专利名称：投光器和用于距离测定的视觉系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种投光器和相关联的视觉系统，并且具体地但非排外地，涉及用于从投射光的反射检测对象的特性的方法。
背景技术：
随着复杂信号处理的出现和实用性的日益增加以及可控光学元件的日益增加，已经导致光学和视觉系统变得越来越复杂并且提供越来越高级的功能性。实际上，光学系统或视觉系统被日益用来提供自动化的或辅助的功能性诸如对象检测、距离测定等。作为一个示例，美国专利US7012750公开了一种在其中将光学图案投射在对象上并且用来聚焦摄像机的系统。该系统包含一种用于调整摄像机的聚焦直到图案在焦点上的聚焦检测装置。所公开的系统通过发送相干的激光通过微透镜阵列生成光学图案。微透镜阵列的衍射促使相干的激光产生干涉图案，并且通过相长干涉引起波峰而通过相消干涉引起波谷。US7012750公开了使用各向异性的阵列透镜以提供被投射到对象上以辅助自动聚焦的线干涉图案。作为另一示例，已经提出的是，在不同的焦距处投射不同的图案使得在不同的距离处的对象可反射不同的图案。然而，这样的多焦点系统倾向于是相对复杂的、死板的、昂贵的以及次最优的(suboptimal)。此外，虽然已经提出过光学图案的日益高级和复杂的应用，但是这些倾向于受到特定应用的限制或次最优地执行。因此，改进的或增强的系统将是有利的，其中包含提供另外的功能性、应用、灵活性、便利的实施方式、减少成本和/或提供相对于现行方法改进的性能的方法。
发明内容
因此，优选地，本发明试图逐一地或以任意组合缓和、减轻或排除上述缺点中的一个或多个。根据本发明的一方面，提供了一种包括层状光学兀件的布置的投光器，堆叠包括被布置成提供多个光图案的至少一个光学元件的组；以及微透镜阵列，其被布置成将多个光图案聚焦在不同的焦距处。本发明可提供具有适合于许多不同应用的附加功能的投光器。具体地，本发明可提供产生能够反射对象的多焦点光学图案的低复杂性和/或低成本装置。从投射在对象上的图案可确定对象的各种特性。对微透镜阵列连同多个光学光图案的使用提供特别有效的实施方式。该投光器可提供在该离投光器不同的距离处聚焦的光学图案的特别有效的产生。这些微透镜可被特别地布置成作为落在每个微透镜上的光的折射的结果而将光图案聚焦在不同的距离处。在许多情境下，微透镜阵列可有利地是各向同性的微透镜阵列。在一些实施例中，该布置可特别地为对象的堆叠。
在一些实施例中，该至少一个光学元件和/或微透镜阵列可为大致平面的。如果元件或光学层是大致平坦的，则其可被视为平面的。例如，如果与二维平面的偏差小于在二维平面中的有效区域的最大延伸的10%，则元件或层可被视为平面的。有效区域可为有助于产生的图案的有效部分的区域。该组平面光学元件可包括一个或多个光学元件。在一些实施例中，该(平面)光学元件在某种程度上可为弯曲的。具体地，如果弯曲的元件的厚度是例如曲率半径的最大5%，则其可被视为平面。投光器可利用在从该组平面光学元件到微透镜阵列的方向上的光辐射。根据本发明的可选特征，该投光器包括光源，该光源被定位使得来自该光源的光通过该一组至少一个光学元件传播到该微透镜阵列；以及其中该一组至少一个光学元件包括具有对应于该多个光图案中的光图案的光衰减图案的至少一个光衰减光学元件。这可提供在不同距离处的特别有效的、低复杂性、低成本和/或改进的光学图案的产生。在许多实施例中，该方法可允许使用低成本光源和光学元件。实际上，在一些实施例中，提供扩散光的低成本光源可与以在其上附带有不透明或半透明的例如印刷的图案的透明基底的形式的低复杂性光学元件一起使用。第一组光学元件可被定位在光源与微透镜阵列之间。根据本发明的可选特征，该一组至少一个光学元件包括至少一个发光元件，该至少一个发光元件被布置成发射对应于所述多个光图案中的至少一个图案的空间光图案。在许多实施例中，这可提供增加的性能、减小的能量消耗、增加的灵活性、或便利的实施方式。