CN110178156A - 包括可调节焦距成像传感器的距离传感器 - Google Patents

包括可调节焦距成像传感器的距离传感器 Download PDF

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Abstract

在一个实施例中，一种用于计算到物体的距离的方法，所述方法包括：同时激活距离传感器的第一投影点和第二投影点，以共同将参考图案投影到视场中；激活距离传感器的第三投影点，以将测量图案投影到视场中；捕获视场的图像，其中物体、参考图案和测量图案在图像中是可见的；基于图像中的测量图案的外观来计算从距离传感器到物体的距离；基于图像中的参考图案的外观来检测距离传感器的透镜的移动；以及基于如检测到的移动来调节如计算的距离。

Description

包括可调节焦距成像传感器的距离传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年12月7日提交的美国临时专利申请序列号62/430,998的权益，所述专利申请通过引用以其整体并入本文中。
背景技术
本公开一般地涉及计算机视觉系统，并且更特别地涉及用于测量到空间中的物体或点的距离的传感器。
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通常又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以被用来确定从交通工具到周围环境中的特定物体或点的距离。
发明内容
在一个实施例中，一种用于计算到物体的距离的方法，所述方法包括：同时激活距离传感器的第一投影点和第二投影点，以共同将参考图案投影到视场中；激活距离传感器的第三投影点，以将测量图案投影到视场中；捕获视场的图像，其中物体、参考图案和测量图案在图像中是可见的；基于图像中的测量图案的外观来计算从距离传感器到物体的距离；基于图像中的参考图案的外观来检测距离传感器的透镜的移动；以及基于如检测到的移动来调节如计算的距离。
在另一实施例中，一种存储多个指令的计算机可读存储设备，所述指令当由处理器执行时，使得处理器执行用于计算到物体的距离的操作。所述操作包括：同时激活距离传感器的第一投影点和第二投影点，以共同将参考图案投影到视场中；激活距离传感器的第三投影点，以将测量图案投影到视场中；捕获视场的图像，其中物体、参考图案和测量图案在图像中是可见的；基于图像中的测量图案的外观来计算从距离传感器到物体的距离；基于图像中的参考图案的外观来检测距离传感器的透镜的移动；以及基于如检测到的移动来调节如计算的距离。
在另一示例中，一种装置，包括：成像传感器，其包括透镜，所述透镜是可移动的；第一投影点和第二投影点，用于共同将参考图案投影到视场中，其中第一投影点和第二投影点相对于成像传感器的相应位置是固定的；第三投影点，用于将测量图案投影到视场中，其中第三投影点相对于成像传感器的位置是固定的；以及电路，用于基于由成像传感器捕获的视场的图像中的测量图案的外观来计算视场中的物体与装置的距离，基于图像中的参考图案的外观来检测透镜的移动，以及基于如检测到的移动来调节如计算的距离。
附图说明
通过结合附图考虑以下详细描述，可以容易地理解本公开的教导，其中：
图1A图示了可以被用来产生本公开的光学配置的距离传感器的一个实施例的横截面视图；
图1B图示了图1A的距离传感器的俯视图；
图2图示了图1A和1B的距离传感器的一部分的俯视图；
图3A更详细地图示了透镜移位；
图3B更详细地图示了图像放大；
图4A图示了第一示例，其中两个参考光束可以被用于检测图像放大和/或透镜移位；
图4B图示了其中图4A的第一和第二参考光束被用于检测同时发生的图像放大和透镜移位的示例；
图5A图示了来自第一投影点和第二投影点的示例主参考图案的投影；
图5B图示了来自第一投影点和第二投影点的示例辅助参考图案的投影；
图6A和6B图示了同时投影的示例主参考图案和辅助参考图案；
图7图示了图6A和6的主参考图案和辅助参考图案的投影的第一示例侧视图；
图8图示了在不同位置处的多个矩形的投影圆点的矩阵的重叠；
图9图示了示例测量图案，其具有与其同时投影的主参考图案和辅助参考图案；
图10图示了用于计算从传感器到空间中的物体或点的距离的方法的流程图；以及
图11描绘了适用于在执行本文中所述的功能时使用的通用计算机的高级框图。
为了便于理解，在可能的情况下，已经使用相同的参考标号来表示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。可以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物体或点的距离。例如，距离传感器可以将一个或多个光束投影到该物体或点上并且然后根据飞行时间（TOF）、对反射光的分析（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是庞大的，并且因此可能不适用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提供小于360度的视场。距离传感器还可以被用于其他应用，包括三维（3D）成像、个人和商用交通工具照相机系统、安全系统以及诸如此类。然而，这些应用中的每个可能需要不同类型的图像数据（例如，宽视野、远距离、小大小等）；因此，透镜移位和图像放大可以被用于捕获给定应用所需的图像的类型。
