СТРОБИРУЕМАЯ ТРЕХМЕРНАЯ КАМЕРА Российский патент 2014 года по МПК H04N5/247 G03B13/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Технология относится к стробируемым трехмерным камерам и способам и устройствам для получения трехмерных изображений сцены, используя стробируемую трехмерную камеру.

Уровень техники

Трехмерные (3D) оптические системы получения изображений, далее именуемые как "трехмерные камеры", которые способны обеспечивать измерение расстояний до объектов и точек на объектах, которые они отображают (изображение которых они получают), используются для многих различных применений. Среди этих применений проверка профиля изготовленных товаров, подтверждение правильности CAD, робототехническое зрение, географическая съемка и выборочное получение изображений объектов в зависимости от расстояния.

Некоторые трехмерные камеры обеспечивают одновременные измерения, по существу, для всех точек объектов в сцене, которую они отображают. Обычно эти трехмерные камеры содержат источник света, обычно содержащий матрицу лазерных диодов с краевым излучением, которые управляются, чтобы обеспечивать импульсы света для освещения отображаемой сцены, и стробируемую систему получения изображений для отображения света от световых импульсов, которые отражаются от объектов в сцене. Стробируемая система получения изображений содержит камеру, имеющую светочувствительную поверхность, далее именуемую как "фотоповерхность", такую как фотоповерхность, выполненную на приборах с зарядовой связью (CCD) или на полупроводниковых структурах типа КМОП (CMOS), и средство стробирования для стробирования камеры открыванием и закрыванием, такое как оптический затвор или стробируемый усилитель изображения. Отраженный свет регистрируется на пикселях фотоповерхности камеры, только если он достигает камеры, когда камера стробируется с открыванием.

Чтобы отобразить сцену и определить расстояния от камеры до объектов в сцене, источник света обычно управляется так, чтобы излучать последовательность световых импульсов для освещения сцены. Для каждого излученного светового импульса в последовательности, после точно определенной задержки с момента, когда световой импульс излучается, камера стробируется с открыванием в течение периода, далее именуемого как "стробирующий импульс". Свет светового импульса, который отражается от объекта в сцене, отображается на фотоповерхности камеры, если он достигает камеры во время стробирующего импульса. Так как время, прошедшее между излучением светового импульса и стробирующим импульсом, который следует за ним, известно, то известно время, требующееся для прохождения отображающегося света от источника света до отражающего объекта в сцене и обратно к камере. Прошедшее время используется для определения расстояния до объекта.

В некоторых "стробируемых" трехмерных камерах для определения расстояния от трехмерной камеры до точки в сцене, отображаемой на пикселе фотоповерхности камеры, используется только синхронизация между световыми импульсами и стробирующими импульсами. В других камерах количество света, зарегистрированное пикселем в течение времени, когда камера стробируется с открыванием, также используется для определения расстояния. Точность измерений, сделанных этими трехмерными камерами, зависит от времени нарастания и спада световых импульсов и их неравномерности, и того, как быстро камера может стробироваться с открыванием и закрыванием.

Стробируемые трехмерные камеры и примеры их использования приведены в европейском патенте EP 1214609 и в патентах США US 6057909, US 6091905, US 6100517, US 6327073, US 6331911, US 6445884, и 6794628, раскрытие которых содержится здесь посредством ссылки. Трехмерная камера, использующая импульсный источник освещения и стробируемую систему получения изображений, описывается в статьях "Design and Development of a Multi-detecting two Dimensional Ranging Sensor", Measurement Science and Technology 6 (September 1995), стр. 1301-1308, автор S. Christie и др., и в "Range-gated Imaging for Near Field Target Identification", автор Yates и др., SPIE выпуск 2869, стр. 374-385, которые содержатся здесь посредством ссылки. Другая трехмерная камера описывается в патенте США 5081530 (Medina), который содержится здесь посредством ссылки. Трехмерная камера, описанная в этом патенте, регистрирует энергию в импульсе света, отраженного от цели, который достигает системы получения изображений камеры во время каждого стробирующего импульса из пары стробирующих импульсов. Расстояние до цели определяется исходя из отношения разности между количествами энергии, зарегистрированными во время каждого из двух стробирующих импульсов к сумме количеств энергии, зарегистрированных во время каждого из двух стробирующих импульсов.

Усилия научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по повышению точности измерений, обеспечиваемой трехмерными камерами, обычно направлены на разработку способов и устройств для снижения времени нарастания, времени спада и длительности световых импульсов, передаваемых для освещения сцены, и соответствующих стробирующих импульсов, во время которых отображается свет световых импульсов, отраженных сценой.

Раскрытие изобретения

Аспект некоторых вариантов осуществления технологии относится к обеспечению улучшенной стробируемой трехмерной камеры.

Аспект некоторых вариантов осуществления технологии относится к обеспечению стробируемой трехмерной камеры, обладающей повышенной пространственной точностью, с которой определяется местоположение деталей в сцене, отображаемой камерой.

Аспект некоторых вариантов осуществления технологии относится к обеспечению стробируемой трехмерной камеры, имеющей улучшенный источник света для освещения сцен, отображаемых камерой.

Аспект некоторых вариантов осуществления технологии относится к обеспечению стробируемой трехмерной камеры, обладающей улучшенным согласованием источника света, используемого для освещения сцены, отображаемой камерой с помощью затвора камеры, который стробирует фотоповерхность камеры, на которой отображается свет от источника света, отраженный сценой.

В соответствии с аспектом некоторых вариантов осуществления технологии, источник света содержит VCSEL, имеющие структуру, модифицированную относительно типичных структур VCSEL и отличающуюся относительно широким генерирующим оптическим резонатором.

