專利名稱：掃描投影機及用于3d映射的圖像捕獲模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及用于投影并捕獲光輻射的方法及裝置，且特別涉及為了 3D映射的目的的投影及圖像捕獲。背景本領(lǐng)域中已知用于光學3D映射(即，通過處理物體的光學圖像來產(chǎn)生物體的表面的3D輪廓)的各種方法。這種3D輪廓也稱作3D圖、深度圖或深度圖像，且3D映射也稱作深度映射。一些3D映射方法基 于將激光散斑圖案投影至物體上，并隨后分析物體上的圖案的圖像。舉例而言，PCT國際公布W02007/043036 (其公開內(nèi)容通過引用被并入本文)描述一種用于物體重構(gòu)的系統(tǒng)及方法，其中相干光源及隨機散斑圖案的產(chǎn)生器將相干隨機散斑圖案投影至物體上。成像單元探測受照區(qū)域的光響應(yīng)并產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。在實時重構(gòu)物體的3D圖時使用物體的圖像中的圖案相對于圖案的參考圖像的移位。用于使用散斑圖案來進行3D映射的另外的方法例如在PCT國際公布W02007/105205 (其公開內(nèi)容通過引用被并入本文)中被描述。其它光學3D映射方法將不同種類的圖案投影至待映射的物體上。舉例而言，PCT國際公布W02008/120217 (其公開內(nèi)容通過引用被并入本文)描述一種用于3D映射的照射組件，其包括含有光斑的固定圖案的單個透明片。光源用光輻射來透照透明片以便將圖案投影至物體上。圖像捕獲組件捕獲物體上的圖案的圖像，且圖像被處理以便重構(gòu)物體的3D圖。概述下文所述的本發(fā)明的實施方式提供用于有效地投影圖案、特別是用于3D映射以及用于這樣的所投影圖案的成像的方法及設(shè)備。因此，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，提供包括照射模塊的用于映射的設(shè)備，照射模塊包括輻射源，其配置成發(fā)射輻射光束；及掃描儀，其配置成在選定角范圍內(nèi)接收并掃描光束。照射光學器件配置成投影所掃描光束以便產(chǎn)生在所關(guān)注區(qū)域內(nèi)延伸的光斑的圖案。成像模塊配置成捕獲投影至所關(guān)注區(qū)域中的物體上的圖案的圖像。處理器配置成處理圖像以便構(gòu)建物體的三維(3D)圖。光斑的圖案可在由設(shè)備映射的深度范圍內(nèi)不相關(guān)。在一些實施方式中，輻射源被控制以便在掃描儀掃描光束時調(diào)制光束的強度，由此在所關(guān)注區(qū)域上產(chǎn)生光斑的圖案。照射模塊可配置成響應(yīng)于由成像模塊所捕獲的圖像而修改圖案。照射模塊可配置成控制輻射源及掃描儀中的至少一個以便修改所關(guān)注區(qū)域的選定部分內(nèi)的陣列中的光斑的角密度?？蛇x地或另外，照射模塊可配置成控制輻射源及掃描儀中的至少一個以便修改所關(guān)注區(qū)域的選定區(qū)中的光斑的亮度。在可選實施方式中，掃描儀配置成在第一角范圍內(nèi)掃描光束，且光學器件包括光束分離器，光束分離器配置成產(chǎn)生在大于第一角范圍的第二角范圍內(nèi)共同延伸的所掃描光束的多個有角度地間隔開的復制物。掃描儀及光束分離器可配置成用由所掃描光束的多個有角度地間隔開的復制物所產(chǎn)生的圖案來拼貼所關(guān)注區(qū)域。在另一實施方式中，光學器件包括圖案化元件，圖案化元件配置成在由光束照射時在第一角范圍內(nèi)產(chǎn)生圖案，且掃描儀配置成引導光束連續(xù)地以多個不同角度射到圖案化元件以便產(chǎn)生在大于第一角范圍的第二角范圍內(nèi)共同延伸的圖案的多個有角度地間隔開的復制物。掃描儀及圖案化元件可配置成用圖案的多個有角度地間隔開的復制物來拼貼所關(guān)注區(qū)域。在再一實施方式中，掃描儀配置成在第一角范圍內(nèi)掃描光束,且光學器件包括掃描擴展元件，掃描擴展元件配置成分配所掃描光束以便以空間圖案覆蓋大于第一角范圍的第二角范圍。掃描擴展元件可選自由凸面反射器與衍射光學元件組成的元件組。在所公開的實施方式中，照射模塊包括至少一個光束傳感器，至少一個光束傳感器位于由掃描儀掃描的角范圍內(nèi)的選定角度處以便周期性地接收所掃描光束并由此驗證掃描儀正在操作。通常，照射模塊配置成在傳感器未能周期性地接收到所掃描光束時抑制來自輻射源的光束的發(fā)射。在一些實施方式中，福射源包括第一福射源，其發(fā)射紅外光束，紅外光束被調(diào)制以產(chǎn)生光斑的圖案；及第二輻射源，其發(fā)射可見光光束，可見光光束被調(diào)制以將可見圖像投影至所關(guān)注區(qū)域上。掃描儀及光學器件配置成同時將紅外光束及可見光光束都投影至所關(guān)注區(qū)域上。通常，第二輻射源被控制以便響應(yīng)于3D圖而將可見圖像投影至物體上。在所公開的實施方式中，處理器布置成通過找到所捕獲圖像的區(qū)中的光斑與屬于圖案的參考圖像的對應(yīng)參考 光斑位置之間的相應(yīng)的偏移來得到3D圖，其中相應(yīng)的偏移指示區(qū)與圖像捕獲組件之間的相應(yīng)的距離。在一些實施方式中，成像模塊包括位置靈敏探測器，位置靈敏探測器配置成在由照射模塊投影物體上的圖案中的每個光斑時感測并輸出光斑的偏移。成像模塊可配置成與照射模塊中的掃描儀同步地或與來自輻射源的光束一起掃描位置靈敏探測器的視域?？蛇x地或另外，照射模塊及成像模塊布置成使得偏移在第一方向上發(fā)生，且成像模塊包括在第一方向上延伸的一個或多個行中布置的探測器元件的陣列及配置成將圖案成像至陣列上且具有在第一方向上比在第二垂直方向上大的光功率的像散光學器件。在一些實施方式中，成像模塊包括傳感器及成像光學器件，傳感器及成像光學器件界定與照射模塊的所掃描光束同步地在所關(guān)注區(qū)域內(nèi)被掃描的感測區(qū)。傳感器可包括具有卷動快門的圖像傳感器，其中卷動快門與所掃描光束同步。另外或可選地，照射模塊中的掃描儀可以是可控制的以動態(tài)地改變選定角范圍，且成像模塊可包括成像掃描儀，成像掃描儀配置成動態(tài)地掃描感測區(qū)以與所掃描光束的選定角范圍相匹配。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，也提供一種包括照射模塊的用于映射的設(shè)備，照射模塊包括輻射源，輻射源配置成發(fā)射具有根據(jù)所指定的時間調(diào)制而改變的強度的輻射光束。掃描儀配置成在所關(guān)注區(qū)域內(nèi)接收并掃描光束，以便以由光束的時間調(diào)制確定的空間強度圖案來將輻射投影至區(qū)域上。成像模塊配置成捕獲投影至所關(guān)注區(qū)域中的物體上的空間強度圖案的圖像。處理器配置成處理圖像以便構(gòu)建物體的三維(3D)圖。在所公開的實施方式中，時間調(diào)制是二進制的，且其中空間強度圖案包括通過時間調(diào)制所產(chǎn)生的光斑的陣列。在一個實施方式中，成像模塊包括傳感器及成像光學器件，傳感器及成像光學器件界定與照射模塊的所掃描光束同步地在所關(guān)注區(qū)域內(nèi)被掃描的感測區(qū)。