一些距离传感器利用简单的三角测量算法来将图像的位置直接与距离相关，并且从而计算到与图像相关联的物体的距离。这种类型的一些传感器可以使用二维照相机作为三维传感器。因此，这样的系统在成本和大小方面有优势。然而，对于采用光束投影的主动三角测量系统，成像传感器（例如，照相机）通常被配置为固定透镜、固定焦点系统，没有变焦能力。当试图从更远的距离捕获图像时，固定焦点可能造成模糊，并且无法变焦可能使得难以捕获移动物体的清晰图像。另一方面，如果透镜是可调节的以进行变焦和聚焦，则透镜的任何不期望的移动（例如，移位或倾斜）都可能影响三角测量的准确度。
本公开的示例为诸如2015年10月22日提交的美国专利申请No. 14/920,246中公开的距离传感器中的任何距离传感器的紧凑距离传感器提供光学配置改进，通过引用将该申请以其整体并入本文中。一个或多个光源投影多个光束，当入射在物体上时，所述光束共同形成测量图案（例如，多条平行线）。两个或多个光源投影多个光束，当入射到物体上时，所述光束共同形成参考图案（例如，也是多条平行线）。测量和参考图案可以同时从相同的光源或从不同的光源投影。然后，一个或多个成像传感器捕获物体、测量图案和参考图案的二维图像，并且基于图像中物体上的测量图案和参考图案的外观，检测距离传感器的成像传感器透镜的移动（例如，移位、倾斜或者诸如此类）。然后可以对基于三角测量的物距测量进行补偿，以考虑透镜移动。
在本公开的上下文中，“光束”或“投影光束”是指由所公开的距离传感器的光源发射的光的形式。“线”或“图案”是指当由光源发射的光束入射在表面或物体上时在该表面或物体上产生的图像。
例如，图1A和1B图示了可以被用来产生本公开的光学配置的距离传感器100的一个示例。特别地，图1A图示了距离传感器100的横截面视图，而图1B图示了图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。
如图1A中所图示的那样，距离传感器100包括布置在紧凑壳体102内的多个部件。在一个示例中，部件包括围绕包括广角透镜112的成像传感器110布置的多个光源1081-108n（下文统称为“光源108”或单独称为“光源108”）。在一个示例中，多个光源108包括偶数个光源。例如，在图1B中描绘的示例中，多个光源108包括四个光源108。在一个示例中，部件关于中心轴A-A'基本对称地布置。例如，在一个示例中，中心轴A-A'与成像传感器110的光轴（例如，透镜单元的中心）重合，并且光源108在围绕成像传感器110的环中以规则间隔（例如，每三十度、每九十度或者诸如此类）间隔开，如图1B中图示的那样。
在一个示例中，光源108中的每个是发射多个光束的激光光源，其中多个光束可以将多条连续线或圆点（或其他标记，诸如x、短划或者诸如此类）的线投影到多个光束入射在其上的表面上。因此，每个光源108可以被认为是距离传感器100的投影点，即距离传感器100上的点，多个光束从该点被投影到视场中。为此，每个投影点可以包括相应的衍射光学元件1141-114n（下文统称为衍射光学元件114”或单独称为“衍射光学元件114”），其将由光源108发射的单个光束分裂成多个光束。多个光束中的每个单独光束可以依次将圆点或点投影到表面上，其中多个光束被布置成使得相应的圆点共同形成一系列平行线。线可以由圆点形成，使得它们共同形成矩形的圆点的矩阵。替代地，线可以是连续的，或由短划、x或者诸如此类形成。
每个光源108的投影的方向可以相对于成像传感器110固定。在一个示例中，每个光源108被配置成投影在表面上形成不同视觉图案的多个光束。例如，光源1081可以投影圆点的图案，而光源1082可以投影短划或x的图案等。在另外的示例中，多个光源108中的至少一个光源108可被配置成变化其投影的图案。另外，由光源108中的一个或多个投影的光的强度可以变化。例如，光源1081可以投影第一强度的光，而光源1082可以投影不同的第二强度的光等。替代地，每个光源108可以能够投影其强度可以在某个范围内变化的光。
从每个光源108发射的光具有已知对人类视觉相对安全的波长（例如，红外线）。在另外的示例中，每个光源108可以包括用于调节其输出的强度的电路。在另外的示例中，每个光源108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。
在一个示例中，相对于由多个光源108发射的光在其中传播的方向，多个光源108被定位在成像传感器110的主点（即其中光轴A-A'与图像平面相交的点）的“后面”，如图1A中所示。在一个示例中，多个光源108中的至少一个光源108可从距离传感器100拆卸。
