專利名稱：投影照明與圖像傳感器的卷簾的同步的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及用于電子成像的系統(tǒng)和方法，并具體涉及用于增強(qiáng)所捕獲圖像的 質(zhì)量的照明方法。
背景技術(shù)：
大部分廉價的CMOS圖像傳感器使用卷簾(rolling shutter)，其中，相繼行的傳 感器元件被相續(xù)地觸發(fā)以捕獲光線。因此，這一獲取圖像的方法并不是將每個單獨幀記 錄為某個時間點的單個快照，而是記錄為掃描過該幀的一序列圖像條紋(a sequence of image stripes) 0這種卷簾的結(jié)果是，并非光學(xué)圖像的所有部分都在正好同一時刻被記錄 (雖然所述幀被存儲為單個電子圖像)。卷簾的使用在圖像幀中引入了瞬時剪切(temporal shear)，其會在移動物 體的成像中產(chǎn)生贗象(artifact)。Bradley 等人在 IEEEInternational Workshop on Projector-Camera Systems-PROCAMS 2009 (邁阿密海灘，佛羅里達(dá)，2009 年)的 "Synchronization and Rolling Shutter Compensation for Consumer Video Camera Arrays”中應(yīng)對了這一問題，上述文本以引證方式被納入本說明書。該作者提出使用同步頻 閃照明來解決所述問題。

發(fā)明內(nèi)容
下文描述的本發(fā)明的實施方案提供了用于照明目標(biāo)的設(shè)備和方法，所述設(shè)備和方 法在使用帶有卷簾的傳感器對該目標(biāo)進(jìn)行成像時是有利的。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，提供了成像設(shè)備，包括照明組件，包括多個 輻射源和投影光學(xué)器件，其被配置為將射線從所述輻射源投影至場景的各個不同區(qū)域。成 像組件，包括圖像傳感器和目標(biāo)光學(xué)器件，其被配置為在所述圖像傳感器上形成所述場景 的光學(xué)圖像，所述圖像傳感器包括布置成多組的傳感器元件的一個陣列，這些組傳感器元 件由卷簾觸發(fā)，以在各個相繼的曝光期內(nèi)從所述場景的各個不同區(qū)捕獲來自所述場景的射 線，以形成所述場景的電子圖像?？刂破鞅贿B接以通過脈沖模式相續(xù)地開動(actuate)所 述輻射源，以使所述照明組件與所述卷簾同步地照明所述場景的各個不同區(qū)。在所公開的一些實施方案中，每一組包括一行或多行傳感器元件，并且所述區(qū)域 限定了以平行于所述行的方向延伸過所述場景的條紋。通常，每一條紋照明一個相應(yīng)區(qū) 域，該區(qū)域包含了所述場景的、由相應(yīng)的一組多行傳感器元件從中捕獲射線的區(qū)，并且所述 控制器被配置為開動所述輻射源，以使所投影的射線以垂直于所述行的方向掃掠過所述場景。
在所公開的一個實施方案中，所述卷簾限定了用于捕獲整個電子圖像的幀時 (frame time)，并且所述控制器被配置為將每個輻射源開動一個小于該幀時的一半的相應(yīng) 開動期(actuation period)。所述控制器可以開動每個輻射源，以使所述照明組件僅在捕 獲來自所述場景的每個區(qū)的射線的相應(yīng)一組傳感器元件的相應(yīng)曝光期內(nèi)照明該區(qū)。在一些實施方案中，所述投影光學(xué)器件包括圖案化元件(patterning element), 其被配置為使射線以預(yù)定圖案投影至所述場景，所述預(yù)定圖案能以電子圖像形式被所述成 像組件探測。通常，所述控制器被配置為分析所述電子圖像中的圖案，以生成所述場景的深 度圖。在一個實施方案中，所述輻射源包括發(fā)光元件的一個矩陣，所述發(fā)光元件被布置在襯 底上，并被配置為在與所述襯底垂直的方向上發(fā)射射線。在另一實施方案中，所述輻射源包 括一行邊緣發(fā)射元件，它們被布置在襯底上，并被配置為在與所述襯底平行的方向上發(fā)射 射線，并且所述照明組件包括布置在所述襯底上的反射器，以將所述邊緣發(fā)射元件發(fā)射的 射線轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離所述襯底且朝向所述圖案化元件。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，還提供了一種用于成像的方法，包括布置多個輻射 源，以將射線投影至場景的各個不同區(qū)域。圖像傳感器，其包括布置成多組的傳感器元件的 一個陣列，被配置為接收所述場景的光學(xué)圖像，其中這些組傳感器元件從所述場景的各個 不同區(qū)接收射線。這些組傳感器元件由卷簾觸發(fā)，以在各個相繼的曝光期內(nèi)捕獲來自所述 場景的射線，以形成所述場景的電子圖像。