用于獲取三維圖像數(shù)據(jù)的3d相的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種用于獲取三維圖像數(shù)據(jù)的3D相機(jī)。提供一種3D相機(jī)(10)，其具有至少一個用于從監(jiān)控區(qū)域(12、34、36)獲取三維圖像數(shù)據(jù)的圖像傳感器(16，16a-b)以及布置在所述圖像傳感器(16、16a)前面的用于擴(kuò)展視場(44)的反射鏡光學(xué)元件(38)。其中，所述反射鏡光學(xué)元件(38)具有前鏡面(40)和后鏡面(42)并且在圖像傳感器(16、16a-b)的視場(44)中被布置成，使得前鏡面(40)生成在第一角度范圍內(nèi)的第一部分視場(34)而后鏡面(42)生成在第二角度范圍內(nèi)的第二部分視場(36)，其中第一角度范圍和第二角度范圍不重合并通過未被監(jiān)控的角度范圍彼此隔開。
【專利說明】用于獲取三維圖像數(shù)據(jù)的3D相機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種根據(jù)借助用于擴(kuò)展視場的反射鏡光學(xué)元件來獲取三維圖像數(shù)據(jù)的3D相機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0002]與傳統(tǒng)的相機(jī)相比，3D相機(jī)也采集深度信息并因此通過3D圖像各個像素的間距值或距離值生成三維圖像數(shù)據(jù)，所述3D圖像也被稱為距離圖像或深度圖。額外的距離維度可在多種應(yīng)用中使用，以獲取更多有關(guān)由相機(jī)所捕獲的場景中對象的信息，從而解決工業(yè)傳感器領(lǐng)域中的不同任務(wù)。
[0003]在自動化技術(shù)中可借助三維圖像數(shù)據(jù)來采集對象并將其分類，以便根據(jù)所識別出來的對象(優(yōu)選包括其位置和方向)來采取進(jìn)一步的自動處理步驟。因此例如可有助于控制傳送帶上的機(jī)器人或各種致動器。
[0004]在移動應(yīng)用中，不管是有司機(jī)的車輛如轎車(PKW)、載重汽車(LKW)、工作機(jī)或叉車還是無人駕駛的車輛如AGV(自動導(dǎo)引車)或搬運車，都應(yīng)盡可能全面且三維地了解周圍環(huán)境特別是計劃的行駛路徑。為此應(yīng)該能使自主導(dǎo)航成為可能或給司機(jī)提供幫助，以便識別障礙，避免碰撞或便于裝載和卸載包括紙箱、托盤、集裝箱或拖車在內(nèi)的在運貨物。
[0005]各種用于確定深度信息的方法是已知的，如飛行時間測量法(Time-of-Flight)或立體視法。飛行時間測量法是發(fā)出光信號并測量截至接收到所傳送的光信號的時間。此種測量法分為脈沖法和相位法。立體視法是以用兩眼的空間視覺為基礎(chǔ)，并在從不同視角拍攝的兩張圖片中尋找彼此關(guān)聯(lián)的圖像元素，根據(jù)其差異獲悉立體相機(jī)的光學(xué)參數(shù)通過三角測量法來估計距離。立體系統(tǒng)可以被動運行(即僅使用環(huán)境光工作)，或具有其本身的照明裝置，所述照明裝置優(yōu)選生成照明圖形，以便使得在無結(jié)構(gòu)場景中也能估計距離。在例如由US 7 433 024已知的另一 3D成像法中，照明圖形僅由一臺相機(jī)拍攝并通過圖形分析來估計距離。
[0006]這種3D相機(jī)的視場(F0V，F(xiàn)ield of View)自身通過魚眼鏡頭被限制在小于180°且在實踐中甚至通常限制在90°以下。通過使用多臺相機(jī)來擴(kuò)展視場是可能的，只是要付出大量的硬件成本和調(diào)節(jié)成本。
[0007]在例如根據(jù)US 6 157 018或WO O 176 233 Al的現(xiàn)有技術(shù)中已知了各種反射鏡光學(xué)元件，以便實現(xiàn)全景3D成像。這種相機(jī)因組合成像光學(xué)元件和串聯(lián)的反射鏡光學(xué)元件而被稱為反射折射相機(jī)。Nayar和Baker在1997年5月在新奧爾良出版的1997DARPA ImageUnderstanding Workshop 論文集第 1341-1437 頁的 “Catad1ptric image format1n (反折射成像)”一文中指出，必須滿足所謂的單視點條件來進(jìn)行畸變校正。所述條件指定用于普通的反射鏡形狀如橢圓反射鏡、拋物面反射鏡、雙曲面反射鏡和錐形反射鏡。