例如，它可规避对将被包括的独立光源的需要。所述至少一个平面发光元件可因此不仅传播光而且可本身产生形成光图案的光。因此，所述至少一个平面发光元件可为有源地产生光的元件，且所产生的光对应于多个光图案的图案。根据本发明的可选特征，所述至少一个平面发光元件是有机发光二极管OLED阵列。这可提供特别有利的实施方式，其中在将成本和能量消耗保持在低水平的同时，产生准确的光学图案。此外，OLED当被用于如下情境下时可为特别有效的除光图案外，投光器还辐射其它光，诸如例如在除用于光图案外的其它频率下的扩散光。根据本发明的光学特征，所述一组至少一个光学元件包括多个图案化的光学元件，每个图案化的光学元件具有对应于所述多个光图案的图案的不同的固定图案。这可提供在不同距离处的特别有效的、低复杂性、低成本和/或改进的光学图案的产生。在许多实施例中，该方法可允许使用低成本光源和光学元件。实际上，在一些实施例中，提供扩散光的低成本光源可与以在其上附带有不透明或半透明的例如印刷的图案的透明基底的形式的低复杂性光学元件一起使用。根据本发明的可选特征，该投光器被布置成以同时辐射所述多个光图案中的至少一些。这在许多实施例中可允许特别有效的实施方式并且可降低成本或复杂性。此外，该方法允许例如视觉检测系统能够假定图案始终是存在的。当在单个图像中分析甚至较快的快门时间时，该方法可例如允许不同的图案被考虑。根据本发明的可选特征，该投光器被布置成以时间顺序辐射所述多个光图案中的至少一些。这在许多实施例中可允许特别有效的实施方式并且可降低成本或复杂性和/或可提供改进的性能。它可例如规避对多个图案化的光学元件的需要。该方法可进一步特别地经得起实施方式的检验，其中这些光图案可通过动态可控的光学元件产生，因为该方法可常常允许图案灵活地产生。根据本发明的可选特征，所述一组至少一个光学元件的至少一个光学元件是能够响应于控制信号改变光学特性的可控元件的可编程光学阵列；并且该投光器进一步包括用于产生控制信号以提供所述多个光图案中的至少一个的装置。这在许多实施例中可提供特别有利的操作和/或实施方式。例如，它可允许图案适于特定的特性。光学特性可为发光或光衰减特性中的至少一个。 根据本发明的可选特征，所述多个的光图案是红外光图案。这在许多情境下可为特别有利的。本发明可例如提供可由视觉系统用来推导特性而不会使用户分心或对用户不便的不可见的光学图案化。根据本发明的可选特征，该投光器进一步包括可见光源，该可见光源被布置成通过微透镜阵列辐射可见光。特别地，投光器连同不可见的光学光图案可提供可见光辐射，且无图案化。因此，单个投光器不仅可用来例如照亮一区域，而且也可提供可用来分析该区域的附加的图案化。特别地，可见光可为不相干的散射光。在一些实施例中，可见光可进一步透过所述一组光学层中的至少一个传播。根据本发明的可选特征，所述多个光图案中的至少一些是相互具有不同的空间重
复图案的重复图案。这可提供对微透镜阵列的特性的非常有利的使用以提供仅是为重复图案改变空间重复距离的不同的焦距。特别地，图案可通过空间地重复在微透镜阵列的节距与确定焦距的图案片段重复的节距之间具有关系的图案片段而形成。在一些实施例中，图案片段重复的节距可有利地高于微透镜阵列的微透镜之间的节距。在一些实施例中，图案片段重复的节距可有利地低于微透镜阵列的微透镜之间的节距。根据本发明的可选特征，投光器进一步包括投影透镜，该投影透镜位于微透镜阵列的所述一组至少一个光学元件的对面；并且其中由微透镜阵列产生的光图案中的每一个的焦面是在朝微透镜阵列的投影透镜的平面的一侧上。这在许多实施例中可改进光发射。具体地，它可允许光学图案在一定距离处的聚焦，所述距离大于通常仅利用微透镜阵列所获得的距离。因此，它可通过将这些微透镜焦平面平移到在更远距离处的焦平面来补充微透镜阵列的聚焦。根据本发明的可选特征，这些光图案中的至少一个被布置成提供非平面焦面和不平行于微透镜阵列的平面的焦面中的至少一个。