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，另外提供一種用于映射的方法，該方法包括在選定角范圍內(nèi)掃描輻射光束以便產(chǎn)生在所關(guān)注區(qū)域內(nèi)延伸的光斑的圖案。捕獲并處理投影至所關(guān)注區(qū)域中的物體上的圖案的圖像以便構(gòu)建物體的三維(3D)圖。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，進一步提供一種用于映射的方法，該方法包括產(chǎn)生具有根據(jù)所指定的時間調(diào)制而改變的強度的輻射光束。在所關(guān)注區(qū)域內(nèi)掃描光束，以便以由光束的時間調(diào)制確定的空間強度圖案來將輻射投影至區(qū)域上。捕獲并處理投影至所關(guān)注區(qū)域中的物體上的空間強度圖案的圖像以便構(gòu)建物體的三維(3D)圖。從結(jié)合附圖理解的本發(fā)明的實施方式的下面詳細描述中，將更全面地理解本發(fā)明，其中附圖的簡要說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的用于3D映射的系統(tǒng)的示意性俯視
圖2A及圖2B是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的在兩個不同操作階段中的照射模塊的示意性俯視圖；圖2C是根據(jù)本發(fā)明的實施方式由圖2A及圖2B的模塊投影的圖案的示意性正視圖；圖3至圖5是根據(jù)本發(fā)明的其它實施方式的照射模塊的示意性俯視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的在操作中的3D映射系統(tǒng)的示意性示圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的再一實施方式的照射模塊的示意性俯視圖；圖8及圖9是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的成像模塊的示意性示圖；及圖10是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的3D映射裝置的示意性示圖。實施方式的詳細描述下文描述的本發(fā)明的實施方式尤其提供用于有效地投影圖案、特別是用于3D映射以及用于這樣的所投影圖案的有效成像的方法及設(shè)備。在本發(fā)明的一些實施方式中，照射模塊將光斑的圖案投影至所關(guān)注區(qū)域上，且成像模塊捕獲出現(xiàn)在區(qū)域中的物體上的圖案的圖像。此圖像被處理以便找到圖像中的光斑的位置，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建所關(guān)注區(qū)域中的物體的3D圖。通?；趫D像中的光斑相對于圖案的參考圖像中的對應(yīng)參考光斑位置的偏移通過三角量測法來計算圖中的深度坐標。在所公開的實施方式中，動態(tài)地投影圖案，S卩，不是在整個區(qū)域上同時投影圖案，而是通過掃描由輻射源發(fā)射的光束來產(chǎn)生圖案。在選定角范圍內(nèi)掃描光束。(所公開的實施方式中的一些實施方式目的在于控制及/或擴展此范圍。)通常在掃描期間調(diào)制光束的強度以便產(chǎn)生期望圖案。掃描在可在映射給定場景的過程中修改圖案的方面(例如其密度、亮度及/或角范圍)的意義上是“動態(tài)的”。盡管下文所述的實施方式具體針對光斑圖案而繪制，但本發(fā)明的原理可在為了 3D映射的目的而產(chǎn)生其它種類的圖案時被類似地應(yīng)用。
此動態(tài)掃描方法在多個重要方面是有利的。舉例而言，以此方式的動態(tài)掃描在產(chǎn)生圖案方面，特別是在可在所關(guān)注區(qū)域的圖像的基礎(chǔ)上修改圖案方面提供靈活性。舉例而言，圖案中的光斑的角密度及/或光斑的亮度可根據(jù)場景中的所關(guān)注物體的場景條件及特征而在不同區(qū)中變化。同樣可與照射光束的掃描結(jié)合來動態(tài)地操作成像模塊，以便成像模塊的活動視域跟蹤在掃描中的任一點處被實際照射的圖案的區(qū)。不一定如在常規(guī)圖像傳感器中的同時捕獲所關(guān)注區(qū)域的如此產(chǎn)生的圖像，而是可作為產(chǎn)生3D圖的過程的一部分基于在掃描期間由探測器捕獲的本地信號以電子方式組合圖像。以此方式使照射及探測資源集中于小的移動區(qū)中可增強所探測圖案的信號/背景比且因此提高3D映射的精度。成像模塊的視域可例如以光學方式(可能使用(至少部分地)相同的掃描儀作為照射模塊)或以電子方式(使用具有卷動快門的圖像傳感器)跟蹤照射光束的掃描。下文所述的實施方式中的一些實施方式目的在于擴展由照射模塊所提供的掃描的角范圍。這些實施方式解決一些3D映射系統(tǒng)對遠大于一些常規(guī)掃描儀的掃描范圍的寬視域的需要。在一個這樣的實施方式中，投影模塊的光學器件包括光束分離器，光束分離器同時產(chǎn)生所掃描光束的多個有角度地間隔開的復制物。這些復制物在比掃描范圍為大的角范圍內(nèi)共同延伸。在另一實施方式中，掃描儀引導來自輻射源的光束連續(xù)地以多個不同角度射到圖案化元件，且因此產(chǎn)生圖案的多個有角度地間隔開的復制物。在任一情況下，照射模塊的元件都可配置成以此方式用圖案來拼貼所關(guān)注區(qū)域，即，用圖案的毗鄰復制物來覆蓋區(qū)域，而無復制物之間的顯著重疊或間隙。(在此上下文中，間隙或重疊在其大約為光斑之間的間距或大于此量級的情況下被視為“顯著的”。)可選地或另外，照射模塊可包括諸如凸面反射器或衍射光學元件(DOE)的掃描擴展元件，掃描擴展元件擴展由所掃描光束覆蓋的角范圍。下文描述對使用所掃描輻射源的3D映射系統(tǒng)的元件的其它應(yīng)用及關(guān)于使用所掃描輻射源的3D映射系統(tǒng)的元件的變化形式。

系統(tǒng)描述圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的用于3D映射的系統(tǒng)20的示意性俯視圖。系統(tǒng)20構(gòu)建于映射裝置22周圍，映射裝置配置成捕獲圖像并產(chǎn)生場景的3D圖。場景此處包括諸如裝置的用戶的手的物體28。由裝置22所產(chǎn)生的3D圖中的深度信息可例如由主機計算機(未示出)用作3D用戶接口的一部分，3D用戶接口使用戶能夠與在計算機上運行的游戲及其它應(yīng)用程序以及與顯示屏幕上所顯示的元件互動。(這種功能例如在美國專利申請公布2009/0183125 (其公開內(nèi)容通過引用被并入本文)中被描述。)然而，裝置22的此特定應(yīng)用此處僅作為例子被提及，且裝置的映射能力也可用于其它目的，且適用于實質(zhì)上任何合適類型的場景及3D物體。在圖1中所示的實例中，映射裝置22中的照射模塊30將光輻射的圖案投影至物體28上，如下文將詳細解釋的。用于此目的的光輻射通常處于紅外(IR)范圍內(nèi)，但可類似地使用可見光或紫外光。