[0008]或者也可使用多個連續(xù)排列的反射鏡，例如EP I 141 760 BI或US 6 611 282 BI中就是如此。EP O 989 436 A2公開一種具有鏡元件的立體全景系統(tǒng)，它的形狀像一個具有方形底面的倒金字塔。在US 7 710 451 BI中，借助鏡元件來劃分相機(jī)的視場，從而產(chǎn)生兩個虛擬相機(jī)，其被用作立體相機(jī)。WO 2012/038601 Al給兩個圖像傳感器分別分配反射鏡光學(xué)元件，以便能夠立體捕獲360°范圍。在US 6 304 285 BI中使用的一種相似的結(jié)構(gòu)(但其具有另外一種反射鏡形狀)中，在三角測量法中使用了結(jié)構(gòu)化的光源和單相機(jī)。這會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)高度過高。此外反射鏡光學(xué)元件像總體結(jié)構(gòu)一樣復(fù)雜，因此不可低成本生產(chǎn)。
實用新型內(nèi)容
[0009]因此本實用新型的任務(wù)在于，用簡單的方法來擴(kuò)展3D相機(jī)的視場。
[0010]此任務(wù)通過第一方面所述的用于獲取三維圖像數(shù)據(jù)的3D相機(jī)得以實現(xiàn)。同時本實用新型的基本思路是，對兩部分視場進(jìn)行監(jiān)視，即借助反射鏡光學(xué)元件將3D相機(jī)變成雙向相機(jī)。為此反射鏡光學(xué)元件優(yōu)選具有正好兩個鏡面，所述鏡面分別產(chǎn)生相應(yīng)的部分視場。于是兩個單獨的部分視場被監(jiān)視，所述部分視場分別延伸一定的角度范圍。這兩個部分視場最好也由兩個角度范圍隔開，所述角度范圍不能被兩個鏡面捕獲，致使在這些角度中不會產(chǎn)生3D圖像數(shù)據(jù)。這類具有兩個鏡面的反射鏡光學(xué)元件允許相對于全景3D相機(jī)明顯簡化反射鏡光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)化設(shè)計。同時雙向圖像捕獲恰好對車輛特別有利。原因在于，盡管有些車輛可以在任意方向上運動，但是通常將所述運動限制在向前或向后運動，并且側(cè)向運動或旋轉(zhuǎn)是不可行的。因此只要捕獲車輛前面和后面的區(qū)域就足夠了。
[0011]本實用新型具有這樣的優(yōu)點，即3D相機(jī)可用非常簡單的方式進(jìn)行擴(kuò)展。本實用新型所使用的反射鏡光學(xué)元件甚至適合將傳統(tǒng)的視場小的3D相機(jī)改裝成雙向相機(jī)。這便于使用和轉(zhuǎn)換成為根據(jù)本實用新型的3D相機(jī)。三維環(huán)境探測變得尤為緊湊、高效且便宜。此夕卜，雙向3D相機(jī)具有較小的結(jié)構(gòu)尺寸，特別是結(jié)構(gòu)高度，從而使得將其應(yīng)用到車輛上時它最多略微突出于車輛。
[0012]反射鏡光學(xué)元件的形狀優(yōu)選類似屋脊，其脊部與圖像傳感器的光軸垂直定向并面朝圖像傳感器，從而使屋脊面構(gòu)成前鏡面和后鏡面。有意形象地選擇了屋脊這一術(shù)語?；蛘呖蓪⑦@種形狀稱為楔形，數(shù)學(xué)上稱三棱鏡更準(zhǔn)確。然而這些術(shù)語都是廣義上的理解。首先不要求規(guī)律性，外表面也不必是平的，而是也可具有曲度，而這對于屋脊而言至少是不常見的。再則還只取決于兩個面，這兩個面相當(dāng)于屋脊的實際屋脊面，因為它們是兩個鏡面。其余的幾何形狀在光學(xué)上不起作用且可符合結(jié)構(gòu)化要求。還包括在內(nèi)的是，反射鏡光學(xué)元件的屋脊僅被縮減到鏡面。
[0013]在一種優(yōu)選實施形式中，所述屋脊結(jié)構(gòu)是規(guī)則且對稱的。同時三角形底面是等腰的，脊部與所述底面及三角形底面的對稱軸垂直，并通過三角形底面的、兩邊相交的頂點。于是產(chǎn)生兩個相似的、特別也是平的、尺寸和斜度相同的鏡面并因此產(chǎn)生兩個相似的第一和第二部分視場。由此避免圖像的徑向畸變，垂直分辨率只可線性變化，且使簡單的圖像變換成為可能。此外這種反射鏡光學(xué)元件可以簡易而精確地制造出來。
[0014]所述脊部優(yōu)選與圖像傳感器的光軸有偏移地布置。為此，圖像傳感器的較大部分面積被分配給其部分視場中的一個，因此其中一個部分視場相應(yīng)地以另一部分視場為代價得以變大。
[0015]前鏡面和后鏡面優(yōu)選具有不同的尺寸。這指的是相關(guān)的面積，即實際上位于圖像傳感器視場中的部分。例如如果是類似屋脊形狀的反射鏡光學(xué)元件，則將其中一個屋脊面移至比另一個屋脊面低。再次用同樣的方法以另一部分視場為代價來使一個部分視場變大。
[0016]前鏡面優(yōu)選具有相對于圖像傳感器光軸與后鏡面不同的斜度。因此被監(jiān)視的部分視場在不同的高度角中。若鏡面不平，則斜度不是指局部斜度，而是指全部的整體斜度，例如連接各屋脊面的最外側(cè)點的割線(Sekante)。
[0017]鏡面中的至少一個鏡面具有至少部分為凸形或凹形的輪廓。所述輪廓在一種實施形式中遍及整個鏡面?？蛇x地，曲度和由此產(chǎn)生的部分視場甚至要進(jìn)行局部調(diào)整。
[0018]所述輪廓優(yōu)選在圖像傳感器的光軸方向上構(gòu)造。所述光軸的方向也被稱為高度方向。而凹曲度則意味著更多橫向視角，即視場在高度方向的寬度更大，為此每個角度范圍的像素會少一些或分辨率低一些，而凸曲率則相反。
[0019]所述輪廓優(yōu)選環(huán)繞圖像傳感器的光軸構(gòu)造，以便改變第一角度范圍和/或第二角度范圍。這種輪廓改變所屬部分視場的角度范圍，所述角度范圍在凹曲度時在受到分辨率損失的情況下而變大，在凸曲率時則相反。若曲率只是局部形成的，則也只會在受到影響的部分角度范圍產(chǎn)生效果。由于反射鏡光學(xué)元件被分成前鏡面和后鏡面兩部分，故這種輪廓比在傳統(tǒng)的全景反射鏡光學(xué)元件的情況下更平。
[0020]3D相機(jī)優(yōu)選構(gòu)造成立體相機(jī)，并因此具有至少兩個相機(jī)模塊(其在相互偏移角度分別帶圖像傳感器)并且具有立體視覺單元，其中通過立體算法將兩個相機(jī)模塊所拍攝圖像中彼此關(guān)聯(lián)的部分區(qū)域識別出來并借助視差計算其距離，其中每個相機(jī)模塊借助布置在圖像傳感器前面的具有前鏡面和后鏡面的反射鏡光學(xué)元件構(gòu)造成雙向相機(jī)。所述反射鏡光學(xué)元件可具有在本文中所描述的任意形狀，但是其結(jié)構(gòu)優(yōu)選對所有相機(jī)模塊而言至少基本上類似，這是因為當(dāng)偏差過大時會更難找到或無法找到立體算法中的匹配對象。
[0021]反射鏡光學(xué)元件優(yōu)選具有環(huán)繞所屬圖像傳感器的光軸的凸形輪廓，所述輪廓正好彎曲成使得相應(yīng)相機(jī)模塊的未被監(jiān)控的角度范圍通過其它相機(jī)模塊與陰影區(qū)一致。這利用了被分成兩部分的反射鏡光學(xué)元件的優(yōu)勢。全景反射鏡光學(xué)元件可能會更復(fù)雜以及有更強(qiáng)的畸變，盡管額外的可視范圍無論如何都會因陰影而丟失。
[0022]3D相機(jī)優(yōu)選具有照明單元用于在監(jiān)控區(qū)域中生成結(jié)構(gòu)化的照明圖形，其中在所述照明單元前面布置了具有前鏡面和后鏡面的反射鏡光學(xué)元件。所述反射鏡光學(xué)元件原則上也可具有任何在本文中所述的形狀。與立體相機(jī)的相機(jī)模塊相比，也不必強(qiáng)調(diào)所述反射鏡光學(xué)元件與其它反射鏡光學(xué)元件類似，盡管這可能會因易于制造和加工而在此處有利。
[0023]3D相機(jī)優(yōu)選構(gòu)造成飛行時間相機(jī)并因此具有照明單元和飛行時間單元，以便確定光信號的飛行時間，所述光信號由照明單元發(fā)出，傳送到監(jiān)控區(qū)域中的對象上并在圖像傳感器中被捕獲。在這一過程中，照明單元和圖像傳感器或傳感單元優(yōu)選分別具有反射鏡光學(xué)元件。再則照明單元可具有多個光源，所述光源分別單獨具有、成組具有或整體具有反射鏡光學(xué)元件。所述反射鏡光學(xué)元件也可具有任何在本文中所描述的形狀且它們優(yōu)選是相同的。
[0024]優(yōu)選將反射鏡光學(xué)元件構(gòu)造成共同的部件。每當(dāng)需要多個反射鏡光學(xué)元件時，例如為了將立體相機(jī)的兩個模塊或立體相機(jī)、單相機(jī)或飛行時間相機(jī)的照明模塊和檢測模塊的視場和照明場劃分開來，用這種方式可節(jié)省至少一個單獨的部件。如此一來所述系統(tǒng)變得更穩(wěn)健，此外還更容易制造和調(diào)節(jié)。共同的部件特別易于制造，條件是所述反射鏡光學(xué)元件都相同，且其在彼此相互偏移地布置方向上被構(gòu)造成是平的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]下面借助實施形式并參考附圖也對本實用新型的其它特征和優(yōu)點示例性地進(jìn)行詳細(xì)描述。附圖中的圖片示出:
[0026]圖1為立體3D相機(jī)的框圖；
[0027]圖2為飛行時間相機(jī)的框圖；
[0028]圖3a為有帶雙向3D相機(jī)的車輛的側(cè)視圖；
[0029]圖3b為根據(jù)圖3a的車輛的頂視圖；
[0030]圖4為具有反射鏡光學(xué)元件的雙向3D相機(jī)的側(cè)視圖；
[0031]圖5為立體相機(jī)的頂視圖，該立體相機(jī)具有照明裝置和分別分配給模塊的反射鏡光學(xué)元件；
[0032]圖6a為雙向3D相機(jī)的側(cè)視圖，該3D相機(jī)具有按一定規(guī)律構(gòu)造的反射鏡光學(xué)元件；
[0033]圖6b為與圖6a類似的側(cè)視圖，其中具有不同斜度的鏡面；
[0034]圖6c為與圖6a類似的側(cè)視圖，其中具有橫向偏移的反射鏡光學(xué)元件；
[0035]圖6d為與圖6a類似的側(cè)視圖，其中具有彎曲的鏡面；
[0036]圖7a為立體3D相機(jī)的頂視圖，該立體3D相機(jī)具有二面的反射鏡光學(xué)元件和陰影區(qū)；
[0037]圖7b示出了反射鏡光學(xué)元件，其中雙向3D相機(jī)的鏡面的部分視場間的盲區(qū)因鏡面的圓周凸形輪廓而恰好與圖7a所示陰影區(qū)一致；
[0038]圖8a為飛行時間相機(jī)的頂視圖，該飛行時間相機(jī)具有照明裝置和分別分配給模塊的反射鏡光學(xué)元件；
[0039]圖Sb為與圖8a類似的飛行時間相機(jī)的示意性頂視圖，該飛行時間相機(jī)具有照明光源和分配給這些光源的反射鏡光學(xué)元件的第一種變體；
[0040]圖Sc為與圖8a類似的飛行時間相機(jī)的示意性頂視圖，該飛行時間相機(jī)具有照明光源和分配給這些光源的反射鏡光學(xué)元件的第二種變體。

【具體實施方式】
[0041]圖1以框圖形式首先示出了不具有根據(jù)本實用新型的反射鏡光學(xué)元件的3D相機(jī)10的一般結(jié)構(gòu)，所述3D相機(jī)用于拍攝監(jiān)控區(qū)域或空間區(qū)域12的深度圖。所述深度圖例如被用于進(jìn)一步分析以上提及的應(yīng)用。
[0042]在3D相機(jī)10中，兩個相機(jī)模塊14a_b以已知固定的間距進(jìn)行安裝且分別拍攝空間區(qū)域12的圖像。在每臺相機(jī)中都設(shè)置了圖像傳感器16a-b，通常為拍攝矩形像素圖像的矩陣式攝像芯片，例如CXD傳感器或CMOS傳感器。圖像傳感器16a-b分別被分配有成像光學(xué)元件的物鏡，所述物鏡被描述成透鏡18a-b且實際上可作為任意已知的成像光學(xué)元件來實現(xiàn)。
[0043]在兩個相機(jī)模塊14a_b的中間位置示出了具有光源22的照明單元20。這種空間排布僅作為示例來理解，且相機(jī)模塊14a-b和照明單元20相互定位的含義會在下文詳細(xì)講述。所述照明單元20借助空間區(qū)域12中的圖形生成元件24生成結(jié)構(gòu)化的照明圖形。所述照明圖形應(yīng)該優(yōu)選為至少局部清楚或不自相似，以便照明圖形的結(jié)構(gòu)不會導(dǎo)致偽相關(guān)，或?qū)⒄彰鲄^(qū)域清楚地標(biāo)識出來。
[0044]組合的分析和控制單元26與兩個圖像傳感器16a_b和照明單元20連接。借助分析和控制單元26來生成結(jié)構(gòu)化的照明圖形，而且它還接收圖像傳感器16a-b的圖像數(shù)據(jù)。分析和控制單元26的立體視覺單元28用已知的立體算法從這些圖像數(shù)據(jù)中計算出空間區(qū)域12的三維圖像數(shù)據(jù)(距離圖像，深度圖)。
[0045]3D相機(jī)10能夠通過輸出端30輸出深度圖或其它測量結(jié)果，例如相機(jī)模塊14a_b的原始圖像數(shù)據(jù)，但是也可以是分析結(jié)果(如對象數(shù)據(jù))或特定對象的識別。特別地，在安全技術(shù)相關(guān)應(yīng)用中可將未經(jīng)允許侵入保護(hù)區(qū)識別出來，所述保護(hù)區(qū)在空間區(qū)域12中進(jìn)行了定義，這可能會導(dǎo)致顯示與安全相關(guān)的關(guān)閉信號。為此，輸出端30優(yōu)選設(shè)計成安全輸出端(OSSD，輸出信號轉(zhuǎn)換裝置)且3D相機(jī)總體上按照相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)來防止出現(xiàn)故障地構(gòu)造。
[0046]圖2以另一個框圖形式示出了作為飛行時間相機(jī)的3D相機(jī)10的另一種實施形式。同時在此處以及下文中，相同的參考標(biāo)記表示相同的或相應(yīng)的特征。鑒于描繪水平相對粗糙，飛行時間相機(jī)與立體相機(jī)的主要區(qū)別在于缺少第二相機(jī)模塊。這種結(jié)構(gòu)也是一種使用投影法從照明圖形根據(jù)距離變化來估計距離的3D相機(jī)。另一個區(qū)別在于，分析是不同的。為此在分析和控制單元26中設(shè)置飛行時間單元32來代替立體視覺單元28，所述飛行時間單元測量在發(fā)射出光和接收到光之間的飛行時間。飛行時間單元32也可直接集成到圖像傳感器16中，例如集成在PMD芯片(光子混合探測)中。因此3D相機(jī)中為投影法設(shè)置適用于分析照明圖形的單元。
[0047]圖3a和圖3b用側(cè)視圖或頂視圖示出了車輛100，所述車輛使用根據(jù)本實用新型的雙向3D相機(jī)10監(jiān)視其周圍環(huán)境。為此在下面以各種實施形式說明的特殊反射鏡光學(xué)元件被布置在傳統(tǒng)的如圖1和圖2所示3D相機(jī)的后面。3D相機(jī)的視場通過所述反射鏡光學(xué)元件被分成前部分視場34和后部分視場36兩個部分。在圖3b所示頂視圖中，相應(yīng)于繪圖平面環(huán)繞車輛100的360°范圍被分成部分視場34、36的兩個受到監(jiān)視的角度范圍ΦρΦ2和位于其之間的未被監(jiān)視的角度范圍。用這種方式可以有針對性地用同一臺3D相機(jī)10來監(jiān)視車輛100的前面和后面的空間區(qū)域。在圖3a-b中還給所述車輛100額外配備了兩臺激光掃描儀102a-b，它們的保護(hù)區(qū)104a-b被用于避免人員發(fā)生意外。只要3D監(jiān)控尚不能實現(xiàn)與實時識別人員同等的可靠性，則出于安全技術(shù)方面的原因使用激光掃描儀102a-b。
[0048]圖4用側(cè)視圖示出了反射鏡光學(xué)元件38的第一個實施例。所述元件具有三棱鏡形狀，其在側(cè)視圖中僅可識別出被構(gòu)造成等腰三角形的底面。由于涉及直角三棱鏡，因此所述底面在各切割高度上其形狀和位置相同。為了清楚起見，所述三棱鏡的幾何形狀在下文中被稱為屋脊。同時要注意的是，所述屋脊的規(guī)則且對稱的形狀首先僅指定用于此實施例。在其它實施形式中，形狀和位置因角度和側(cè)面改變而變化并且甚至?xí)騻?cè)面彎曲而變化。構(gòu)成前鏡面40和后鏡面42的、所述屋脊的各個屋脊面在光學(xué)上是相關(guān)的。將反射鏡光學(xué)元件構(gòu)造成巨大的屋脊，這在結(jié)構(gòu)上是特別簡單的。但幾乎可任意地對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形，只要屋脊面依然存在即可，并且這些變體仍然被理解成屋脊的形狀。
[0049]3D相機(jī)10自身在這里只基本上通過其圖像傳感器16和其接收光學(xué)元件18來描述。在無反射鏡光學(xué)元件38時產(chǎn)生具有孔徑角Θ的視場44，所述視場關(guān)于圖像傳感器16的光軸46對稱地延伸。在該視場44中，具有屋脊脊部的反射鏡光學(xué)元件38朝下布置，使得光軸46垂直通過該脊部且特別是通過脊部中心，其中光軸46還同時構(gòu)成屋脊的三角形底面的對稱軸。用這種方式將視場44分成兩個部分視場34，36，它們基本上與光軸46垂直。部分視場34、36相對于光軸46的準(zhǔn)確取向取決于反射鏡光學(xué)元件的幾何形狀。因此在車輛上使用相機(jī)的示例中，3D相機(jī)10向上看去，而其視場則被反射鏡光學(xué)元件36分成朝向前的部分視場34和朝向后的部分視場36。
[0050]圖5示出了構(gòu)造成立體相機(jī)的3D相機(jī)10的頂視圖。分別在相機(jī)模塊14a_b和照明單元20之前設(shè)有反射鏡光學(xué)元件38a_c。這優(yōu)選為彼此類似的反射鏡光學(xué)元件38a_c，特別是用于相機(jī)模塊14a_b的反射鏡光學(xué)元件38a_b，以便不給立體算法提供不必要的失真。相機(jī)模塊14a_b和照明單元20的各個視場和照明場通過反射鏡光學(xué)元件38a_c分別分成前部分場和后部分場。作為有效的前部分視場34和后部分視場36產(chǎn)生重疊區(qū)，兩個相機(jī)模塊14a-b在該重疊區(qū)內(nèi)獲取圖像數(shù)據(jù)并將場景照亮。該區(qū)域在圖5中特別小，原因在于此圖中僅示出了近距離范圍。
[0051]在另一個未被示出的可選實施形式中，反射鏡光學(xué)元件38a_c被設(shè)計成共同的組件。這特別在如下情況中是可能的，即在反射鏡光學(xué)元件38a_c被彼此偏移地布置的方向上沒有設(shè)置曲度，下文所描述的實施形式中有許多就是如此。
[0052]圖6用側(cè)視圖示出了反射鏡光學(xué)元件38的各種實施形式，以及因此產(chǎn)生的部分視場34、36。其中圖6a大體上與圖4 一致，且被視為用于闡述眾多可能變體形式中的一些變體形式的起始點。這些變體也可彼此組合，以便得到其它的實施形式。
[0053]借助圖6來闡述的實施形式共有的特點是，前鏡面40和后鏡面42在用y表示的、與繪圖平面垂直的方向沒有形狀變化。若將光軸46的方向理解成高度方向，則鏡面40，42在所有高度剖面中仍然是平的。這種特征的優(yōu)點在于，無需對立體算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，或無需對被投影的照明圖形的三角測量分析進(jìn)行調(diào)節(jié)。其原因在于，不管怎樣照明圖形的視差估計或相關(guān)性分析只在I方向進(jìn)行，即在同一高度進(jìn)行，而在該高度上沒有任何失真會被引入。
[0054]此外，若根據(jù)圖6a的反射鏡光學(xué)元件38是規(guī)則且對稱的，則屋脊的屋脊面是平的且彼此等大，其中前鏡面40和后鏡面42在此處通常被稱為屋脊面。相對于光軸46，傾斜角
相同。為此，光均勻且同質(zhì)地偏轉(zhuǎn)到前后方向上或從前后方向上偏轉(zhuǎn)出來。部分視場34、36彼此等大且具有同一垂直方向，所述方向由傾斜角CX1=Ci 2來確定。
[0055]圖6b示出了另一種變體，其中兩個傾斜角a i，α 2不同。由此使得鏡面中的一個鏡面42比另一個鏡面40大，以便反射鏡光學(xué)元件38充分利用原始視場44?；蛘呖蛇x地，在當(dāng)鏡面40，42大小一樣時通過將脊部相對于光軸46偏移也可實現(xiàn)這一點。
[0056]不同的傾斜角a i，α 2會導(dǎo)致部分視場34、36的垂直取向不同。舉例來說，為了在車輛100前面監(jiān)控接近地面的區(qū)域，以及在車輛100后面監(jiān)控在地面上方(如拖車上部)的空間區(qū)域，這樣做可能是有利的。
[0057]圖6c示出了具有反射鏡光學(xué)元件38偏心位置的實施形式。此時頂脊部獲得相對于光軸46的偏移量Λχ。同時視場44被進(jìn)一步完全覆蓋，方式是根據(jù)偏移量來增大其中一個鏡面40并縮小另一個鏡面42。由此，圖像傳感器16的像素或其表面分布不均勻，并產(chǎn)生具有較大孔徑角較大部分視場34和具有較小孔徑角Θ 2的較小部分視場36。當(dāng)往前需要的視場比向后需要的視場大或往前需要的測量點比向后需要的測量點多時，例如這在車輛100中是有用的。
[0058]圖6d示出了一種實施形式，其中鏡面40、42不再是平的，而是具有曲度或輪廓。但是所述曲度仍局限于由光軸46指定的高度方向。此外鏡面在橫向方向上，即在同一高度上，相應(yīng)于用y方向表示的垂直于繪圖平面的垂直線是平的。測量點的密度會因凹曲度(如前鏡面40的凹曲度)而提高，并因此在所屬部分視場34中的垂直分辨率會以垂直孔徑角O1減少為代價而增加。相反地，可通過凸曲率(如后鏡面42的凸曲率)來減少測量點的密度，以便以分辨率變差為代價來得到較大的垂直孔徑角Θ 2。
[0059]作為另一種變體，可統(tǒng)一地設(shè)置也可只部分地設(shè)置曲度或輪廓來代替圖6d中所述。例如給鏡面40、42設(shè)置s形的輪廓，所述輪廓的上部是凸的而下部則是凹的。由此，在部分視場34、36內(nèi)的測量點的密度會改變。用類似的方法可組合任意區(qū)段，特別是拋物線、雙曲線、球形、錐形或者橢圓形區(qū)段，以便實現(xiàn)將可用測點分布到一定高度且所述分布是所期望的并適合應(yīng)用。
[0060]根據(jù)圖6所述的實施形式可以互相組合。這樣會產(chǎn)生許多鏡面40、42變體，而且這些鏡面具有不同的傾斜角和尺寸，相對于光軸的偏移量也不同，而且在高度方向上的輪廓也不一樣，其中相應(yīng)的單獨描述的效果互相補(bǔ)充。
[0061 ] 在根據(jù)圖6所述的實施形式中，鏡面40、42在用y表示的方向上，即在相對于光軸46的同一高度上是平的，并因此不具有輪廓，而現(xiàn)在借助圖7來描述另一種實施形式，該實施形式在同一高度還具有圓周輪廓。但在以單光三角測量或立體三角測量為基礎(chǔ)的3D相機(jī)10中，即分析被投影的照明圖形或立體算法時，需要畸變校正圖像或調(diào)節(jié)分析。
[0062]類似于傳統(tǒng)的全景反射鏡光學(xué)元件，圓周輪廓應(yīng)該滿足上文提及的單視點條件，也就是說例如應(yīng)該為橢圓形、雙曲線或錐形，以便能夠無損失地進(jìn)行畸變校正。但是與傳統(tǒng)的反射鏡光學(xué)元件不同的是不會產(chǎn)生360°全景視野，而是仍會產(chǎn)生兩個分開的，通過未被監(jiān)視的角度范圍彼此隔開的部分視場34、36。
[0063]如果再進(jìn)一步觀察根據(jù)圖7a所示的頂視圖中的立體3D相機(jī)10，則會看出，兩個相機(jī)模塊14a_b彼此部分遮蔽，如用暗區(qū)48a_b所示出的。若現(xiàn)在反射鏡光學(xué)元件38a_b允許全景視角，則會送出圖像傳感器16的可用像素中的一部分，因為所述反射鏡光學(xué)元件只可拍攝被遮蔽的暗區(qū)48a-b，而該暗區(qū)不可用于3D分析。
[0064]因此在如圖7b所示的根據(jù)本實用新型的實施形式中選擇了反射鏡光學(xué)元件38，其上的兩個鏡面40、42因其圓周輪廓恰好不能捕獲與暗區(qū)48a-b —致的角度范圍。因此所有可用的像素被集中在部分視場34、36上。所述反射鏡光學(xué)元件38具有明顯小得多的曲度也行并因此引入更小的失真。
[0065]圖8a根據(jù)圖2的基本結(jié)構(gòu)用頂視圖示出了作為飛行時間相機(jī)的3D相機(jī)10的另一種實施形式。相機(jī)模塊14和照明20分別有反射鏡光學(xué)元件38a-b，以便劃分視場或照明場。因此在重疊區(qū)域中產(chǎn)生受到監(jiān)控的部分視場34、36。飛行時間相機(jī)對于畸變較不敏感，從而使得在y方向上有可能有輪廓而且無需進(jìn)行復(fù)雜的圖像畸變校正或調(diào)節(jié)分析。
[0066]如圖8b和8c所示，這些附圖中示出了根據(jù)圖8a的飛行時間相機(jī)變體的頂視圖，照明單元20可具有多個光源或照明單元20a_c。在不同實施形式中，照明單元20a_c共有，成組具有或者甚至單獨具有反射鏡光學(xué)元件38a_c。
【權(quán)利要求】
1.一種3D相機(jī)(10)，所述3D相機(jī)(10)具有至少一個用于從監(jiān)控區(qū)域(12、34、36)獲取三維圖像數(shù)據(jù)的圖像傳感器(16、16a-b)，以及布置在所述圖像傳感器(16、16a)前面的用于擴(kuò)展視場(44)的反射鏡光學(xué)元件(38)，其特征在于，所述反射鏡光學(xué)元件(38)具有前鏡面(40)和后鏡面(42)，并且在圖像傳感器(16、16a-b)的視場(44)中被布置成，使得前鏡面(40)生成在第一角度范圍內(nèi)的第一部分視場(34)而后鏡面(42)生成在第二角度范圍內(nèi)的第二部分視場(36)，其中第一角度范圍和第二角度范圍不重合并通過未被監(jiān)控的角度范圍彼此隔開。
2.如權(quán)利要求1所述的3D相機(jī)(10)，其中所述反射鏡光學(xué)元件(38)以類似屋脊的形式構(gòu)造，所述屋脊的脊部垂直于所述圖像傳感器(16、16a-b)的光軸(46)定向并且朝向圖像傳感器(16、16a-b)，從而使得屋脊面構(gòu)成所述前鏡面(40)和后鏡面(42)。
3.如權(quán)利要求2所述的3D相機(jī)(10)，其中所述屋脊被規(guī)則且對稱地構(gòu)造。
4.如權(quán)利要求2或3所述的3D相機(jī)(10)，其中所述脊部與所述圖像傳感器(16、16a)的光軸(46)有偏移地布置。
5.如權(quán)利要求1所述的3D相機(jī)(10)，其中所述前鏡面(40)和后鏡面(42)具有不同的尺寸。
6.如權(quán)利要求1所述的3D相機(jī)(10)，其中所述前鏡面(40)具有與所述后鏡面(42)不同的、相對于圖像傳感器(16、16a-b)的光軸(46)的斜度。
7.如權(quán)利要求1所述的3D相機(jī)(10)，其中鏡面(40，42)中的至少一個鏡面至少部分地具有凸形或凹形的輪廓。
8.如權(quán)利要求7所述的3D相機(jī)(10)，其中所述輪廓在所述圖像傳感器(16、16a-b)的光軸(46)方向上構(gòu)造。
9.如權(quán)利要求7所述的3D相機(jī)(10)，其中所述輪廓環(huán)繞所述圖像傳感器(16、16a-b)的光軸(46)構(gòu)造，以便改變第一角度范圍和/或第二角度范圍。
10.如權(quán)利要求1所述的3D相機(jī)(10)，所述3D相機(jī)(10)被構(gòu)造成立體相機(jī)，并因此具有立體視覺單元(28)和至少兩個相機(jī)模塊(14a-b)，所述至少兩個相機(jī)模塊(14a-b)在相互偏移角度分別帶有圖像傳感器(16a_b)，其中借助于立體算法將兩個相機(jī)模塊(14a_b)所拍攝圖像中彼此關(guān)聯(lián)的部分區(qū)域識別出來并借助視差計算其距離，其中每個相機(jī)模塊(14a-b)借助布置在所述圖像傳感器(16、16a-b)前面的具有前鏡面(40)和后鏡面(42)的反射鏡光學(xué)元件(38a-b)構(gòu)造成雙向相機(jī)。
11.如權(quán)利要求10所述的3D相機(jī)(10)，其中所述反射鏡光學(xué)元件(38a-b)具有環(huán)繞所屬圖像傳感器(16a-b)的光軸(46)的凸形輪廓，所述輪廓正好彎曲成使得相應(yīng)的相機(jī)模塊(14a_b)的未被監(jiān)控的角度范圍通過其它相機(jī)模塊(14a_b)與陰影區(qū)一致。
12.如權(quán)利要求10所述的3D相機(jī)(10)，所述3D相機(jī)(10)具有用于在監(jiān)控區(qū)域(12)生成結(jié)構(gòu)化的照明圖形的照明單元(20)，其中所述照明單元(20)前面布置了具有前鏡面(40)和后鏡面(42)的反射鏡光學(xué)元件(38c)。
13.如權(quán)利要求1所述的3D相機(jī)(10)，所述3D相機(jī)(10)被構(gòu)造成飛行時間相機(jī)并因此具有照明單元(20)和飛行時間單元(32)，以便確定光信號的飛行時間，所述光信號由所述照明單元(20)發(fā)出，傳送到在所述監(jiān)控區(qū)域(12)內(nèi)的對象上并在圖像傳感器(16)中被捕獲。
14.如權(quán)利要求10所述的3D相機(jī)(10)，其中所述反射鏡光學(xué)元件(38a-c)被構(gòu)造成共同的組件。
【文檔編號】H04N13/02GK204229115SQ201420375463
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月6日
【發(fā)明者】索斯頓·菲斯特 申請人:西克股份公司