Оптическая система подсветки активной 3d камеры

Изобретение относится к области оптических систем, а именно систем для формирования излучения лазерных диодов, в частности, в системах подсветки активных 3D камер на лазерных диодах. Оптическая система подсветки активной 3D камеры включает массив первичных источников излучения и формирующую оптическую систему. Формирующая оптическая система состоит из промежуточной и выходной формирующих оптических подсистем. Промежуточная формирующая подсистема выполнена с возможностью формирования вторичного источника и включает в себя согласующую оптическую систему и интегратор. Согласующая оптическая система включает в себя массив линз первоначального преобразования излучения массива первичных источников и общий комбинер. Выходная формирующая оптическая подсистема представляет собой вариообъектив. Технический результат - повышение равномерности освещенности, минимизация габаритов и потерь энергии. 8 з.п. ф-лы, 9 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к области оптических систем, а именно систем для формирования излучения лазерных диодов, в частности, в системах подсветки активных 3D камер на лазерных диодах.

Системы подсветки активных 3D камер на лазерных диодах имеют много преимуществ, среди которых следует отметить высокое быстродействие и узкий спектральный диапазон источников излучения по сравнению с системами подсветки на основе светодиодов и других не лазерных источников излучения.

Основной проблемой, возникающей при проектировании систем подсветки активных 3D камер на лазерных диодах (например, для современных 3D камер с инфракрасной подсветкой), является задача обеспечения равномерности освещенности области подсветки на объекте при эффективном подавлении спеклов лазерного источника излучения, возникающих из-за его когерентности и монохроматичности, а также обеспечение переменного углового размера области подсветки на объекте при съемке с различных дистанций при минимизации габаритов и потерь энергии источников излучения.

Из уровня техники известны различные конструкции систем подсветки активных 3D камер и способы получения равномерного освещенности и эффективного подавления спеклов. В частности, можно упомянуть следующие патенты и патентные заявки США: №№6734450 [1], 7390097 [2], 5850300 [3], 5986807 [4], 6903859 [5], 7443591 [6], 6895149 [7], 2003/0174755 [8], 5109465 [9].

Наиболее распространенным решением является использование массива светодиодных источников, расположенных на внешнем торце 3D камеры вокруг основного объектива. При использовании ЛД источников для подавления спеклов и получения равномерной освещенности в области подсветки обычно используется либо подвижные рассеиватели, либо матричные пространственные модуляторы излучения, оптические интеграторы, либо многолинзовые растры.

Основным недостатком решений-аналогов является применение светодиодных источников излучения без возможности изменения углового поля области подсветки на объекте съемки.

Для достижения высокой помехозащищенности и повышения точности работы приемного каскада 3D камеры на входе обычно устанавливают узкополосные фильтры оптического излучения. Применение светодиодных источников излучения приводит к снижению отношения сигнал/шум из-за слишком широкого спектра их излучения, снижению точности работы 3D камеры и большим потерям энергии излучения.

Помимо этого, светодиодные источники излучения обладают значительно меньшим быстродействием по сравнению с лазерными диодами, что приводит к необходимости применения дорогих сверхвысокоскоростных затворов для получения требуемой длительности строба подсветки.

Кроме того, отсутствие возможности изменения углового поля области подсветки на объекте съемки резко ограничивает функциональность 3D камеры по сравнению с обычными современными фото- и кинокамерами, обладающими функцией зуммирования.

Наиболее близкой к заявляемому решению является конструкция, описанная в патенте США №6734450 [1], которая и была выбрана в качестве прототипа.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать конструкцию, позволяющую обеспечить повышенную равномерность освещенности в области подсветки на объекте с эффективным подавлением спеклов лазерного источника излучения, возникающих из-за его когерентности и монохроматичности, а также обеспечить получение переменного углового размера области подсветки на объекте при съемке с различных дистанций, добиваясь минимизации габаритов и потерь энергии в системе подсветки активной 3D камеры.

Технический результат достигается за счет того, что в качестве источника излучения применяются лазерные диоды совместно с оптической системой, выполненной с возможностью обеспечения равномерной освещенности и подавления спеклов в варьируемой области подсветки на объекте, а также оптической системой, выполненной с возможностью обеспечения переменного углового размера области подсветки. Иными словами, заявляется оптическая система подсветки активной 3D камеры, включающая массив первичных источников излучения и формирующую оптическую систему,

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что с целью обеспечения равномерной освещенности области подсветки, эффективного подавления спеклов лазерного источника излучения, обеспечения переменного углового размера области подсветки на объекте при минимизации габаритов и потерь энергии источников излучения схемотехника канала подсветки активной 3D камеры включает в себя последовательно расположенные массив лазерных многомодовых источников излучения, согласующую оптическую систему, оптический интегратор излучения и вариообъектив.

Фиг.1. Схемотехника системы подсветки известной активной 3D камеры (из патента США №6734450).

Фиг.2. Схемотехника системы подсветки активной 3D камеры согласно изобретению.

Фиг.3. Промежуточная формирующая подсистема согласно изобретению.

Фиг.4. Вариообъектив в широкоугольной позиции.

Фиг.5. Вариообъектив в промежуточной позиции.

Фиг.6. Вариообъектив в теле-позиции.

Фиг.7. Распределение освещенности в широкоугольной позиции на расстоянии 1 м.

Фиг.8. Распределение освещенности в промежуточной позиции на расстоянии 1 м.

Фиг.9. Распределение освещенности в теле позиции на расстоянии 1 м.