Изобретатели определили, что точность расстояний, обеспечиваемая стробируемой трехмерной камерой, зависит от свертки спектра источника света камеры и функции коэффициента контрастности (CR) затвора камеры. Коэффициент контрастности CR определяет зависимость коэффициента контрастности затвора камеры от оптической длины волны. Для заданной длины волны CR является отношением между относительно высокой прозрачностью затвора на длине волны, когда затвор открыт, к относительно низкой прозрачности затвора для света на длине волны, когда затвор закрыт. Длины волн, для которых затвор может фактически использоваться, чтобы перекрывать свет, являются длинами волн, для которых их функция CR больше единицы и, обычно, существенно больше единицы. Полоса длин волн для затвора, для которого CR больше единицы, именуется как "рабочая полоса" затвора.

Для заданных времен нарастания, времен спада и длительности световых импульсов и стробирующих импульсов точность измерения расстояния, обеспечиваемая трехмерной стробируемой камерой, может, предпочтительно, быть улучшена посредством согласования функции CR затвора и спектра источника света, чтобы максимизировать свертку функции CR и спектра. Обычно согласование спектра источника света с затвором, по существу, центрует спектр в рабочей полосе затвора. Для удобства представления свертка между CR затвора и спектром источника света именуется как контрастная интенсивность (CI). Нормализованную контрастную интенсивность (CIN), то есть CI, нормализованную к полной оптической энергии в импульсе света, обеспечиваемом источником света, удобно использовать как меру согласования между источником света и затвором.

В целом периодические кратковременные изменения температуры источника света стробируемой трехмерной камеры создаются относительно окружающей рабочей температуры камеры в течение периодов, в которые источник света активируется для освещения сцены, отображаемой камерой. Для традиционных источников света стробируемых трехмерных камер, которые обычно содержат лазерный диод с краевым излучением, изменения температуры вызывают смещения длины волны в спектре источника света относительно функции CR затвора камеры. Ширина спектра относительно рабочей полосы CR затвора обычно такова, что смещения длины волны существенно нарушают совпадение спектра и функции CR, снижают нормализованную контрастную интенсивность CIN камеры, и увеличивают, таким образом, ошибку смещения при измерении расстояний.

Принимая во внимание, что известны традиционные источники света, такие как поверхностно-излучающие лазеры светового излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), которые отличаются относительно узкими спектрами, такие источники света обычно используются для маломощных применений, таких как системы связи. Они обычно не генерируют достаточного количества света, чтобы сделать их предпочтительными для использования в трехмерных стробируемых камерах.

Изобретатели, однако, определили, что VCSEL может быть модифицирован, чтобы увеличить его оптическую мощность выхода, путем расширения его генерирующего оптического резонатора. Принимая во внимание, что расширение генерирующего оптического резонатора VCSEL вызывает расширение ширины спектра VCSEL, спектр обычно все еще остается существенно более узким, чем спектр, обычно обеспечиваемый традиционными лазерными диодами с краевым излучением. Более того, смещение длины волны выходного спектра VCSEL при изменении температуры на один градус существенно меньше, чем смещение у традиционного лазерного диода с краевым излучением. В результате, источник света, содержащий модифицированный VCSEL, соответствующий варианту осуществления технологии, при использовании в стробируемой трехмерной камере обеспечивает относительно лучшее согласование источника света и затвора камеры. Модифицированный источник света VCSEL приводит к величине CIN для камеры, которая является относительно большой и относительно малочувствительной к изменению температуры источника света. В варианте осуществления настоящей технологии источник света содержит матрицу из модифицированных VCSEL.

Поэтому, в соответствии с вариантом осуществления технологии, обеспечивается камера для определения расстояния до сцены, причем упомянутая камера содержит: источник света, содержащий VCSEL, управляемый, чтобы освещать сцену последовательностью импульсов света, имеющих характеристический спектр; фотоповерхность; оптику для отображения на фотоповерхности света от световых импульсов, отраженного сценой; и затвор, выполненный с возможностью выборочного открывания и закрывания фотоповерхности для света в спектре. В качестве варианта, характеристический спектр имеет ширину на уровне полумаксимума (FWHM), равную или большую чем приблизительно 1,5 нм. В качестве варианта, характеристический спектр обладает шириной FWHM, равной или большей чем приблизительно 2,0 нм. В качестве варианта, характеристический спектр имеет ширину FWHM, равную или большую чем приблизительно 2,5 нм.

В некоторых вариантах осуществления технологии, VCSEL имеет генерирующий оптический резонатор, характеризующийся диаметром, примерно равным или большим чем 20 микрон. В некоторых вариантах осуществления технологии, VCSEL имеет генерирующий оптический резонатор, характеризующийся диаметром, равным или большим чем 25 микрон. В некоторых вариантах осуществления технологии, нормализованная свертка CR затвора и характеристического спектра больше или равна приблизительно 10 для разности температур между затвором и источником света, меньшей или равной приблизительно 20^оС. В некоторых вариантах осуществления технологии, нормализованная свертка CR затвора и характеристического спектра больше или равна приблизительно 12 для разности температур между затвором и источником света, меньшей или равной приблизительно 20°С.

В некоторых вариантах осуществления технологии, источник света работает при уровне мощности, равном или большем 12 Вт, чтобы освещать сцену последовательностью световых импульсов. В качестве варианта, уровень мощности примерно равен или больше 15 Вт. В качестве варианта, уровень мощности примерно равен или больше 18 Вт.

Краткое описание чертежей

Примеры вариантов осуществления технологии, не создающие ограничений, описываются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, перечисленные после этого абзаца. Идентичные структуры, элементы или части, которые появляются более чем на одном чертеже, обычно обозначаются одной и той же ссылочной позицией на всех чертежах, на которых они появляются. Размеры компонент и деталей, показанных на чертежах, выбраны для удобства и ясности представления и необязательно показываются в масштабе.

