用以生成3D相机照明区的照明装置和方法制造方法及图纸

公开了用以生成3D相机照明区的照明装置和方法。提供3D相机(10)用以产生照明区(22)的照明装置(16)具有均匀，但在照明区(22)的边缘区域被抬高的强度分布，其中照明装置(16)具有至少一个有主射束方向的光源(26)和一个环绕主射束方向(28)的侧向反射镜(30)。其中在主射束方向(28)布置额外的中心反射镜(32)，以便将从光源(26)所发光的主要光分量通过中心反射镜(32)和侧向反射镜(30)上的反射往外重新分布。

【技术实现步骤摘要】
用以生成3D相机照明区的照明装置和方法
本专利技术涉及用以生成3D相机照明区的照明装置和方法。
技术介绍
与传统的二维相机相比3D相机也生成距离信息作为图像信息的额外维度。这方面的各种技术是已知的。立体相机根据模拟人的空间视觉至少两次从不同角度拍摄场景，将这两个图像中相同的结构元件彼此映射并计算出视差和已知角度之间的距离。基于模型的方法，例如光截面法，借助学习得到的或其它已知照明图形的扭曲来识别距离。飞行时间相机确定发送光信号和接收光信号之间的时间，尽管不同于激光扫描仪或距离感应器不只一次确定所述时间，而是空间分辨地确定图像传感器的每个像素单元，例如和在作为光子混合探测已知的方法中一样。所述3D法可分成主动法和被动法，其依据是视3D相机是具有自己的照明还是依赖环境光而定。基于模型的方法以及飞行时间法本质上是主动的，因为照明是距离测定的重要组成部分。立体法原则上可以主动和被动运行。然而在被动立体观视时正好在当场景区域较大，均匀并因此无结构时出现这样的问题，即图像特征没有清楚的映射故不可能有可靠的视差估计。图像采集时已知的干扰效果为所谓的边缘区域衰减。它被理解成强度的不均匀分布，边缘处的强度比中心小。主动3D法近乎两次受到边缘区域衰减的影响，原因一方面在于图像边缘处物镜的边缘区域衰减会造成图像传感器接收的光较少，另一方面在于边缘区域中的照明可比较地不均匀也造成对场景的照明更糟。在现有技术中已知各种方法，旨在对边缘区域衰减进行补偿。一种方法是将微透镜阵列布置在发光的激光二极管之后，该微透镜阵列将一定量的光再分布到视场的边缘。这意味着相对较高的光学费用，这些花费也不能完全解决所述问题。在另一种常规系统中安装了多个分别具有单个发射透镜的LED光源。通过相对于光源的发射透镜的相应布置可将这样产生的单个照明场朝向3D相机视场的不同位置，其中通过将所述照明场从视场中心移出来抬高边缘区的强度。但这尤其是涉及到飞行时间法时隐含着巨大的缺点，因为为几乎每个像素产生的总照明造成各个光源的不同叠加。但采用飞行时间法时经常具有光学参考路径，以便可以考虑到不取决于飞行时间的漂移。如果光组合根据像素改变，则原则上必须为每个像素区域或者甚至是为各单个像素构成光学参考路径，如果有可能的话，这在技术上会极其困难。相反若没有这样的参考路径则引入系统的测量误差，所述测量误差实际上经常不被容许。使用多个LED光源的另一个缺点在于，由于这种影响如部件公差，温度依赖性，噪音或者甚至故障可产生性能波动。为此强度分布会局部改变并因此产生其它测量误差。此外还已知的是，给光源提供侧向反射镜，用以实现在照明场外部向中心偏转。其它系统只使用射束轮廓的内部区域，其中的强度近似恒定不变。但是用这两项措施最多可实现均匀的光分布且不抬高边缘区域。在照明单元中也将衍射光学元件用于立体相机系统，例如在US2007/0263903A1中那样。但所述元件的主要用途在于，生成结构照明图形，其用途不是通过补偿边缘区域的衰减来保证有效均匀的强度分布。然而也表达出这种想法，即额外地对边缘区域衰减进行补偿，例如在DE202008013217U1中所述。就二维相机而言例如从DE10204939A1中已知的是，使用菲涅耳透镜来进行均匀照明。根据DE102006023142A1相机照明单元也可具有微缩形式，菲涅耳形式或作为衍射元件形式的光学元件。但是仍旧没有提到简单的光学装置，它们足以补偿边缘区域衰减这一问题。