(在圖7中示出的一個實施方式中，照射模塊投影紅外及可見光輻射。)成像模塊38捕獲物體上的圖案的圖像并對所述圖像解碼以便產(chǎn)生圖像中的每一像素的數(shù)字移位值。移位值表示在所捕獲圖像中的每一像素的區(qū)中的圖案的單元(通常為光斑)與圖案的參考圖像中的對應(yīng)圖案單元的參考位置之間的偏移。這些偏移指示對應(yīng)于像素的實際場景中的點與圖像捕獲組件之間的相應(yīng)的距離?？蛇x地，模塊38可輸出原始像素值，且移位值可由裝置22的另一部件或由主機計算機計算。裝置22中的處理器46處理移位值(在必要時從模塊38所輸出的原始像素值計算移位值之后)以便產(chǎn)生由裝置22照射且成像的所關(guān)注區(qū)域的深度圖。深度圖包括3D坐標的陣列，3D坐標包括物體表面的在預(yù)定的視域內(nèi)的每一點(X、Y)處的深度(Z)坐標值。(在圖像相關(guān)數(shù)據(jù)的陣列的上下文中，這些(X、Y)點也稱作像素。)在本實施方式中，處理器基于圖案的在每一像素處的橫向移位通過三角量測法來計算物體28的表面上的點的3D坐標。這樣的三角量測法的原理例如在上述PCT公布W02007/043036、W02007/105205及W02008/120217 中被描述。在可選實施方式中，加以必要的變更，裝置22的部件可用在其它類型的深度映射系統(tǒng)例如基于進出所關(guān)注場景的光脈沖的飛行時間的量測的系統(tǒng)或立體系統(tǒng)以及使用所投影光束的其它種類的應(yīng)用中。在圖1中，X軸被認為是沿著裝置22的正面的水平方向，Y軸為垂直方向(在此視圖中從頁面出來)，且Z軸在物體由組件成像的大體方向上遠離裝置22延伸。模塊30及38的光軸平行于Z軸，其中X軸上的相應(yīng)的光瞳間隔開已知距離。在此配置中，由模塊38捕獲的圖像中的圖案的橫向移位將僅(在容許誤差內(nèi))在X方向上，如上述PCT公布中所解釋的。如上所述，照射模塊30用光斑的圖案(例如光斑的不相關(guān)圖案)來照射所關(guān)注場景。在本專利申請的上下文中且在權(quán)利要求中，術(shù)語“不相關(guān)圖案”指位置在橫穿投影光束軸的平面中不相關(guān)的光斑(其可以是亮的或暗的)的所投影圖案。位置在隨橫向移位而變化的圖案的自相關(guān)對于大于光斑尺寸且不大于可發(fā)生于由系統(tǒng)映射的深度范圍內(nèi)的最大移位的任一移位是不重要的意義上是不相關(guān)的。隨機、偽隨機及準周期性圖案通常與由上述定義所指定的范圍不相關(guān)。
`
為了產(chǎn)生光斑的圖案，模塊30通常包括合適的輻射源32，例如準直二極管激光器或發(fā)光二極管(LED)或具有適當形狀的輻射光束的其它光源。光束由合適的掃描儀34及照射光學器件35在角度范圍內(nèi)掃描。光束在掃描期間被調(diào)制以便產(chǎn)生圖案。舉例而言，光束可在時間上通過接通與關(guān)斷源32來加以調(diào)制以產(chǎn)生光斑或其它形式的二進制圖案。光學器件35通常包括可在不同實施方式中采取各種不同形式的一個或多個透鏡及/或其它光學元件，如下所述。圖案在界定投影視域(F0V)36的某角范圍內(nèi)投影至場景上，因此將源32的時間調(diào)制轉(zhuǎn)換成在系統(tǒng)20的所關(guān)注區(qū)域中的物體上延伸的期望空間強度圖案。在所公開的實施方式中，掃描儀34包括具有機械掃描驅(qū)動器的掃描鏡50,雖然也可以可選地使用其它類型的掃描儀(例如聲光掃描儀)。掃描儀34可包括例如雙向掃描鏡或一對單向掃描鏡。這樣的鏡可基于集成微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)。這種類型的掃描鏡由諸如Microvision公司(華盛頓州Redmond市)的多個制造商生產(chǎn)。成像模塊38通常包括在傳感器40上形成出現(xiàn)在所關(guān)注區(qū)域中的場景上的投影圖案的圖像的物鏡光學器件42。在圖1中所描繪的實例中，傳感器40包括CMOS圖像傳感器，CMOS圖像傳感器包括探測器元件41的二維矩陣。矩陣的列及行與X及Y軸對準?？蛇x地，可在模塊38中使用其它類型的傳感器，如下所述。傳感器40及物鏡光學器件42界定成像視域44，成像視域通常包含于在裝置22的所關(guān)注區(qū)域中的F0V36內(nèi)。盡管傳感器40在圖I中被示為具有大致相同數(shù)量的列及行的探測器元件41，但在下文中描述的其它實施方式中，傳感器可包括僅小數(shù)量的行，或甚至僅單個行或單個位置靈敏探測器元件。如上所述，輻射源32通常發(fā)射紅外輻射。傳感器40可包括沒有紅外截止濾波器的單色傳感器，以便探測具有高靈敏度的所投影圖案的圖像。為了增強由傳感器40捕獲的圖像的對比度，光學器件42或傳感器本身可包括帶通濾波器(未示出)，帶通濾波器使輻射源32的波長通過而阻擋在其它頻帶中的環(huán)境輻射。處理器46通常包括以軟件(或固件)編程以實施處理并控制本文中描述的功能的嵌入式微處理器。處理器可例如動態(tài)地控制照射模塊30及/或成像模塊38以調(diào)整諸如圖案密度、亮度及角范圍的參數(shù)，如下文詳細描述的。存儲器48可保存程序代碼、查找表及/或臨時計算結(jié)果。可選地或另外，處理器46可包括用于實施其功能中的一些功能或所有功能的可編程硬件邏輯電路?？蛇m用于處理器46的深度映射處理器的實現(xiàn)的細節(jié)在美國專利申請公布2010/0007717 (其公開內(nèi)容通過引用被并入本文)中被提供。掃描照射模塊圖2A及圖2B是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的在兩個不同操作階段中的照射模塊30的示意性俯視圖。在此實施方式中，輻射源32包括激光二極管52及準直透鏡54。來自輻射源的光束由掃描鏡50在由掃描儀的機械及光學性質(zhì)限制的角度范圍內(nèi)掃描。(為簡單起見，從此圖及后續(xù)圖中省略掃描機構(gòu)。)圖2A示出大致在掃描的中心處的鏡，而在圖2B中鏡處于其最極端偏轉(zhuǎn)下。此偏 轉(zhuǎn)界定可由所掃描光束覆蓋的最大角范圍。為了擴展此范圍,諸如合適的衍射光學兀件(DOE)的光束分離器55分離所掃描光束以產(chǎn)生所掃描光束的多個有角度地間隔開的復制物56、58、60。(在沒有光束分離器的情況下，模塊30將僅投影光束56。)當鏡50掃描輻射光束時，復制物56、58、60在所關(guān)注區(qū)域上平行地掠過，覆蓋大于僅由掃描儀提供的掃描范圍的角范圍。盡管為簡單起見，圖2A及圖2B示出三個復制光束，但光束分離器55也可以可選地配置成給出僅兩個復制光束或給出更大數(shù)量的復制光束。一般而言，光束分離器55可配置成根據(jù)應(yīng)用要求來產(chǎn)生在實質(zhì)上任何期望布局中的mXn個光束復制物的實質(zhì)上任何陣列。圖2C是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的由圖2A及圖2B的照射模塊投影的輻射圖案的示意性正視圖。