用以生成3d相機(jī)照明區(qū)的照明裝置和方法
【專利摘要】公開了用以生成3D相機(jī)照明區(qū)的照明裝置和方法。提供3D相機(jī)(10)用以產(chǎn)生照明區(qū)(22)的照明裝置(16)具有均勻，但在照明區(qū)(22)的邊緣區(qū)域被抬高的強(qiáng)度分布，其中照明裝置(16)具有至少一個(gè)有主射束方向的光源(26)和一個(gè)環(huán)繞主射束方向(28)的側(cè)向反射鏡(30)。其中在主射束方向(28)布置額外的中心反射鏡(32)，以便將從光源(26)所發(fā)光的主要光分量通過中心反射鏡(32)和側(cè)向反射鏡(30)上的反射往外重新分布。
【專利說明】用以生成3D相機(jī)照明區(qū)的照明裝置和方法
[0001]本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求13的前序部分所述用以生成3D相機(jī)照明區(qū)的照明裝置和方法。
[0002]與傳統(tǒng)的二維相機(jī)相比3D相機(jī)也生成距離信息作為圖像信息的額外維度。這方面的各種技術(shù)是已知的。立體相機(jī)根據(jù)模擬人的空間視覺至少兩次從不同角度拍攝場(chǎng)景，將這兩個(gè)圖像中相同的結(jié)構(gòu)元件彼此映射并計(jì)算出視差和已知角度之間的距離?；谀Ｐ偷姆椒ǎ绻饨孛娣?，借助學(xué)習(xí)得到的或其它已知照明圖形的扭曲來識(shí)別距離。飛行時(shí)間相機(jī)確定發(fā)送光信號(hào)和接收光信號(hào)之間的時(shí)間，盡管不同于激光掃描儀或距離感應(yīng)器不只一次確定所述時(shí)間，而是空間分辨地確定圖像傳感器的每個(gè)像素單元，例如和在作為光子混合探測(cè)已知的方法中一樣。
[0003]所述3D法可分成主動(dòng)法和被動(dòng)法，其依據(jù)是視3D相機(jī)是具有自己的照明還是依賴環(huán)境光而定。基于模型的方法以及飛行時(shí)間法本質(zhì)上是主動(dòng)的，因?yàn)檎彰魇蔷嚯x測(cè)定的重要組成部分。立體法原則上可以主動(dòng)和被動(dòng)運(yùn)行。然而在被動(dòng)立體觀視時(shí)正好在當(dāng)場(chǎng)景區(qū)域較大，均勻并因此無結(jié)構(gòu)時(shí)出現(xiàn)這樣的問題，即圖像特征沒有清楚的映射故不可能有可靠的視差估計(jì)。
[0004]圖像采集時(shí)已知的干擾效果為所謂的邊緣區(qū)域衰減。它被理解成強(qiáng)度的不均勻分布，邊緣處的強(qiáng)度比中心小。主動(dòng)3D法近乎兩次受到邊緣區(qū)域衰減的影響，原因一方面在于圖像邊緣處物鏡的邊緣區(qū)域衰減會(huì)造成圖像傳感器接收的光較少，另一方面在于邊緣區(qū)域中的照明可比較地不均勻也造成對(duì)場(chǎng)景的照明更糟。
[0005]在現(xiàn)有技術(shù)中已知各種方法，旨在對(duì)邊緣區(qū)域衰減進(jìn)行補(bǔ)償。一種方法是將微透鏡陣列布置在發(fā)光的激光二極管之后，該微透鏡陣列將一定量的光再分布到視場(chǎng)的邊緣。這意味著相對(duì)較高的光學(xué)費(fèi)用，這些花費(fèi)也不能完全解決所述問題。
[0006]在另一種常規(guī)系統(tǒng)中安裝了多個(gè)分別具有單個(gè)發(fā)射透鏡的LED光源。通過相對(duì)于光源的發(fā)射透鏡的相應(yīng)布置可將這樣產(chǎn)生的單個(gè)照明場(chǎng)朝向3D相機(jī)視場(chǎng)的不同位置，其中通過將所述照明場(chǎng)從視場(chǎng)中心移出來抬高邊緣區(qū)的強(qiáng)度。但這尤其是涉及到飛行時(shí)間法時(shí)隱含著巨大的缺點(diǎn)，因?yàn)闉閹缀趺總€(gè)像素產(chǎn)生的總照明造成各個(gè)光源的不同疊加。