技术实现思路
因此本专利技术的任务在于，改进3D相机的照明。此任务通过本专利技术所述的照明装置和用以生成3D相机照明区的方法得以实现。同时本专利技术的基本思路是，在照明区的内部重新分布光，以便通过在边缘区有目的地抬高强度来实现均匀的强度分布。因此所述照明显示的强度分布不是平的，而是在这种意义上为有效均匀的，即通过相应地抬高强度来补偿照明的边缘衰减以及也尽可能补偿3D相机接收物镜的边缘衰减。为了产生这样的强度分布，使用由周向侧向反射镜和布置在主射束方向中心的中心反射镜构成的组合。主射束方向优选对应于光源的光轴并构成照明装置的对称轴。这两个反射镜要这样设计和布置，致使光从中心重新分布到边缘。同时中心也依旧被照亮，原因在于侧向反射镜将非来源于中心反射镜的光分量往中心方向重新分布并因此也将光引向中心，在直接路径上被中心反射镜遮蔽的照明区。本专利技术具有这样的优点，即照明装置强度的至少一个边缘的衰减并且优选同时将3D相机所接收到的强度的第二边缘的衰减通过其接收物镜的边缘衰减来平衡。这会导致在整个视野中独立于侧面的物体位置产生恒定的几何物体分辨率，其中尤其是视场边缘的物体更容易被识别和定位。同时通过这两个反射镜的相应设计和布置可避免飞行时间法的干扰性多路路径。本专利技术所述照明是非常高效能的，因为发射光通过重新分布有80％以及更多在所需照明区得到利用。同时照明装置需要的安装空间小且可能具有小而平的结构形式，同时可低成本地制造少数所需组件。为此反射镜保证光源的热连接良好并因此具有较长的使用寿命。侧向反射镜优选具有空心圆锥形状或空心金字塔形状。空心锥的轴优选与主射束方向一致并因此与光源的光轴一致，用以获得对称布置。空心锥通过内部的镜面涂层来提供所期望的反射。空心锥的柱面优选直接连接到光源，以确保简单的结构连接和热连接以及光学连接。侧向反射镜的其它可选形式是可以想象的，例如由抛物面，椭球面构成的扇区或者也可以是自由曲面。侧向反射镜优选具有至少两个叠置的空心锥或空心金字塔截头锥体。其中各锥体的角度各不相同，从而产生台阶状分布。这种方式堆叠或嵌套的空截头锥体允许通过角度这样与射束特性匹配，即，使照明场具有所需的均匀性和边缘衰减补偿。中心反射镜优选具有顶端为锥形的形状。所述顶端优选指向光源方向，而中心反射镜的中心轴，其通向顶端，被布置在光源的光轴上。然后中心反射镜通过外部镜面具有所需的反射性能。中心反射镜优选具有旋转对称的形状。这与光源的旋转对称的射束特性一致或与两个横侧向上的均匀照明区一致。若射束特性显示已知偏差或非对称照明区是所期望的，则可可选地选择中心反射镜的非旋转对称形状。中心反射镜优选具有楔形或锥形形状。其中楔形只在一个横轴上起作用，而锥形在两个横轴上起作用。所述几何形状在相应截面中分别提供斜的反射镜轮廓，其与侧向反射镜一起生成所需再分布。通过抛物线中心反射镜或自由曲面构成的替代性几何形状确保特定的偏差。作为分隔壁或交叉分隔壁的其它形式也是可以设想的。在光源的光路中优选布置完侧向反射镜和中心反射镜后再布置光学元件用以进行额外的光重新分布。所述光学元件除了对这两个反射镜进行补充外，还用以实现期望的照明分布。所述光学元件优选具有衍射光学元件或菲涅耳透镜。