图案的范围。因此，甚至在极具有挑战性的光条件下使用相对长的快门时间的情况下，该方法也可为特别适用的。

在前一个示例中，微透镜阵列101（连同图案特性）直接将图案聚焦在期望的焦距处。这可适合于许多实际应用并且尤其适用于其中需要相对小的焦距的实施方式。

然而，在一些实施例中，可能有利的是，进一步包括用以将来自微透镜阵列101的光聚焦的投影透镜。这可例如当需要较大的焦距时常常是有利的。

图8图示出具有附加的投影透镜1301的图1的投光器的示例。投影透镜被定位在微透镜阵列的与所述一组平面光学元件相对侧。因此，来自图案元件107-109的光图案首先到达微透镜阵列101，并且来自微透镜阵列101的光然后传播到光从其离开投光器的投射器透镜1301。

微透镜阵列101产生位于投光器内部的焦平面。具体地，来自微透镜阵列101的焦面落在朝微透镜阵列的投影透镜的平面的一侧上。在该示例中，微透镜阵列101因此产生焦平面，该焦平面不在投影透镜1301的另一侧上，而是在与微透镜阵列101相同的一侧上。因此，投影透镜1301将产生对应于内焦平面的外焦平面。

在投影透镜前面和后面的虚拟焦平面之间的关系被给出如下：

（7）

其中：s_F1是由微透镜阵列和掩模产生的图案的焦距，而s_F2是当由具有焦距f _P的投影透镜投射时该图案的焦距。在图14中描述了该几何构造。

在一些实施例中，由微透镜阵列101所产生的焦面可具体地位于微透镜阵列101本身的后面。因此，微透镜阵列101可产生在堆叠中比微透镜阵列101本身较低的焦平面。这在许多情境下可产生的改进的性能并且具体地产生在更远距离处的外焦平面。

作为一个示例，描述的方法可例如允许例如由具有小于20cm的尺寸的投光器产生的1米、2米、4米、以及8米的外焦距。

实际上，在一些实施例中，投影透镜1301可为大致平面透镜，该平面透镜可被整合在堆叠中，产生非常紧凑的平坦设计。具体地，该投影透镜可被实现为菲涅耳透镜。

在先前的示例中，光图案由单个投光器产生，该投光器与多个衰减光以提供图案的无源光学元件相结合提供散射光。

然而，在其它实施例中，这些图案可直接由发出空间光图案的有源光学元件产生。因此，这些光图案可并非通过衰减光产生而是可直接作为具有空间图案的光被产生。

图9中图示出这样的实施例的示例。该示例对应于图1的投光器，除已经移走的光源105并且所述一组层103包括三个本身在适当的图案中产生光的有源元件之外。这样的方法在许多实施例中可为有利的，因为它规避对光源105的需要并且在许多情境下提供改进的性能。

特别有利的方法是，使用有机发光二极管（OLED）阵列用于平面发光元件中的一个或多个。

因此，在一些实施例中，可使用有源OLED元件代替无源掩模连同散射光源。利用任何图案可容易地印刷OLED元件，使得光仅在由期望的图案指定的位置处被有效地产生。此外，OLED元件通常使用玻璃基板并且因此通常是透明的。由于它们将会内在地允许来自较低的层的光经过，这使得它们非常适合于堆叠布置。OLED可具体地为例如可见光提供无障碍的路径。此外，OLED产生可为非常有利的非相干光，因为它提供对非期望的干涉现象具有较低灵敏度的更加鲁棒的系统。

在一些实施例中，投光器可在不同的焦距处产生可见光的图案。这在许多情境下可为有利的，并且可例如允许使用标准的视觉摄像机从而提供低成本系统。作为另一示例，它对于图案的存在直接由用户检测而无需任何自动化的检测功能的应用可为有用的。