本发明可提供可适于特定应用和/或环境的非常灵活的焦面。该方法可改进性能和/或可允许进一步的应用。例如，光学图案中的一个或多个可被布置成产生相对于微透镜阵列的平面倾斜的焦平面。根据本发明的一方面，提供了一种视觉检测系统，该系统包括先前描述的投光器；接收器，其用于从摄像机接收图像；图案检测器，其被布置成对在对应于多个光图案的图像中的图案执行图案检测；以及回路，其用于响应于图案检测，确定反射来自投光器的光的对象的特性。基于所投射的光学图案，该方法可允许对对象的特性的方便的和/或改进的确定。该图像可为视频序列的�。⑶腋孟低晨墒褂枚喔鲋±慈范ǜ锰匦�。根据本发明的可选特征，该特性是下列中的至少一个对象的存在；对象的距离；对象的位置指示；对象的大�。欢韵蟮囊贫灰约岸韵蟮男巫垂兰�。该方法可允许对反射从投光器所辐射的光的对象的多个特性的方便的和/或改进的确定。本发明的这些和其它方面、特征和优点将从参考下文所描述的一个或多个实施例变得明显并且根据其解释。
现将参考附图仅通过举例的方式来描述本发明的实施例，其中
图1是根据本发明的一些实施例的投光器的元件的示例的图示；
图2是根据本发明的一些实施例的用于投光器的光图案的示例的图示；
图3是根据本发明的一些实施例的投光器的元件的示例的图示；
图4是根据本发明的一些实施例的用于投光器的光图案的示例的图示；
图5是利用微透镜阵列聚焦光的概念的示例性图示；
图6是根据本发明的一些实施例的用于投光器的光图案的示例的图示；
图7是根据本发明的一些实施例的投光器的元件的示例的图示；
图8是根据本发明的一些实施例的投光器的元件的示例的图示；
图9和图10示出根据本发明的一些实施例来自投光器的光图案的投射的示例；
图11是根据本发明的一些实施例的视觉系统的元件的示例的图示；
图12是根据本发明的一些实施例的来自投光器的光图案的投射的示例的图示；
图13是根据本发明的一些实施例的投光器的元件的示例的图示；
图14是根据本发明的一些实施例的投光器的元件的示例的图示；
图15是根据本发明的一些实施例的投光器的元件的示例的图示；
图16是根据本发明的一些实施例的投光器的元件的示例的图示；以及 图17是根据本发明的一些实施例的投光器的元件的示例的图示。
具体实施例方式图1示出根据本发明一些实施例的投光器的示例的图示。在该示例中，投光器包括元件的布置，该元件的布置具体地是层状平面光学元件的堆叠。然而，应了解，在其它实施例中，可使用例如弯曲的元件。在该示例中，堆叠包括(在与光发射相对的方向上):微透镜阵列101以及一组用于提供光图案的平面光学元件(自此以后还被称为图案元件或层)。因此，该一组平面光学元件对微透镜阵列101提供多个光图案，该微透镜阵列101提供光图案上的聚焦效应，使得这些光图案在不同的焦距处聚焦。在特定示例中，投光器进一步包括内部光源105，该内部光源105在该示例中是平面光源。平面光源105可例如作为诸如LED的光源的阵列或通过平面光学元件而产生，该平面光学兀件散布例如从该兀件的边缘横跨该兀件的表面输入的光。内部光源105发出光，该光通过一组平面光学元件103传播到微透镜阵列101。在该示例中，内部光源105产生不相干的散射光。这在许多实施例中可为有利的，并且这与诸如激光光源的相干光源相比通�？梢鸫蠓档统杀荆蛭⑸涔庠辞阆蛴谙灾系偷某杀�。此外，它在许多实施例中可提供更加易操控且均质的光。具体地，可基本上降低不利的干涉现象出现的灵敏度和可能性。在该示例中，一组光学元件103被示出为包括三个元件107、109、111,该三个元件为在其上具有光衰减图案的光衰减光学元件。图案元件107、109、111特别地在透明基底上具有不透明图案。不透明区域与透明区域之间的对比度可有利地不低于10:1，并且更加有利地不低于100:1。在许多情境下，这样的方法可为特别有利的，因为它可允许低成本和容易的实施方式。例如，图I的示例的图案元件可仅作为低成本塑料的基底而产生，并且通过激光打印机已经将不透明图案印刷到该基底上。