所述輻射源被以脈沖模式相續(xù)地開動，以與所述 卷簾同步地照明所述場景的各個不同區(qū)。在一個實施方案中，配置所述圖像傳感器包括將多個帶有相應(yīng)卷簾的圖像傳感 器與多個相應(yīng)的輻射源布置在一起，以形成場景的具有各個不同的相重疊的部分的相應(yīng)電 子圖像，并且，開動所述輻射源包括將所述多個相應(yīng)的輻射源與所述多個圖像傳感器同 步，以在任何給定時刻控制由所述輻射源照明的所述場景的各個區(qū)的重疊。本方法可以包 括分析由所述多個圖像傳感器形成的電子圖像上的圖案(pattern)，以生成所述場景的 深度圖。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，還提供了成像設(shè)備，其包括多個成像單元。所述成像 單元包括多個相應(yīng)的輻射源和投影光學(xué)器件，其被配置為將射線從所述輻射源投影至場景 的各個不同區(qū)域，以及相應(yīng)的成像組件。所述成像組件包括相應(yīng)的圖像傳感器和目標(biāo)光學(xué) 器件，其被配置為在各個圖像傳感器上形成所述場景的各個不同的相重疊的部分的相應(yīng)光 學(xué)圖像。每一圖像傳感器包括布置成多組的傳感器元件的一個陣列，這些組傳感器元件由 卷簾觸發(fā)，以在各個相繼的曝光期內(nèi)從所述場景的各個不同區(qū)捕獲來自所述場景的射線，以 形成所述場景的各個電子圖像。所述輻射源被以脈沖模式相續(xù)地開動，以使所述照明組件與 所述卷簾同步地照明所述場景的各個不同區(qū)，同時使所述多個相應(yīng)的輻射源與所述多個圖 像傳感器同步，以在任何給定時刻控制由所述輻射源照明的所述場景的各個區(qū)的重疊。通常，所述重疊被控制，以使在任何給定時刻由所述輻射源照明的所述場景的各 個區(qū)是不重疊的。從下文結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方案的詳細(xì)描述中，將更充分地理解本發(fā)明。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的成像系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的、使用條紋照明捕獲的圖像幀的一部分的示意 圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的、示出了條紋照明與卷簾操作之間的同步的時 序圖(timing diagram)；圖4A是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的投影模塊的示意性側(cè)視圖；圖4B是圖4A的投影模塊中使用的光電分組件(optoelectronic subassembly) 的示意性俯視圖；圖5A和5B分別是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的光電分組件的示意性側(cè)視圖和俯視 圖；圖5C是圖5A和5B的分組件中使用的棱鏡的示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明又一實施方案的照明組件的示意性側(cè)視圖；圖7是由圖6的照明組件照明的圖像幀的一部分的示意圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的成像系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖；以及圖9是根據(jù)本發(fā)明再一實施方案的成像系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式概覽各類成像系統(tǒng)包括用于照明所關(guān)注場景的光學(xué)投影儀。例如，投影儀可以被用來 將經(jīng)編碼的(coded)或結(jié)構(gòu)化的(structured)光的圖案投射到目標(biāo)上，以用于三維(3D) 深度繪圖。在這方面，美國專利申請公開文本2008/0M0502(其公開內(nèi)容以引證方式納入 本說明書)描述了一種照明組件，其中光源(諸如激光二極管或LED)用光學(xué)射線透射一個 透明體，以將圖案投影到所述目標(biāo)上。(術(shù)語“光學(xué)(optical)，，“光(light) ”及“照明”在 此用于大體指代可見光、紅外線以及紫外線中的任一種。)圖像傳感器捕獲被投影到所述目 標(biāo)上的圖案的圖像，且處理器處理該圖像，以重構(gòu)所述目標(biāo)的三維(3D)圖。基于圖案化的光的投影的系統(tǒng)可能會遭受由投影儀功率限制引起的低信號/背 景比，尤其是在環(huán)境光強(qiáng)的情況下。