如上面所讨论的那样，成像传感器110可以沿着中心轴A-A'被定位在多个光源108的中间。在一个示例中，该成像传感器110是图像捕获设备，诸如静止照相机或视频摄像机。在一个特定示例中，图像捕获设备包括红、绿、蓝红外（RGB-IR）传感器。还如上面所讨论的那样，该成像传感器110包括产生半球形视场的广角透镜112，诸如鱼眼透镜。在一个示例中，透镜112包括除中心投影或自由形状表面光学透镜之外的任何类型的透镜。在一个示例中，该成像传感器110包括用于计算从距离传感器110到物体或点的距离的电路。在另一示例中，该成像传感器包括用于通过网络将所捕获的图像传送给处理器的网络接口，其中处理器计算从距离传感器100到物体或点的距离并且然后将所计算的距离传送返回给距离传感器100。
在另一个示例中，距离传感器100可以采用单个光源108，所述光源108采用衍射光学元件来将其光束分裂成第一多个光束。然后，将第一多个光束中的每个进一步分裂成第二多个光束，所述第二多个光束从距离传感器100的每个投影点发射，如上面讨论的那样（例如，通过衍射光学元件114）。在美国专利申请No. 14/920,246中进一步详细讨论了该示例。
因此，在一个示例中，距离传感器100使用一个或多个光源和/或一个或多个衍射光学元件来产生多个投影点，从所述投影点发射多个投影光束，其中由多个投影光束产生的多条线（例如，其可以包括圆点或短划的图案）可以在它们被投影到其上的表面上彼此平行取向。因此，由距离传感器100投影到表面上的图案可以包括多条平行线，其中所述线中的每条包括连续线或圆点、短划、x的线或者诸如此类。然后，可以根据视场中的多条平行线的外观（例如，当线由圆点形成时，通过圆点的位置）计算从距离传感器100到物体的距离（例如，如2015年10月22日提交的美国专利申请No. 14/920,246中描述的那样）。例如，可以通过形成平行线的圆点的横向移动来检测到物体的距离，因为即使距离改变，线也总是连续线性的。还可以直接计算物体的大小和尺寸。
如下面进一步详细讨论的那样，可以使用不同图案的平行线来测量距离并补偿透镜移动。例如，可以使用第一和/或第二参考图案的图像来检测透镜移动。然后可以应用对透镜移动的了解来基于测量图案的图像来调节进行的距离测量（例如，经由三角测量）。
当光源108中的每个投影不同图案（例如，圆点、x、短划等）的多条线时，成像传感器110中的电路可以容易地确定捕获的图像中的哪些线由光源108中的哪个产生。这可以促进距离计算，如下面更详细地讨论的那样。在一个示例中，可以结合由光源108中的每个投影的图案使用不同的距离计算技术。
图2图示了图1A和1B的距离传感器100的一部分的俯视图。特别地，图2图示了相对于被检测的物体200的透镜移位和图像放大的概念。
如图示的那样，成像传感器110和光源108具有固定位置。然而，透镜112具有可移动的位置，使得可以调节透镜112以进行聚焦和变焦。因此，尽管距离传感器100可以具有相对于其距离正在被测量的物体200的固定位置，但是透镜112相对于物体200的位置可以变化，并且这可能影响用于距离计算的三角测量技术的精度。
例如，透镜112可以移位，即相对于成像传感器110的光轴在横向或垂直方向上移动。在图2中，初始的预移位光轴被示出在A-A'处，而新的移位后光轴被示出在B-B'处。
例如，为了图像放大（变焦）的目的，透镜112还可以在平行于成像传感器110的光轴的方向上移动。在这种情况下，成像传感器的光轴的位置不改变（例如，它保持为A-A'），但是从透镜112到物体200的距离改变。
参考图案可以通过光源108中的两个或更多个被投影到物体200上，其中每个光源108投影相应的参考光束2061或206n（下文统称为“参考光束206”或单独称为“参考光束206”）。参考图案包括其中参考光束206会聚或相交的至少一个参考点204（例如，圆点、短划、线或者诸如此类），如下面进一步详细讨论的那样。在一个示例中，参考图案的参考轴202与成像传感器110的光轴A-A'对准（例如，共线）。
图3A更详细地图示了透镜移位。特别地，图3A图示了没有从透镜到物体306的距离中的变化的透镜移位。在图3A中，透镜112的初始位置以300指示，而透镜112的新位置或移位位置以302指示。初始位置300和新位置302之间的移位或横向差异可以被给出为s。
参考标号304指示被投影到物体306上的参考光束，在物体306上产生点（例如，圆点、x、短划或者诸如此类）图像PR，下文中称为“参考点”。如图示的那样，参考光束304从透镜112的初始位置300从透镜112的前节点Nf投影并穿过透镜112的前节点Nf。在这种情况下，前节点Nf用作用于三角测量的距离传感器100的校准位置。当透镜112移位到新位置302时，透镜112的前节点移动到Nf'。透镜112的后节点从Nr移动到Nr'。与参考光束304相关联的方向和参考点PR是固定的。