但采用飛行時(shí)間法時(shí)經(jīng)常具有光學(xué)參考路徑，以便可以考慮到不取決于飛行時(shí)間的漂移。如果光組合根據(jù)像素改變，則原則上必須為每個(gè)像素區(qū)域或者甚至是為各單個(gè)像素構(gòu)成光學(xué)參考路徑，如果有可能的話，這在技術(shù)上會(huì)極其困難。相反若沒有這樣的參考路徑則引入系統(tǒng)的測(cè)量誤差，所述測(cè)量誤差實(shí)際上經(jīng)常不被容許。使用多個(gè)LED光源的另一個(gè)缺點(diǎn)在于，由于這種影響如部件公差，溫度依賴性，噪音或者甚至故障可產(chǎn)生性能波動(dòng)。為此強(qiáng)度分布會(huì)局部改變并因此產(chǎn)生其它測(cè)量誤差。
[0007]此外還已知的是，給光源提供側(cè)向反射鏡，用以實(shí)現(xiàn)在照明場(chǎng)外部向中心偏轉(zhuǎn)。其它系統(tǒng)只使用射束輪廓的內(nèi)部區(qū)域，其中的強(qiáng)度近似恒定不變。但是用這兩項(xiàng)措施最多可實(shí)現(xiàn)均勻的光分布且不抬高邊緣區(qū)域。
[0008]在照明單元中也將衍射光學(xué)元件用于立體相機(jī)系統(tǒng)，例如在US2007/0263903A1中那樣。但所述元件的主要用途在于，生成結(jié)構(gòu)照明圖形，其用途不是通過補(bǔ)償邊緣區(qū)域的衰減來保證有效均勻的強(qiáng)度分布。然而也表達(dá)出這種想法，即額外地對(duì)邊緣區(qū)域衰減進(jìn)行補(bǔ)償，例如在DE20 2008013 217U1中所述。
[0009]就二維相機(jī)而言例如從DE102 04 939A1中已知的是，使用菲涅耳透鏡來進(jìn)行均勻照明。根據(jù)DElO 2006 023 142A1相機(jī)照明單元也可具有微縮形式，菲涅耳形式或作為衍射元件形式的光學(xué)元件。但是仍舊沒有提到簡(jiǎn)單的光學(xué)裝置，它們足以補(bǔ)償邊緣區(qū)域衰減這一問題。
[0010]因此本發(fā)明的任務(wù)在于，改進(jìn)3D相機(jī)的照明。
[0011]此任務(wù)通過權(quán)利要求1或權(quán)利要求13所述照明裝置和用以生成3D相機(jī)照明區(qū)的方法得以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)本發(fā)明的基本思路是，在照明區(qū)的內(nèi)部重新分布光，以便通過在邊緣區(qū)有目的地抬高強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)均勻的強(qiáng)度分布。因此所述照明顯示的強(qiáng)度分布不是平的，而是在這種意義上為有效均勻的，即通過相應(yīng)地抬高強(qiáng)度來補(bǔ)償照明的邊緣衰減以及也盡可能補(bǔ)償3D相機(jī)接收物鏡的邊緣衰減。為了產(chǎn)生這樣的強(qiáng)度分布，使用由周向側(cè)向反射鏡和布置在主射束方向中心的中心反射鏡構(gòu)成的組合。主射束方向優(yōu)選對(duì)應(yīng)于光源的光軸并構(gòu)成照明裝置的對(duì)稱軸。這兩個(gè)反射鏡要這樣設(shè)計(jì)和布置，致使光從中心重新分布到邊緣。同時(shí)中心也依舊被照亮，原因在于側(cè)向反射鏡將非來源于中心反射鏡的光分量往中心方向重新分布并因此也將光引向中心，在直接路徑上被中心反射鏡遮蔽的照明區(qū)。