然而，在许多实施例中，可有利地使用红外光（IR）。因此，在许多实施例中，光图案是红外光图案。这在许多实施例中可为有利的，因为不可见的图案可在不同的焦距处产生，然而其可由视觉系统容易地检测。因此，IR图案的用户可与检测IR图案的IR视觉系统相结合。在这样的实施例中，视觉系统可将带宽有效地限制到对应于所产生的图案的带宽。例如，它可滤出可见光。另一优势是，IR图案在不一定那么好地反射可见光的对象诸如例如暗的或黑色对象上可为非常清楚的。

在一些实施例中，IR图案的使用可与可见光的发射相结合。例如，如图16中所示，图15的投光器可另外包括可见光源1601，该可见光源1601被布置成通过微透镜阵列101辐射可见光。

可见光源1601可具体地产生大致不受影响地通过一组图案元件103传播的可见的、散射的、非相干光。此外，对于这样的可见的、散射的、非相干光，微透镜阵列101可不具有任何显著的光学效应并且因此可见光从投光器辐射。因此，非常紧凑的且易于制造的投光器被产生，该投光器在不同的焦距处同时发出可见光和不可见的IR光图案。

在其它实施例中，一组元件103可使用仅阻挡红外光而允许可见光通过的无源掩模。在这样的实施例中，该系统可包括可见光源和IR光源两者，或实际上单个光源1601可能能够提供在IR和可见频率范围上的光。因此，这样的系统可允许可见光通过包括微透镜阵列101的整个堆叠，而维持其无织构的均匀性质。仅红外部分将在各种距离处被纹理化和聚焦。

因此，在该示例中，红外光图案的投射和可见光照明可被合并到集成的系统中，其中投射系统从照明系统的反射元件获益。该方法可连同只对IR光敏感的视觉和检测系统一起使用。对象的检测到的特性可进一步用来控制例如可见光照明。

作为特定示例，该方法可用于街道照明，其中例如可基于使用IR图案检测到的任何对象的高度来调适可见街道照明。

在一些实施例中，一个或多个固定图案元件可由其光衰减可在不透明与透明之间受到控制的光学元件构成。例如，这样的可控光学元件可为具有空间固定图案的电泳元件或“电子墨水”元件，且该空间固定图案的不透明性可通过在元件的两个电极上的单个电压而改变。在这样的情况下，图1的图案元件107-111可例如由可控电泳元件取代，对于这些可控电泳元件，单独的图案的不透明性能够受到控制以提供期望的图案。

在先前的示例中，固定图案元件被用来产生光图案。然而，在一些实施例中，所述一组平面光学元件中的光学元件中的一个或多个是包括可控元件的可编程光学阵列，这些可控元件响应于控制信号，能够改变光学特性。

可编程光学阵列可具体地为如下阵列：该阵列对应于在各种显示技术中用来提供图像的阵列。例如，可编程阵列可为包括响应于电信号能够改变它们的透明度的像素元件的液晶显示（LCD）阵列。在这样的情况下，图1的图案元件107-111可例如由可编程LCD阵列取代，对于这些可编程LCD阵列，单独的像素能够受到控制以提供期望的图案。

在一些实施例中，可编程阵列可直接产生光而非仅调整入射光。例如，如在图17中所图示，投光器可仅仅包括提供光图案的单个可编程光辐射元件1701。在一些情况下，通过直接产生起源于经过例如图1的图案元件的序列的光的组合的或复合的图案，单个可编程光辐射单元1701可产生多个光图案。

有源可编程光产生阵列可具体地为可编程OLED元件。

使用可编程的阵列的重大优势，是它可允许图案被动态地修改。这可例如用来调适和修改图案以产生不同的焦距。例如，该系统可首先使用一组对应于在比如1米的相邻的焦平面之间的距离的图案。这可产生大面积的覆盖。如果对象被检测到，则图案可被改变以产生几乎更靠近的焦平面距离。例如，图案可被改变以将在邻近焦平面之间的距离减小到例如25cm。这可产生更多的受限制区域的覆盖，然而，该受限制区域可被作为环绕针对该对象估计的特定距离的目标。因此，可编程阵列可被用来改善最初的粗略距离估计以提供更精密且更加准确的估计。

