CN104166296B - 用以生成3d相机照明区的照明装置和方法 - Google Patents

用以生成3d相机照明区的照明装置和方法 Download PDF

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Abstract

公开了用以生成3D相机照明区的照明装置和方法。提供3D相机(10)用以产生照明区(22)的照明装置(16)具有均匀，但在照明区(22)的边缘区域被抬高的强度分布，其中照明装置(16)具有至少一个有主射束方向的光源(26)和一个环绕主射束方向(28)的侧向反射镜(30)。其中在主射束方向(28)布置额外的中心反射镜(32)，以便将从光源(26)所发光的主要光分量通过中心反射镜(32)和侧向反射镜(30)上的反射往外重新分布。

Description

用以生成3D相机照明区的照明装置和方法
技术领域
本发明涉及用以生成3D相机照明区的照明装置和方法。
背景技术
与传统的二维相机相比3D相机也生成距离信息作为图像信息的额外维度。这方面的各种技术是已知的。立体相机根据模拟人的空间视觉至少两次从不同角度拍摄场景，将这两个图像中相同的结构元件彼此映射并计算出视差和已知角度之间的距离。基于模型的方法，例如光截面法，借助学习得到的或其它已知照明图形的扭曲来识别距离。飞行时间相机确定发送光信号和接收光信号之间的时间，尽管不同于激光扫描仪或距离感应器不只一次确定所述时间，而是空间分辨地确定图像传感器的每个像素单元，例如和在作为光子混合探测已知的方法中一样。
所述3D法可分成主动法和被动法，其依据是视3D相机是具有自己的照明还是依赖环境光而定。基于模型的方法以及飞行时间法本质上是主动的，因为照明是距离测定的重要组成部分。立体法原则上可以主动和被动运行。然而在被动立体观视时正好在当场景区域较大，均匀并因此无结构时出现这样的问题，即图像特征没有清楚的映射故不可能有可靠的视差估计。
图像采集时已知的干扰效果为所谓的边缘区域衰减。它被理解成强度的不均匀分布，边缘处的强度比中心小。主动3D法近乎两次受到边缘区域衰减的影响，原因一方面在于图像边缘处物镜的边缘区域衰减会造成图像传感器接收的光较少，另一方面在于边缘区域中的照明可比较地不均匀也造成对场景的照明更糟。
在现有技术中已知各种方法，旨在对边缘区域衰减进行补偿。一种方法是将微透镜阵列布置在发光的激光二极管之后，该微透镜阵列将一定量的光再分布到视场的边缘。这意味着相对较高的光学费用，这些花费也不能完全解决所述问题。
在另一种常规系统中安装了多个分别具有单个发射透镜的LED光源。通过相对于光源的发射透镜的相应布置可将这样产生的单个照明场朝向3D相机视场的不同位置，其中通过将所述照明场从视场中心移出来抬高边缘区的强度。但这尤其是涉及到飞行时间法时隐含着巨大的缺点，因为为几乎每个像素产生的总照明造成各个光源的不同叠加。但采用飞行时间法时经常具有光学参考路径，以便可以考虑到不取决于飞行时间的漂移。如果光组合根据像素改变，则原则上必须为每个像素区域或者甚至是为各单个像素构成光学参考路径，如果有可能的话，这在技术上会极其困难。相反若没有这样的参考路径则引入系统的测量误差，所述测量误差实际上经常不被容许。使用多个LED光源的另一个缺点在于，由于这种影响如部件公差，温度依赖性，噪音或者甚至故障可产生性能波动。为此强度分布会局部改变并因此产生其它测量误差。
此外还已知的是，给光源提供侧向反射镜，用以实现在照明场外部向中心偏转。其它系统只使用射束轮廓的内部区域，其中的强度近似恒定不变。但是用这两项措施最多可实现均匀的光分布且不抬高边缘区域。
在照明单元中也将衍射光学元件用于立体相机系统，例如在US 2007/0263903 A1中那样。但所述元件的主要用途在于，生成结构照明图形，其用途不是通过补偿边缘区域的衰减来保证有效均匀的强度分布。然而也表达出这种想法，即额外地对边缘区域衰减进行补偿，例如在DE 20 2008 013 217 U1中所述。