[0012]本發(fā)明具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即照明裝置強(qiáng)度的至少一個(gè)邊緣的衰減并且優(yōu)選同時(shí)將3D相機(jī)所接收到的強(qiáng)度的第二邊緣的衰減通過其接收物鏡的邊緣衰減來平衡。這會(huì)導(dǎo)致在整個(gè)視野中獨(dú)立于側(cè)面的物體位置產(chǎn)生恒定的幾何物體分辨率，其中尤其是視場(chǎng)邊緣的物體更容易被識(shí)別和定位。同時(shí)通過這兩個(gè)反射鏡的相應(yīng)設(shè)計(jì)和布置可避免飛行時(shí)間法的干擾性多路路徑。本發(fā)明所述照明是非常高效能的，因?yàn)榘l(fā)射光通過重新分布有80%以及更多在所需照明區(qū)得到利用。同時(shí)照明裝置需要的安裝空間小且可能具有小而平的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)可低成本地制造少數(shù)所需組件。為此反射鏡保證光源的熱連接良好并因此具有較長(zhǎng)的使用壽命。
[0013]側(cè)向反射鏡優(yōu)選具有空心圓錐形狀或空心金字塔形狀?？招腻F的軸優(yōu)選與主射束方向一致并因此與光源的光軸一致，用以獲得對(duì)稱布置。空心錐通過內(nèi)部的鏡面涂層來提供所期望的反射。空心錐的柱面優(yōu)選直接連接到光源，以確保簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)連接和熱連接以及光學(xué)連接。側(cè)向反射鏡的其它可選形式是可以想象的，例如由拋物面，橢球面構(gòu)成的扇區(qū)或者也可以是自由曲面。
[0014]側(cè)向反射鏡優(yōu)選具有至少兩個(gè)疊置的空心錐或空心金字塔截頭錐體。其中各錐體的角度各不相同，從而產(chǎn)生臺(tái)階狀分布。這種方式堆疊或嵌套的空截頭錐體允許通過角度這樣與射束特性匹配，即，使照明場(chǎng)具有所需的均勻性和邊緣衰減補(bǔ)償。
[0015]中心反射鏡優(yōu)選具有頂端為錐形的形狀。所述頂端優(yōu)選指向光源方向，而中心反射鏡的中心軸，其通向頂端，被布置在光源的光軸上。然后中心反射鏡通過外部鏡面具有所需的反射性能。
[0016]中心反射鏡優(yōu)選具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的形狀。這與光源的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的射束特性一致或與兩個(gè)橫側(cè)向上的均勻照明區(qū)一致。若射束特性顯示已知偏差或非對(duì)稱照明區(qū)是所期望的，則可可選地選擇中心反射鏡的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱形狀。
[0017]中心反射鏡優(yōu)選具有楔形或錐形形狀。其中楔形只在一個(gè)橫軸上起作用，而錐形在兩個(gè)橫軸上起作用。所述幾何形狀在相應(yīng)截面中分別提供斜的反射鏡輪廓，其與側(cè)向反射鏡一起生成所需再分布。通過拋物線中心反射鏡或自由曲面構(gòu)成的替代性幾何形狀確保特定的偏差。作為分隔壁或交叉分隔壁的其它形式也是可以設(shè)想的。
[0018]在光源的光路中優(yōu)選布置完側(cè)向反射鏡和中心反射鏡后再布置光學(xué)元件用以進(jìn)行額外的光重新分布。所述光學(xué)元件除了對(duì)這兩個(gè)反射鏡進(jìn)行補(bǔ)充外，還用以實(shí)現(xiàn)期望的照明分布。
[0019]所述光學(xué)元件優(yōu)選具有衍射光學(xué)元件或菲涅耳透鏡。衍射光學(xué)元件相對(duì)于光源的帶寬和散度是敏感的，但是這對(duì)均勻照明所起的作用不大。另一個(gè)已知問題是零級(jí)衍射，在此衍射級(jí)中尤其從保護(hù)眼睛的角度來看傳遞的光線過多。所述影響通過中心反射鏡在很大程度上得以消除。示例提到的衍射光學(xué)元件的替代物為菲涅耳透鏡。
[0020]所述光學(xué)元件優(yōu)選集成到照明裝置或3D相機(jī)的前風(fēng)窗中。為此所述前風(fēng)窗實(shí)現(xiàn)雙重功能，由此節(jié)約安裝空間和生產(chǎn)成本。