激光二極管52的接通/關(guān)斷調(diào)制致使每個光束復制物56、58、60、…在視域36的對應(yīng)子區(qū)內(nèi)產(chǎn)生光斑66的相應(yīng)的圖案64。光束分離器55的扇出角及掃描儀34的角掃描范圍通常被選擇成使得圖案64拼貼所關(guān)注區(qū)域，而實質(zhì)上無孔且無圖案之間的重疊。這種拼貼布置可有效地用來在3D映射系統(tǒng)中在寬角范圍內(nèi)投影圖案?？蛇x地，扇出角及掃描范圍可被選擇成使得圖案64重疊。圖案可如在所描繪的實施方式中的是光斑圖案，或可包括其它類型的結(jié)構(gòu)光。圖3是根據(jù)本發(fā)明的可選實施方式的照射模塊30的示意性側(cè)視圖。此實施方式可用于產(chǎn)生圖2C中示出的同一種拼貼圖案。然而，它不同于此處所述的其它實施方式，因為它與掃描鏡50結(jié)合來使用衍射光學元件(DOE) 70作為空間調(diào)制器以產(chǎn)生對場景的圖案化照射。作為此布置的結(jié)果，對鏡50的要求降低了，使得慢得多的掃描速率是可能的，或鏡50可簡單地在離散位置之間跳轉(zhuǎn)，且照射源32可以以慢得多的速率脈動地接通及關(guān)斷。按照光學原理，此實施方式類似于在美國專利申請公布2009/0185274及2010/0284082中描述的基于DOE的方案，這兩個申請都通過引用被并入本文。這些公布描述用于使用一對DOE來產(chǎn)生衍射圖案的方法，這對DOE中的一個DOE將輸入光束分成輸出光束的矩陣，而另一個DOE將圖案應(yīng)用于輸出光束中的每一個。這兩個DOE因此共同將輻射投影至圖案的多個毗鄰實例中的空間中的區(qū)域上。在本實施方式中，在將來自輻射源32的輸入光束分成多個中間光束72時，鏡50的掃描圖案代替DOE中的一個。為此目的，鏡50在X及Y方向上掃描到預(yù)定角度的矩陣的每一個角度，且在這些角度中的每一個處駐留通常大約幾毫秒的某一時間段。每一駐留點界定光束72。D0E70沿著相應(yīng)的軸76將光束72的每一個衍射成圖案化輸出光束74。軸76與光束74的發(fā)散角之間的扇出角可被選擇(通過D0E70及鏡50的掃描圖案的適當設(shè)計)成使得光束74以圖2C中所示的方式拼貼視域36。圖3的實施方式可與各種類型的圖像捕獲模塊38結(jié)合來操作，如下所述。由于光束74被依次照射，因此模塊38的圖像捕獲圖案與照射序列同步以便使所關(guān)注場景的所捕獲圖像中的信號/背景比最大化是合意的。某些類型的圖像傳感器(例如CMOS傳感器)具有卷動快門，卷動快門可使用例如在于2010年4月19日提交的美國專利申請12/762,373中描述的技術(shù)來與照射序列同步，該申請的公開內(nèi)容通過引用被并入本文。圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的照射模塊30的示意性側(cè)視圖。假定源32為激光器，它發(fā)射的光束較強且應(yīng)由鏡50連續(xù)掃描以保證眼睛安全。在模塊30的正常操作中，源32僅在鏡50移動時發(fā)射光束，使得在視域36中的所有位置處的駐留時間較短且因此不對眼睛造成任何危險。然而，如果驅(qū)動鏡50的機構(gòu)卡住或者發(fā)生故障，則光束可在一個位置處駐留一段延長的時間。為了避免此不測事件，模塊30包括耦合至處理器46 (未在此圖中示出)的諸如光電二極管的一個或多個光束傳感器80、82、…。這些傳感器位于由鏡掃描的角范圍內(nèi)的一個或多個選定角度處以便周期性地接收所掃描光束且因此驗證掃描儀正在操作。在此實例中，在F0V36的相對側(cè)上顯示兩個傳感器，但也可以可選地使用單個安全傳感器或更大數(shù)量的此類傳感器。驅(qū)動鏡50的機構(gòu)可被編程，例如，以在每次掃描開始時將來自源32的光束引向傳感器80且在每次掃描結(jié)束時將來自源32的光束引向傳感器82。當光束射到傳感器中的一個時，該傳感器向處理器46輸出脈沖。處理器監(jiān)測脈沖且跟蹤從一個脈沖到另一脈沖流逝的時間。如果該時間超過預(yù)設(shè)最大值，則處理器將立即抑制來自輻射源32的光束的發(fā)射(通常通過簡單地切斷光束)。這種計時事件將在鏡50被卡在給定位置處的情況下發(fā)生。因此，在這樣的情況下，將立即切斷來自模塊30的光束，且將避免任何潛在的安全隱患。圖5是根據(jù)本發(fā)明的再一實施方式的投影模塊30的示意性側(cè)視圖。此實施方式目的特別在于相對于鏡50的掃描范圍擴展F0V36。它解決在諸如MEMS的某些技術(shù)中鏡50的掃描范圍較小而一些3D映射應(yīng)用要求在寬視域上的映射的問題。在所描繪的實施方式中， 鏡50在等于CiniimffA的角范圍內(nèi)掃描，給出通常大約為10°至30°的寬度a mirror的初始F0V。來自鏡50的光束射到掃描擴展元件(在這種情況下是凸面反射器88)，掃描擴展元件擴展光束范圍，使得F0V36具有可大約為60°至120°的寬度awt。對于二維(X-Y)掃描，元件60可以是球面的，或它可具有在X及Y方向上具有不同曲率半徑的表面以便產(chǎn)生在一個維度上比在另一個維度上寬的視域，或它可具有某種其它非球面形狀?？蛇x地，掃描擴展反射器可由DOE或具有類似掃描擴展性質(zhì)的衍射元件(未示出)取代。此外，可選地，反射器88的功能可由同一類型或不同類型的光學元件的組合實現(xiàn)。圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的在操作中的3D映射系統(tǒng)90的示意性示圖。在此系統(tǒng)中，裝置22與游戲控制臺92結(jié)合來使用以與兩個參與者94及96 —起操作互動游戲。為此目的，裝置22將光斑100的圖案投影至其視域中的物體(包括參與者及背景98，例如系統(tǒng)90所位于的房間的墻壁(及其它元件))上。裝置22捕獲并處理圖案的圖像，如上文所解釋的，以便產(chǎn)生參與者及場景中的其它物體的3D圖。控制臺92響應(yīng)于參與者的身體移動而控制游戲，參與者的身體移動由裝置22或控制臺92通過分割并分析3D圖中的變化而探測到。此處顯示系統(tǒng)90以便舉例說明3D映射系統(tǒng)可能遇到的一些困難。所映射場景中的物體可能在尺寸上相差很大，且小的物體(例如參與者的手、腿及頭)常?？焖僖苿蛹案淖兤渫庥^形式。此外，往往正是這些物體需要為了在控制臺92上運行的游戲或其它互動應(yīng)用的目的而被準確地映射。同時，所關(guān)注區(qū)域中的不同物體可由于反射比的變化和離裝置的距離的很大差異而以廣泛變化的強度將圖案化照射反射回到裝置22。作為結(jié)果，由成像模塊38捕獲的圖像中的圖案的一些區(qū)可能太暗而不能提供準確的深度讀數(shù)。為了克服這樣的問題，裝置22中的照射模塊30適應(yīng)性地投影圖案，響應(yīng)于場景的幾何形狀而改變圖案的密度及/或亮度。關(guān)于場景幾何形狀的信息由成像模塊38所捕獲的圖像及/或由通過處理這些圖像產(chǎn)生的3D圖提供。因此，在系統(tǒng)90的操作期間，動態(tài)地控制輻射源32及掃描儀34，以在較小的或迅速變化的或者需要密切注意或更好的深度覆蓋的重要物體(例如參與者94及96的身體)上以更大密度投影光斑100。