就二维相机而言例如从DE 102 04 939 A1中已知的是，使用菲涅耳透镜来进行均匀照明。根据DE 10 2006 023 142 A1相机照明单元也可具有微缩形式，菲涅耳形式或作为衍射元件形式的光学元件。但是仍旧没有提到简单的光学装置，它们足以补偿边缘区域衰减这一问题。
发明内容
因此本发明的任务在于，改进3D相机的照明。
此任务通过本发明所述的照明装置和用以生成3D相机照明区的方法得以实现。同时本发明的基本思路是，在照明区的内部重新分布光，以便通过在边缘区有目的地抬高强度来实现均匀的强度分布。因此所述照明显示的强度分布不是平的，而是在这种意义上为有效均匀的，即通过相应地抬高强度来补偿照明的边缘衰减以及也尽可能补偿3D相机接收物镜的边缘衰减。为了产生这样的强度分布，使用由周向侧向反射镜和布置在主射束方向中心的中心反射镜构成的组合。主射束方向优选对应于光源的光轴并构成照明装置的对称轴。这两个反射镜要这样设计和布置，致使光从中心重新分布到边缘。同时中心也依旧被照亮，原因在于侧向反射镜将非来源于中心反射镜的光分量往中心方向重新分布并因此也将光引向中心，在直接路径上被中心反射镜遮蔽的照明区。
本发明具有这样的优点，即照明装置强度的至少一个边缘的衰减并且优选同时将3D相机所接收到的强度的第二边缘的衰减通过其接收物镜的边缘衰减来平衡。这会导致在整个视野中独立于侧面的物体位置产生恒定的几何物体分辨率，其中尤其是视场边缘的物体更容易被识别和定位。同时通过这两个反射镜的相应设计和布置可避免飞行时间法的干扰性多路路径。本发明所述照明是非常高效能的，因为发射光通过重新分布有80％以及更多在所需照明区得到利用。同时照明装置需要的安装空间小且可能具有小而平的结构形式，同时可低成本地制造少数所需组件。为此反射镜保证光源的热连接良好并因此具有较长的使用寿命。
侧向反射镜优选具有空心圆锥形状或空心金字塔形状。空心锥的轴优选与主射束方向一致并因此与光源的光轴一致，用以获得对称布置。空心锥通过内部的镜面涂层来提供所期望的反射。空心锥的柱面优选直接连接到光源，以确保简单的结构连接和热连接以及光学连接。侧向反射镜的其它可选形式是可以想象的，例如由抛物面，椭球面构成的扇区或者也可以是自由曲面。
侧向反射镜优选具有至少两个叠置的空心锥或空心金字塔截头锥体。其中各锥体的角度各不相同，从而产生台阶状分布。这种方式堆叠或嵌套的空截头锥体允许通过角度这样与射束特性匹配，即，使照明场具有所需的均匀性和边缘衰减补偿。
中心反射镜优选具有顶端为锥形的形状。所述顶端优选指向光源方向，而中心反射镜的中心轴，其通向顶端，被布置在光源的光轴上。然后中心反射镜通过外部镜面具有所需的反射性能。
中心反射镜优选具有旋转对称的形状。这与光源的旋转对称的射束特性一致或与两个横侧向上的均匀照明区一致。若射束特性显示已知偏差或非对称照明区是所期望的，则可可选地选择中心反射镜的非旋转对称形状。
中心反射镜优选具有楔形或锥形形状。其中楔形只在一个横轴上起作用，而锥形在两个横轴上起作用。所述几何形状在相应截面中分别提供斜的反射镜轮廓，其与侧向反射镜一起生成所需再分布。通过抛物线中心反射镜或自由曲面构成的替代性几何形状确保特定的偏差。作为分隔壁或交叉分隔壁的其它形式也是可以设想的。
在光源的光路中优选布置完侧向反射镜和中心反射镜后再布置光学元件用以进行额外的光重新分布。所述光学元件除了对这两个反射镜进行补充外，还用以实现期望的照明分布。
所述光学元件优选具有衍射光学元件或菲涅耳透镜。衍射光学元件相对于光源的带宽和散度是敏感的，但是这对均匀照明所起的作用不大。另一个已知问题是零级衍射，在此衍射级中尤其从保护眼睛的角度来看传递的光线过多。所述影响通过中心反射镜在很大程度上得以消除。示例提到的衍射光学元件的替代物为菲涅耳透镜。