此外，鉴于前面的描述已经集中在其中光图案被连续地且同时地投射的这些实施例上，因此，在其它实施例中，图案中的至少一些可被以时间顺序投射。这可例如使用可编程阵列来实现。

例如，图17的投光器可在第一时隙中由受到控制的可编程光辐射元件1701辐射在第一焦距处的第一光图案以提供相应的图案。然后，该时隙后面接着另一时隙，在该另一时隙中，可编程光辐射元件1701被设置为对应于不同的距离等的不同的图案。

检测可例如通过考虑多个图像而被修改以看图案是否出现在任何图像中。作为特定示例，每个时隙可对应于视频序列的帧从而有助于检测。然而，其它情境下，时隙可具有这样短的持续期间，使得多个并且可能地所有图案可在单个图像的曝光时间内被投射。在这种情况下，因为图像将反映在任何时隙中已经被反射的任何图案，所以投射的图案的时间顺序性质未必影响检测。

这样的有顺序的图案投射的优势在于，它可以更加实用地实现，例如，它可提供更加简单的实施方式。此外，它可允许图案被保持相互独立。实际上，该方法可允许一次投射仅单个图案，因此，不存在不同的图案的任何复合或组合。这在许多实施例中可允许在总体上改进系统的聚焦和性能。

前面的描述已经将重点放在平行于在堆叠中的光学元件的平面尺寸的图案的聚焦平面的产生。

然而，在一些实施例中，光图案中的一个或多个被布置成提供非平面焦面或（和）非平行于微透镜阵列的平面的焦平面。

例如，图案可被产生以相对于光学元件的平面倾斜，即，平面图案可被倾斜而无需使掩模倾斜。这可通过逐渐地改变在图案上的空间重复率来获得。

这样的方法在许多情境下可为有利的。例如，它可被用来校准相对于壁的角度。例如，投光器可被设置成产生具有期望的倾斜的图案（例如，使用可编程阵列连同不同角度的预校准的图案）。投光器可因此被定向成以适当的距离朝向壁并且被旋转直到整个图案在壁上清楚为止。投光器相对于壁的角度因此对应于图案的角度设置。

实际上，通过改变图案，事实上在投光器前面产生任何期望的三维聚焦图案是可能的。例如，非平面焦平面可通过如图6中所示的图案而产生。使用这样的非平面焦平面的优势可为允许随着对象在3D空间中横穿非平面的周边时对对象的检测。另一应用是对例如作为生产过程的部分的对象（非平面）形状的验证。

应了解，为清楚起见，上文的描述已经参照不同的功能电路、单元和处理器对本发明的实施例进行了描述。然而，将明显的是，在不脱离本发明的情况下，可使用不同功能电路、单元或处理器之间的功能性的任何适当的分布。例如，所示的需由独立的处理器或控制器执行的功能性可能通过相同的处理器或控制器执行。因此，对特定功能单元或电路的提及应仅被看作对用于提供所描述的功能性的适当装置的提及，而不是表示严格的逻辑或物理结构或组织。

本发明能够以任何适当的形式实现，所述形式包括硬件、软件、固件或其任何组合。可选地，本发明可至少部分地实现为在一个或多个数据处理器和/或数字信号处理器上运行的计算机软件。本发明的实施例的元件和组件可以任何适当的方式物理地、功能地和逻辑地实现。实际上，功能性可在单个单元中、在多个单元中或作为其它功能单元的一部分实现。因此，本发明可在单个单元中实现或可物理地和功能地分布在不同的单元、电路和处理器之间。

虽然已经结合一些实施例描述了本发明，但是本发明不旨在受到此处所阐述的特殊形式的限制。相反，本发明的范围仅受到所附权利要求的限制。另外，虽然某一特征可能看似结合特定实施例被描述，但是，本领域的技术人员将意识到，所描述的实施例的各种特征可根据本发明合并。在权利要求中，术语包括并不排除其它元件或步骤的存在。

