CN110214289A - 用于线性传感器的宽视野光学模块 - Google Patents

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Abstract

感测模块包括高速线性图像传感器和面向该传感器的光学单元。该单元包括具有弯曲表面的光学元件以及在光学元件的外表面上的覆盖物。该覆盖物中形成有狭缝。光学单元将宽视野成像到线性传感器的单个像素上，其中在沿着狭缝的任何位置处正交于狭缝照射的光被成像在线性传感器的中心像素上，而在沿着狭缝的任何位置处以相对狭缝的非正交角度照射的光被成像在线性传感器的非中心像素上。

Description

用于线性传感器的宽视野光学模块
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2017年1月17日提交的美国临时专利申请62/446,937和于2017年6月27日提交的美国临时专利申请62/525,218的优先权，两者通过引用方式并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及光学透镜，并且特别地涉及用于线性成像的光学透镜。
背景技术
从现在参考的图1A中可以看出，二维图像传感器10捕获二维场景12。另一方面，线性图像传感器提供一条线的传感器。线性图像传感器比2D图像传感器要求显著地更少的带宽和计算。然而，如现在参考的图1B中所示，线性传感器16仅观察场景12的一部分(例如，一条线)。
为了利用任何类型的图像传感器(无论是2D传感器10还是线性传感器16)，由各种类型的透镜形成的聚焦单元14通常放置在传感器的前面以将光聚焦到传感器上。
现在参考图2，图2示出了在题为“BI-DISTRIBUTED-PROCESSING MOTION TRACKINGSYSTEM FOR TRACKING INDIVIDUALLY MODULATED LIGHT”的US 6,324,296中所讨论的运动跟踪系统中使用的现有技术测量系统。US 6,324,296中的系统具有线性传感器16和柱面透镜20。如可以看到的，线性传感器16垂直于柱面透镜20放置。柱面透镜20收集来自点P1的光并将光提供给传感器16。图2的传感器固定在空间中并且观察场景，要被跟踪的物体围绕该场景移动。
发明内容
根据本发明的优选实施例，提供了一种感测模块，该感测模块包括高速线性图像传感器和面向该传感器的光学单元。该单元包括具有弯曲表面的光学元件以及在光学元件的外表面上的覆盖物。该覆盖物中形成有狭缝。光学单元将宽视野成像到线性传感器的单个像素上，其中在沿着狭缝的任何位置处正交于狭缝照射的光被成像在线性传感器的中心像素上，而在沿着狭缝的任何位置处以相对狭缝的非正交角度照射的光被成像在线性传感器的非中心像素上。
此外，根据本发明的优选实施例，光学元件是单个单片透镜。
此外，根据本发明的优选实施例，外表面是平坦的，弯曲表面是光学元件的面向传感器的内表面，并且光学元件的放大率被改变以在最小失真的情况下将竖直线映射到线性传感器的单个像素。
此外，根据本发明的优选实施例，外表面是平坦的并且光学元件是自由形状透镜。该透镜包括具有可变光学功率的非球面光学表面，该非球面光学表面位于透镜的面向传感器的内表面上。该表面将以每个竖直仰角入射到狭缝上的光聚焦到线性传感器上。透镜的光学功率改变以维持恒定的放大率。
可替代地，根据本发明的优选实施例，外表面是弯曲表面，并且光学元件围绕线性传感器的纵轴是旋转不变的。
此外，根据本发明的优选实施例，光学元件是半球形透镜，并且覆盖物覆盖半球形透镜的外表面。
可替代地，根据本发明的优选实施例，光学元件是安装在不透明半球中的非球面环形透镜，并且覆盖物在透镜上。
最后，根据本发明的优选实施例，光学元件是椭圆形的半球。
附图说明
在说明书的结论部分中特别地指出并清楚地要求保护被视为本发明的主题。然而，当结合附图阅读时，通过参考以下详细描述，可以关于本发明的组织和操作方法两者连同本发明的目的、特征和优点最好地理解本发明，其中：
图1A是观察场景的现有技术二维传感器的示意图；
图1A是观察场景的现有技术线性传感器的示意图；