[0021]光源優(yōu)選具有LED或LED陣列。激光照明也是可以設(shè)想的，尤其是以VCSEL陣列形式，但與許多常規(guī)的解決方法不同的是它并非迫切所需的，所述解決方法尋求高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)照明圖形。多個(gè)LED會(huì)提供較高的光學(xué)輸出功率。同時(shí)應(yīng)由LED來確保場(chǎng)景的均勻照明。接著功率波動(dòng)會(huì)通過各種漂移如溫度影響，老化影響或噪聲影響以及各種故障來被平均化或3D相機(jī)的全部像素同樣受此影響，從而不引入系統(tǒng)測(cè)量誤差。繼而所述功率波動(dòng)不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生那么大的影響并且不會(huì)導(dǎo)致某些圖像區(qū)域中部分故障。同時(shí)也不需要許多光學(xué)參考路徑用以測(cè)量單個(gè)像素的飛行時(shí)間。
[0022]在有利的改進(jìn)方案中布置具有至少一個(gè)本發(fā)明所述照明裝置的3D相機(jī)。所述3D相機(jī)可基于任意一種3D方法，但是優(yōu)選依據(jù)飛行時(shí)間法設(shè)計(jì)成3D相機(jī)并為此具有帶許多像素單元的圖像傳感器和分析單元，用以為每個(gè)像素元件確定照明裝置發(fā)送光和接收光之間的飛行時(shí)間。分析單元可至少部分地集成到圖像傳感器中，從而產(chǎn)生智能像素，所述像素至少自己確定部分飛行時(shí)間。所述方法就是已知的光子混合探測(cè)(PMD)。
[0023]本發(fā)明所述方法可用類似的方式進(jìn)一步發(fā)展并同時(shí)顯示類似的優(yōu)點(diǎn)。所述有利的特征是示例性的，但是并不終結(jié)于在隸屬于獨(dú)立權(quán)利要求的從屬權(quán)利要求所述。
[0024]下面借助實(shí)施形式并參考附圖也對(duì)本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)示例性地進(jìn)行詳細(xì)描述。附圖中的圖片示出:
[0025]圖1為3D相機(jī)和其照明裝置的簡(jiǎn)單框圖；
[0026]圖2為對(duì)3D相機(jī)視場(chǎng)進(jìn)行的三維描述；
[0027]圖3將依賴有邊緣衰減的橫向位置的常規(guī)強(qiáng)度分布與本發(fā)明所述具有邊緣區(qū)域抬高的強(qiáng)度分布進(jìn)行比較；
[0028]圖4簡(jiǎn)單描述了具有側(cè)向反射鏡和中心反射鏡的照明裝置的實(shí)施形式；
[0029]圖5簡(jiǎn)單描述了具有鏡元件的照明裝置的實(shí)施形式；和
[0030]圖6a_b為側(cè)向反射鏡其它實(shí)施形式的側(cè)視圖或頂視圖且所述側(cè)向反射鏡具有堆疊或嵌套的金字塔截頭錐體。
[0031]圖1示出了具有圖像傳感器12的3D相機(jī)10的簡(jiǎn)單框圖，所述圖像傳感器具有許多光敏像素單元并且其前面布置了簡(jiǎn)單描述為單獨(dú)透鏡的接收物鏡14。此外3D相機(jī)10還具有照明裝置16，其元件和功能原理將在下面結(jié)合圖4進(jìn)行詳細(xì)描述。圖像傳感器12和照明裝置16的光學(xué)布置只作為示例來理解，所顯示的相對(duì)間距相對(duì)于待識(shí)別的場(chǎng)景應(yīng)該不起作用。具有分光鏡或其他同軸布置的選擇性實(shí)施形式是可能的。借助3D相機(jī)10所描述的照明裝置16原則上也適合于其他傳感器，例如2D相機(jī)。