Фиг.1 - схематическое изображение трехмерной стробируемой камеры, используемой для определения расстояния до сцены в соответствии с предшествующим уровнем техники;

Фиг.2 - график схематической функции CR и спектра для затвора и лазерного светодиодного источника света, соответственно содержащегося в камере, показанной на фиг.1, в соответствии с предшествующим уровнем техники;

Фиг.3 - график временных осей, показывающий стробирование трехмерной камеры в соответствии с предшествующим уровнем техники;

Фиг.4 - график, показывающий смещения длин волн спектра лазерного светодиодного источника света в зависимости от функции CR затвора, показанного на фиг.1, которые обусловлены местным нагревом источника света, в соответствии с предшествующим уровнем техники;

Фиг.5 - график ошибки смещения в измерениях расстояния до сцены, обеспечиваемых камерой, показанной на фиг.1, в соответствии с предшествующим уровнем техники;

Фиг.6 - схематическое изображение трехмерной стробируемой камеры, содержащей источник света VCSEL, в соответствии с вариантом осуществления технологии;

Фиг.7 - график, показывающий смещения длин волн спектра источника света VCSEL камеры, показанной на фиг.6, которые обусловлены местным нагревом источника света, в соответствии с вариантом осуществления технологии; и

Фиг.8 - график, показывающий улучшение ошибки смещения при измерениях расстояния до сцены, обеспечиваемых камерой, показанной на фиг.6, в соответствии с вариантом осуществления технологии.

Осуществление изобретения

На фиг.1 схематично показана стробируемая трехмерная камера 20, используемая для получения трехмерного изображения сцены 30, имеющей объекты, схематично представленные объектами 31 и 32.

Камера 20, представленная очень схематично, содержит систему линз, представленную линзой 21, и фотоповерхность 22, имеющую пиксели 23, на которые система линз отображает сцену. Камера содержит затвор 25 для открывания и закрывания (стробирования) фотоповерхности 22, который управляется так, чтобы выборочно иметь низкий или высокий коэффициент пропускания. Говорят, что затвор 25 "закрыт", когда он имеет низкий коэффициент пропускания света в своей рабочей полосе и закрывает фотоповерхность 22, и говорят, что затвор "открыт", когда он имеет высокий коэффициент пропускания света в своей рабочей полосе и открывает фотоповерхность. Термин "стробирующий импульс" относится к периоду, в течение которого затвор 25 открывает фотоповерхность 22 и фотоповерхность принимает свет, прошедший через затвор.

Камера 20, в качестве варианта, содержит источник 26 света, обычно матрицу лазерных диодов 27 с краевым излучением, которые управляются, чтобы освещать сцену 30 последовательностью проходящих импульсов света на длине волны в рабочей полосе затвора. Последовательность световых импульсов схематично представлена на фиг.1 последовательностью 40 прямоугольных импульсов 41, причем каждый импульс, связанный со стрелкой сверху, покидает источник 26 света. В качестве варианта, рабочая полоса затвора является полосой инфракрасного (IR) света. Контроллер 24 управляет импульсной работой источника 26 света и работой затвора 25, чтобы стробировать фотоповерхность 22. Функция последовательности 40 световых импульсов и световые импульсы 41 для обеспечения данных для измерения расстояний до сцены 30 обсуждаются ниже.

Обычно во время работы камеры 20 источник 26 света управляется так, чтобы периодически освещать сцену 30 последовательностью 40 световых импульсов. Во время каждой последовательности 40 световых импульсов источник 26 света генерирует и рассеивает тепло в камере, и температура источника света циклически изменяется между минимальной и максимальной температурами. Благодаря периодическим циклам генерации и рассеяния тепла, затвор 25 нагревается до повышенной рабочей температуры, которая выше температуры окружающей среды камеры и лежит в пределах между минимальной и максимальной температурами источника света. Для температуры окружающей среды, приблизительно равной 30°C, рабочая температура затвора может быть приблизительно равной 50°C, а температура источника света может циклически изменяться от приблизительно на 20°C ниже до приблизительно на 20°C выше рабочей температуры затвора во время генерации последовательности 40 световых импульсов.

Поскольку как рабочая полоса затвора, так и спектр источника света изменяются с изменением температуры, при которой они работают, во время последовательности 40 световых импульсов, по мере того, как температура источника 26 света изменяется относительно рабочей температуры затвора 25, длина волны спектра света источника света смещается относительно CR. В результате, CIN затвора 25 и источника 26 света изменяется во время каждой последовательности световых импульсов. Для надежной работы камеры 20 предпочтительно максимизировать CIN, и чтобы дисперсия CIN относительно ее максимума, вызванная разницей в рабочей температуре источника 26 света и затвора 25, была относительно мала. С этой целью источник света и затвор согласовываются таким образом, чтобы свет от источника света имел длины волн в рабочей полосе затвора и обычно, чтобы CIN камеры являлся максимальным, по меньшей мере, в средней точке температуры теплового цикла источника света. Кроме того, источник света и затвор обычно изготавливаются из одного и того же полупроводникового материала, так чтобы они имели схожую температурную зависимость.