另一方面，用較稀疏的圖案來覆蓋大的平穩(wěn)物體(例如背景98)。裝置22可響應(yīng)于場景中的變化而在連續(xù)圖像中適應(yīng)性地調(diào)整圖案密度。另外或可選地，裝置22可動態(tài)地調(diào)整輻射源32的輸出功率，以便補償所捕獲場景內(nèi)的距離及反射率的變化。因此，照射模塊可朝具有低反射率或遠離裝置22的物體(例如背景98)以更大亮度投影光斑 ，同時減少明亮的附近物體上的投影功率?？蛇x地或另外，可控制鏡的本地掃描速度及因此控制在掃描范圍內(nèi)的每個位置處的駐留時間以在需要更強照射的區(qū)中給出更長的本地駐留時間及因此給出更大的本地投影能量。這些種類的自適應(yīng)功率控制增大了系統(tǒng)90的動態(tài)范圍且使對可用輻射功率的利用最優(yōu)化。作為系統(tǒng)90的動態(tài)操作的另一個方面(未在圖6中示出)，也可動態(tài)地調(diào)整裝置22的照射及成像模塊的角范圍。舉例而言，在首先捕獲廣角圖像并產(chǎn)生所關(guān)注區(qū)域的廣角低分辨率3D圖之后，可控制裝置22以放大已在區(qū)域內(nèi)被識別出的特定物體。因此，可減小所投影圖案的角掃描范圍及成像模塊的感測范圍以提供參與者94及96的身體的更高分辨率深度圖。當參與者在場景內(nèi)移動時，可相應(yīng)地調(diào)整掃描及感測范圍。圖7是根據(jù)本發(fā)明的再一實施方式的照射模塊110的示意性側(cè)視圖。模塊110可代替裝置22的模塊30(圖1)來使用，且在使用相同掃描硬件來同時投影紅外圖案(用于3D映射)及可由裝置的用戶觀看的可見內(nèi)容時提供增加的能力。在這種實施方式中，裝置22可使用紅外圖案來產(chǎn)生給定物體的3D映射，且隨后可將適合于物體的形狀及外形的可見圖像投影至物體上。這種能力例如在呈現(xiàn)用戶接口圖形及文字時且特別在“增強現(xiàn)實”應(yīng)用(針對所述應(yīng)用，裝置22甚至可集成到由用戶佩帶的護目鏡中，使得映射及可見圖像投影與用戶的視域?qū)?中是有用的。這種應(yīng)用例如在于2011年7月18日提交的PCT專利申請PCT/IB2011/053192 (其公開內(nèi)容通過引用被并入本文)中被描述。如圖7中所示，光束組合器114 (例如二向色反射器)將來自輻射源32的紅外光束與來自可見光源112的可見光光束對準。源112可以是單色的或多色的。舉例而言，源112可包括用于單色照射的適當激光二極管或LED，或它可包括不同顏色的多個激光二極管或LED (未示出)，其光束被調(diào)制及組合以便在視域中的每一點處投影期望顏色。出于后一種目的，組合器114可包括兩個或更多個二向色元件(未示出)以便對準所有不同顏色的光束及紅外光束。當鏡50在F0V36內(nèi)掃描時，處理器46同時調(diào)制源32及72 :源32被調(diào)制以在視域中的每一點處產(chǎn)生用于3D映射的期望圖案，而源112根據(jù)將在同一點處投影的可見圖像(其可基于在該點處的物體的3D圖)的像素值(強度及可能顏色)而被調(diào)制。由于可見光光束及紅外光束是光學對準及同軸的，因此可見圖像將自動地與3D圖配準。圖像捕獲配置圖8是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的成像模塊38的示意性示圖。此實施方式利用照射模塊30的掃描圖案與成像模塊的讀出圖案之間的同步。此同步使使用具有相對于列的數(shù)量的相對小數(shù)量的行122的探測器元件41的圖像傳感器120變得可能。換言之，圖像傳感器本身具有在Y方向(圖中的垂直方向)上的低分辨率，但在X方向上的高分辨率。在所描繪的實施方式中，圖像傳感器80具有不到十行且可具有例如一千或更多列?？蛇x地，圖像傳感器可具有更大或更小數(shù)量的行，但仍遠少于列的行。物鏡光學器件42包括將視域44映射至圖像傳感器120的像散成像部件。光學器件42具有在Y方向上比在X方向上大的放大率，使得圖像傳感器的每一行122捕獲來自視域中的對應(yīng)矩形區(qū)124的光 。舉例而言，每一矩形區(qū)124的長寬比可大約為10:1 (X:Y),而行122具有大約為1000:1的長寬比?？筛鶕?jù)圖像傳感器中的行及列的數(shù)量及視域的期望尺寸按任何期望比來選擇光學器件42的不同X及Y放大率。舉例而言，在一個實施方式中，光學器件42可包括圓柱形透鏡，且傳感器120可僅包括單個行的探測器元件。照射模塊30以光柵圖案在視域44內(nèi)掃描來自輻射源32的光束，用多個水平掃描線來覆蓋區(qū)124的每一個。當給定區(qū)124中的每一個線由來自照射模塊的光斑掃描時，對應(yīng)行122捕獲自場景反射的輻射。來自傳感器120的讀出與照射掃描同步，使得實質(zhì)上僅在場景中的對應(yīng)區(qū)124由掃描照射時探測器元件41的行122被讀出。作為結(jié)果，每一行122針對每一讀出合并環(huán)境光的時間長度減小了，且因此傳感器120的輸出的信號/環(huán)境比增大了。在此實施方式中由模塊38捕獲的圖像的分辨率由照射掃描的分辨率控制，因為傳感器120的每一行122與掃描同步地被多次讀出。換言之，在照射模塊掃描對應(yīng)區(qū)124時第一行被多次掃描，后面是第二線的多次掃描，然后是第三線的多次掃描。舉例而言，如果圖像傳感器中的第一行負責捕獲照射模塊的前一百個掃描線(垂直FOV的1/10),則它在第二線被掃描之前被掃描一百次。為此目的，傳感器120包括類似于例如常規(guī)全分辨率CMOS圖像傳感器中的讀出電路的合適讀出電路(未示出)。可選地，可在照射側(cè)上使用垂直扇出元件，且圖像傳感器的線可同時掃描，每個線與對應(yīng)照射掃描同步。
可選地，可與照射掃描同步地垂直復用圖像傳感器120的掃描。舉例而言，在此方案中，使用具有一百行的成像傳感器，圖像傳感器的第一行捕獲例如照射掃描的第一個、第101個、第201個、第301個掃描線。另外或可選地，成像模塊38可實現(xiàn)例如在于2010年12月6日提交的美國臨時專利申請61/419，891 (其公開內(nèi)容通過引用被并入本文)中描述的種類的空間復用成像方案。也可使用上述掃描技術(shù)的組合。顯示于圖8中的圖像捕獲模塊38的布置維持在X方向上的全分辨率，同時依賴于照射模塊30的同步掃描來提供Y方向分辨率。此實施方式因此允許使用更簡單的讀出電路來使圖像傳感器120變得更小且成本更低，同時潛在地提供在X方向上的增大的分辨率。此X分辨率是有用的，因為在圖1中所示的配置中，只有由模塊38捕獲的圖像中的圖案的X方向移位指示場景內(nèi)的深度變化，如上文所解釋的。在X方向上的高分辨率因此提供光斑偏移的準確讀取，這又會實現(xiàn)深度坐標的準確計算。圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的成像模塊38的示意性示圖。此實施方式也利用照射模塊30的掃描圖案與成像模塊的讀出圖案之間的同步。然而在這種情況下，有效地掃描成像模塊38的視域44。