[0032]控制和分析單元18與圖像傳感器12以及照明裝置16相連，用以讀出圖像傳感器12的像素分解圖像信息并對(duì)其進(jìn)行分析且包括例如通過確定飛行時(shí)間來確定距離，或者是為了以期望的方式通過照明裝置16來照亮場(chǎng)景，例如利用照明脈沖或幅度調(diào)制的光。通過端口 20將不同處理狀態(tài)的圖像信息輸出，或在另一方向經(jīng)端口 20或其它端口將3D相機(jī)10參數(shù)化。所述分析可至少部分地在圖像傳感器12的像素中進(jìn)行或者反過來也可以在3D相機(jī)10的外部進(jìn)行，然后所述相機(jī)只在端口 20處提供相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)即可。
[0033]所述3D相機(jī)10優(yōu)選使用飛行時(shí)間法，但此方法自身是已知的故不對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述?；蛘?D相機(jī)10也可使用其它3D法如立體法，然后在這種情況下在照明裝置中使用另外的圖像元件，用以代替均勻照明得到結(jié)構(gòu)照明圖形。本發(fā)明所述經(jīng)過補(bǔ)償?shù)倪吘壦p效果以完全類似的方法涉及所述照明圖形。
[0034]圖2為具有視場(chǎng)22的3D相機(jī)10的三維示意圖。主動(dòng)采集圖像時(shí)視場(chǎng)22優(yōu)選在照明裝置16的照明區(qū)或在理想情況與其重合。3D相機(jī)10應(yīng)具有幾何物體分辨率Λχ，Δ y, Λ ζ，其僅取決于到3D相機(jī)10的距離ζ。也就是說物體分辨率Λ X，Λ y，Λ ζ應(yīng)獨(dú)立于間距平面24a-b內(nèi)的位置X，y保持在間距平面24a內(nèi)，其在最小間距Zmin和可達(dá)到的距離Zmax之間具有固定距離ζ。
[0035]這通常指定為橫向分辨率Λχ，Ay，因?yàn)樗Q于測(cè)量原理，分析算法以及大多數(shù)對(duì)于圖像傳感器12的全部像素相同的特征和尺寸。相反距離分辨率或軸向分辨率ΛΖ顯示對(duì)所探測(cè)的光效率或信號(hào)效率的依賴性。但信號(hào)功率又取決于橫向位置x，y。因?yàn)橐环矫嬲彰餮b置16之半導(dǎo)體光源的照明強(qiáng)度從強(qiáng)度最大值降到中間，也就是說沿光軸橫向衰減。另一方面即使在照明完全均勻時(shí)接收物鏡14依然存在邊緣光衰減，所述衰減會(huì)導(dǎo)致在圖像傳感器12的邊緣像素中所探測(cè)到的光效率減少。因此若不采取額外的措施則會(huì)造成系統(tǒng)地增加邊緣區(qū)域中而且尤其是圖像傳感器12角中或視場(chǎng)22角中的測(cè)量不確定性。
[0036]圖3示出了將用虛線表示的具有待補(bǔ)償邊緣衰減的橫向強(qiáng)度分布與用實(shí)線表示的具有邊緣區(qū)域抬高用以補(bǔ)償?shù)臋M向強(qiáng)度分布進(jìn)行比較。為此根據(jù)本發(fā)明將照明光能重新分布到邊緣區(qū)域。如圖3所示，優(yōu)選不只是補(bǔ)償邊緣區(qū)域衰減以進(jìn)行恒定的強(qiáng)度分布。相反甚至還適當(dāng)?shù)靥Ц哌吘墔^(qū)域中的照明強(qiáng)度，也可用以補(bǔ)償接收物鏡14的邊緣區(qū)域衰減。
[0037]嚴(yán)格來說單純?yōu)榱搜a(bǔ)償接收物鏡14的橫向位置依賴性要考慮至少兩種影響。第一種影響為現(xiàn)在多次談及的邊緣區(qū)域衰減，其確保的是，具有第一因子匕的強(qiáng)度隨離中心的距離減少。第二種，通常較小的影響由于接收物鏡14的畸變而被引入，因?yàn)榛兊脑蛭矬w平面中的有效表面，其被投影到圖像傳感器的各像素上，會(huì)隨離中心的距離增加第二因子k2。這會(huì)有效地導(dǎo)致強(qiáng)度朝邊緣在一定程度上有所提高，所述強(qiáng)度提高在某種程度上抵消邊緣區(qū)域衰減。因此總的來說應(yīng)該用取決于距中心距離的因子ki/k2進(jìn)行修正，以便對(duì)這兩種影響進(jìn)行補(bǔ)償。