图2是具有柱面透镜的现有技术线性传感器的示意图；
图3是根据本发明优选实施例构造并操作的具有半球形狭缝的线性传感器的示意图；
图4是图4的传感器的替代实施例的示意图；
图5是根据本发明优选实施例构造并操作的具有自由形状透镜的线性传感器的替代实施例的示意图；以及
图6A和图6B是示出如何将照射到图5的自由形状透镜上的光聚焦到线性传感器上的示意图。
将要认识到的是，为了说明的简洁和清楚起见，图中所示出的元件不一定按比例绘制。例如，为了清楚起见，元件中的一些元件的尺寸可能相对于其他元件被夸大。此外，在认为适当的情况下，可以在附图中重复附图标记以指示对应的元件或类似的元件。
具体实施方式
在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便于提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员应该理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他实例中，没有详细描述公知的方法、过程和组件以免模糊本发明。
申请人已经认识到，针对其中跟踪单元随位置被跟踪的物体移动的跟踪应用，无论该跟踪应用作为虚拟现实系统的一部分还是在移动设备(移动电话、无人机、汽车等)上，有必要在尽可能少的不良影响(例如，失真或旋转误差)的情况下压缩二维场景，以便于提供关于被跟踪的物体的角度位置的准确且快速的信息。
申请人也已经认识到，将狭缝放置在某种类型的光学元件的外表面上可以在相对较少副作用的情况下提供期望的图像压缩。
半球形狭缝
现在参考图3，图3示出了本发明的感测模块100。感测模块100包括高速线性图像传感器102和光学元件104，该光学元件104包括位于光学透明的半球基板120的弯曲外表面之上或上方的弯曲的、窄的狭缝110。
线性传感器102可以与狭缝110的方向垂直地定向，并且线性传感器102的一个点(例如，中点)可以位于狭缝110的曲率半径的中心O处或者在中心O附近。线性传感器102可以是任何合适的高速线性传感器，例如，从Dynamax Imaging(Canandaigua NY)处商业可获得的ELIS-1024。
在优选实施例中，透明半球基板120可以是玻璃或塑料半球透镜。可替代地，基板120可以被挖空。在替代实施例(未示出)中，光学基板120可以是实心的或挖空的半圆柱体，其中狭缝定向在圆柱体的弯曲部分的中心。
可以根据任何合适的手段形成狭缝110。针对其中基板120是半球的实施例，可以通过印刷用于半球基板120的弯曲表面的覆盖物来形成狭缝110。覆盖物可以具有两个不透明区域130，两个不透明区域130通过形成狭缝110的透明区域隔开以使得光通过。
将要认识到的是，光可以平行于传感器102以任何方位角α并且垂直于传感器102沿着狭缝110以任何接收角β进入狭缝110。根据几何光学原理，显而易见的是，从特定方向进入狭缝110的光将照亮传感器的特定区域，该特定区域由方位角α和半球120的半径R限定。例如，来自正交于半球120的外表面的角度的光将照亮传感器102的区域A。类似地，来自任一接收角β的光(所有这些光都正交于半球120的外表面)可以在相同区域A处到达传感器102。然而，来自非正交角度α的光将到达其他区域，例如，传感器102的区域B和区域C。
实际上，半球120的几何形状可以高效地沿着每个弧将所有光以角度α整合到沿着传感器102的单个数据点中。申请人已经认识到，光学接收角很大程度上与到光源的距离无关，因此光学元件104可以整合来自任何尺寸的空间的光源的光并且还可以跟踪灯光或户外的太阳。
角度分辨率可以由狭缝110的宽度和狭缝110与传感器102之间的半径R确定，其中越大的狭缝接收越多的光但是提供越低的分辨率。总体检测角度将受到半球120的半径R和传感器102的尺寸的限制。
可以认识到的是，由光学透明度的量限定的狭缝110的宽度或光学透过性可以随着狭缝的长度而变化，以在接收角β增加时使得可能降低入射信号强度的任何几何效应归一化、以其他方式补偿或者增强该几何效应。
具有半球狭缝的环形透镜
现在参考图4，图4以透视示意图示出了本发明的可替代的、改进的实施例。在该实施例中，感测模块是感测模块200，该感测模块200包括线性图像传感器102和光学元件204，该光学元件204包括非球面环形透镜210。透镜210可以安装在不透明的半球212中，其中狭缝214限定透镜210的孔。透镜元件210可以具有弯曲的内表面216，该弯曲的内表面216可以用于将穿过狭缝214到达的光聚焦到传感器102上的单个点。这可以将窄的狭缝(例如，图3的狭缝110)的分辨率与较宽狭缝的光接收效率相结合。如在先前的实施例中，传感器102可以放置在环形透镜210的狭缝孔214的曲率半径的中心O处或在中心O附近，并且可以总体上与狭缝214垂直地定向。
将要认识到的是，可以调整内表面216的聚焦能力以确保传感器102的每个像素对于照射在其上的所有角度都可以类似地响应。
将要认识到的是，光学元件104和光学元件204可以光学地压缩二维场景以减少数据带宽。还将认识到的是，与常规的2D图像处理或3D图像处理相比，对线性传感器102的使用可以降低计算要求。感测模块100和200可以用于识别、定位和跟踪场景中的明亮光源以及高对比度竖直特征，并且可以用于在题为“Method and Apparatus for IndoorPositioning”的申请中所讨论的跟踪系统，该申请与本发明在同一天提交、转让给本发明的共同受让人，并且通过引用方式并入本文。
在替代实施例中，半球可以是非球面或椭圆形的，该半球沿着狭缝的方向具有一个曲率半径并且沿着传感器102的轴具有第二曲率半径。这可以允许狭缝位于更靠近传感器102处，从而减小模块的整体高度，同时仍然利用传感器的整个长度并实现延伸大于90度的感测角度。
将要认识到的是，在图3和图4的实施例中，来自特定方位角α的光在传感器102上的位置通常对于传感器模块100或200围绕传感器102的主轴103的旋转是不变的。因此，用户可以旋转传感器模块100或200，并且来自特定光源(例如，灯泡)的光将总是照射在传感器102的相同部分上。由于传感器102位于曲率半径的中心O处，因此可以实现这种不变性。
改进的光学元件
申请人已经认识到，为了识别并跟踪场景中的竖直特征，期望将竖直特征的所有点成像到线性传感器的单个像素上。在实践中利用低成本成像光学器件来实现是具有挑战性的，特别是当对非常大的视野成像时。通常与线性传感器一起采用的柱面透镜遭受图像失真，并且柱面透镜的焦点在大角度下很难校正。图3和图4的实施例中的弯曲的狭缝由于它们的曲率也会引入竖直特征的失真。
然而，直线狭缝可以提供相对无失真的映射。将要认识到的是，光学分辨率与狭缝宽度成正比，并且这样的直线狭缝可能不具有图3和图4的实施例的旋转不变性。
现在参考图5，图5示出了感测模块300，该感测模块300包括高速线性传感器102和单个自由形状光学元件或透镜304，该感测模块300通常被优化以在大视野上产生很大程度上无失真且相对清晰地聚焦的竖直特征到线性传感器102的个体像素上的映射。如在先前的实施例中，光学元件304可以位于水平线性传感器102的前面。
透镜304可以包括相对平坦的外表面222和非球面光学内表面230，该非球面光学内表面230被设计为面向线性传感器102。内表面230可以在中心点P2处沿水平轴具有正曲率半径，并且在点P1处沿竖直轴具有负曲率半径，点P1被设计为与线性传感器102相对放置。外表面222可以被部分地覆盖以创建可以形成光学孔的很大程度上是矩形的竖直狭缝220。
如可以看到的，光可以穿过狭缝220并且进入透镜304，直到光到达内表面230，这可以将光清晰地聚焦到线性传感器102上。
将要认识到的是，当从透镜的中心移出时可以降低光学功率，同时可以增加厚度以在维持恒定放大率的同时调整焦点。如图5所示，从中心竖直线270入射到透镜330上并且从正交于狭缝220的方向以角度β1到达传感器102的光的射线272可以穿过透镜330的小厚度(T1)和小曲率半径(R1)，以便在传感器102上清晰地聚焦。另一方面，入射到狭缝220并且以更大的入射角度(标记为β2)到达传感器的光的射线274将遇到透镜330的横截面，该横截面具有更大的透镜厚度(T2)和更大的曲率半径(R2)，以便也在传感器102的同一像素A上清晰地聚焦。将要认识到的是，可以调整参数R和T，使得在点P2(其比点P1距传感器的距离更远)处离开透镜330的光也在点A处被清晰聚焦。