本發(fā)明的實施方案通過以同步空間掃掠(spatial sweep)將射線投影至所關(guān)注場景來應(yīng)對這一問題，該同步空間掃掠被安排時序，以利用圖 像傳感器的卷簾，從而改進(jìn)該系統(tǒng)的信號/背景比。在本發(fā)明的一些實施方案中，卷簾被操作，以使得圖像傳感器中的不同組(通常 是相繼的行)的傳感器元件在相繼的不同曝光期內(nèi)捕獲射線，所述曝光期遠(yuǎn)小于全幀期 (total frame period)(通常小于全幀期的一半，并可以小于全幀期的10% )。每個這樣的 組從場景的各個不同區(qū)采集射線，所述射線通過目標(biāo)光學(xué)器件聚焦至圖像傳感器。照明組 件被控制，以與卷簾同步地將所投影的射線掃掠在所述場景的那些區(qū)上，以使所述場景的 每個區(qū)在對應(yīng)組的傳感器元件激活的特定時間內(nèi)是被照明的。因此，在所述場景的每個區(qū)， 所述照明組件的輸出功率集中在對應(yīng)的傳感器元件能夠從該區(qū)采集射線的特定曝光期內(nèi)。 通過卷簾來限制曝光期降低了所采集的環(huán)境射線的總量，而不浪費(fèi)任何所投影的射線。因 此，該系統(tǒng)的信號/背景比被顯著加強(qiáng)，甚至不必增加照明的平均功率。在下文公開的實施方案中，所述照明組件包括一個輻射源陣列，并帶有投影光學(xué) 器件，所述投影光學(xué)器件將來自輻射源的射線投影至場景的各個不同區(qū)域。所投影的射線的空間掃掠是通過使輻射源以脈沖模式相續(xù)地發(fā)射來實現(xiàn)的。由每一輻射源照明的場景的 各個區(qū)域與該場景中的、由這些組的傳感器元件中的一組或多組感測到的區(qū)重疊。因此，每 一輻射源僅在對應(yīng)的傳感器元件組激活的時間內(nèi)發(fā)出脈沖。這一輻射源陣列的相續(xù)脈沖操 作在射線空間掃掠的最優(yōu)時序選擇方面提供了充分的靈活性，并提供了高可靠性——其中 不需要活動部件或有源光學(xué)元件(除了輻射源自身)來實現(xiàn)該掃掠。雖然下述的實施方案具體地涉及3D傳感系統(tǒng)中的圖案化的光的投影，但本發(fā)明 的原理可以類似地被用于加強(qiáng)其他基于投影的成像系統(tǒng)的性能。這些實施方案中的卷簾 被假定為逐行地激活(activate)圖像傳感器中的傳感器元件，正如在本領(lǐng)域已知的常規(guī) CMOS圖像傳感器中那樣；但本發(fā)明的原理可以類似地與下述傳感器一起使用，所述傳感器 使用其他種類的對傳感器元件組的相續(xù)激活——諸如逐塊(block-by-block)激活。系統(tǒng)描述圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的成像系統(tǒng)20的示意性側(cè)視圖。在該圖中以及 后續(xù)的整個說明中使用了一組X-Y-Z軸，以輔助理解圖中的方向，其中X-Y平面是系統(tǒng)20 的正平面(frontal plane)，Z軸垂直于該平面朝向場景延伸。不過，軸的選擇是任意的，并 且僅出于描述本發(fā)明實施方案的方便而選擇。照明組件22將圖案化的射線場(radiation field) 24投影至一個場景中的目標(biāo) 26(在本例中是該系統(tǒng)使用者的一只手)。成像組件觀捕獲視場30中的場景的圖像?？刂?器31或其他電子處理器處理所述圖像以生成圖標(biāo)沈的3D深度圖。在上述US2008/0M0502 和PCT國際申請W02007/105205(其公開內(nèi)容也以引證方式在此納入)中描述了這類繪圖 過程的更多細(xì)節(jié)。使用者的手(和/或使用者身體的其他部分)的3D圖可以用在基于姿 勢的(gesture-based)計算機(jī)界面中，不過這類功能超出了本專利申請的范圍。成像組件觀包括目標(biāo)光學(xué)器件36，其在圖像傳感器38 (諸如CMOS集成電路圖像 傳感器)上形成了包含目標(biāo)沈的場景的光學(xué)圖像。所述圖像傳感器包括布置成多行的傳 感器元件40的一個陣列。響應(yīng)于由光學(xué)器件36聚焦至所述傳感器元件的射線，所述傳感器 元件產(chǎn)生相應(yīng)的信號，其中圖像傳感器38輸出的電子圖像中的每個像素的像素值對應(yīng)于 來自相應(yīng)傳感器元件40的信號。所述傳感器元件被卷簾逐行地激活和禁用(deactivate)， 所述卷簾的時序由控制器31來設(shè)置。這類卷簾操作是許多CMOS圖像傳感器的標(biāo)準(zhǔn)特征。照明組件22包括投影模塊32，其產(chǎn)生一束圖案化的光；以及投影光學(xué)器件34， 其將所述光束投影至場對。模塊32通常包括多個輻射源，以及用于生成圖案的光學(xué)器件。 控制器31與圖像傳感器38的卷簾同步地以脈沖模式相續(xù)地開動輻射源。模塊32的設(shè)計 以及其與卷簾同步的操作在下文詳細(xì)描述。圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的、由系統(tǒng)20捕獲圖像幀42的一部分的示意圖。 幀42包括像素44矩陣，每一像素對應(yīng)于由圖像傳感器38中的對應(yīng)傳感器元件40生成的 信號。因此，每一行像素44對應(yīng)于該場景中的、由相應(yīng)行傳感器元件從中捕獲射線的區(qū)。照明組件22生成多個照明條紋46、48、50、52.......每個這樣的條紋由一個相
應(yīng)的輻射源或輻射源組生成。(可以用于生成這類多條紋照明的輻射源的示例布置在以下 圖中示出。)由每一條紋限定的區(qū)域覆蓋了很多個成行的像素44的區(qū)。換言之，每一條紋 照明了該場景的某個由對應(yīng)行中的圖像傳感器從中捕獲射線的區(qū)。雖然為了簡化起見，圖 2中示出的是條紋46、48、50、52正好彼此相鄰且不重疊，但在實際系統(tǒng)中，通常在條紋之間存在重疊量，以確保該場景的所有區(qū)都被照明。圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的時序圖，其示出了圖2中示出的一類條紋照明 與圖像傳感器38的卷簾操作之間的同步。軌跡56對應(yīng)于相繼行的傳感器元件的卷簾操作， 其中當(dāng)對應(yīng)的軌跡為高時所述元件是激活的(即，將接收到的光子轉(zhuǎn)化為圖像傳感器輸出 信號中的電子)。給定行激活的時期在這里指示該行的曝光期。相繼行的曝光期是交錯的 (staggered)，以使每一行在前一行激活之后的很短時間內(nèi)即被激活。所述行被布置成組 58,60......，每一組對應(yīng)于由條紋46、48......之一覆蓋的區(qū)域。軌跡62、64......對應(yīng)于生成條紋46、48......的相應(yīng)輻射源的開動。換言
之，當(dāng)軌跡62為高時，生成條紋46的輻射源被開動，以此類推。對于所述行的每一組58、
60......，對應(yīng)的輻射源的開動期被設(shè)置為整個落在該組中所有行的曝光期內(nèi)。因此，所述
照明組件僅在從該場景的每一區(qū)捕獲射線的傳感器元件的曝光期內(nèi)照明該區(qū)，而不會浪費(fèi) 任何照明。軌跡64正好在軌跡62降低時升高，且照明組件22中的所有的輻射源均是如此。 因此，所述照明組件的條紋輸出在垂直于像素44(和傳感器元件40)的行的方向上掃掠過 該場景，在每個圖像幀中完成一次這樣的掃掠，同步于圖像傳感器38的卷簾的掃掠。每一 輻射源的占空比(duty cycle)大約是1 N，其中N是條紋數(shù)(每一條紋被一個相應(yīng)的輻 射源或輻射源組照明)。在圖3中的時序圖中，每一照明條紋的開動期是約1/(N*FR)，而每 行傳感器元件40的曝光期是約2/ (N^FR)，其中FR是幀率，諸如30幀/秒。這些時序關(guān)系 通常最優(yōu)化地使用可獲得的照明功率，并提供信號/背景比的最大可能的增強(qiáng)。替代地，在幀率、開動期和曝光時間之間也可以使用其他時序關(guān)系。在照明條紋和 傳感器行之間的幾何關(guān)系不能維持得如圖2那樣精確的情況下，尤其是當(dāng)相繼條紋部分地 重疊時，這些替代時序安排可以是有利的。帶有邊緣發(fā)射器的照明模塊根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，圖4A是照明模塊32的示意性側(cè)視圖，而圖4B是用 在照明模塊32中的光電分組件的示意性俯視圖。模塊32包括一行邊緣發(fā)射光電元件70， 諸如激光二極管，它們形成在襯底72諸如硅晶片上。(在圖4A的側(cè)視圖中僅示出這些元 件中的一個。)元件70在平行于襯底的方向上發(fā)射射線。該襯底上的反射器74將元件70 發(fā)出的射線轉(zhuǎn)向為遠(yuǎn)離該襯底(該襯底被定向在X-Y平面)朝向Z軸。所述反射器可以在 襯底72上被整體形成，如圖4A所示，或者它可以包括布置在襯底上和對準(zhǔn)光電元件70的 分立元件。反射器74可以簡單地包括一個平直的反射表面，或者它可以包括一個或多個彎 曲表面或多個平直表面，以擴(kuò)散或聚焦射線，如圖4B以及5C所示。聚光透鏡76將來自光電元件70的射線準(zhǔn)直和引導(dǎo)穿過一個或多個圖案化元件 78。所述圖案化元件導(dǎo)致來自元件70的射線以預(yù)定圖案投影到該場景上，該預(yù)定圖案能以 電子圖像形式被成像組件觀檢測。該圖像中的圖案被處理以計算該場景的深度圖。圖案化 元件78可以包括一個圖案化的透明體，該透明體可以包括一個微透鏡陣列(MLA)，例如，如 在上述US 2008/0M0502或WO 2007/105205中所述，并且/或者包括一個或多個衍射光學(xué) 元件(DOE)，如美國專利申請公開文本2009/0185274中所述，其公開內(nèi)容以引證方式在此 納入。附加地或替代地，當(dāng)元件70發(fā)射相干射線時，圖案化元件78可以包括一個散射體， 該散射體在該場景上投射激光光斑圖案。