На фиг.2 представлен график 60 схематичного представления коэффициента контрастности, то есть CR, , где функция 70 показана пунктирной линией для затвора 25 и для источника 26 света, содержащего лазерные диоды 27 краевого излучения, а спектр 80 показан сплошной линией, в зависимости длины волны. Как затвор 25, так и лазерные диоды 27 предполагаются изготовленными из GaAs и согласованными, чтобы иметь максимальный CIN, в качестве варианта, во время работы при одной и той же температуре, приблизительно равной 50°С. Длина волны указывается вдоль абсциссы графика 60, и значения CR указываются вдоль левой ординаты 61 графика. Спектр 80 нормализован к своему максимуму и относительные значения для спектра указываются вдоль правой ординаты 62 графика. Нормализованная контрастная интенсивность, CIN, для CR 70 затвора и спектра 80 источника света при 50°C равна приблизительно 13,4. Для GaAs спектр 80 и функция 70 CR обычно смещаются приблизительно на 0,25 нм/°C.

Чтобы получить трехмерное изображение сцены 30 с помощью камеры 20, показанной на фиг.1, контроллер 24 управляет источником 26 света так, чтобы освещать сцену 30 последовательностью 40 световых импульсов 41, причем импульсы, как предполагается, имеют длительность импульса τ. Свет каждого светового импульса 41 отражается деталями в сцене 30, и часть отраженного света падает на камеру 20 и собирается линзой 21. Прямоугольные импульсы 50, показанные пунктирными линиями и связанные с верхними стрелками, указывающими направление на камеру 22 на фиг.1, схематично представляют отраженный свет переданных импульсов 41, который достигает камеры 20. Вслед за излучением каждого из, по меньшей мере, одного светового импульса 41 контроллер 24 управляет затвором 25 так, чтобы открывать фотоповерхность 22 в соответствующее время относительно времени, в которое световой импульс излучался, чтобы принять и отобразить на фотоповерхности отраженный свет 50 переданного светового импульса, который собирается линзой 21. Количество света 50, отображаемого на пикселях 23 фотоповерхности во время стробирующих импульсов камеры 20, используется для определения расстояния до деталей сцены 30, которые отображаются на пиксели и обеспечивают, таким образом, трехмерное изображение сцены.

Различные способы стробирования трехмерной камеры и получения расстояний до деталей в сцене 30 описываются в патентах, упомянутых выше, и в патентной заявке PCT PCT/IL2007/001571, раскрытие которой содержится здесь посредством ссылки. На фиг.3 показаны графики 100 с временными осями 101, 102 и 103, на которых представлено освещение сцены 30 последовательностью 40 световых импульсов 41, и стробирование фотоповерхности 22 затвором 25 для получения расстояний до деталей сцены в соответствии с относительно простой схемой стробирования. Временные оси 101, 102 и 103 графически представляют синхронизацию стробирующих импульсов затвора 25 относительно времени излучения t₀ произвольного светового импульса 41 последовательности 40 импульсов, излучаемых источником 26 света, чтобы осветить сцену 30. Одиночный световой импульс представляется заштрихованным прямоугольным импульсом 41 со стрелкой сверху, указывающей вправо вдоль временной оси 101. Временные оси 102 и 103 графически показывают стробирующие импульсы затвора 25. Профиль стробирования, показанный на фиг.3, обычно повторяется для каждого импульса 41 последовательности 40 импульсов.

Пусть заданная деталь в сцене 30, которая отображается на соответствующий пиксель 23 (Фиг.1) на фотоповерхности 22, располагается на расстоянии D_f от камеры 20. Фотоны светового импульса 50, отраженные заданной деталью, из излученного светового импульса 41 сначала достигают камеры 20 в момент времени t_γ1(D_f), который зависит от расстояния D_f. Импульс 50 отраженного света имеет ту же самую длительность τ, что и излученный световой импульс 41, и последний фотон в импульсе 50 отраженного света, отраженного от заданной детали, достигает камеры в момент времени t_γ2(D_f)=t_γ1(D_f)+τ. Импульс 50 отраженного света представлен вдоль временных осей 101, 102 и 103 заштрихованным прямоугольным импульсом 50, показанным пунктирной линией со стрелкой сверху, указывающей налево вдоль временных осей.

Прямоугольный импульс 110 вдоль временной оси 102 схематично представляет стробирующий импульс, далее "синхронизирующий стробирующий импульс 110", во время которого контроллер 24 (фиг.1) управляет затвором 25 так, чтобы открыть фотоповерхность 22, и зарегистрировать свет, который достигает камеры 20. Синхронизирующий стробирующий импульс 110, в качестве варианта, является относительно коротким, и имеет длительность стробирующего импульса, равную τ, начинается в момент времени t_gs после t₀ и заканчивается в момент времени t_ge=(t_gs+τ). Для удобства отраженный импульс 50 показан вдоль временной оси 102, чтобы ясно показать временное соотношение между отраженным импульсом 50 и синхронизирующим стробирующим импульсом 110. Отраженный импульс 50 перекрывает синхронизирующий стробирующий импульс 110 в течение части времени T стробирующего импульса. Предположим, что в течение времени T пиксель 23 (фиг.1), который отображает заданную деталь, регистрирует количество "Q" заряда, полученного в результате реакции заданной детали на свет, который падает на пиксель. Предположим дополнительно, что если отраженный импульс 50 был согласован по времени со стробирующим импульсом 110 (то есть если первый фотон и последний фотон в отраженном импульсе должны были достигнуть камеры 20 в моменты времени t_gs и t_ge соответственно), пиксель, отображающий заданную деталь, должен регистрировать общую сумму "Q₀" света. Тогда T=τQ/Q₀ и, если c представляет собой скорость света, то расстояние D_f от детали до камеры 20 может быть представлено следующими выражениями:

D_f=(c/2)[t_gs-(τ)(1-Q/Q₀)], если t_gs ≤ t_γ2(D_f)≤t_ge (1)

и

D_f=(c/2)[t_gs+(τ)(1-Q/Q₀)], если t_gs ≤ t_γ1(D_f)≤t_ge (2)

Из уравнений (1) и (2) видно, что для стробирующего импульса 110, имеющего время начала и время конца t_gs и t_ge соответственно, расстояния обеспечиваются для деталей в сцене 30, расположенных в "срезе для отображения" сцены длительностью cτ, центрованных на расстоянии (c/2)t_gs от камеры 20.