衍射光学元件相对于光源的带宽和散度是敏感的，但是这对均匀照明所起的作用不大。另一个已知问题是零级衍射，在此衍射级中尤其从保护眼睛的角度来看传递的光线过多。所述影响通过中心反射镜在很大程度上得以消除。示例提到的衍射光学元件的替代物为菲涅耳透镜。所述光学元件优选集成到照明装置或3D相机的前风窗中。为此所述前风窗实现双重功能，由此节约安装空间和生产成本。光源优选具有LED或LED阵列。激光照明也是可以设想的，尤其是以VCSEL阵列形式，但与许多常规的解决方法不同的是它并非本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于3D相机(10)的用以产生照明区(22)的照明装置(16)，其具有均匀、但在照明区(22)的边缘区域被抬高的强度分布，其中照明装置(16)具有至少一个有主射束方向的光源(26)和一个环绕主射束方向(28)的侧向反射镜(30)，其特征在于，在主射束方向(28)布置额外的中心反射镜(32)，用以将光源(26)所发光的主要光分量通过中心反射镜(32)和侧向反射镜(30)上的反射往外重新分布。

【技术特征摘要】
2013.05.17 DE 102013105105.71.一种用于3D相机(10)的用以产生照明区(22)的照明装置(16)，其具有均匀、但在照明区(22)的边缘区域被抬高的强度分布，其中照明装置(16)具有至少一个有主射束方向的光源(26)和一个环绕主射束方向(28)的侧向反射镜(30)，其特征在于，在主射束方向(28)布置额外的中心反射镜(32)，用以将光源(26)所发光的主要光分量通过中心反射镜(32)和侧向反射镜(30)上的反射往外重新分布，以便在所述边缘区域产生抬高的强度。2.如权利要求1所述的照明装置(16)，其中侧向反射镜(30)具有空心圆锥形状或空心金字塔形状。3.如权利要求1所述的照明装置(16)，其中侧向反射镜(30)具有至少两个叠置的空心锥截头锥体或空心金字塔截头锥体。4.如权利要求1-3中任一项所述的照明装置(16)，其中中心反射镜(32)具有顶端为锥形的形状。5.如权利要求1-3中任一项所述的照明装置(16)，其中中心反射镜(32)具有旋转对称的形状。6.如权利要求1-3中任一项所述的照明装置(16)，其中中心反射镜(32)具有楔形或锥形形状。7.如权利要求1-3中任一项所述的照明装置(16)，其中在光源(26)的光路中布置完侧向反射镜(30)和中心反射镜(32)后再布置光学元件(36)用以进行额外的光重新分布。8.如权利要求4所述的照明装置(16)，其中在光源(26)的光路中布置完侧向反射镜(30)和中心反射镜(32)后再布置光学元件(36)用以进行额外的光重新分布。9.如权利要求5所述的照明装置(16)，其中在光源(26)的光路中布置完侧向反射镜(30)和中心反射镜(32)后再布置光学元件(36)用以进行额外的光重新分布。10.如权利要求6所述的照明装置(16)，其中在光源(26)的光路中布置完侧向反射镜(30)和中心反射镜(32)后再布置光学元件(36)用以进行额外的光重新分布。11.如权利要求7所述的照明装置(16)，其中所述光学元件(36)具有衍射光学元件或菲涅耳透镜。12.如权利要求8-10中任一项所述的照明装置(16)，其中所述光...

【专利技术属性】
技术研发人员：索斯顿·菲斯特，尼古劳斯·席尔，
申请(专利权)人：西克股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE