RU2465739C2 - Optical illumination system for active 3d camera - Google Patents
Optical illumination system for active 3d camera Download PDFInfo
- Publication number
- RU2465739C2 RU2465739C2 RU2010147275/28A RU2010147275A RU2465739C2 RU 2465739 C2 RU2465739 C2 RU 2465739C2 RU 2010147275/28 A RU2010147275/28 A RU 2010147275/28A RU 2010147275 A RU2010147275 A RU 2010147275A RU 2465739 C2 RU2465739 C2 RU 2465739C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical system
- optical
- radiation
- integrator
- array
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lenses (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптических систем, а именно систем для формирования излучения лазерных диодов, в частности, в системах подсветки активных 3D камер на лазерных диодах.The invention relates to the field of optical systems, namely systems for generating radiation of laser diodes, in particular, in the backlight systems of active 3D cameras on laser diodes.
Системы подсветки активных 3D камер на лазерных диодах имеют много преимуществ, среди которых следует отметить высокое быстродействие и узкий спектральный диапазон источников излучения по сравнению с системами подсветки на основе светодиодов и других не лазерных источников излучения.The backlight systems of active 3D cameras on laser diodes have many advantages, among which there is a high speed and a narrow spectral range of radiation sources compared to backlight systems based on LEDs and other non-laser radiation sources.
Основной проблемой, возникающей при проектировании систем подсветки активных 3D камер на лазерных диодах (например, для современных 3D камер с инфракрасной подсветкой), является задача обеспечения равномерности освещенности области подсветки на объекте при эффективном подавлении спеклов лазерного источника излучения, возникающих из-за его когерентности и монохроматичности, а также обеспечение переменного углового размера области подсветки на объекте при съемке с различных дистанций при минимизации габаритов и потерь энергии источников излучения.The main problem that arises when designing illumination systems for active 3D cameras using laser diodes (for example, for modern 3D cameras with infrared illumination) is the task of ensuring uniform illumination of the illumination region at the object while effectively suppressing the speckles of the laser radiation source due to its coherence and monochromaticity, as well as providing a variable angular size of the backlight area on the subject when shooting from various distances while minimizing dimensions and energy losses ov radiation.
Из уровня техники известны различные конструкции систем подсветки активных 3D камер и способы получения равномерного освещенности и эффективного подавления спеклов. В частности, можно упомянуть следующие патенты и патентные заявки США: №№6734450 [1], 7390097 [2], 5850300 [3], 5986807 [4], 6903859 [5], 7443591 [6], 6895149 [7], 2003/0174755 [8], 5109465 [9].The prior art various designs of active 3D camera backlight systems and methods for obtaining uniform illumination and effective speckle suppression. In particular, the following US patents and patent applications may be mentioned: No. 6734450 [1], 7390097 [2], 5850300 [3], 5986807 [4], 6903859 [5], 7443591 [6], 6895149 [7], 2003 / 0174755 [8], 5109465 [9].
Наиболее распространенным решением является использование массива светодиодных источников, расположенных на внешнем торце 3D камеры вокруг основного объектива. При использовании ЛД источников для подавления спеклов и получения равномерной освещенности в области подсветки обычно используется либо подвижные рассеиватели, либо матричные пространственные модуляторы излучения, оптические интеграторы, либо многолинзовые растры.The most common solution is to use an array of LED sources located on the outer end of the 3D camera around the main lens. When using LD sources, to suppress speckles and obtain uniform illumination in the illumination region, usually either moving scatterers, or spatial matrix radiation modulators, optical integrators, or multi-lens rasters are used.
Основным недостатком решений-аналогов является применение светодиодных источников излучения без возможности изменения углового поля области подсветки на объекте съемки.The main disadvantage of analog solutions is the use of LED radiation sources without the possibility of changing the angular field of the backlight area at the shooting site.
Для достижения высокой помехозащищенности и повышения точности работы приемного каскада 3D камеры на входе обычно устанавливают узкополосные фильтры оптического излучения. Применение светодиодных источников излучения приводит к снижению отношения сигнал/шум из-за слишком широкого спектра их излучения, снижению точности работы 3D камеры и большим потерям энергии излучения.To achieve high noise immunity and improve the accuracy of the receiving stage of a 3D camera, narrow-band optical radiation filters are usually installed at the input. The use of LED radiation sources leads to a decrease in the signal-to-noise ratio due to a too wide spectrum of their radiation, a decrease in the accuracy of the 3D camera, and large losses of radiation energy.