以这种方式，该一组光学元件产生一组光图案(相当于从多个图案元件107-111形成组合图案的不同的子图案)。光图案传播到执行聚焦效应的微透镜阵列101，使得不同的光图案相对于微透镜阵列101聚焦在不同的距离处。在图I的示例中，微透镜阵列101是各向同性的微透镜阵列，其中所有透镜是大致相等的(例如所有的尺寸(长度、宽度、高度)可在制造公差内。通常，它们可变化小于10%)。此外，微透镜可被对称地布置在两个平面方向上，即，节距在水平和垂直方向上可为大致相同的。这样的各向同性的微透镜阵列在许多实施例中可不仅提供改进的光学特性，而且由于它们较容易制造，所以还可降低成本。在该示例中，微透镜可具有大约Imm乘Imm的大�。α私猓舛杂诓煌氖凳├杀浠�。在大多数的实施例中，在O. 3 mm至5 mm之间的微透镜节距倾向于是有利的。在图I的示例中，多距离聚焦通过图案与微透镜之间的相互作用而实现。具体地，微透镜在图案上的效应受到控制以产生不同的焦距。因此，这通过设计图案而实现，使得微透镜阵列的聚焦效应对于不同的图案是不同的。在该示例中，这具体地通过具有空间重复的图案片段的重复图案的图案来实现。具体地，图案被产生用来提供重复图案片段的阵列。图案使用与微透镜阵列101的节距相关的重复节距。实际上，可表明，对于这样的重复图案，在微透镜阵列101的不同的透镜之间的相互作用相互配合以提供取决于空间重复(spatial !■印etition)的节距的焦距。因此，在图I的示例中，不同的图案元件107-111使用不同的空间重复图案。具体地，它们对于重复使用不同的节距，并且进一步地它们使用不同重复的重复片段。图2示出可能的重复图案的示例。在该示例中，重复片段只是数字(分别为1、2和3)并且空间重复频率是不同的。图3图示出组合的复合图案如何寻找这样的示例，其中这些图案已经被印刷在相互堆叠放置的塑料元件上。图4图示出由塑料制成的三个图案元件的实际堆叠的图片，且描述的图案连同微透镜阵列被印刷在顶部上。空间重复节距可具体地在与微透镜阵列节距相同的数量级上。例如，对于图案中的一个，重复节距可为，比如，比微透镜节距高10%，对于另一个，重复节距可为，比如，比微透镜节距高20%，对于另一个，重复节距可为，比如，比微透镜节距高50%等。此外，也可增加重复片段的大小用于增加重复节距。例如，在图2的示例中，具有较高重复节距的数字本身也增大。作为不同的空间重复频率的结果，微透镜阵列101将会促使不同的图案被聚焦在不同的距离处。因此，通过使用具有相同焦距的微透镜和提供可被定位在微透镜的焦平面中的掩模的图案元件产生焦平面，使得每个透镜有效地将光线投射在无穷远处或至少在相同的像距处(远大于焦距)。随后，通过来自透镜的组合的光的整体组合而形成多个焦平面。图5图示出利用微透镜阵列聚焦光的概念。从左至右，光被投射在带有以有规律
的距离Pm分布的孔的掩模上，距离Pm被称为掩模节距。仅来自孔的光继续到微透镜阵列。
透镜是相等的并且被以有规律的相互距离九放置，距离九被称为透镜节距。描绘的是，主
要光线在傍轴近似下通过每个微透镜的中心，忽略微透镜的物理厚度。为了光线的适当的
会聚，需要满足两个几何条件第一条件关于每个单独的微透镜的聚焦，第二条件关于一批
微透镜的整体聚焦。为了满足第一条件，在掩模中的每个孔需要聚焦在离焦点一定的距离
处，Sw，其中当满足下列条件时获得Sw
权利要求
1.一种包括层状光学元件的布置的投光器，堆叠包括 一组(103)至少一个光学元件(107-111)，其被布置成提供多个光图案；以及 微透镜阵列(101)，其被布置成将多个光图案聚焦在不同的焦距处。
2.根据权利要求I所述的投光器，其中所述投光器包括光源(105)，所述光源(105)被定位使得来自所述光源(105 )的光通过所述一组(103 )至少一个光学元件(107-111)传播到所述微透镜阵列(101);并且其中所述一组(103)至少一个光学元件(107-111)包括具有对应于所述多个光图案的光图案的光衰减图案的至少一个光衰减光学元件。