当透镜112处于初始位置300处时，成像传感器110上的参考点PR的图像由QR指示。然而，当透镜112移位到新位置302时，成像传感器110上的参考点PR的图像移动到QR'。在这种情况下，参考点PR的移动距离s'可以被计算为：
s' = s+s(b/a) （等式1）
其中b表示图像距离（即，从图像传感器110上的参考点PR的图像QR'到透镜112的后节点Nr'的距离）并且a表示物距（即，从物体306到透镜112的后节点Nr'的距离。通常，比率b/a是相对小的，因此移位s近似等于移动距离s'。
在一个示例中，圆点图像P0、P1和P2形成被投影到物体306上的图案的部分，用于距离测量目的；因此，圆点图像P0、P1和P2在本文中可以被称为“测量点”。成像传感器110上的测量点的相应图像分别由Q0、Q1和Q2指示。当透镜112移位到新位置302时，成像传感器110上的测量点的图像分别移动到Q0'、Q1'和Q2'。在这种情况下，测量点P0、P1和P2的移动距离s'近似等于移位s。
因此，透镜112的移位s可以通过采用具有到物体306的任何距离的参考光束304来确定。当偏移是s时，在到物体306的任何距离处的任何测量点P0、P1和P2的图像（如由成像传感器110捕获）的移动值是s'。
图3B更详细地图示了图像放大。应当指出，图像放大具有与图像距离成比例关系（即，从图像传感器上的图案点的图像到透镜的后节点的距离）。特别地，图3B图示了没有透镜移位的图像放大。因此，透镜112可以更靠近于或更远离物体306移动（即，在平行于成像传感器110的光轴的方向上），但是不横向（即，在垂直于成像传感器110的光轴的方向上，如图3A中图示的那样）移动。
在图3B中，透镜112的初始位置以308指示，而透镜112的新的或放大位置以310指示。参考标号304指示被投影到物体306上的参考光束，在物体306上产生点（例如，圆点、x、短划或者诸如此类）图像PR，下文中称为“参考点”。如图示的那样，参考光束304从初始位置308从透镜112的前节点Nf投影并穿过透镜112的前节点Nf。在这种情况下，前节点Nf用作用于三角测量的距离传感器100的校准位置。当透镜112移动到新位置310时，透镜112的前节点移动到Nf'。透镜112的后节点从Nr移动到Nr'。与参考光束304相关联的方向和参考点PR是固定的（即，即使图像距离可能改变，参考点PR也不相对于物体306移动）。
当透镜112处于初始位置308时，成像传感器110上的参考点的图像由QR指示。如上面讨论的那样，物体306上的参考点PR的图像的位置不随图像距离中的变化而移动。然而，当透镜112移位到新位置310并且图像距离被改变时（例如，由于变焦或聚焦），成像传感器110上的参考点的图像移动到QR'。
在另外的示例中，多个参考光束（即，至少两个）被用于检测和补偿透镜移位和图像放大。在这种情况下，距离传感器的至少第一和第二投影点可以被用于将至少第一和第二参考光束分别投影到其距离正在被测量的物体上。
例如，图4A图示了第一示例，其中两个参考光束可以被用于检测图像放大和/或透镜移位。在这种情况下，可以通过检测对应于两个参考光束的捕获图像的距离变化来获得变化比率k。
特别地，投影第一参考光束400和第二参考光束402以在物体404上产生第一参考点PR和第二参考点PSR。成像传感器上的第一参考点PR和第二参考点PSR的图像的位置分别由QR和QSR指示；在成像传感器上的第一参考点PR和第二参考点PSR的图像的新位置分别由QR'和QSR'指示。点P和P0分别指示分别由第一测量光束406和第二测量光束408在物体404上形成的第一测量点和第二测量点。
在这种情况下，变化比率k可以根据以下等式获得：
k = (khSR + khR)/(hSR * hR) （等式2）
其中khSR和khR是已知的。
图4B图示了其中图4A的第一和第二参考光束400和402被用于检测同时发生的图像放大和透镜移位的示例。在这种情况下，需要知道第一和第二参考光束400和402的绝对位置（即，从其执行三角测量校准的初始透镜前移位位置），以便计算移位s和变化比率k两者。在这种情况下，绝对位置被定义为相对于成像传感器的光轴A-A'的位置，其中光轴A-A'进一步被定义为参考点的图像在其处不随物距变化或图像距离变化移动的点。
需要以其来知道绝对位置的准确度可能随条件而变化。然而，在一些示例中，可以采用能够检测第一参考光束400、第二参考光束402和光轴的位置的校准装置。校准装置可以进一步布置和存储检测到的位置。可以结合三角测量校准来执行这些位置的检测、布置和存储。
尽管已经就使用参考“光束”来检测透镜移位和物距变化讨论了上面描述的示例，但是本公开的另外的示例可以使用由多个光束产生的参考“图案”来检测透镜移位和物距变化。在这种情况下，距离传感器的至少两个投影点同时投影多个光束，所述光束可以从投影点扇形展开（fan out），所述光束从所述投影点被发射。多个光束中的每个光束可以将点投影到物体上。由多个光束投影的点可以共同地在物体上形成多条线（例如，连续线或由一系列圆点、短划、x或者诸如此类形成的线）。由从单个投影点发射的多个光束以及由多个光束投影到物体上的点限定的空间形成可以包括距离传感器的透镜的前节点的投影平面。每个投影平面可以包括距离传感器的光轴。