[0038]圖4對(duì)照明裝置16進(jìn)行了描述。優(yōu)選布置半導(dǎo)體光源作為光源26。根據(jù)實(shí)施形式這里指的是激光二極管，LED或這種類型光源的陣列。光源26可額外具有未被示出的例如為透鏡，后反射鏡或光圈形式的光發(fā)射機(jī)，以便至少大致在用箭頭所示主射束方向28沿光軸發(fā)出光線。
[0039]照明裝置16具有周向側(cè)向反射鏡30，其在這里示例性地具有鏡像空心錐。此外在光軸上還布置了中心反射鏡32，其在截面圖上從三角及空間上來看為具有外鏡像柱面的楔形或空心錐。同時(shí)此處中心反射鏡32的對(duì)稱軸和光源26的光軸重合，并且中心反射鏡32的頂端指向主射束方向28的反方向。但具有非對(duì)稱布置的其它實(shí)施形式也是可能的。
[0040]中心反射鏡32將光源28的主要光分量首先偏轉(zhuǎn)到側(cè)向反射鏡30并接著偏轉(zhuǎn)到照明區(qū)或視場(chǎng)22的邊緣區(qū)域。也就是說側(cè)向反射鏡30的用途在于，一方面致使主要光分量第二次向下偏轉(zhuǎn)如兩個(gè)箭頭34a-b所示而另一方面致使整個(gè)周向光分量偏轉(zhuǎn)到邊緣區(qū)域以及將全部外部光分量向內(nèi)偏轉(zhuǎn)。這也會(huì)導(dǎo)致這種結(jié)果，即在直接光路中被遮蔽的照明區(qū)22的中心區(qū)域會(huì)被充分照亮。因此通過適當(dāng)?shù)剡x擇側(cè)向反射鏡30，中心反射鏡32的角度以及相應(yīng)的大小和布置可以實(shí)現(xiàn)具有抬高的邊緣的強(qiáng)度分布，如其示例性地在圖3中用實(shí)線表示。
[0041]通過中心反射鏡32不超過45度的銳角，優(yōu)選不超過30度或20度來阻止側(cè)向反射鏡30和中心反射鏡32之間的多次反射。為了使從外往內(nèi)的光重新分布通過側(cè)向反射鏡30實(shí)際上實(shí)現(xiàn)中心區(qū)域的充分照明并適當(dāng)?shù)氐玫竭吘墔^(qū)域抬高，中心反射鏡32的橫向直徑應(yīng)明顯小于側(cè)向反射鏡30的橫向直徑，尤其不能超過其橫向直徑的二分之一或者甚至不能超過其橫向直徑的三分之一或四分之一。中心反射鏡的楔形角或錐形角優(yōu)選地，但非必須地，與3D相機(jī)10的照明區(qū)或視場(chǎng)22的半孔徑角一致。中心反射鏡32具有三角形截面且替代其所示出的實(shí)施形式的拋物線形式或者甚至是自由曲面也是可能的，其中射束特性相應(yīng)的形狀和廣度與光源28以及所期望的強(qiáng)度分布一致。同時(shí)所述形狀不必非得是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，即使優(yōu)選這種情況。
[0042]3D相機(jī)10具有用以保護(hù)相機(jī)的前風(fēng)窗36，它傳遞照明裝置16的光。其它光學(xué)元件可集成到前風(fēng)窗36中，以便實(shí)現(xiàn)所期望的重新分布?；蛘咭部梢詫⑽幢皇境龅牧硗獾墓鈱W(xué)元件引入照明裝置16的光路中。
[0043]在一種實(shí)施形式中設(shè)置了衍射光學(xué)元件形式的所述光學(xué)元件。實(shí)際上在此處通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可得到任何想要的強(qiáng)度分布而且因此也可實(shí)現(xiàn)有效的，也就是說在考慮到接收物鏡14的各種圖像誤差后，均勻的照明。光學(xué)元件同時(shí)優(yōu)選與側(cè)向反射鏡30和中心反射鏡32共同作用，但原則上也可只保證所需重新分布。
[0044]若將LED用作光源，則習(xí)慣上不使用衍射光學(xué)元件，因?yàn)槠鋬?yōu)化是為特定波長(zhǎng)和入射方向所設(shè)計(jì)的，其通過LED的帶寬和大發(fā)散不能保持。因此有專門在零級(jí)的寄生衍射效應(yīng)。