因此，非球面光学表面230的光学功率可以被设置在每个点处，使得方位角α的放大率可以保持恒定，而与入射的接收角β(即，沿着狭缝220的点)无关。
现在参考图6A，图6A示出了从2个不同的方位角α(从中心竖直线270和从非中心竖直线280)入射到传感器102上的光。注意，光射线272照射在传感器102的点A上。然而，与图3和4的实施例类似，来自非中心竖直线280的光射线282照射在传感器102的点C上。
现在参考图6B，图6B示出了沿着狭缝220以2个不同的方位角α(从竖直线270和280，以及在2个不同的点β(β1和β2)处)入射到传感器102上的光的叠加。注意，无论线性传感器102的接收角β为多少，沿着恒定水平方位角α定位的特征(例如，来自光射线282和284的特征，以及来自光射线272和274的那些特征)可以映射到相同的像素(像素C和A，分别地)。
满足上面要求的非球面表面Z(x,y)的示例可以由以下等式给出：
Z(x,y)＝a(y)X2+b(y) 等式1
其中：
P＝abs(y)；
a(y)＝0.001*(-8.736P3+47.52P2+0.254P-347.2)；
b(y)＝0.001*(-18.27P3+94.21P2-19.56P+2263)；
-1.76<X<1.76；以及
P<3.5
这种自由形状透镜可以通过单点金刚石车削或通过注射成型容易地制造。
附加实施例
应该认识到的是，上文所描述的光学元件中的任一个可以结合2D传感器用于线性成像，例如，当传感器以卷帘快门或开窗模式操作时。
此外，测量单元可以在单个单元中一起具有多种类型的光学元件。这可以提供具有旋转不变性以及无失真映射两者的测量单元。
虽然本文已经说明并描述了本发明的不同实施例的某些特征，但是本领域普通技术人员现在将想到许多修改、替换、改变和等效物。因此，应该理解的是，所附权利要求书旨在覆盖落入本发明的真正精神内的所有这些修改和改变。

Claims (10)

1.一种感测模块，包括：
高速线性图像传感器；以及
面向所述传感器的光学单元，所述单元包括：
具有弯曲表面的光学元件；以及
在所述光学元件的外表面上的覆盖物，所述覆盖物中形成有狭缝，
所述光学单元用于将宽视野成像到所述线性传感器的单个像素上，其中，在沿着所述狭缝的任何位置处正交于所述狭缝照射的光被成像在所述线性传感器的中心像素上，而在沿着所述狭缝的任何位置处以相对所述狭缝的非正交角度照射的光被成像在所述线性传感器的非中心像素上。
2.根据权利要求1所述的感测模块，并且其中，所述光学元件是单个单片透镜。
3.根据权利要求2所述的感测模块，并且其中，所述外表面是平坦的，所述弯曲表面是所述光学元件的面向所述传感器的内表面，并且所述光学元件的放大率被改变以在最小失真的情况下将竖直线映射到所述线性传感器的单个像素。
4.根据权利要求1所述的感测模块，并且其中，所述外表面是平坦的并且所述光学元件是自由形状透镜，所述自由形状透镜包括：
具有可变光学功率的非球面光学表面，所述非球面光学表面位于所述透镜的面向所述传感器的内表面上，其中，所述表面将以每个竖直仰角入射到所述狭缝上的光聚焦到线性传感器上，并且其中，所述透镜的光学功率改变以维持恒定的放大率。
5.根据权利要求1所述的感测模块，并且其中，所述外表面是所述弯曲表面，并且所述光学模块围绕所述线性传感器的纵轴是旋转不变的。
6.根据权利要求1所述的感测模块，并且其中，所述光学元件是半球形透镜，并且所述覆盖物覆盖所述半球形透镜的外表面。
7.根据权利要求5所述的感测模块，并且其中，所述光学元件是安装在不透明半球中的非球面环形透镜，并且所述覆盖物在所述透镜上。
8.根据权利要求6所述的感测模块，并且其中，所述非球面环形透镜使所述光学模块的像素对入射角度响应线性化。
9.根据权利要求8所述的感测模块，并且其中，所述光学模块围绕所述线性传感器的纵轴是旋转不变的。
10.根据权利要求4所述的感测模块，并且其中，所述光学元件是椭圆形的半球。
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