Помимо этого, светодиодные источники излучения обладают значительно меньшим быстродействием по сравнению с лазерными диодами, что приводит к необходимости применения дорогих сверхвысокоскоростных затворов для получения требуемой длительности строба подсветки.In addition, LED radiation sources have significantly lower speed compared to laser diodes, which leads to the need for expensive ultra-high-speed shutters to obtain the required backlight strobe duration.
Кроме того, отсутствие возможности изменения углового поля области подсветки на объекте съемки резко ограничивает функциональность 3D камеры по сравнению с обычными современными фото- и кинокамерами, обладающими функцией зуммирования.In addition, the inability to change the angular field of the backlight area on the subject sharply limits the functionality of the 3D camera compared to conventional modern photo and movie cameras with a zoom function.
Наиболее близкой к заявляемому решению является конструкция, описанная в патенте США №6734450 [1], которая и была выбрана в качестве прототипа.Closest to the claimed solution is the design described in US patent No. 6734450 [1], which was chosen as a prototype.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать конструкцию, позволяющую обеспечить повышенную равномерность освещенности в области подсветки на объекте с эффективным подавлением спеклов лазерного источника излучения, возникающих из-за его когерентности и монохроматичности, а также обеспечить получение переменного углового размера области подсветки на объекте при съемке с различных дистанций, добиваясь минимизации габаритов и потерь энергии в системе подсветки активной 3D камеры.The problem to which the claimed invention is directed is to develop a design that allows for increased uniformity of illumination in the field of illumination at the object with effective suppression of speckles of the laser radiation source arising due to its coherence and monochromaticity, and also to obtain a variable angular the size of the backlight area on the subject when shooting at various distances, minimizing the size and energy loss in the backlight system of an active 3D camera.
Технический результат достигается за счет того, что в качестве источника излучения применяются лазерные диоды совместно с оптической системой, выполненной с возможностью обеспечения равномерной освещенности и подавления спеклов в варьируемой области подсветки на объекте, а также оптической системой, выполненной с возможностью обеспечения переменного углового размера области подсветки. Иными словами, заявляется оптическая система подсветки активной 3D камеры, включающая массив первичных источников излучения и формирующую оптическую систему,The technical result is achieved due to the fact that laser diodes are used as a radiation source in conjunction with an optical system configured to provide uniform illumination and speckle suppression in a varying illumination region of the object, as well as an optical system configured to provide a variable angular size of the illumination region . In other words, an optical illumination system of an active 3D camera is claimed, including an array of primary radiation sources and forming an optical system,
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что с целью обеспечения равномерной освещенности области подсветки, эффективного подавления спеклов лазерного источника излучения, обеспечения переменного углового размера области подсветки на объекте при минимизации габаритов и потерь энергии источников излучения схемотехника канала подсветки активной 3D камеры включает в себя последовательно расположенные массив лазерных многомодовых источников излучения, согласующую оптическую систему, оптический интегратор излучения и вариообъектив.The essence of the proposed technical solution is that in order to ensure uniform illumination of the illumination region, effectively suppress speckles of the laser radiation source, to provide a variable angular size of the illumination region at the object while minimizing the dimensions and energy losses of radiation sources, the backlight channel circuitry of the active 3D camera includes array of laser multimode radiation sources, matching optical system, optical radiation integrator eniya and zoom.
Фиг.1. Схемотехника системы подсветки известной активной 3D камеры (из патента США №6734450).Figure 1. Circuitry of a backlight system of a known active 3D camera (from US Pat. No. 6,734,450).
Фиг.2. Схемотехника системы подсветки активной 3D камеры согласно изобретению.Figure 2. Circuitry of the backlight system of an active 3D camera according to the invention.
Фиг.3. Промежуточная формирующая подсистема согласно изобретению.Figure 3. The intermediate forming subsystem according to the invention.
Фиг.4. Вариообъектив в широкоугольной позиции.Figure 4. Wide-angle zoom lens.
Фиг.5. Вариообъектив в промежуточной позиции.Figure 5. The zoom lens is in an intermediate position.