例如，图5A图示了来自第一投影点502和第二投影点504的示例主参考图案500的投影。如图示的那样，第一投影点502和第二投影点504各自投影多个光束，所述光束扇形展开以分别形成第一投影平面506或第二投影平面508。
如图示的那样，第一投影平面506和第二投影平面508沿着穿过成像传感器512的前节点510的线C-C'相交。由于第一投影点502和第二投影点504的位置相对于成像传感器512是固定的，因此于是第一投影平面506和第二投影平面508沿着其相交的线C-C'的位置也相对于成像传感器512是固定的。因此，线C-C'可以被认为是“参考光束”，其实际上可以通过捕获参考图案500的图像来识别。
由于第一投影平面506和第二投影平面508通过成像传感器512的光轴，因此由第一投影平面506和第二投影平面508产生的主参考图案500可以被认为是“主”参考图案。线C-C'可以类似地被认为是“主”参考轴。
图5B图示了来自第一投影点502和第二投影点504的示例辅助参考图案514的投影。在这种情况下，第一投影点502和第二投影点504各自投影多个光束，所述光束扇形展开以分别形成第三投影平面516或第四投影平面518。
如图示的那样，第三投影平面516和第四投影平面518沿着线D-D'以预定角度相交。由于第一投影点502和第二投影点504的位置相对于成像传感器512是固定的，因此于是第三投影平面516和第四投影平面518沿着其相交的线D-D'的位置也相对于成像传感器512是固定的。因此，线D-D'可以被认为是“参考光束”，其实际上可以通过捕获参考图案514的图像来识别。
由于第三投影平面516和第四投影平面518不通过成像传感器512的光轴，因此由第三投影平面516和第四投影平面518产生的参考图案514可以被认为是“辅助”参考图案。线D-D'可以类似地被认为是“辅助”参考轴。
在相同平面处的主参考图案500和辅助参考图案514彼此平行。由成像传感器512捕获的图像在主参考图案500和辅助参考图案514之间的距离相对于物距中的变化是恒定的。
图6A图示了可以通过本公开的距离传感器被投影到物体上的示例测量图案600。如图示的那样，测量图案600包括矩形的圆点的矩阵。然而，在其他示例中，圆点的每列或每行可以被形成为连续线。如上面讨论的那样，测量图案600由至少两个投影点产生，所述投影点位于成像传感器周围并且相对于成像传感器的透镜的前节点位于相同高度处（沿着成像传感器的光轴的方向），同时发射多个光束。
在图6A和6B中图示的示例中，其图示了同时投影在测量图案600内（或叠加在其上）的示例主参考图案和辅助参考图案，主参考图案包括垂直取向的圆点的中心线602，而辅助参考图案包括垂直取向的圆点的线604的集合，其从中心线602（并且平行于中心线602）横向向外间隔开。测量图案600、主参考图案和辅助参考图案从多个投影点606被投影到半球形视场（例如，“虚拟球体”）中，所述投影点606可以包括对应于相应光源608的衍射光学元件。
更具体地，主参考图案对应于球坐标中的φ=C（其中C是常数，但是是任何值）的线，并且更具体地对应于φ=0（即，C=0）的线，其中φ是测量图案600的旋转角度。因此，主参考图案和辅助参考图案与从其投影它们的投影点一起产生平面，并且被投影到物体上的得到的图案形成线。
主参考图案可以进一步由仰角θ=+θa至-θa（其中θ是任何值，并且主参考图案在θa至θb的预定范围内）定义。辅助参考图案可以进一步由仰角θ=+θb至-θb（其中θ是任何值，并且如果在θc至θd的预定范围内则辅助参考图案）定义。辅助参考图案的旋转角度φ可以被定义为φ=Δφ（其中φ是预定值）。
相比之下，测量图案600对应于θ=0的线（并且更具体地，测量图案600的水平取向的中心线610对应于θ=0），其中θ是测量图案600的仰角。
图7图示了图6A和6B的主参考图案和辅助参考图案的投影的第一示例侧视图。如图示的那样，包括主参考图案（由光束702投影）和辅助参考图案（由光束704投影）的参考图案的投影点的位置与透镜706的前节点Nf重合定位。因此，参考图案的线的捕获图像在透镜706离物体的任何距离处占据相同位置。
因此，通过布置如图8中图示的多个投影点，其图示了主参考图案800和两个辅助参考图案802（其被类似地配置但布置在不同的相应位置处）的重叠，相应的中心线804、806和808在其处在成像传感器的透镜812的光轴上交叉的点被固定在从透镜812到主参考图案800和辅助参考图案804被投影在其上的物体的任何距离处。
在一个示例中，主参考图案800被配置成使得其交叉点可以被容易地识别。然而，可以假定的是，由于点图像条件（取决于物体条件，诸如异常反射条件、障碍物的存在等），主参考图案800中的一些部分可以变得不可检测的。因此，随着时间的推移，距离传感器的检测主参考图案800的能力的准确度可能随着时间的推移而变化。