每一光電元件70發(fā)射了形成各條紋80、82、84......的射線，如圖4B所示。(雖
然該圖示出了六個這樣的元件和相應(yīng)條紋，但也可以根據(jù)應(yīng)用需要使用更多或更少的元件 和條紋。)反射器74可以略微彎曲，如該圖所示，以使所述條紋擴(kuò)散至更寬的區(qū)，并使相 鄰的條紋在它們的邊緣處重疊。如上所述，在成像組件觀捕獲每一圖像幀的期間，控制器 31 (圖1)激活元件70以相續(xù)地發(fā)射射線，與圖像傳感器38的卷簾同步。因此，該場景的每 一區(qū)域在對應(yīng)行的傳感器元件40的曝光期內(nèi)被照明。在圖案化元件78包括MLA或其他透明體的實施方案中，每一條紋80、82、
84......穿過該透明體的各個不同區(qū)域，從而對應(yīng)于該透明體所含圖案來生成總體照明圖
案的各個部分。投影光學(xué)器件34將這一圖案投影到目標(biāo)上。另一方面，在圖案化元件78包括DOE的實施方案中，透鏡76或者元件78之一(或 光電元件70的幾何結(jié)構(gòu))通常被配置為，針對由每個光電元件發(fā)出的光束，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)摹拜d 體(carrier)”角。在這樣的實施方案中，由不同光電元件發(fā)射的光束使用透鏡76的不同 部分，因此透鏡76可以被設(shè)計為，使已準(zhǔn)直的光束以相應(yīng)的、對應(yīng)于期望的垂直出射的角 度出射。替代地，所述照明模塊可以包括一些其他類型的光學(xué)器件，諸如帶有與光電元件相 同數(shù)量的不同區(qū)域的閃耀光柵(blazed grating)。在上述美國臨時專利申請61/300，465中描述了照明模塊32的構(gòu)造的其他細(xì)節(jié)， 此外也描述了其他類似類型的模塊。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，圖5A和5B分別是光電分組件90的示意性側(cè)視和俯 視圖，而圖5C是分組件90中使用的棱鏡92的示意圖。分組件90可以用于替代模塊32中 的對應(yīng)部件。光電分組件90包括一行邊緣發(fā)射光電元件70，諸如激光二極管，它們可以被制造 在適合的襯底上，如在前述實施方案中那樣。不過，在分組件90中，由元件70發(fā)射的射線 從棱鏡92的內(nèi)表面94(通常帶有適合的反射涂層)上內(nèi)部地反射。來自元件70的射線經(jīng) 由彎曲的入口表面96進(jìn)入棱鏡92。因此，由元件70生成的各光束98分散開來，并與相鄰 光束部分地重疊。控制器31開動元件70以在每一圖像幀期間與圖像傳感器38的卷簾同 步地相續(xù)地發(fā)射射線。帶有表面發(fā)射器的照明模塊圖6是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的照明組件100的示意性側(cè)視圖。組件100可以 用于系統(tǒng)20中替代照明組件22。組件100包括二維光電元件110矩陣形式的輻射源，所述 光電元件布置在襯底102上并以垂直于該襯底的方向發(fā)射射線。雖然圖6僅示出了沿X軸 排列的元件單行114，但組件100實際上包括了并列的多個該類行，從而在X-Y平面中形成 了柵格。圖6示出了一個8X8柵格，但替代地可以使用更大或更小的、且并不必須是方形 或直線形的矩陣。與前述實施方案不同，元件110包括表面發(fā)射器件，諸如發(fā)光二極管(LED)或垂直 共振腔表面放射激光(VCSEL) 二極管，它們將射線直接發(fā)射至Z方向。顯微鏡陣列(或其 他適合的顯微光學(xué)器件，諸如基于全內(nèi)反射的顯微結(jié)構(gòu))112被對準(zhǔn)元件110，使得各顯微 鏡從每個元件采集射線，并將其引導(dǎo)到光學(xué)模塊104中。所述光學(xué)模塊包括如上所述的適 合的圖案元件106，以及投影透鏡108——其將所形成的圖案投影在場景上。圖7是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的、由組件100照明的圖像幀的一部分的示意圖。每個微透鏡112將射線從對應(yīng)的光電元件110擴(kuò)散至場景的、對應(yīng)于一組像素44的區(qū)域。 (通常在相鄰區(qū)域之間存在一些重疊，如在前述實施方案中那樣。)元件110被布置成多行
114,116.......根據(jù)例如圖3中示出的方案，在典型的操作中，控制器31與圖像傳感器38
的卷簾同步地輪流開動每行中的所有光電元件。因此，如前述，每一像素44的區(qū)域在對應(yīng) 的傳感器元件40的曝光期內(nèi)被照明。雖然為了清晰的目的，上述實施方案在系統(tǒng)20的語境下描述了照明和傳感的某 些特定的結(jié)構(gòu)性配置，但本發(fā)明的原理也可以類似地應(yīng)用在其他類型的系統(tǒng)和配置中。多個傳感器的同步圖8是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的成像系統(tǒng)120的示意性側(cè)視圖。在這一系統(tǒng)中， 同步控制器121同步了多個傳感單元122、124、126、128的操作。這些傳感單元通常均包括 照明組件和成像組件，它們的操作與系統(tǒng)20中一致。每一傳感單元122、124、126、1觀將各 圖案化光束132、134、136、138投影到場景130上，并形成該場景的被相應(yīng)圖案照明的部分 的各個圖像，為了完整地覆蓋場景130，所投影的圖案化的光束通常在重疊區(qū)域140重疊。在常 規(guī)操作中，圖案的重疊會使得傳感單元122、124、126、1 無法在區(qū)域140內(nèi)可靠地探測它 們自身的圖案，因此在這些區(qū)域損失了 3D信息。一種克服這一問題的方法可以是，在不同 波長下操作這些傳感單元，以使每個單元僅傳感其自身的圖樣。但這一解決方案會是繁冗 的并需要昂貴的光電器件和光學(xué)濾鏡。因此，在系統(tǒng)120中，控制器121控制了所述照明組件以及傳感單元122、124、126、 128中成像組件卷簾的時序，以在任意給定時刻控制被照明的區(qū)域之間的重疊。通常，所述 傳感單元被控制以使得它們照明和捕獲來自各非重疊條紋142、144、146、148的射線。在每 個傳感單元中，照明條紋和由卷簾觸發(fā)以接收射線的傳感區(qū)是如前述的內(nèi)在同步的。此外， 所有傳感單元的時序被協(xié)同以避免干擾。因此，例如，所有傳感單元同步地激活它們相應(yīng)的 條紋142，接著是條紋144，等等，使得在任何給定時刻，每一重疊區(qū)域140中僅有單個傳感 單元是激活的。每一傳感單元提供關(guān)于其自身的那部分場景130的3D繪圖數(shù)據(jù)，并且處理 單元(諸如控制器121或其他計算機(jī))將數(shù)據(jù)接合(stitch)在一起成為一幅合成深度圖。圖8中示出的方案僅是可能的同步樣式的一個實施例，也可以執(zhí)行另外的結(jié)構(gòu)和 時序樣式以實現(xiàn)類似的目標(biāo)。例如，同步傳感單元可以被布置成二維陣列，以覆蓋場景130 的更寬區(qū)。根據(jù)傳感單元的結(jié)構(gòu)布置和時序，多個同步傳感單元的系統(tǒng)可以用于，在基本任 何期望的尺寸和輪廓的更大區(qū)中，或者替代地或附加地以更大的速度，捕獲深度信息。替代地，傳感單元122、124、126、1觀可以一起操作而不需要一個中央控制器以調(diào) 整同步性。例如，每一傳感單元可以調(diào)整其自身的時序以使其深度讀數(shù)(reading)最大化。 因此，整個系統(tǒng)將趨于最優(yōu)的同步性。附加地或替代地，所述傳感單元可以使用令牌環(huán)型協(xié) 議(token ring type protocol)來彼此通信，而不需要中央控制。圖9是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的成像系統(tǒng)150的示意圖。這一實施方案在其
操作原理上與圖8的實施方案類似多個傳感單元152、154......將相應(yīng)的圖案化的光束
156,158......投影至一個場景，同時也控制它們相應(yīng)的照明組件和卷簾的時序，以照明和
捕獲來自相應(yīng)的條紋序列的射線。光束156和158在重疊區(qū)域162重疊。雖然出于簡化目 的，僅有兩個傳感單元在圖9示出，但在這一場合中可以布置任何適合數(shù)量的傳感單元。
但是，與圖8中示出的平行偏移不同，在系統(tǒng)150中，傳感單元152和154以及它 們的光束156和158在垂直于照明和卷簾的掃描方向上彼此偏移(在圖9中示出的視圖中 是垂直掃描和水平偏移)。因此，大部分或全部條紋160可以與相鄰傳感器單元的某些條紋
重疊。傳感單元152、154......的掃描因此被同步，以使每一條紋與它所重疊的相鄰條紋
在不同時期內(nèi)被照明。如圖9所示，不同的傳感單元的條紋160之間不需要精確重疊，這些 條紋也不需要正好平行。通常來說，傳感單元可以被布置為任何期望的布置，只要同步安排 可以使得重疊條紋在時間上不重合。將認(rèn)識到的是，上述的實施方案通過實施例的方式描述，而本發(fā)明并不限于上文 特別示出和描述的。相反，本發(fā)明的范圍包括上文描述的各種特征的結(jié)合和亞結(jié)合，并包括 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在閱讀上文的描述之后能夠作出的未被現(xiàn)有領(lǐng)域公開的變形和修改。
權(quán)利要求
1.成像設(shè)備，包括照明組件，包括多個輻射源和投影光學(xué)器件，其被配置為將射線從所述輻射源投影至 場景的各個不同區(qū)域；成像組件，包括圖像傳感器和目標(biāo)光學(xué)器件，其被配置為在所述圖像傳感器上形成所 述場景的光學(xué)圖像，所述圖像傳感器包括布置成多組的傳感器元件的一個陣列，這些組傳 感器元件由卷簾觸發(fā)，以在各個相繼的曝光期內(nèi)從所述場景的各個不同區(qū)捕獲來自所述場 景的射線，以形成所述場景的電子圖像；和控制器，其被連接以通過脈沖模式相續(xù)地開動所述輻射源，以使所述照明組件與所述 卷簾同步地照明所述場景的各個不同區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中每一組包括一行或多行傳感器元件，并且其中所 述區(qū)域限定了以平行于所述行的方向延伸過所述場景的條紋。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中每一條紋照明一個相應(yīng)區(qū)域，該區(qū)域包含了所述 場景的、由相應(yīng)的一組多行傳感器元件從中捕獲射線的區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述控制器被配置為開動所述輻射源，以使所投 影的射線以垂直于所述多行的方向掃掠過所述場景。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述卷簾限定了用于捕獲整個電子圖像的幀時， 并且其中所述控制器被配置為將每個輻射源開動一個小于該幀時的一半的相應(yīng)開動期。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述控制器被配置為開動每個輻射源，以使所述 照明組件僅在捕獲來自所述場景的每個區(qū)的射線的相應(yīng)一組傳感器元件的相應(yīng)曝光期內(nèi) 照明該區(qū)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述投影光學(xué)器件包括圖案化元件，其被配置為 使射線以預(yù)定圖案投影至所述場景，所述預(yù)定圖案能以電子圖像形式被所述成像組件探 測。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述控制器被配置為分析所述電子圖像中的圖 案，以生成所述場景的深度圖。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述輻射源包括發(fā)光元件的一個矩陣，所述發(fā)光 元件被布置在襯底上，并被配置為在與所述襯底垂直的方向上發(fā)射射線。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中輻射源包括一行邊緣發(fā)射元件，其被布置在襯底 上，并被配置為在與所述襯底平行的方向上發(fā)射射線。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中照明組件包括布置在襯底上的反射器，以將所 述邊緣發(fā)射元件發(fā)射的射線轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離所述襯底且朝向所述圖案化元件的方向。
12.一種用于成像的方法，包括布置多個輻射源，以將射線投影至場景的各個不同區(qū)域；配置圖像傳感器，所述圖像傳感器包括布置成多組的傳感器元件的一個陣列，以接收 所述場景的光學(xué)圖像，其中這些組傳感器元件從所述場景的各個不同區(qū)接收射線；用卷簾觸發(fā)這些組傳感器元件，以在各個相繼的曝光期內(nèi)捕獲來自所述場景的射線， 以形成所述場景的電子圖像；以及以脈沖模式相續(xù)地開動所述輻射源，以與所述卷簾同步地照明所述場景的各個不同區(qū)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中每一組包括一行或多行傳感器元件，并且其中 所述區(qū)域限定了以平行于所述行的方向延伸過所述場景的條紋。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中每一條紋照明一個相應(yīng)區(qū)域，該區(qū)域包含了所 述場景的、由相應(yīng)的一組多行傳感器元件從中捕獲射線的區(qū)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中開動所述輻射源使得所投影的射線以垂直于所 述多行的方向掃掠過所述場景。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述卷簾限定了用于捕獲整個電子圖像的幀 時，并且其中開動所述輻射源包括將每個輻射源開動一個小于該幀時的一半的相應(yīng)開動 期。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中開動每個輻射源包括僅在捕獲來自所述場景 的每個區(qū)的射線的相應(yīng)一組傳感器元件的相應(yīng)曝光期內(nèi)照明該區(qū)。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中布置這些輻射源包括將射線以預(yù)定圖案投影 至所述場景，該預(yù)定圖案能以電子圖像形式被探測。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括分析所述電子圖像中的圖案，以生成所述場 景的深度圖。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述輻射源包括發(fā)光元件的一個矩陣，所述發(fā) 光元件被布置在襯底上，并被配置為在與所述襯底垂直的方向上發(fā)射射線。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述輻射源包括一行邊緣發(fā)射元件，它們被布 置在襯底上，并被配置為在與所述襯底平行的方向上發(fā)射射線。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中布置這些輻射源包括在所述襯底上提供反射 器，以將所述邊緣發(fā)射元件發(fā)射的射線轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離所述襯底且朝向所述場景。
23.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中配置所述圖像傳感器包括，將多個帶有相應(yīng)卷 簾的圖像傳感器與多個相應(yīng)輻射源布置在一起，以形成場景的具有各個不同的相重疊的部 分的相應(yīng)電子圖像，并且其中開動所述輻射源包括，將所述多個相應(yīng)的輻射源與所述多個圖像傳感器同步，以 在任何給定時間控制由所述輻射源照明的所述場景的各個區(qū)的重疊。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，還包括分析由所述多個圖像傳感器形成的電子圖 像上的圖案，以生成所述場景的深度圖。
25.成像設(shè)備，包括多個成像單元，包括多個相應(yīng)輻射源和投影光學(xué)器件，其被配置為將射線從所述輻射源投影至場景的各個 不同區(qū)域；以及相應(yīng)的成像組件，包括相應(yīng)的圖像傳感器和目標(biāo)光學(xué)器件，其被配置為在各個圖像傳 感器上形成所述場景的各個不同的相重疊的部分的相應(yīng)光學(xué)圖像，每一圖像傳感器包括布 置成多組的傳感器元件的一個陣列，這些組傳感器元件由卷簾觸發(fā)，以在各個相繼的曝光 期內(nèi)從所述場景的各個不同區(qū)域捕獲來自所述場景的射線，以形成所述場景的各個電子圖 像，其中所述輻射源以脈沖模式相續(xù)開動，所述照明組件與所述卷簾同步地照明所述場景 的各個不同區(qū)，同時也使所述多個相應(yīng)的輻射源與所述多個圖像傳感器同步，以在任何給定時刻控制由所述輻射源照明的所述場景的各個區(qū)的重疊。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的設(shè)備，還包括控制器，其被配置為分析由所述多個成像單 元中的圖像傳感器形成的電子圖像上的圖案，以生成所述場景的深度圖。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其中所述重疊被控制，以使在任何給定時刻由所述 輻射源照明的場景的各個區(qū)是不重疊的。
全文摘要
成像設(shè)備，包括照明組件，包括多個輻射源和投影光學(xué)器件，其配置為將射線從所述輻射源投影至場景的各個不同區(qū)域。成像組件，包括圖像傳感器和目標(biāo)光學(xué)器件，其配置為在所述圖像傳感器上形成所述場景的光學(xué)圖像，所述圖像傳感器包括布置成多個組的傳感器元件的一個陣列，這些組傳感器元件由卷簾觸發(fā)，以在各個相繼的曝光期內(nèi)從所述場景的各個不同區(qū)域捕獲來自所述場景的射線，以形成所述場景的電子圖像?？刂破鳎浔贿B接以通過脈沖模式相續(xù)地開動所述輻射源，以使所述照明組件與所述卷簾同步地照明所述場景的各個不同區(qū)。
文檔編號G03B21/14GK102143342SQ201110035990
公開日2011年8月3日 申請日期2011年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月2日
發(fā)明者A·施龐特, Z·莫爾 申請人:普萊姆森斯有限公司