Для удобства представления пусть расстояние (c/2)t_gs до центра среза для отображения представляется как "D_C", а расстояние (c/2)t_gs(1-Q/Q₀), которое, соответственно, вычитается или прибавляется в уравнениях (1) и (2) к D_C, чтобы обеспечить D_f для детали, представляется как ΔD_f. Тогда уравнения (1) и (2) могут быть переписаны следующим образом:

D_f=D_C-ΔD_f, если t_gs ≤ t_γ2(D_f)≤t_ge (3)

и

D_f=D_C+ΔD_f, если t_gs ≤ t_γ1(D_f)≤t_ge (4)

В качестве варианта, Q₀ определяется открыванием камеры 20 на относительно большую длительность стробирующего импульса, далее "стробирующего импульса нормализации", который представляется прямоугольным импульсом 112 вдоль временной оси 103. Стробирующий импульс 112, в качестве варианта, имеет длительность стробирующего импульса, равную 3τ, и начинается в момент времени (t_gs-τ) после времени передачи t₀ импульса 41 в последовательности 40 световых импульсов. Длительность и временное положение стробирующего импульса нормализации определяются так, что для каждой детали в сцене 30, для которой свет регистрируется на пикселе фотоповерхности 22 во время синхронизирующего стробирующего импульса 110, стробирующий импульс 112 нормализации обеспечивает значение Q₀. Отраженный импульс 50, отраженный заданной деталью на расстоянии D_f от камеры 20, представлен вдоль временной оси 103, чтобы показать относительное временное расположение отраженного импульса и стробирующего импульса 112 нормализации. Отраженный импульс полностью попадает в пределы временных границ стробирующего импульса 112 нормализации и весь свет в отраженном импульсе регистрируется пикселем и обеспечивает величину Q₀. Заметим, что камера 20 может быть открыта на время синхронизирующих стробирующих импульсов 110 и стробирующих импульсов нормализации 112, в зависимости от времени, в которое различные световые импульсы 41 излучаются, и, следовательно, регистрировать свет различных импульсов 50 отраженного света.

Существуют различные способы определения, какое уравнение, (1) или (2), должно применяться для данного отраженного импульса 50. Например, синхронизирующий стробирующий импульс 110 может, в качестве варианта, быть разделен на два смежных стробирующих импульса, "передний" стробирующий импульс и "задний" стробирующий импульс, каждый из которых имеет длительность, равную τ/2. Если пиксель регистрирует большее количество света во время переднего стробирующего импульса или во время заднего стробирующего импульса, то для детали сцены 30, которая отображается на пиксель, применяются уравнения (1) или (2) соответственно.

Уравнения (1) и (2) предполагают, что CR для света, обеспечиваемого источником 26 света, является неограниченным, и когда затвор 25 закрывается, никакой свет от источника 26 света не проходит через затвор, чтобы достигнуть фотоповерхности 22. Однако, как обсуждалось выше и показано на фиг.2, CR для затвора 25 является конечной величиной и, для примера, на фиг.2 CR имеет максимальное значение, примерно равное 16. В результате, свет в импульсах 50 света, отраженных от детали в сцене 30, который достигает камеры 20, когда затвор закрыт, просачивается через затвор и "загрязняет" значения Q, зарегистрированные пикселем на фотоповерхности 22, отображающим деталь. Загрязнение, в целом, создает ошибку расстояния D_f, определяемого для детали уравнением (1) или (2), и ошибка увеличивается по мере уменьшения CR.

Например, как отмечено выше, (τ)Q/Q₀ является длительностью времени перекрытия T, в течение которого фотоны в импульсе 50, отраженном от заданной детали в сцене 30, достигают камеры 20 во время синхронизирующего стробирующего импульса 110 и затвор 25 имеет максимальную прозрачность. Период (τ)(1-Q/Q₀), следовательно, является длительностью времени, в течение которого фотоны отраженного импульса достигают камеры, когда затвор 25 закрыт и затвор имеет прозрачность, сниженную относительно максимальной на коэффициент 1/CR.

Пусть общее количество света, собранного пикселем 23, который отображает заданную деталь с помощью света из импульса 50 во время синхронизирующего стробирующего импульса 110, будет представлено как Q*. Q* с разумной степенью точности может быть оценено в соответствии с выражением:

Q*=Q+[Q₀/CIN](1-Q/Q₀) $$$$ (5)

где CIN - нормализованная контрастная интенсивность CI для CR затвора 25 и спектра импульса 50 отраженного света.

Пусть D_f* представляет расстояние, определенное для данной детали, используя количество света Q*, зарегистрированное пикселем, который отображает данную деталь. Тогда уравнения (1) и (2) дают следующее:

D_f*=(c/2)[t_gs-(τ)(1-[Q+[Q₀/CIN](1-Q/Q₀)]/Q₀)], если t_gs≤t_γ2≤t_ge $$$$ (6)

и

D_f*=(c/2)[t_gs+(τ)(1-[Q+[Q₀/CIN](1-Q/Q₀)]/Q₀)], если t_gs≤t_γ1≤t_ge (7)

или

D_f*=D_C-ΔD_f+(c/2)(τ)(1-Q/Q₀)/CIN)], если t_gs≤t_γ2≤t_ge $$$$ (8)

и

D_f*=D_C+ΔD_f-(c/2)(τ)(1-Q/Q₀)/CIN)], если t_gs≤t_γ1≤t_ge (9)

Уравнения (8) и (9) указывают, что для деталей в срезе для отображения, связанных с синхронизирующим стробирующим импульсом 110, расстояние до данной детали, определенное из заряда, зарегистрированного пикселем 23, который отображает деталь, ошибочно смещается в направлении центра среза для отображения в ошибку смещения "δD", имеющую величину

δD=(c/2)(τ)/CIN)(1-Q/Q₀) $$$$ (10)

В уравнении (10) Q - величина заряда, который мог бы быть зарегистрирован пикселем, отображающим деталь, если бы CR затвора 25 равнялся бесконечности.