因此，在一个示例中，可以采取保护措施来提高以其识别主参考图案800的交叉点的准确度。例如，可以增加主参考图案800中的投影线的数量（例如，增加到四或更多）和/或可以增加投影线的长度。在另外的示例中，选择装置可以被用于基于主参考图案800的所选部分来选择主参考图案800的最有效部分和最有效计算装置。仍然在另外的示例中，控制装置可以被用于基于图案条件和/或三角测量结果的分析来控制主参考图案800的投影和图像捕获（例如，发射的时间、发射的强度、曝光的时间、图像相减方式或者诸如此类）。
图9图示了示例测量图案900，其具有与其同时投影的主参考图案902和辅助参考图案904。如图示的那样，测量图案900具有由直线的规则图案组成的相对简单的形状（其中每条线在这种情况下被形成为一系列圆点）。因此，甚至可以从测量图案900的局部视图容易地假设整个测量图案900的形状。
然而，如果测量图案900以及主和辅助参考图案902和904从距离传感器的相同投影点被投影，则被叠加在测量图案900上的由主参考图案902和辅助参考图案904共同组成的参考图案可能干扰测量图案900的功能。因此，在一个示例中，参考图案可以被分成多个段9061-906m（下文统称为“段906”或单独称为“段906”）。
本公开的另外的示例提供了变焦三维距离传感器。对于远距离，投影点图像的移动值是小的。然而，通过放大（即，减小从透镜到物体的距离），点图像的移动值增加，并且距离灵敏度提高。
为了测量远距离，随着透镜亮度降低，返回光（即，被物体反射并返回到成像传感器的光）的强度也降低。因此，可以增加由光源发射的光的强度。另一方面，增加发射光的强度可能造成一些缺点，诸如增加的功耗、缩短的寿命和降低的安全性。
因此，可以采用控制装置来与变焦功能同步。控制装置可以选择具体投影图案，调节光源强度，调节光源脉冲的发射时间和/或间隔，以及调节成像传感器的捕获功能（例如，快门速度、曝光定时等）。
此外，图像模糊可能随焦距调节而变化，并且也可能影响距离测量的准确度。随着距离传感器放大（即，图像放大率增加），图像模糊的影响可能变得更加严重。由于距离传感器需要在广范围内测量距离，因此任何自动聚焦系统都应该在任何时间聚焦在距离的整个范围上。因此可以采用具有循环图案的焦点改变系统，其中循环图案随图像放大/变焦值而变化。
本公开的另外的示例可以补偿随着透镜移动而变化的透镜和其他成像光学像差。在一个示例中，这通过采用存储校准的补偿值并使用对应于测量距离的校准的补偿值来调节三维测量结果的过程来完成。
图10图示了用于计算从传感器到空间中的物体或点的距离的方法1000的流程图。在一个实施例中，可以由集成在成像传感器中的处理器（诸如图1A-1B中图示的成像传感器110）或者如在图11中图示并且在下文讨论的通用计算设备来执行该方法1000。
方法1000在步骤1002中开始。在步骤1004中，同时激活距离传感器的第一投影点和第二投影点以分别投影第一和第二多个光束。第一和第二多个光束共同将参考图案投影到视场中。如上面讨论的那样，参考图案可以包括主参考图案和辅助参考图案，其中主参考图案包括第一条线，并且辅助参考图案包括平行于第一条线取向的第二和第三条线。例如，第一条线可以平行于距离传感器的成像传感器的光轴取向，而第二条线和第三条线相对于第一条线的平面以一定角度取向。
第一、第二和第三条线中的任何一条可以被形成为一系列点（例如，圆点、短划、x或者诸如此类）。第一、第二和第三条线可以形成具有成像传感器的固定点（例如，成像传感器的透镜的前节点）的相应的第一、第二和第三平面。
如上面讨论的那样，主参考图案的旋转角度在球坐标中可以是零，并且主参考图案的仰角可以落在球坐标中的预定范围内。同时，辅助参考图案的旋转角度可以是球坐标中的恒定值，并且辅助参考图案的仰角可以落在球坐标中的预定范围内。
在步骤1006中，激活距离传感器的第三投影点以投影第三多个光束。第三多个光束将测量图案投影到视场中。在一个示例中，由第一和/或第二投影点投影的第一和/或第二多个光束可以与第三多个光束协作以形成参考图案。如上面讨论的那样，测量图案可以包括多条平行线，其中多条平行线中的每条线被形成为一系列点（例如，圆点、短划、x或者诸如此类）。因此，在一个示例中，测量图案可以包括矩形的圆点的矩阵。在一个示例中，参考图案的第一、第二和第三条线平行于测量图案的多条平行线取向，但是叠加在测量图案的多条平行线上。
如上面讨论的那样，测量图案的旋转角度可以落在球坐标中的预定范围内，并且测量图案的仰角可以是球坐标中的恒定值。
在步骤1008中，例如通过成像传感器捕获视场的图像，其中第一、第二和第三投影点的位置相对于成像传感器的位置是固定的。物体、参考图案和测量图案在图像中是可见的。成像传感器可以包括聚焦功能和/或焦距改变功能。因此，成像传感器的透镜可以是可移动的。
在步骤1010中，基于图像中的测量图案的外观来计算从距离传感器到物体的距离。在一个示例中，使用三角测量算法来计算距离。
在步骤1012中，基于图像中的参考图案的外观来检测成像传感器的透镜的移动。例如，基于参考图案相对于成像传感器的固定点（例如，成像传感器的透镜的前节点）的固定方向的外观，可以确定透镜已经相对于成像传感器的光轴的方向横向移位或者透镜已经更靠近于或更远离物体移动。该移动相对于透镜的初始（例如，校准）位置。
例如，可以通过检测主参考图案与辅助参考图案的交叉点的初始位置来检测透镜的移动。可以相对于透镜的预定（例如，校准）位置存储初始图案。然后可以检测交叉点的当前位置，并且可以计算初始点和当前点之间的差异以找到透镜移动的量。在另外的示例中，还可以检测第一参考图案和第二参考图案之间的初始距离和当前距离，并且初始距离和当前距离之间的差异可以指示透镜移动的量。
在步骤1014中，基于在步骤1012中检测到的移动来调节在步骤1010中计算的距离。因此，可以调节距离计算以补偿透镜移动（移位、变焦、倾斜或者诸如此类）。
然后，方法1000在步骤1016中结束。
图11描绘了适用于在执行本文中所述的功能时使用的通用计算机的高级框图。如在图11中所描绘的那样，系统1100包括一个或多个硬件处理器元件1102（例如中央处理单元（CPU）、微处理器或多核处理器）、存储器1104（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1105和各种输入/输出设备1106（例如存储设备，包括但不限于磁带驱动器、软盘驱动器、硬盘驱动器或压缩盘驱动器、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设备（诸如键盘、小键盘、鼠标、麦克风以及诸如此类））。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以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现如上文所讨论的（一个或多个）方法，即跨多个或并行通用计算机来实现（一个或多个）上述方法的步骤或（一个或多个）整个方法，则该图的通用计算机旨在表示那些多个通用计算机中的每个。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。虚拟化计算环境可以支持表示计算机、服务器或其他计算设备的一个或多个虚拟机。在这样的虚拟化虚拟机中，诸如硬件处理器和计算机可读存储设备之类的硬件部件可以被虚拟化或逻辑表示。
应当指出，本公开可以以软件和/或以软件和硬件的组合来实现，例如，使用专用集成电路（ASIC）、包括现场可编程门阵列（FPGA）的可编程逻辑阵列（PLA）、或部署在硬件设备上的状态机、通用计算机或任何其他硬件等同物，例如，与上面讨论的（一个或多个）方法有关的计算机可读指令可以被用于配置硬件处理器以执行以上公开的方法的步骤、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1105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1104中并由硬件处理器元件1102执行以实现如上面结合示例方法1000所讨论的步骤、功能或操作。此外，当硬件处理器执行指令来执行“操作”时，这可以包括直接执行操作和/或促进、指导另一硬件设备或部件（例如协处理器以及诸如此类）或与另一硬件设备或部件（例如协处理器以及诸如此类）协作以执行操作的硬件处理器。
执行与上面描述的（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。因此，用于计算本公开的距离（包括相关联的数据结构）的本模块1105可以被存储在有形或物理（广义上非暂时性）计算机可读存储设备或介质（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、设备或磁盘以及诸如此类）上。更具体地，该计算机可读存储设备可以包括提供用于存储信息（诸如要由处理器或计算设备（诸如计算机或应用服务器）访问的数据和/或指令）的能力的任何物理设备。
虽然上面已经描述了各种实施例，但是应该理解，已经仅通过示例而非限制来呈现所述各种实施例。因此，优选实施例的宽度和范围不应受上面描述的示例性实施例中的任何实施例限制，而应仅根据以下权利要求及其等同物来限定。

Claims (21)

1.一种用于计算到物体的距离的方法，所述方法包括：
同时激活距离传感器的第一投影点和第二投影点，以共同将参考图案投影到视场中；
激活距离传感器的第三投影点，以将测量图案投影到视场中；
捕获视场的图像，其中物体、参考图案和测量图案在图像中是可见的；
基于图像中的测量图案的外观来计算从距离传感器到物体的距离；
基于图像中的参考图案的外观来检测距离传感器的透镜的移动；以及
基于如检测到的移动来调节如计算的距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，参考图案包括彼此平行定位的第一条线、第二条线和第三条线。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，第一条线、第二条线和第三条线中的每条线由相应的一系列圆点形成。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，基于参考图案相对于用于捕获图像的成像传感器的固定点的固定方向来检测移动。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，第一条线、第二条线和第三条线中的每条线与成像传感器的固定点形成平面。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，成像传感器的固定点包括透镜的前节点。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，第一条线、第二条线和第三条线中的每条线形成包括成像传感器的光轴的平面。
8.根据权利要求2所述的方法，其中，第一条线包括主参考图案，并且第二条线和第三条线共同包括辅助参考图案，其中主参考图案平行于距离传感器的成像传感器的光轴取向，并且其中辅助参考图案相对于主参考图案的平面以一定角度取向。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，主参考图案的旋转角度在球坐标中是零，并且主参考图案的仰角落在球坐标中的预定范围内。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，辅助参考图案的旋转角度是球坐标中的恒定值，并且辅助参考图案的仰角落在球坐标中的预定范围内。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，测量图案的旋转角度落在球坐标中的预定范围内，并且测量图案的仰角是球坐标中的恒定值。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述检测包括：
检测主参考图案与辅助参考图案的交叉点的初始位置；
存储相对于透镜的预定位置的初始位置；
检测交叉点的当前位置；以及
计算初始位置和当前位置之间的差异以找到移动的量。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
检测第一参考图案和第二参考图案之间的初始距离；
存储相对于透镜的预定位置的初始距离；
检测第一参考图案和第二参考图案之间的当前距离；以及
计算初始距离和当前距离之间的差异以找到移动的量。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，第一投影点和第二投影点中的至少一个与第三投影点协作以投影测量图案。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述移动是在垂直于距离传感器的成像传感器的光轴的方向上的移位。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述移动位于平行于距离传感器的成像传感器的光轴的方向上。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，第一投影点、第二投影点和第三投影点的相应位置被固定在执行捕获的成像传感器周围。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，成像传感器包括聚焦功能。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，成像传感器包括焦距改变功能。
20.一种存储多个指令的计算机可读存储设备，所述指令当由处理器执行时，使得处理器执行用于计算到物体的距离的操作，所述操作包括：
同时激活距离传感器的第一投影点和第二投影点，以共同将参考图案投影到视场中；
激活距离传感器的第三投影点，以将测量图案投影到视场中；
捕获视场的图像，其中物体、参考图案和测量图案在图像中是可见的；
基于图像中的测量图案的外观来计算从距离传感器到物体的距离；
基于图像中的参考图案的外观来检测距离传感器的透镜的移动；以及
基于如检测到的移动来调节如计算的距离。
21.一种装置，包括：
成像传感器，其包括透镜，所述透镜是可移动的；
第一投影点和第二投影点，用于共同将参考图案投影到视场中，其中第一投影点和第二投影点相对于成像传感器的相应位置是固定的；
第三投影点，用于将测量图案投影到视场中，其中第三投影点相对于成像传感器的位置是固定的；以及
电路，用于基于由成像传感器捕获的视场的图像中的测量图案的外观来计算视场中的物体与装置的距离，基于图像中的参考图案的外观来检测透镜的移动，以及基于如检测到的移动来调节如计算的距离。
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