Фиг.6. Вариообъектив в теле-позиции.6. Zoom lens in the tele-position.
Фиг.7. Распределение освещенности в широкоугольной позиции на расстоянии 1 м.7. Illumination distribution in a wide-angle position at a distance of 1 m.
Фиг.8. Распределение освещенности в промежуточной позиции на расстоянии 1 м.Fig. 8. Illumination distribution in an intermediate position at a distance of 1 m.
Фиг.9. Распределение освещенности в теле позиции на расстоянии 1 м.Fig.9. The distribution of illumination in the body position at a distance of 1 m.
Наиболее перспективной представляется схема, приведенная на Фиг.2. В состав ее входят массив первичных источников 201 излучения и формирующая оптическая система, которая, в свою очередь, состоит из промежуточной и выходной формирующих оптических подсистем.The most promising is the scheme shown in Figure 2. It consists of an array of primary radiation sources 201 and a forming optical system, which, in turn, consists of an intermediate and output forming optical subsystems.
Первичные источники 201 излучения представляют собой мультимодовые мощные лазерные диоды с малой длиной когерентности.The primary radiation sources 201 are multimode high-power laser diodes with a short coherence length.
Промежуточная формирующая подсистема включает согласующую оптическую систему и интегратор 205 и предназначена для формирования вторичного источника, расположенного на выходном торце 206 интегратора 205.The intermediate forming subsystem includes a matching optical system and
Согласующая оптическая система включает массив линз 203 первоначального преобразования излучения массива первичных источников 201 и комбинер 204. Линза 203 первоначального преобразования излучения первичных источников 201 представляет собой цилиндрическую линзу. Линза 203 уменьшает расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной эмиттеру, тем самым выравнивая угловые размеры индикатрис первичных источников 201 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Комбинер 204 представляет собой шестигранную призму из оптического стекла, причем передняя, задняя и две боковые грани являются преломляющими, а верхняя и нижняя грани являются отражающими. Согласующая оптическая система объединяет лучи от массива первичных источников 201 излучения и направляет их на входной торец 202 интегратора 205.The matching optical system includes an array of
Интегратор 205 представляет собой стержень из оптического стекла постоянного сечения в виде прямоугольника с требуемым для конкретного варианта реализации соотношением сторон. Интегратор 205 осуществляет перемешивание лучей, увеличивая разность их хода, чтобы она превышала длину когерентности лазерного источника 201 излучения для подавления спеклов, и обеспечивает равномерное распределение освещенности на выходном торце 206 (формирует вторичный источник). При этом индикатрисы излучения вторичного источника однородны по его апертуре и имеют угловые размеры 2u'=12,0…16,0 град, а их оси являются коллинеарными одна относительно другой.The
Выходная формирующая оптическая подсистема представляет собой вариообъектив 207, составленный из четырех групп линз - 401, 402, 403 и 404 и обеспечивающий требуемый перепад угловых размеров области подсветки.The output forming optical subsystem is a zoom lens 207, composed of four groups of lenses - 401, 402, 403 and 404 and providing the required difference in the angular dimensions of the backlight area.
Промежуточная формирующая подсистема иллюстрируется на Фиг.3.The intermediate forming subsystem is illustrated in FIG. 3.
Конструктивные параметры элементов оптической системы подсветки активной 3D камеры связаны соотношениями:The design parameters of the elements of the optical illumination system of the active 3D camera are related by the relations:
где L - длина оптического хода от цилиндрических линз до входного торца интегратора, Dинт - диагональ сечения интегратора, u' - угловой размер индикатрис излучения на выходе цилиндрических линз;where L is the optical path length from cylindrical lenses to the input end of the integrator, D int is the diagonal of the integrator cross-section, u 'is the angular size of the radiation indicatrixes at the output of the cylindrical lenses;
где Lинт - длина интегратора, Dинт - диагональ сечения интегратора.where L int is the length of the integrator, D int is the diagonal section of the integrator.