此外，虽然被单独地列出，但是多个装置、元件、电路或方法步骤可通过例如单个电路、单元或处理器实现。另外，虽然单独的特征可包括在不同的权利要求中，但是这些可能有利地被合并，并且包含在不同权利要求中并不意味着特征的组合不是可行的和/或有利的。在一个类别的权利要求中包含的特征也并不意味着局限于该类别，相反在于指示该特征同样地可视情况应用于其它权利要求类别。此外，权利要求中的特征的顺序并不意味着这些特征必须以其工作的任何特定顺序，并且特别地，方法权利要求中的单独的步骤的顺序并不意味着必须以该顺序执行这些步骤。相反，这些步骤可任何适当的顺序执行。此外，单数引用并不排除复数。因此，对“一”、“一个”、“第一”、“第二”等的引用并不排除复数。权利要求中的附图标记仅被提供作为说明性示例，不应被解释为以任何方式限制权利要求的范围。

Claims

1.一种包括层状光学元件的布置的投光器，堆叠包括：

一组（103）至少一个光学元件（107-111），其被布置成提供多个光图案；以及

微透镜阵列（101），其被布置成将多个光图案聚焦在不同的焦距处。

2.根据权利要求1所述的投光器，其中所述投光器包括光源（105），所述光源（105）被定位使得来自所述光源（105）的光通过所述一组（103）至少一个光学元件（107-111）传播到所述微透镜阵列（101）；并且其中所述一组（103）至少一个光学元件（107-111）包括具有对应于所述多个光图案的光图案的光衰减图案的至少一个光衰减光学元件。

3.根据权利要求1所述的投光器，其中所述一组（103）至少一个光学元件（107-111）包括至少一个发光元件（107-111），所述发光元件（107-111）被布置成发出对应于所述多个光图案的图案中的至少一个的空间光图案。

4.根据权利要求3所述的投光器，其中所述至少一个平面发光元件（901-905）是有机发光二极管OLED阵列。

5.根据权利要求2、3或4所述的投光器，其中所述一组（103）至少一个光学元件（107-111）包括多个图案化的光学元件，每个图案化的光学元件具有对应于所述多个光图案的图案的不同的固定图案。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的投光器，其中所述投光器被布置成同时辐射所述多个光图案中的至少一些。

7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的投光器，其中所述投光器被布置成以时间顺序辐射所述多个光图案中的至少一些。

8.根据权利要求1所述的投光器，其中所述一组（103）至少一个光学元件（107-111）中的至少一个光学元件是能够响应于控制信号改变光学特性的可控元件的可编程光学阵列；并且所述投光器进一步包括用于产生控制信号以提供所述多个光图案中的至少一个的装置。

9.根据权利要求1所述的投光器，其中所述多个光图案是红外光图案。

10.根据权利要求9所述的投光器，进一步包括被布置成通过所述微透镜阵列（101）发射可见光的可见光源（1601）。

11.根据权利要求1、2、3、4或5所述的投光器，其中所述多个光图案中的至少一些是相互具有不同的空间重复图案的重复图案。

12.根据权利要求1所述的投光器，进一步包括投影透镜（1301），所述投影透镜（1301）位于所述微透镜阵列（101）的所述一组（103）至少一个光学元件（107-111）对面；并且其中由所述微透镜阵列（101）产生的所述光图案中的每一个的焦面是在朝所述微透镜阵列（101）的所述投影透镜（1301）的平面的一侧上。

13.根据权利要求1所述的投光器，其中所述光图案中的至少一个被布置成提供非平面焦面和不平行于所述微透镜阵列（101）的平面的焦面中的至少一个。

14.一种视觉检测系统，其包括：

根据权利要求1所述的投光器（1101）；

接收器（1107），其用于接收来自摄像机（1105）的图像；

图案检测器（1109），其被布置成对在对应于所述多个光图案的图像中的图案执行图案检测；以及

电路（1111），其用于响应于图案检测，确定反射来自所述投光器的光的对象的特性。

15.根据权利要求14所述的视觉系统，其中所述特性是下列中的至少一个：

所述对象的存在；

所述对象的距离；

所述对象的位置指示；

所述对象的大小；

所述对象的移动；以及

所述对象的形状估计。