[0045]但強(qiáng)衍射零級(jí)不會(huì)阻礙這里所考慮的均勻照明，原因在于不管怎樣應(yīng)該都只有一部分光向外重新分布。這對(duì)于將更高衍射級(jí)次如正負(fù)一級(jí)衍射級(jí)次用以向外重新分布是足夠了。因此依據(jù)所使用的LED的射束特性自然有可能的是，設(shè)計(jì)相應(yīng)的衍射光學(xué)元件通過邊緣區(qū)域抬高來進(jìn)行均勻照明。
[0046]同時(shí)也可考慮衍射光學(xué)元件的角度依賴性或有利地利用角度依賴性來進(jìn)行解釋。為此例如重新分布主要在LED光軸附近的中心進(jìn)行，那里的輸入強(qiáng)度高。在這里甚至需要通過增加距光軸的距離來降低重新分布效率，因?yàn)樵谶吘壧帒?yīng)該提高強(qiáng)度而不是通過重新分布來減少?gòu)?qiáng)度。
[0047]使用激光時(shí)波長(zhǎng)漂移是很成問題的并且例如通過溫度補(bǔ)償來阻止波長(zhǎng)漂移。對(duì)LED來說其帶寬大波長(zhǎng)漂移不那么重要，因?yàn)閺囊婚_始相對(duì)于入射光的波長(zhǎng)就包含較大的公差。甚至從一開始就可有目的地偏離LED的波長(zhǎng)來選擇衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)，因?yàn)椴还茉鯓佣疾灰笞畲笱苌湫省＿@會(huì)進(jìn)一步減少對(duì)波長(zhǎng)漂移的敏感性。
[0048]在所述衍射光學(xué)元件的特定實(shí)施形式中使用線性調(diào)頻的光柵結(jié)構(gòu)，其中光柵常數(shù)在中心，即在光軸上是最大值，然后從兩側(cè)線性下降到零。為此最大強(qiáng)度從中心重新分布到邊緣。從光軸向前移動(dòng)得越遠(yuǎn)，光柵頻率或每毫米網(wǎng)格線的數(shù)目就越小，從而使再分布的角度不斷減小。然后從距中心一定的距離，例如距邊緣還有一半的距離開始，就沒有光柵結(jié)構(gòu)了，從而使邊緣區(qū)域中也不再進(jìn)行重新分布。
[0049]在一個(gè)替代性的實(shí)施形式中布置了菲涅耳透鏡來代替衍射光學(xué)元件。因此沒有出現(xiàn)寄生衍射級(jí)，并且效率問題也不是同等程度存在。總體而言自由減少，但設(shè)計(jì)方面的花費(fèi)也因此減少。與一般的折射透鏡相比菲涅耳透鏡的優(yōu)點(diǎn)在于其扁平的結(jié)構(gòu)形式，所述結(jié)構(gòu)形式也允許簡(jiǎn)易地集成到前風(fēng)窗36中，尤其是集成到其內(nèi)側(cè)。
[0050]圖5示出了照明裝置16的另一種實(shí)施形式。中心反射鏡32在這里被設(shè)計(jì)成側(cè)向照射的反射鏡輪廓形式，所述輪廓不從前面，而是基本上以45度角照射。整體布置和方向也因此改變，原因在于此時(shí)光源26傾斜了 90度。實(shí)際上通過反射鏡輪廓可實(shí)現(xiàn)任何強(qiáng)度分布。所述布置的另一優(yōu)點(diǎn)在于，可將至少一個(gè)光源26布置在殼體側(cè)壁38上,這簡(jiǎn)化了熱連接并易于去除廢熱。
[0051]圖6a和圖6b分別示出了側(cè)向反射鏡30的另一種實(shí)施形式的側(cè)視圖和頂視圖。其中至少兩個(gè)，在實(shí)際描述的例子中為4個(gè)金字塔截頭錐體，更確切地說為空心金字塔截頭錐體彼此堆疊。通過金字塔截頭錐體的不同角度和高度產(chǎn)生與光源26的射束特性相一致的自由度和照明區(qū)22中所期望的照明分布。為了簡(jiǎn)單起見中心反射鏡32在圖6中未被示出，但是優(yōu)選設(shè)置成與圖4類似。另一方面在另一種實(shí)施形式中也可以設(shè)想的是，不使用中心反射鏡32,尤其適用于光束角范圍大的光源26。
【權(quán)利要求】
1.一種用于3D相機(jī)(10)的用以產(chǎn)生照明區(qū)(22)的照明裝置(16)，其具有均勻、但在照明區(qū)(22)的邊緣區(qū)域被抬高的強(qiáng)度分布，其中照明裝置(16)具有至少一個(gè)有主射束方向的光源(26)和一個(gè)環(huán)繞主射束方向(28)的側(cè)向反射鏡(30)， 其特征在于， 在主射束方向(28)布置額外的中心反射鏡(32)，用以將光源(26)所發(fā)光的主要光分量通過中心反射鏡(32)和側(cè)向反射鏡(30)上的反射往外重新分布。
2.如權(quán)利要求1所述的照明裝置(16)，其中側(cè)向反射鏡(30)具有空心圓錐形狀或空心金字塔形狀。
3.如權(quán)利要求1所述的照明裝置(16)，其中側(cè)向反射鏡(30)具有至少兩個(gè)疊置的空心錐截頭錐體或空心金字塔截頭錐體。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的照明裝置(16)，其中中心反射鏡(32)具有頂端為錐形的形狀。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的照明裝置(16)，其中中心反射鏡(32)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的形狀。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的照明裝置(16)，其中中心反射鏡(32)具有楔形或錐形形狀。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的照明裝置(16)，其中在光源(26)的光路中布置完側(cè)向反射鏡(30)和中心反射鏡(32)后再布置光學(xué)元件(36)用以進(jìn)行額外的光重新分布。
8.如權(quán)利要求7所述的照明裝置(16)，其中所述光學(xué)元件(36)具有衍射光學(xué)元件或菲涅耳透鏡。
9.如權(quán)利要求7或權(quán)利要求8所述的照明裝置(16)，其中所述光學(xué)元件被集成到照明裝置(16)或3D相機(jī)(10)的前風(fēng)窗(36)中。
10.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的照明裝置(16)，其中光源(26)具有LED或LED陣列。
11.一種3D相機(jī)(10)，其具有至少一個(gè)如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的照明裝置(16)。
12.如權(quán)利要求11所述的3D相機(jī)(10)，其是依據(jù)飛行時(shí)間法設(shè)計(jì)的3D相機(jī)(10)，并具有分析單元(18)和帶多個(gè)像素單元的圖像傳感器(12)，所述分析單元(18)用于為每個(gè)像素單元確定照明裝置(16)發(fā)送光和接收光之間的飛行時(shí)間。
13.一種用于為3D相機(jī)(10)產(chǎn)生照明區(qū)(22)的方法，所述照明區(qū)(22)具有均勻但在其邊緣區(qū)域被抬高的強(qiáng)度分布，其中將由光源(26)在主射束方向(28)發(fā)出的光的外部分量往照明區(qū)(22)的中心重新分布到環(huán)繞主射束方向(28)的側(cè)向反射鏡(30)， 其特征在于， 光的主要光分量通過反射往外首先重新分布到布置在主射束方向(28)的中心反射鏡(32)接著重新分布到側(cè)向反射鏡(30)。
【文檔編號(hào)】F21V7/00GK104166296SQ201410200941
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月17日
【發(fā)明者】索斯頓·菲斯特, 尼古勞斯·席爾 申請(qǐng)人:西克股份公司