Указанные соотношения для конструктивных параметров элементов оптической системы подсветки активной 3D камеры обеспечивают:The indicated relations for the design parameters of the elements of the optical illumination system of the active 3D camera provide:
- согласование индикатрисы первичных источников с входной угловой апертурой интегратора;- coordination of the indicatrix of the primary sources with the input angular aperture of the integrator;
- согласование выходной индикатрисы вторичного источника с входной угловой апертурой вариообъектива;- coordination of the output indicatrix of the secondary source with the input angular aperture of the zoom lens;
- высокую равномерность освещенности области подсветки, подавление спеклов и минимизацию энергетических потерь.- high uniformity of illumination of the backlight area, speckle suppression and minimization of energy losses.
Пример предпочтительной реализации заявляемой системыAn example of a preferred implementation of the inventive system
Массив первичных источников излучения состоит из трех мощных мультимодовых лазерных диодов с широким эмиттером. Лазерные диоды: мощность - 1000 мВт; ширина эмиттера - 100 мкм; длина волны излучения - 850 нм; расходимость - 32°×8° (по уровню 0,5).The array of primary radiation sources consists of three powerful wide-emitter multimode laser diodes. Laser diodes: power - 1000 mW; emitter width - 100 microns; radiation wavelength - 850 nm; divergence - 32 ° × 8 ° (at the level of 0.5).
Цилиндрические линзы: диаметром - 200 мкм; длина из технологических соображений должна быть больше 200 мкм; материал - оптическое стекло FPL51.Cylindrical lenses: diameter - 200 microns; length for technological reasons should be more than 200 microns; material - optical glass FPL51.
Расстояние между светоизлучающей площадкой каждого ЛД и соответствующей ему цилиндрической линзой - 18…20 мкм.The distance between the light-emitting area of each LD and its corresponding cylindrical lens is 18 ... 20 microns.
Комбинер - шестигранная призма. Передняя, задняя и две боковые грани преломляющие. Верхняя и нижняя грани отражающие. Призма: толщина - 1,0 мм; высота передней грани - 2,5 мм; высота задней грани - 0,4 мм; длина призмы из технологических соображений должна быть больше 0,5 мм; материал призмы - оптическое стекло S-LAM66 с показателем преломления в диапазоне от 1,7 до 1,85.The combiner is a hexagonal prism. The front, rear and two side faces are refracting. The upper and lower faces are reflective. Prism: thickness - 1.0 mm; front face height - 2.5 mm; height of the back face - 0.4 mm; the length of the prism for technological reasons should be more than 0.5 mm; prism material - optical glass S-LAM66 with a refractive index in the range from 1.7 to 1.85.
Интегратор выполнен в форме стержня, то есть прямоугольника с постоянным сечением и с соотношением сторон порядка 4:3. Интегратор: габариты: 20,0×2,0×1,5 мм3 (Д×Щ×В); материал - оптическое стекло FPL51 с показателем преломления в диапазоне от 1,4 до 1,5.The integrator is made in the form of a rod, that is, a rectangle with a constant cross section and with an aspect ratio of about 4: 3. Integrator: dimensions: 20.0 × 2.0 × 1.5 mm 3 (L × SH × H); material - optical glass FPL51 with a refractive index in the range from 1.4 to 1.5.
Вариообъектив имеет перепад фокусного расстояния порядка 3-х крат, неподвижную предметную плоскость, телецентрический ход главного луча и входной апертурный угол u=6,5…8,0 град. Вариообъектив состоит из четырех групп линз, из которых группа 401 и группа 403 являются подвижными.The zoom lens has a focal length difference of the order of 3 times, a fixed object plane, the telecentric course of the main beam and the input aperture angle u = 6.5 ... 8.0 degrees. The zoom lens consists of four lens groups, of which
В таблицах - все линейные размеры в мм.In the tables - all linear dimensions in mm.
Энергетическая эффективность: >90%.Energy Efficiency:> 90%.
Неоднородность в области подсветки требуемого углового размера: <10%.Inhomogeneity in the backlight area of the required angular size: <10%.
В настоящее время наиболее эффективное применение связано с использованием в системах подсветки активных 3D камер.Currently, the most effective application is associated with the use of active 3D cameras in backlight systems.
Claims (9)
промежуточная формирующая подсистема выполнена с возможностью формирования вторичного источника и включает в себя согласующую оптическую систему и интегратор;
согласующая оптическая система включает в себя массив линз первоначального преобразования излучения массива первичных источников и общий комбинер;
выходная формирующая оптическая подсистема представляет собой вариообъектив.1. The optical illumination system of the active 3D camera, including an array of primary radiation sources and forming an optical system, characterized in that the forming optical system consists of an intermediate and output forming optical subsystems, and:
the intermediate forming subsystem is configured to form a secondary source and includes a matching optical system and an integrator;
matching optical system includes an array of lenses for the initial conversion of radiation from an array of primary sources and a common combiner;
The output forming optical subsystem is a zoom lens.
где L - длина оптического хода от линз до входного торца интегратора;
Dинт - диагональ сечения интегратора;
u' - угловой размер индикатрис излучения на выходе линз;
где Lинт - длина интегратора;
Dинт - диагональ сечения интегратора. 9. The optical system according to claim 1, characterized in that the design parameters of the elements of the optical illumination system of the active 3D camera are related by the ratios:
where L is the length of the optical path from the lens to the input end of the integrator;
D int - diagonal section of the integrator;
u 'is the angular size of the indicatrix of radiation at the output of the lenses;
where L int - the length of the integrator;
D int - diagonal section of the integrator.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010147275/28A RU2465739C2 (en) | 2010-11-19 | 2010-11-19 | Optical illumination system for active 3d camera |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010147275/28A RU2465739C2 (en) | 2010-11-19 | 2010-11-19 | Optical illumination system for active 3d camera |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2010147275A RU2010147275A (en) | 2012-05-27 |
RU2465739C2 true RU2465739C2 (en) | 2012-10-27 |
Family
ID=46231369
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010147275/28A RU2465739C2 (en) | 2010-11-19 | 2010-11-19 | Optical illumination system for active 3d camera |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2465739C2 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6734450B2 (en) * | 2001-03-02 | 2004-05-11 | Pentax Corporation | Three-dimensional image capturing device |
US6823080B2 (en) * | 1996-07-01 | 2004-11-23 | Canon Kabushiki Kaisha | Three-dimensional information processing apparatus and method |
US7274815B1 (en) * | 2003-10-09 | 2007-09-25 | Sandia Corporation | Parallel phase-sensitive three-dimensional imaging camera |
-
2010
- 2010-11-19 RU RU2010147275/28A patent/RU2465739C2/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6823080B2 (en) * | 1996-07-01 | 2004-11-23 | Canon Kabushiki Kaisha | Three-dimensional information processing apparatus and method |
US6734450B2 (en) * | 2001-03-02 | 2004-05-11 | Pentax Corporation | Three-dimensional image capturing device |
US7274815B1 (en) * | 2003-10-09 | 2007-09-25 | Sandia Corporation | Parallel phase-sensitive three-dimensional imaging camera |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2010147275A (en) | 2012-05-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2017097310A (en) | Light source optical system and projection type display device using the same | |
KR100758291B1 (en) | Refraction type small zoom lens optical system | |
KR20160091909A (en) | Telecentric lens | |
WO2022016793A1 (en) | Optical system and projection device | |
JPS633288B2 (en) | ||
RU2451312C1 (en) | Objective lens | |
JP5018192B2 (en) | Lighting device | |
CN109656007A (en) | Varifocal optical system and imaging device | |
RU2578661C1 (en) | Infrared lens with smoothly varying focal distance | |
RU2694557C1 (en) | Infrared system with two fields of view | |
Lutz et al. | Laser diode stack beam shaping for efficient and compact long-range laser illuminator design | |
RU2465739C2 (en) | Optical illumination system for active 3d camera | |
RU2570055C1 (en) | Infrared catadioptric lens | |
RU2645912C1 (en) | High-aperture lens | |
KR20190033213A (en) | Dot sighting device | |
RU2547005C1 (en) | Apochromatic lens | |
CN105785553B (en) | Small short-focus projection lens | |
RU2331909C1 (en) | Objective lens for closer infrared spectrum | |
KR20100096398A (en) | Illumination apparatus | |
RU77457U1 (en) | LENS | |
RU142867U1 (en) | LENS | |
RU2289833C1 (en) | Zoom | |
JP2019140117A (en) | Light source optical system and projection type display device using the same | |
RU201916U1 (en) | INFRARED SYSTEM WITH THREE FIELDS OF VIEW | |
RU2341816C1 (en) | Objective |