在圖9的實施方式中，圖像捕獲模塊38包括位置靈敏探測器130，位置靈敏探測器配置成感測并輸出由照射模塊30投影 至物體上的圖案中的每個光斑的X偏移。換言之，當模塊30依次將每個光斑投影至所關(guān)注區(qū)域中的對應(yīng)位置上時，探測器130感測其圖像并指示其從對應(yīng)參考光斑位置的相應(yīng)的偏移(及因此在場景中該位置處的深度坐標)。探測器130在圖中被示為具有在X方向上延伸的單個行的探測器元件41的線掃描傳感器90?？蛇x地，位置靈敏探測器130可包括具有指示當前成像至探測器上的光斑的位置的模擬讀出的單一探測器元件。在所描繪的實施方式中，物鏡光學器件42將視域44中的矩形區(qū)134映射至傳感器130中的這行探測器元件41上。光學器件42可如在先前實施方式中的是像散的，在X方向上比在Y方向上有更大的光功率，使得區(qū)134具有比傳感器中的這行探測器元件為更低的長寬比(X:Y)。掃描鏡132與照射模塊30的光柵掃描同步地在Y方向上在視域44內(nèi)掃描區(qū)134，使得區(qū)134始終包含當前處于圖案化照射下的水平線。以此方式，圖像捕獲模塊捕獲具有高分辨率及高信號/環(huán)境比的場景上的圖案的圖像，同時使用簡單的一維傳感器。圖10是根據(jù)本發(fā)明的再一實施方式的3D映射裝置140的示意性示圖。在此實施方式中，照射模塊142及成像模塊144的視域共同地由公共鏡150在Y方向上掃描。照射模塊142包括福射源32及以掃描鏡152的形式的光束掃描儀,光束掃描儀在X方向上掃描輻射光束。成像模塊144包括探測器154，探測器的視域與掃描鏡152同步地由包括掃描鏡156的成像掃描儀在X方向上掃描。投影光學器件146將照射光束投影至裝置140的所關(guān)注區(qū)域上以便產(chǎn)生場景中的物體上的光斑的期望圖案，且物鏡光學器件148將光斑成像至探測器154上。因此與照射模塊142的所掃描光束同步地在所關(guān)注區(qū)域內(nèi)掃描成像模塊144的感測區(qū)。探測器154可包括例如如在圖9的實施方式中的位置靈敏探測器或探測器元件配置成行及列的小面積圖像傳感器。如在先前實施方式中的，成像模塊144提供光斑偏移的量測，量測隨后可被處理以產(chǎn)生深度圖。盡管圖10中的鏡150方便地由照射及成像模塊共享，但每一模塊也可以可選地具有其自己的經(jīng)同步的Y方向掃描鏡。在后一種情況下，可使用MEMS技術(shù)來產(chǎn)生裝置140中的所有鏡。然而，由于Y方向掃描相對慢，因此具有步進式驅(qū)動器的單個鏡150對于此應(yīng)用是可行的且在維持精確同步時是有利的。圖10中所示的布置可用來實現(xiàn)不僅對所投影圖案中的光斑密度及亮度而且對掃描區(qū)的動態(tài)控制，如上文所解釋的。可操作鏡150及152以改變照射光束被掃描的角范圍，且鏡150及156然后將掃描探測器154的感測區(qū)以與所掃描光束的角范圍相匹配。以此方式，例如，可首先操作裝置140以捕獲整個場景的粗3D圖，覆蓋寬的角范圍?？煞指?D圖以便識別所關(guān)注物體，且隨后可動態(tài)地調(diào)整照射組件及成像組件的掃描范圍以僅捕獲并映射具有高分辨率的物體的區(qū)。這種動態(tài)控制的其它應(yīng)用對本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將是明顯的，且被認為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。上文已示出并描述了用以增強用于圖案投影及圖像捕獲的掃描架構(gòu)的多個具體方式。這些實施方式作為例子說明本發(fā)明的方面如何可尤其用于改善眼睛安全、增大視域、同時使用相同掃描硬件來投影紅外圖案及可見內(nèi)容、以及通過使成像模塊與照射模塊同步來減小成像模塊的尺寸。以上實施方式的可選實現(xiàn)及組合也被認為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這樣的方案可使用以下項的各種組合用于3D映射的掃描投影以及可見信息的投影；用以成形或分離掃描光束的衍射 光學器件；用以擴大投影系統(tǒng)的視域的折射及/或衍射光學器件；及投影及圖像捕獲的同步掃描。因此應(yīng)認識到，上文所述的實施方式作為例子被列舉，且本發(fā)明不限于上文中特別示出及描述的內(nèi)容。而是，本發(fā)明的范圍包括上文中所述的各種特征的組合及子組合，以及本領(lǐng)域中的技術(shù)人員在閱讀上述描述后可想到的且在現(xiàn)有技術(shù)中未公開的本發(fā)明的變化形式及修改形式。
權(quán)利要求
1.一種用于映射的設(shè)備，包括 照射模塊，其包括 輻射源，其配置成發(fā)射輻射光束； 掃描儀，其配置成在選定角范圍內(nèi)接收并掃描所述光束；以及 照射光學器件，其配置成投影所掃描光束以便形成在所關(guān)注區(qū)域內(nèi)延伸的光斑的圖案； 成像模塊，其配置成捕獲投影至所述所關(guān)注區(qū)域中的物體上的圖案的圖像；以及 處理器，其配置成處理所述圖像以便構(gòu)建所述物體的三維(3D)圖。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述光斑的所述圖案在由所述設(shè)備映射的深度范圍內(nèi)不相關(guān)。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述輻射源被控制以便在所述掃描儀掃描所述光束時調(diào)制所述光束的強度，由此在所述所關(guān)注區(qū)域上產(chǎn)生所述光斑的所述圖案。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述照射模塊配置成響應(yīng)于由所述成像模塊所捕獲的所述圖像而修改所述圖案。
5.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述照射模塊配置成控制所述輻射源及所述掃描儀中的至少一個，以便修改所述所關(guān)注區(qū)域的選定部分內(nèi)的陣列中的所述光斑的角密度。
6.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述照射模塊配置成控制所述輻射源及所述掃描儀中的至少一個，以便修改所述所關(guān)注區(qū)域的選定區(qū)中的所述光斑的亮度。
7.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述掃描儀配置成在第一角范圍內(nèi)掃描所述光束，以及 其中所述光學器件包括光束分離器，所述光束分離器配置成產(chǎn)生在大于所述第一角范圍的第二角范圍內(nèi)共同延伸的所述所掃描光束的多個有角度地間隔開的復制物。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述掃描儀及所述光束分離器配置成用由所述所掃描光束的所述多個有角度地間隔開的復制物產(chǎn)生的所述圖案來拼貼所述所關(guān)注區(qū)域。