所述光学元件优选集成到照明装置或3D相机的前风窗中。为此所述前风窗实现双重功能，由此节约安装空间和生产成本。
光源优选具有LED或LED阵列。激光照明也是可以设想的，尤其是以VCSEL阵列形式，但与许多常规的解决方法不同的是它并非迫切所需的，所述解决方法寻求高强度的结构照明图形。多个LED会提供较高的光学输出功率。同时应由LED来确保场景的均匀照明。接着功率波动会通过各种漂移如温度影响，老化影响或噪声影响以及各种故障来被平均化或3D相机的全部像素同样受此影响，从而不引入系统测量误差。继而所述功率波动不会对整个系统产生那么大的影响并且不会导致某些图像区域中部分故障。同时也不需要许多光学参考路径用以测量单个像素的飞行时间。
在有利的改进方案中布置具有至少一个本发明所述照明装置的3D相机。所述3D相机可基于任意一种3D方法，但是优选依据飞行时间法设计成3D相机并为此具有带许多像素单元的图像传感器和分析单元，用以为每个像素元件确定照明装置发送光和接收光之间的飞行时间。分析单元可至少部分地集成到图像传感器中，从而产生智能像素，所述像素至少自己确定部分飞行时间。所述方法就是已知的光子混合探测(PMD)。
本发明所述方法可用类似的方式进一步发展并同时显示类似的优点。所述有利的特征是示例性的，但是并不终结于在隶属于独立权利要求的从属权利要求所述。
附图说明
下面借助实施形式并参考附图也对本发明的其它特征和优点示例性地进行详细描述。附图中的图片示出：
图1为3D相机和其照明装置的简单框图；
图2为对3D相机视场进行的三维描述；
图3将依赖有边缘衰减的横向位置的常规强度分布与本发明所述具有边缘区域抬高的强度分布进行比较；
图4简单描述了具有侧向反射镜和中心反射镜的照明装置的实施形式；
图5简单描述了具有镜元件的照明装置的实施形式；和
图6a-b为侧向反射镜其它实施形式的侧视图或顶视图且所述侧向反射镜具有堆叠或嵌套的金字塔截头锥体。
具体实施方式
图1示出了具有图像传感器12的3D相机10的简单框图，所述图像传感器具有许多光敏像素单元并且其前面布置了简单描述为单独透镜的接收物镜14。此外3D相机10还具有照明装置16，其元件和功能原理将在下面结合图4进行详细描述。图像传感器12和照明装置16的光学布置只作为示例来理解，所显示的相对间距相对于待识别的场景应该不起作用。具有分光镜或其他同轴布置的选择性实施形式是可能的。借助3D相机10所描述的照明装置16原则上也适合于其他传感器，例如2D相机。
控制和分析单元18与图像传感器12以及照明装置16相连，用以读出图像传感器12的像素分解图像信息并对其进行分析且包括例如通过确定飞行时间来确定距离，或者是为了以期望的方式通过照明装置16来照亮场景，例如利用照明脉冲或幅度调制的光。通过端口20将不同处理状态的图像信息输出，或在另一方向经端口20或其它端口将3D相机10参数化。所述分析可至少部分地在图像传感器12的像素中进行或者反过来也可以在3D相机10的外部进行，然后所述相机只在端口20处提供相应的原始数据即可。
所述3D相机10优选使用飞行时间法，但此方法自身是已知的故不对其进行详细描述。或者3D相机10也可使用其它3D法如立体法，然后在这种情况下在照明装置中使用另外的图像元件，用以代替均匀照明得到结构照明图形。本发明所述经过补偿的边缘衰减效果以完全类似的方法涉及所述照明图形。
图2为具有视场22的3D相机10的三维示意图。主动采集图像时视场22优选在照明装置16的照明区或在理想情况与其重合。3D相机10应具有几何物体分辨率Δx，Δy，Δz，其仅取决于到3D相机10的距离z。也就是说物体分辨率Δx，Δy，Δz应独立于间距平面24a-b内的位置x，y保持在间距平面24a内，其在最小间距zmin和可达到的距离zmax之间具有固定距离z。