3.根据权利要求I所述的投光器，其中所述一组(103)至少一个光学元件(107-111)包括至少一个发光兀件(107-111),所述发光兀件(107-111)被布置成发出对应于所述多个光图案的图案中的至少一个的空间光图案。
4.根据权利要求3所述的投光器，其中所述至少一个平面发光元件(901-905)是有机发光二极管OLED阵列。
5.根据权利要求2、3或4所述的投光器，其中所述一组(103)至少一个光学元件(107-111)包括多个图案化的光学元件，每个图案化的光学元件具有对应于所述多个光图案的图案的不同的固定图案。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的投光器，其中所述投光器被布置成同时辐射所述多个光图案中的至少一些。
7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的投光器，其中所述投光器被布置成以时间顺序辐射所述多个光图案中的至少一些。
8.根据权利要求I所述的投光器，其中所述一组(103)至少一个光学元件(107-111)中的至少一个光学元件是能够响应于控制信号改变光学特性的可控元件的可编程光学阵列；并且所述投光器进一步包括用于产生控制信号以提供所述多个光图案中的至少一个的 装直。
9.根据权利要求I所述的投光器，其中所述多个光图案是红外光图案。
10.根据权利要求9所述的投光器，进一步包括被布置成通过所述微透镜阵列(101)发射可见光的可见光源(1601)。
11.根据权利要求1、2、3、4或5所述的投光器，其中所述多个光图案中的至少一些是相互具有不同的空间重复图案的重复图案。
12.根据权利要求I所述的投光器，进一步包括投影透镜(1301)，所述投影透镜(1301)位于所述微透镜阵列(101)的所述一组(103)至少一个光学元件(107-111)对面；并且其中由所述微透镜阵列(101)产生的所述光图案中的每一个的焦面是在朝所述微透镜阵列(101)的所述投影透镜(1301)的平面的一侧上。
13.根据权利要求I所述的投光器，其中所述光图案中的至少一个被布置成提供非平面焦面和不平行于所述微透镜阵列(101)的平面的焦面中的至少一个。
14.一种视觉检测系统，其包括 根据权利要求I所述的投光器(1101)； 接收器(1107)，其用于接收来自摄像机(1105)的图像； 图案检测器(1109)，其被布置成对在对应于所述多个光图案的图像中的图案执行图案检测；以及电路(1111)，其用于响应于图案检测，确定反射来自所述投光器的光的对象的特性。
15.根据权利要求14所述的视觉系统，其中所述特性是下列中的至少一个所述对象的存在；所述对象的距离；所述对象的位置指示；所述对象的大�。凰龆韵蟮囊贫灰约八龆韵蟮男巫垂兰�。
全文摘要
一种投光器，其包括层状平面光学元件堆叠，其中该堆叠包括一组(103)被布置成提供多个光图案的平面光学元件(107-111)。该堆叠可特别地包括一组具有不透明图案的透明层，使得通过这些透明层传播的光产生光图案。这些光图案到达被布置成将这些光图案聚焦于不同的焦距处的微透镜阵列(101)。在某些情况下，可编程光学元件可被用来产生这些光图案。视觉系统可基于投射的光图案的反射来确定对象的特性。该方法特别地可提供有效且低成本的用于距离测定的投光系统。
文档编号G01B11/02GK102985786SQ201180035017
公开日2013年3月20日 申请日期2011年7月12日 优先权日2010年7月16日
发明者F.J.德布鲁伊恩, H.A.W.施梅茨 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司
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