9.如權(quán)利要求1-8中的任一項所述的設(shè)備，其中所述光學器件包括圖案化元件，所述圖案化元件配置成在由所述光束照射時在第一角范圍內(nèi)產(chǎn)生所述圖案，以及 其中所述掃描儀配置成引導所述光束連續(xù)地以多個不同角度射到所述圖案化元件以便產(chǎn)生在大于所述第一角范圍的第二角范圍內(nèi)共同延伸的所述圖案的多個有角度地間隔開的復制物。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述掃描儀及所述圖案化元件配置成用所述圖案的所述多個有角度地間隔開的復制物來拼貼所述所關(guān)注區(qū)域。
11.如權(quán)利要求1-8中的任一項所述的設(shè)備，其中所述掃描儀配置成在第一角范圍內(nèi)掃描所述光束，以及 其中所述光學器件包括掃描擴展元件，所述掃描擴展元件配置成分配所述所掃描光束，以便以空間圖案覆蓋大于所述第一角范圍的第二角范圍。
12.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中所述掃描擴展元件選自由凸面反射器與衍射光學元件組成的元件組。
13.如權(quán)利要求1-8中的任一項所述的設(shè)備，其中所述照射模塊包括至少一個光束傳感器，所述至少一個光束傳感器位于由所述掃描儀掃描的角范圍內(nèi)的選定角度處，以便周期性地接收所述所掃描光束并由此驗證所述掃描儀正在操作。
14.如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述照射模塊配置成在所述傳感器未能周期性地接收到所述所掃描光束時抑制來自所述輻射源的所述光束的發(fā)射。
15.如權(quán)利要求1-8中的任一項所述的設(shè)備，其中所述輻射源包括 第一輻射源，其發(fā)射紅外光束，所述紅外光束被調(diào)制以產(chǎn)生所述光斑的所述圖案；以及 第二輻射源，其發(fā)射可見光光束，所述可見光光束被調(diào)制以將可見圖像投影至所述所關(guān)注區(qū)域上， 其中所述掃描儀及所述光學器件配置成同時將所述紅外光束及所述可見光光束投影至所述所關(guān)注區(qū)域上。
16.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中所述第二輻射源被控制以便響應(yīng)于所述3D圖而將所述可見圖像投影至所述物體上。
17.如權(quán)利要求1-8中的任一項所述的設(shè)備，其中所述處理器布置成通過找到所述所捕獲圖像的區(qū)中的光斑與屬于所述圖案的參考圖像的對應(yīng)參考光斑位置之間的相應(yīng)的偏移來得到所述3D圖，其中所述相應(yīng)的偏移指示所述區(qū)與圖像捕獲組件之間的相應(yīng)的距離。
18.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中所述成像模塊包括位置靈敏探測器，所述位置靈敏探測器配置成感測并輸出在由所述照射模塊投影所述物體上的所述圖案的每個光斑時所述光斑的偏移。
19.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中所述成像模塊配置成與所述照射模塊中的所述掃描儀同步地掃描所述位置靈敏探測器的視域。
20.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中所述掃描儀配置成與來自所述輻射源的光束一起掃描所述位置靈敏探測器的視域。
21.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中所述照射模塊及所述成像模塊布置成使得所述偏移在第一方向上發(fā)生，以及 其中所述成像模塊包括 探測器元件的陣列，所述探測器元件的陣列被布置為在所述第一方向上延伸的一個或多個行；以及 像散光學器件，其配置成將所述圖案成像至所述陣列上且具有在所述第一方向上比在第二垂直方向上大的光功率。
22.如權(quán)利要求1-8中的任一項所述的設(shè)備，其中所述成像模塊包括傳感器及成像光學器件，所述傳感器及所述成像光學器件界定與所述照射模塊的所述所掃描光束同步地在所述所關(guān)注區(qū)域內(nèi)被掃描的感測區(qū)。
23.如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中所述傳感器包括具有卷動快門的圖像傳感器，且其中所述卷動快門與所述所掃描光束同步。
24.如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中所述照射模塊中的所述掃描儀是可控制的以動態(tài)地改變所述選定角范圍，且其中所述成像模塊包括成像掃描儀，所述成像掃描儀配置成動態(tài)地掃描所述感測區(qū)以與所述所掃描光束的所述選定角范圍相匹配。
25.一種用于映射的設(shè)備，包括 照射模塊，其包括 輻射源，其配置成發(fā)射具有根據(jù)所指定的時間調(diào)制而改變的強度的輻射光束；以及掃描儀，其配置成在所關(guān)注區(qū)域內(nèi)接收并掃描所述光束，以便以由所述光束的所述時間調(diào)制確定的空間強度圖案來將所述輻射投影至所述區(qū)域上； 成像模塊，其配置成捕獲投影至所述所關(guān)注區(qū)域中的物體上的所述空間強度圖案的圖像；以及 處理器，其配置成處理所述圖像以便構(gòu)建所述物體的三維(3D)圖。
26.如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其中所述時間調(diào)制是二進制的，且其中所述空間強度圖案包括通過所述時間調(diào)制所產(chǎn)生的光斑的陣列。
27.如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其中所述處理器布置成通過找到所述所捕獲圖像的區(qū)中的所述圖案與所述圖案的參考圖像之間的相應(yīng)的偏移來得到所述3D圖，其中所述相應(yīng)的偏移指示所述區(qū)與圖像捕獲組件之間的相應(yīng)的距離。
28.如權(quán)利要求25-27中的任一項所述的設(shè)備，其中所述成像模塊包括傳感器及成像光學器件，所述傳感器及所述成像光學器件界定與所述照射模塊的掃描光束同步地在所述所關(guān)注區(qū)域內(nèi)被掃描的感測區(qū)。
29.—種用于映射的方法,包括 在選定角范圍內(nèi)掃描輻射光束以便產(chǎn)生在所關(guān)注區(qū)域內(nèi)延伸的光斑的圖案； 捕獲投影至所述所關(guān)注區(qū)域中的物體上的所述圖案的圖像；以及 處理所述圖像以便構(gòu)建所述物體的三維(3D)圖。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述光斑的所述圖案在通過所述方法映射的深度范圍內(nèi)不相關(guān)。