这通常指定为横向分辨率Δx，Δy，因为它取决于测量原理，分析算法以及大多数对于图像传感器12的全部像素相同的特征和尺寸。相反距离分辨率或轴向分辨率Δz显示对所探测的光效率或信号效率的依赖性。但信号功率又取决于横向位置x，y。因为一方面照明装置16之半导体光源的照明强度从强度最大值降到中间，也就是说沿光轴横向衰减。另一方面即使在照明完全均匀时接收物镜14依然存在边缘光衰减，所述衰减会导致在图像传感器12的边缘像素中所探测到的光效率减少。因此若不采取额外的措施则会造成系统地增加边缘区域中而且尤其是图像传感器12角中或视场22角中的测量不确定性。
图3示出了将用虚线表示的具有待补偿边缘衰减的横向强度分布与用实线表示的具有边缘区域抬高用以补偿的横向强度分布进行比较。为此根据本发明将照明光能重新分布到边缘区域。如图3所示，优选不只是补偿边缘区域衰减以进行恒定的强度分布。相反甚至还适当地抬高边缘区域中的照明强度，也可用以补偿接收物镜14的边缘区域衰减。
严格来说单纯为了补偿接收物镜14的横向位置依赖性要考虑至少两种影响。第一种影响为现在多次谈及的边缘区域衰减，其确保的是，具有第一因子k1的强度随离中心的距离减少。第二种，通常较小的影响由于接收物镜14的畸变而被引入，因为畸变的原因物体平面中的有效表面，其被投影到图像传感器的各像素上，会随离中心的距离增加第二因子k2。这会有效地导致强度朝边缘在一定程度上有所提高，所述强度提高在某种程度上抵消边缘区域衰减。因此总的来说应该用取决于距中心距离的因子k1/k2进行修正，以便对这两种影响进行补偿。
图4对照明装置16进行了描述。优选布置半导体光源作为光源26。根据实施形式这里指的是激光二极管，LED或这种类型光源的阵列。光源26可额外具有未被示出的例如为透镜，后反射镜或光圈形式的光发射机，以便至少大致在用箭头所示主射束方向28沿光轴发出光线。
照明装置16具有周向侧向反射镜30，其在这里示例性地具有镜像空心锥。此外在光轴上还布置了中心反射镜32，其在截面图上从三角及空间上来看为具有外镜像柱面的楔形或空心锥。同时此处中心反射镜32的对称轴和光源26的光轴重合，并且中心反射镜32的顶端指向主射束方向28的反方向。但具有非对称布置的其它实施形式也是可能的。
中心反射镜32将光源28的主要光分量首先偏转到侧向反射镜30并接着偏转到照明区或视场22的边缘区域。也就是说侧向反射镜30的用途在于，一方面致使主要光分量第二次向下偏转如两个箭头34a-b所示而另一方面致使整个周向光分量偏转到边缘区域以及将全部外部光分量向内偏转。这也会导致这种结果，即在直接光路中被遮蔽的照明区22的中心区域会被充分照亮。因此通过适当地选择侧向反射镜30，中心反射镜32的角度以及相应的大小和布置可以实现具有抬高的边缘的强度分布，如其示例性地在图3中用实线表示。
通过中心反射镜32不超过45度的锐角，优选不超过30度或20度来阻止侧向反射镜30和中心反射镜32之间的多次反射。为了使从外往内的光重新分布通过侧向反射镜30实际上实现中心区域的充分照明并适当地得到边缘区域抬高，中心反射镜32的横向直径应明显小于侧向反射镜30的横向直径，尤其不能超过其横向直径的二分之一或者甚至不能超过其横向直径的三分之一或四分之一。中心反射镜的楔形角或锥形角优选地，但非必须地，与3D相机10的照明区或视场22的半孔径角一致。中心反射镜32具有三角形截面且替代其所示出的实施形式的抛物线形式或者甚至是自由曲面也是可能的，其中射束特性相应的形状和广度与光源28以及所期望的强度分布一致。同时所述形状不必非得是旋转对称的，即使优选这种情况。
3D相机10具有用以保护相机的前风窗36，它传递照明装置16的光。其它光学元件可集成到前风窗36中，以便实现所期望的重新分布。或者也可以将未被示出的另外的光学元件引入照明装置16的光路中。
在一种实施形式中设置了衍射光学元件形式的所述光学元件。实际上在此处通过适当的设计可得到任何想要的强度分布而且因此也可实现有效的，也就是说在考虑到接收物镜14的各种图像误差后，均匀的照明。光学元件同时优选与侧向反射镜30和中心反射镜32共同作用，但原则上也可只保证所需重新分布。
若将LED用作光源，则习惯上不使用衍射光学元件，因为其优化是为特定波长和入射方向所设计的，其通过LED的带宽和大发散不能保持。因此有专门在零级的寄生衍射效应。
但强衍射零级不会阻碍这里所考虑的均匀照明，原因在于不管怎样应该都只有一部分光向外重新分布。这对于将更高衍射级次如正负一级衍射级次用以向外重新分布是足够了。因此依据所使用的LED的射束特性自然有可能的是，设计相应的衍射光学元件通过边缘区域抬高来进行均匀照明。
同时也可考虑衍射光学元件的角度依赖性或有利地利用角度依赖性来进行解释。为此例如重新分布主要在LED光轴附近的中心进行，那里的输入强度高。在这里甚至需要通过增加距光轴的距离来降低重新分布效率，因为在边缘处应该提高强度而不是通过重新分布来减少强度。
使用激光时波长漂移是很成问题的并且例如通过温度补偿来阻止波长漂移。对LED来说其带宽大波长漂移不那么重要，因为从一开始相对于入射光的波长就包含较大的公差。甚至从一开始就可有目的地偏离LED的波长来选择衍射光学元件的设计波长，因为不管怎样都不要求最大衍射效率。这会进一步减少对波长漂移的敏感性。
在所述衍射光学元件的特定实施形式中使用线性调频的光栅结构，其中光栅常数在中心，即在光轴上是最大值，然后从两侧线性下降到零。为此最大强度从中心重新分布到边缘。从光轴向前移动得越远，光栅频率或每毫米网格线的数目就越小，从而使再分布的角度不断减小。然后从距中心一定的距离，例如距边缘还有一半的距离开始，就没有光栅结构了，从而使边缘区域中也不再进行重新分布。
在一个替代性的实施形式中布置了菲涅耳透镜来代替衍射光学元件。因此没有出现寄生衍射级，并且效率问题也不是同等程度存在。总体而言自由减少，但设计方面的花费也因此减少。与一般的折射透镜相比菲涅耳透镜的优点在于其扁平的结构形式，所述结构形式也允许简易地集成到前风窗36中，尤其是集成到其内侧。
图5示出了照明装置16的另一种实施形式。中心反射镜32在这里被设计成侧向照射的反射镜轮廓形式，所述轮廓不从前面，而是基本上以45度角照射。整体布置和方向也因此改变，原因在于此时光源26倾斜了90度。实际上通过反射镜轮廓可实现任何强度分布。所述布置的另一优点在于，可将至少一个光源26布置在壳体侧壁38上，这简化了热连接并易于去除废热。
图6a和图6b分别示出了侧向反射镜30的另一种实施形式的侧视图和顶视图。其中至少两个，在实际描述的例子中为4个金字塔截头锥体，更确切地说为空心金字塔截头锥体彼此堆叠。通过金字塔截头锥体的不同角度和高度产生与光源26的射束特性相一致的自由度和照明区22中所期望的照明分布。为了简单起见中心反射镜32在图6中未被示出，但是优选设置成与图4类似。另一方面在另一种实施形式中也可以设想的是，不使用中心反射镜32，尤其适用于光束角范围大的光源26。

Claims (26)

1.一种用于3D相机(10)的用以产生照明区(22)的照明装置(16)，其具有均匀、但在照明区(22)的边缘区域被抬高的强度分布，其中照明装置(16)具有至少一个有主射束方向的光源(26)和一个环绕主射束方向(28)的侧向反射镜(30)，
其特征在于，
在主射束方向(28)布置额外的中心反射镜(32)，用以将光源(26)所发光的主要光分量通过中心反射镜(32)和侧向反射镜(30)上的反射往外重新分布，以便在所述边缘区域产生抬高的强度。
2.如权利要求1所述的照明装置(16)，其中侧向反射镜(30)具有空心圆锥形状或空心金字塔形状。
3.如权利要求1所述的照明装置(16)，其中侧向反射镜(30)具有至少两个叠置的空心锥截头锥体或空心金字塔截头锥体。
4.如权利要求1-3中任一项所述的照明装置(16)，其中中心反射镜(32)具有顶端为锥形的形状。
5.如权利要求1-3中任一项所述的照明装置(16)，其中中心反射镜(32)具有旋转对称的形状。
6.如权利要求1-3中任一项所述的照明装置(16)，其中中心反射镜(32)具有楔形或锥形形状。
7.如权利要求1-3中任一项所述的照明装置(16)，其中在光源(26)的光路中布置完侧向反射镜(30)和中心反射镜(32)后再布置光学元件(36)用以进行额外的光重新分布。
8.如权利要求4所述的照明装置(16)，其中在光源(26)的光路中布置完侧向反射镜(30)和中心反射镜(32)后再布置光学元件(36)用以进行额外的光重新分布。
9.如权利要求5所述的照明装置(16)，其中在光源(26)的光路中布置完侧向反射镜(30)和中心反射镜(32)后再布置光学元件(36)用以进行额外的光重新分布。
10.如权利要求6所述的照明装置(16)，其中在光源(26)的光路中布置完侧向反射镜(30)和中心反射镜(32)后再布置光学元件(36)用以进行额外的光重新分布。
11.如权利要求7所述的照明装置(16)，其中所述光学元件(36)具有衍射光学元件或菲涅耳透镜。
12.如权利要求8-10中任一项所述的照明装置(16)，其中所述光学元件(36)具有衍射光学元件或菲涅耳透镜。
13.如权利要求7所述的照明装置(16)，其中所述光学元件被集成到照明装置(16)或3D相机(10)的前风窗(36)中。
14.如权利要求8-11中任一项所述的照明装置(16)，其中所述光学元件被集成到照明装置(16)或3D相机(10)的前风窗(36)中。
15.如权利要求12所述的照明装置(16)，其中所述光学元件被集成到照明装置(16)或3D相机(10)的前风窗(36)中。
16.如权利要求1-3中任一项所述的照明装置(16)，其中光源(26)具有LED或LED阵列。
17.如权利要求4所述的照明装置(16)，其中光源(26)具有LED或LED阵列。
18.如权利要求5所述的照明装置(16)，其中光源(26)具有LED或LED阵列。
19.如权利要求6所述的照明装置(16)，其中光源(26)具有LED或LED阵列。
20.如权利要求7所述的照明装置(16)，其中光源(26)具有LED或LED阵列。
21.如权利要求8-11、13和15中任一项所述的照明装置(16)，其中光源(26)具有LED或LED阵列。
22.如权利要求12所述的照明装置(16)，其中光源(26)具有LED或LED阵列。
23.如权利要求14所述的照明装置(16)，其中光源(26)具有LED或LED阵列。
24.一种3D相机(10)，其具有至少一个如权利要求1-23中任一项所述的照明装置(16)。
25.如权利要求24所述的3D相机(10)，其是依据飞行时间法设计的3D相机(10)，并具有分析单元(18)和带多个像素单元的图像传感器(12)，所述分析单元(18)用于为每个像素单元确定照明装置(16)发送光和接收光之间的飞行时间。
26.一种用于为3D相机(10)产生照明区(22)的方法，所述照明区(22)具有均匀但在其边缘区域被抬高的强度分布，其中将由光源(26)在主射束方向(28)发出的光的外部分量往照明区(22)的中心重新分布到环绕主射束方向(28)的侧向反射镜(30)，
其特征在于，
光的主要光分量通过反射往外首先重新分布到布置在主射束方向(28)的中心反射镜(32)接着重新分布到侧向反射镜(30)，以便在所述边缘区域产生抬高的强度。
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