Принимая во внимание, что определенные расстояния D_f* обычно могут быть скорректированы для CR и, следовательно, для CIN, являющейся конечной величиной, может быть трудно точно выполнить такие коррекции, потому что, как отмечено выше, когда источник 26 света излучает последовательность 40 (фиг.1) световых импульсов 41, источник света с каждым импульсом, который он излучает, подвергается местному циклическому нагреву. Местный нагрев создает циклические разности температур между температурой, при которой работает источник 26 света, и рабочей температурой, при которой работает затвор 25. Разность температур может доходить до 20°C. В результате, спектр 80, показанный на фиг.2, может сместиться на целых 5 нм во время работы камеры 20 для определения расстояния до деталей в сцене 30. Смещение из-за разности температур может приводить в результате к существенному уменьшению CIN затвора 25 и сопутствующему увеличению ошибки смещения δD.

Для примера, на фиг.4 показан график 120 функции 70 CR для затвора 25 и спектра 80 источника света, показанного на графике 60 (фиг.2), для камеры 20, работающей при рабочей температуре 50°С, и спектры 81 и 82 для источника света, которые смещены за счет местного нагрева в результате работы источника света. Спектры 81 и 82, как предполагается, преобладают при температурах 30°C и 70°C соответственно. Из графика 120 модно легко увидеть, отметив величины, на которые кривые 81 и 82 спектров перекрывают кривую 70 CR, что CIN для спектров 81 и 82 существенно снижены относительно максимальной CIN, которая имеет место для спектра 80. CIN имеет значения, равные приблизительно 13.4, 6 и 5, для спектров 80, 81 и 82 соответственно.

На фиг.5 показан график 130 ошибки смещения δD расстояния до заданной детали сцены 30, которая может быть получена, принимая CIN равной приблизительно 6, то есть CIN, которая могла бы иметь место для разности температур между источником 26 света и затвором 25, равной приблизительно 20°С. График 130 предполагает длительность импульса τ для светового импульса 41 (фиг.1 и фиг.3) равной 10 нс, и длительность стробирующего импульса для стробирующего импульса 110 (фиг.3) равной упомянутой длительности импульса. Срез для отображения сцены 30, следовательно, имеет ширину, равную приблизительно 2,7 м. На графике 130 кривая 131 показывает δD в зависимости от перемещения ΔD_f от центра среза для отображения. Из графика видно, что ошибка смещения δD, по существу, равна нулю для деталей в центре среза для отображения, растет линейно с расстоянием от центра среза, и равна приблизительно 17% от ΔD_f.

В соответствии с вариантом осуществления технологии, стробируемая трехмерная камера содержит источник света, имеющий матрицу лазерных диодов VCSEL, которая обеспечивает улучшенное согласование источника света с затвором камеры и снижает δD. VCSEL имеют относительно узкие спектры, которые существенно менее чувствительны к изменениям температуры, чем спектры лазерных диодов. Обычный лазерный диод с краевым излучением может иметь спектр шириной приблизительно 4 нм (на уровне полумаксимума, FWHM) и, как отмечено выше, может показывать смещение спектра приблизительно на 0,25 нм/°С. С другой стороны, типичный VCSEL обычно имеет спектр шириной приблизительно между 0,5 нм и 1 нм, который смещается приблизительно на 0,07 нм/°C. Однако VCSEL, которые обычно используются для приложений, относящихся к относительно маломощной связи, в целом, не обеспечивают достаточную оптическую энергию для использования в источнике света стробируемой трехмерной камеры.

VCSEL в источнике света, в соответствии с вариантом осуществления технологии, модифицируются, чтобы увеличить их выходную оптическую мощность, расширяя для этого их генерирующий оптический резонатор. Принимая во внимание, что расширение генерирующего оптического резонатора VCSEL вызывает увеличение ширины спектра VCSEL, спектр обычно все еще остается существенно более узким, чем спектр, обеспечиваемый традиционным лазерным диодом с краевым излучением. В результате, модифицированные VCSEL в источнике света, в соответствии с вариантом осуществления технологии, обеспечивают как достаточную мощность для предпочтительного использования в стробируемой трехмерной камере, так и улучшенное согласование с затвором камеры.

Традиционные VCSEL обычно имеют диаметр поперечного сечения генерирующего оптического резонатора примерно равный или меньше чем 15 микрон. В качестве варианта, VCSEL в источнике света стробируемой трехмерной камеры, в соответствии с вариантом осуществления технологии, содержат относительно больший генерирующий резонатор, имеющий поперечное сечение, характеризующееся шириной, например, диаметром, большим или равным 20 микрон. В качестве варианта, ширина генерирующего оптического резонатора VCSEL больше или равна 25 микрон. В качестве варианта, ширина спектра больше или равна 2,5 нм. В некоторых вариантах осуществления технологии ширина спектра больше или равна 3 нм.