31.如權(quán)利要求29所述的方法，其中掃描所述光束包括在掃描所述光束時調(diào)制所述光束的強度，由此在所述所關(guān)注區(qū)域上產(chǎn)生所述光斑的所述圖案。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其中產(chǎn)生所述圖案包括響應(yīng)于由所述成像模塊所捕獲的所述圖像而修改所述圖案。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其中修改所述圖案包括修改所述所關(guān)注區(qū)域的選定部分內(nèi)的陣列中的所述光斑的角密度。
34.如權(quán)利要求32所述的方法，其中修改所述圖案包括修改所述所關(guān)注區(qū)域的選定區(qū)中的所述光斑的亮度。
35.如權(quán)利要求31所述的方法，其中產(chǎn)生所述圖案包括在第一角范圍內(nèi)掃描所述光束，并分離所掃描光束以產(chǎn)生在大于所述第一角范圍的第二角范圍內(nèi)共同延伸的所述所掃描光束的所述圖案的多個有角度地間隔開的復制物。
36.如權(quán)利要求35所述的方法,其中分離所掃描光束包括用由所述所掃描光束的所述多個有角度地間隔開的復制物所產(chǎn)生的所述圖案來拼貼所述所關(guān)注區(qū)域。
37.如權(quán)利要求29-36中的任一項所述的方法,其中掃描所述光束包括照射配置成在由所述光束照射時在第一角范圍內(nèi)產(chǎn)生所述圖案的圖案化元件，同時引導所述光束連續(xù)地以多個不同角度射到所述圖案化元件以便產(chǎn)生在大于所述第一角范圍的第二角范圍內(nèi)共同延伸的所述圖案的多個有角度地間隔開的復制物。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其中引導所述光束包括用所述圖案的所述多個有角度地間隔開的復制物來拼貼所述所關(guān)注區(qū)域。
39.如權(quán)利要求29-36中的任一項所述的方法，其中掃描所述光束包括引導在第一角范圍內(nèi)掃描的所述光束，以射到配置成分配所述所掃描光束的掃描擴展元件，以便以空間圖案覆蓋大于所述第一角范圍的第二角范圍。
40.如權(quán)利要求39所述的方法，其中所述掃描擴展元件選自由凸面反射器與衍射光學元件組成的元件組。
41.如權(quán)利要求29-36中的任一項所述的方法，且包括在所述角范圍內(nèi)的選定角度處感測所掃描光束，并通過周期性地在所述選定角度處感測所述所掃描光束來驗證所述掃描。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其中掃描所述光束包括在未能周期性地感測到所述所掃描光束時抑制所述光束的發(fā)射。
43.如權(quán)利要求29-36中的任一項所述的方法,其中掃描所述光束包括掃描被調(diào)制以產(chǎn)生所述光斑的所述圖案的紅外光束，且其中所述方法包括與所述紅外光束一起掃描可見光光束，同時調(diào)制所述可見光光束以便與將所述紅外光束及所述可見光光束都投影至所述所關(guān)注區(qū)域上同時地將可見圖像投影至所述所關(guān)注區(qū)域上。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，其中調(diào)制所述可見光光束包括響應(yīng)于3D圖而產(chǎn)生所述可見圖像。
45.如權(quán)利要求29-36中的任一項所述的方法，其中處理所述圖像包括通過找到所述所捕獲圖像中的區(qū)中的所述光斑與屬于所述圖案的參考圖像的對應(yīng)參考光斑位置之間的相應(yīng)的偏移來得到所述3D圖，其中所述相應(yīng)的偏移指示所述區(qū)與圖像捕獲組件之間的相應(yīng)的距離。
46.如權(quán)利要求45所述的方法，其中捕獲所述圖像包括應(yīng)用位置靈敏探測器來感測并輸出在由所述照射模塊投影所述物體上的所述圖案的每個光斑時所述光斑的偏移。
47.如權(quán)利要求46所述的方法，其中應(yīng)用所述位置靈敏探測器包括與所述照射模塊中的掃描儀同步地掃描所述位置靈敏探測器的視域。
48.如權(quán)利要求46所述的方法，其中應(yīng)用所述位置靈敏探測器包括與來自所述輻射源的光束一起掃描所述位置靈敏探測器的視域。
49.如權(quán)利要求45所述的方法，其中指示所述相應(yīng)的距離的所述偏移在第一方向上發(fā)生，且其中捕獲所述圖像包括使用具有在所述第一方向上比在第二垂直方向大的光功率的像散光學器件來將所述圖案成像至在所述第一方向上延伸的一個或多個行中布置的探測器元件的陣列上。
50.如權(quán)利要求29-36中的任一項所述的方法，其中捕獲所述圖像包括與所述照射模塊的所述所掃描光束同步地在所述所關(guān)注區(qū)域內(nèi)掃描感測區(qū)或傳感器。
51.如權(quán)利要求50所述的方法，其中所述傳感器包括具有卷動快門的圖像傳感器，且其中掃描所述感測區(qū)包括使所述卷動快門與所述所掃描光束同步。
52.如權(quán)利要求50所述的方法，其中掃描所述光束包括動態(tài)地改變所述選定角范圍，且掃描所述感測區(qū)包括動態(tài)地掃描所述感測區(qū)以與所述所掃描光束的所述選定角范圍相匹配。
53.一種用于映射的方法，包括 產(chǎn)生具有根據(jù)所指定的時間調(diào)制而改變的強度的輻射光束； 在所關(guān)注區(qū)域內(nèi)掃描所述光束，以便以由所述光束的所述時間調(diào)制確定的空間強度圖案來將所述輻射投影至所述區(qū)域上； 捕獲投影至所述所關(guān)注區(qū)域中的物體上的所述空間強度圖案的圖像；以及 處理所述圖像以便構(gòu)建所述物體的三維(3D)圖。
54.如權(quán)利要求53所述的方法，其中所述時間調(diào)制是二進制的，且其中所述空間強度圖案包括通過所述時間調(diào)制所產(chǎn)生的光斑的陣列。
55.如權(quán)利要求53所述的方法，其中處理所述圖像包括通過找到所捕獲圖像的區(qū)中的所述圖案與所述圖案的參考圖像之間的相應(yīng)的偏移來得到3D圖，其中所述相應(yīng)的偏移指示所述區(qū)與圖像捕獲組件之間的相應(yīng)的距離。
56.如權(quán)利要求53-55中的任一項所述的方法,其中捕獲所述圖像包括與所掃描光束同步地在所述所關(guān)注區(qū)域內(nèi)掃描感測區(qū)或傳感器。
全文摘要
一種用于映射的設(shè)備(20)包括照射模塊(30)，所述照射模塊包括輻射源(32)，所述輻射源配置成發(fā)射輻射光束。掃描儀(34)在選定角范圍內(nèi)接收且掃描所述光束。照射光學器件(35)投影所述所掃描光束以便產(chǎn)生在所關(guān)注區(qū)域內(nèi)延伸的光斑的圖案。成像模塊(38)捕獲投影至所述所關(guān)注區(qū)域中的物體(28)上的所述圖案的圖像。處理器(46)處理所述圖像以便構(gòu)建所述物體的三維(3D)圖。
文檔編號H04N13/00GK103053167SQ201180037859
公開日2013年4月17日 申請日期2011年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月11日
發(fā)明者亞歷山大·什蓬特, 班尼·佩薩克, R·阿克曼 申請人:普萊姆森斯有限公司