На фиг.6 схематично показана стробируемая трехмерная камера 220, имеющая источник света 226, содержащий VCSEL 227, в соответствии с вариантом осуществления технологии. Стробируемая трехмерная камера 220, для примера, подобна стробируемой трехмерной камере 20, показанной на фиг.1, за исключением источника света 226, который содержит VCSEL 227, а не лазерные диоды 27. VCSEL 227 обладают относительно большими генерирующими оптическими резонаторами, характеризующимися, в качестве варианта, диаметром поперечных сечений, равным приблизительно 20 микрон. В качестве варианта, VCSEL выполнены с возможностью генерации инфракрасного (IR) света, характеризующегося спектром, имеющим FWHM приблизительно между примерно 2,5 нм и примерно 3 нм, центрированным на длине волны, приблизительно равной 855 нм, во время работы при температуре 50°C.

В источнике света 226, для примера, VCSEL 227 выполнены в виде прямоугольной матрицы из 16 строк и 16 столбцов с шагом приблизительно в 55 микрон, которая крепится к соответствующему теплорассеивающему корпусу 228. Любой из различных корпусов, известных в технике, может быть приспособлен и использоваться при практической реализации технологии, чтобы рассеивать тепло, создаваемое VCSEL 227 во время их работы. Изобретатели определили, что источником света 226, содержащим VCSEL 227 и соответствующий теплорассеивающий корпус 228, можно управлять для работы на уровне мощности, примерно равном или большем 12 Вт, чтобы создавать последовательность световых импульсов, пригодных для освещения сцены при определении расстояния до сцены. В некоторых вариантах осуществления технологии камера выполнена таким образом, чтобы источник света мог работать на уровне мощности, примерно равном или большем 15 Вт. В некоторых вариантах осуществления технологии уровень мощности примерно равен или больше 18 Вт.

Для разностей температур между источником света 226 и затвором 25, созданных во время работы источника света для обеспечения последовательности световых импульсов, спектр света, обеспечиваемого источником света, показывает относительно малые смещения длины волны и относительно большие значения для CIN. В результате, камера 220, в соответствии с вариантом осуществления технологии, может обеспечить измерение расстояний для сцены с существенно меньшими ошибками смещения δD, чем ошибки смещения, показанные на фиг.4 для камеры 20 (фиг.1).

На фиг.7 показан график 250 спектров 251, 252 и 253 для VCSEL 227, изготовленных из GaAs, для температур 30°С, 50°C и 70°C и кривая 70 CR для затвора 25 при температуре 50°С, показанная на графике 120 на фиг.4. Из графика 250 видно, что для разности температур 20°C, которая может создаваться между источником света 226 и затвором 25 во время работы источника света, спектры смещаются на относительно небольшие значения относительно кривой 70 CR. Предполагая, что для каждого градуса по Цельсию при рабочей температуре VCSEL 227 (фиг.6) спектр VCSEL смещается на 0,07 нм, спектры 251 и 253 смещаются приблизительно на 1,4 нм относительно кривой 70 CR. Смещения спектров 251 и 253 относительно кривой 70 CR, которые демонстрирует источник света 226, существенно меньше, чем продемонстрированные для того же самого изменения температур спектрами 81 и 82, соответственно, источника 26 света, показанными на фиг.4. Значения CIN для смещенных спектров 251 и 253 для VCSEL 227 и кривой 70 CR также существенно больше, чем значения для соответствующих спектров 80 и 82 источника 26 света на лазерных диодах.

Значения CIN для спектров 251, 252 и 253 для источника 226 света и кривой 70 CR, согласно оценкам, равняются приблизительно 12,5, 13,8, и 12,7 соответственно. Значения CIN для источника 226 света VCSEL при температуре приблизительно 30°C или приблизительно 70°C, когда затвор 25 имеет температуру приблизительно 50°C, больше с коэффициентом, превышающим приблизительно 2, чем значения для источника 26 света на диодных лазерах при температурах приблизительно 30°C или приблизительно 70°C, когда затвор 25 находится при температуре приблизительно 50°C. Отношения значений CIN для спектров 251 и 253 источника света VCSEL относительно спектров 81 и 82 источника света на лазерных диодах, соответственно, являются большими, потому что спектры VCSEL относительно узкие и для одной и той же разности температур относительно температуры затвора 25 они смещаются на существенно меньшие величины, чем спектры лазерных диодов.

На фиг.8 показаны предпочтительные улучшения ошибок смещения δD, которые могут быть обеспечены источником 226 света VCSEL и камерой 220, в соответствии с вариантом осуществления технологии. На фиг.8 показан график 260, который идентичен графику 130, показанному на фиг.5, с добавлением кривой 261 δD, которая показывает δD в зависимости от ΔD_f для трехмерной камеры 220, содержащей источник 226 света VCSEL, в соответствии с вариантом осуществления технологии. Кривая 261 предполагает ту же самую разность температур 20°C между источником 226 света VCSEL и затвором 25, которая принята для кривой 131 δD между источником 26 света на лазерных диодах и затвором 25. График 260 показывает, что δD для трехмерной камеры 220 существенно меньше, чем для трехмерной камеры 20, и составляет приблизительно половину этого значения для трехмерной камеры 20. Принимая во внимание, что ошибка смещения δD равна приблизительно 17% от ΔD_f для источника 26 света на лазерных диодах и камеры 20, ошибка смещения уменьшается приблизительно на ½, и равна приблизительно 8% от ΔD_f для источника 226 света VCSEL и камеры 220, в соответствии с вариантом осуществления технологии.

В описании и формуле изобретения каждое из таких слов, как "содержит", "включает в себя" и "имеет", и их формы необязательно ограничиваются элементами в списке, с которым эти слова могут быть связаны.

Технология была описана, используя различные подробные описания вариантов ее осуществления, которые представлены для примера и не предназначены ограничивать объем технологии. Описанные варианты осуществления могут содержать различные признаки, не все из которых требуются во всех вариантах осуществления технологии. Некоторые варианты осуществления технологии используют только некоторые из признаков или возможных комбинаций признаков. Вариации вариантов осуществления технологии, которые описаны, и варианты осуществления технологии, содержащие другие комбинации признаков, отмеченные в описанных вариантах осуществления, могут предлагаться специалистами в данной области техники. Подразумевается, что объем технологии ограничивается только формулой изобретения и что формула изобретения должна истолковываться так, чтобы включать в себя все такие вариации и комбинации.

Изобретение относится к аппаратуре видеокамер. Технический результат заключается в повышении пространственной точности местоположения деталей изображения. Камера для определения расстояний до сцены содержит источник света, содержащий VCSEL, управляемый для освещения сцены последовательностью импульсов света, имеющей характеристический спектр, фотоповерхность, оптику для отображения на фотоповерхности отраженного сценой света световых импульсов и затвор, выполненный с возможностью выборочного открывания и закрывания фотоповерхности для света в спектре с учетом ошибки смещения, обусловленной разностью температур в аппаратуре. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Стробируемая трехмерная камера, содержащая:
источник света, содержащий по меньшей мере один поверхностно-излучающий лазер светового излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), управляемый для освещения сцены последовательностью импульсов света, имеющих характеристический спектр;
фотоповерхность;
оптику для отображения на фотоповерхности света от световых импульсов, отраженного сценой;
затвор, выполненный с возможностью выборочного открывания и закрывания фотоповерхности для света в упомянутом спектре; и
контроллер для управления импульсной работой источника света и работой затвора,
при этом ошибка смещения, обусловленная разностью температур между источником света и затвором, меньше приблизительно 10 процентов сдвига среза для отображения в сцене.

2. Камера по п.1, в которой источник света имеет характеристический спектр с шириной на уровне полумаксимума (FWHM), равной или большей чем приблизительно 1,5 нм.

3. Камера по п.1, в которой характеристический спектр имеет ширину FWHM, равную или большую чем приблизительно 2,0 нм.

4. Камера по п.1, в которой характеристический спектр имеет ширину FWHM, равную или большую чем приблизительно 2,5 нм.

5. Камера по п.1, в которой VCSEL имеет генерирующий оптический резонатор, характеризующийся диаметром, который приблизительно равен или больше 20 микрон.

6. Камера по п.1, в которой VCSEL имеет генерирующий оптический резонатор, характеризующийся диаметром, который приблизительно равен или больше 25 микрон.

7. Камера по п.1, в которой нормализованная свертка коэффициента контрастности (CR) затвора и характеристического спектра больше или равна приблизительно 10 для разности температур между затвором и источником света, меньшей или равной приблизительно 20°С.

8. Камера по п.1, в которой нормализованная свертка коэффициента контрастности (CR) затвора и характеристического спектра больше или равна приблизительно 12 для разности температур между затвором и источником света, меньшей или равной приблизительно 20°С.

9. Камера по п.1, в которой источник света работает при уровне мощности, приблизительно равном или большем 12 Вт, чтобы освещать сцену последовательностью световых импульсов.

10. Камера по п.1, в которой уровень мощности приблизительно равен или больше 15 Вт.

11. Камера по п.1, в которой уровень мощности приблизительно равен или больше 18 Вт.

12. Стробируемая трехмерная камера, содержащая:
источник света, имеющий матрицу поверхностно-излучающих лазеров светового излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), которая обеспечивает улучшенное согласование источника света с затвором камеры, пониженные ошибки смещения и которая является управляемой для освещения сцены последовательностью импульсов света, имеющей характеристический спектр;
фотоповерхность;
систему линз для отображения на фотоповерхности света от световых импульсов, отраженного сценой;
затвор, выполненный с возможностью выборочного открывания и закрывания фотоповерхности для света в упомянутом спектре; и
контроллер для управления импульсной работой источника света и работой затвора,
при этом нормализованная свертка коэффициента контрастности (CR) затвора и характеристического спектра больше или равна приблизительно 10 для разности температур между затвором и источником света, меньшей или равной приблизительно 20°С.

13. Камера по п.12, в которой источник света имеет характеристический спектр с шириной FWHM, равной или большей чем приблизительно 1,5 нм.

14. Камера по п.13, в которой VCSEL имеет генерирующий оптический резонатор, характеризующийся диаметром, который приблизительно равен или больше 20 микрон.

15. Камера по п.12, в которой источник света работает при уровне мощности, приблизительно равном или большем 12 Вт, чтобы освещать сцену последовательностью световых импульсов.

16. Стробируемая трехмерная камера, содержащая:
источник света, имеющий матрицу поверхностно-излучающих лазеров светового излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), которая обеспечивает улучшенное согласование источника света с затвором камеры и является управляемой для освещения сцены последовательностью импульсов света, имеющей характеристический спектр, причем источник света имеет характеристический спектр с шириной на уровне полумаксимума (FWHM), равной или большей чем приблизительно 1,5 нм, и генерирующий оптический резонатор, характеризующийся диаметром, приблизительно равным или большим чем 20 микрон;
контроллер, соединенный с источником света;
фотоповерхность, содержащую светочувствительную поверхность CCD или CMOS;
систему линз для отображения на фотоповерхности света от световых импульсов, отраженного сценой; и
затвор, выполненный с возможностью выборочного открывания и закрывания фотоповерхности для света в спектре,
при этом контроллер выполнен с возможностью управления импульсной работой источника света и работой затвора,
при этом ошибка смещения, обусловленная разностью температур между источником света и затвором, меньше приблизительно 10 процентов сдвига среза для отображения в сцене.