Наиболее перспективной представляется схема, приведенная на Фиг.2. В состав ее входят массив первичных источников 201 излучения и формирующая оптическая система, которая, в свою очередь, состоит из промежуточной и выходной формирующих оптических подсистем.

Первичные источники 201 излучения представляют собой мультимодовые мощные лазерные диоды с малой длиной когерентности.

Промежуточная формирующая подсистема включает согласующую оптическую систему и интегратор 205 и предназначена для формирования вторичного источника, расположенного на выходном торце 206 интегратора 205.

Согласующая оптическая система включает массив линз 203 первоначального преобразования излучения массива первичных источников 201 и комбинер 204. Линза 203 первоначального преобразования излучения первичных источников 201 представляет собой цилиндрическую линзу. Линза 203 уменьшает расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной эмиттеру, тем самым выравнивая угловые размеры индикатрис первичных источников 201 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Комбинер 204 представляет собой шестигранную призму из оптического стекла, причем передняя, задняя и две боковые грани являются преломляющими, а верхняя и нижняя грани являются отражающими. Согласующая оптическая система объединяет лучи от массива первичных источников 201 излучения и направляет их на входной торец 202 интегратора 205.

Интегратор 205 представляет собой стержень из оптического стекла постоянного сечения в виде прямоугольника с требуемым для конкретного варианта реализации соотношением сторон. Интегратор 205 осуществляет перемешивание лучей, увеличивая разность их хода, чтобы она превышала длину когерентности лазерного источника 201 излучения для подавления спеклов, и обеспечивает равномерное распределение освещенности на выходном торце 206 (формирует вторичный источник). При этом индикатрисы излучения вторичного источника однородны по его апертуре и имеют угловые размеры 2u'=12,0…16,0 град, а их оси являются коллинеарными одна относительно другой.

Выходная формирующая оптическая подсистема представляет собой вариообъектив 207, составленный из четырех групп линз - 401, 402, 403 и 404 и обеспечивающий требуемый перепад угловых размеров области подсветки.

Промежуточная формирующая подсистема иллюстрируется на Фиг.3.

Конструктивные параметры элементов оптической системы подсветки активной 3D камеры связаны соотношениями:

где L - длина оптического хода от цилиндрических линз до входного торца интегратора, D_инт - диагональ сечения интегратора, u' - угловой размер индикатрис излучения на выходе цилиндрических линз;

где L_инт - длина интегратора, D_инт - диагональ сечения интегратора.

Указанные соотношения для конструктивных параметров элементов оптической системы подсветки активной 3D камеры обеспечивают:

- согласование индикатрисы первичных источников с входной угловой апертурой интегратора;

- согласование выходной индикатрисы вторичного источника с входной угловой апертурой вариообъектива;

- высокую равномерность освещенности области подсветки, подавление спеклов и минимизацию энергетических потерь.

Пример предпочтительной реализации заявляемой системы

Массив первичных источников излучения состоит из трех мощных мультимодовых лазерных диодов с широким эмиттером. Лазерные диоды: мощность - 1000 мВт; ширина эмиттера - 100 мкм; длина волны излучения - 850 нм; расходимость - 32°×8° (по уровню 0,5).

Цилиндрические линзы: диаметром - 200 мкм; длина из технологических соображений должна быть больше 200 мкм; материал - оптическое стекло FPL51.

Расстояние между светоизлучающей площадкой каждого ЛД и соответствующей ему цилиндрической линзой - 18…20 мкм.

Комбинер - шестигранная призма. Передняя, задняя и две боковые грани преломляющие. Верхняя и нижняя грани отражающие. Призма: толщина - 1,0 мм; высота передней грани - 2,5 мм; высота задней грани - 0,4 мм; длина призмы из технологических соображений должна быть больше 0,5 мм; материал призмы - оптическое стекло S-LAM66 с показателем преломления в диапазоне от 1,7 до 1,85.

Интегратор выполнен в форме стержня, то есть прямоугольника с постоянным сечением и с соотношением сторон порядка 4:3. Интегратор: габариты: 20,0×2,0×1,5 мм³ (Д×Щ×В); материал - оптическое стекло FPL51 с показателем преломления в диапазоне от 1,4 до 1,5.

Вариообъектив имеет перепад фокусного расстояния порядка 3-х крат, неподвижную предметную плоскость, телецентрический ход главного луча и входной апертурный угол u=6,5…8,0 град. Вариообъектив состоит из четырех групп линз, из которых группа 401 и группа 403 являются подвижными.

Поверхность	Радиус	Коник	Толщина	Световой диаметр	Стекло
0	∞		*	2.5
1	1.777		0.391	3.0	FPL51
2	1.723		0.280	2.8	S-NPH1
3	1.530		0.020	2.52
4	0.970	-1.227	0.653	2.56	L-NBH54
5	1.821		**	2.32
6	-6.570		0.275	2.17	S-NPH1
7	-7.815		0.425	2.20	LAH66
8	-2.570		0.02	2.20
9	2.118		0.548	1.90	FPL51
10	8.160		***	1.56
11	-35.16		0.343	2.76	N-PSK57
12	-28.43		0.300	3.00	S-NPH1
13	13.752		1.441	3.10
14	-1.621		0.500	3.20	FPL51
15	-20.73		****	6.50
16	-31.21		1.196	8.00	S-NPH1
17	-7.802		0.864	8.22	L-LAM60
18	-5.542	-0.578	-	8.60

Позиция	1	2	3
зуммирования	(Широкоугольная)	(Промежуточная)	(Теле)
Толщина 0 (*)	0.842	0.835	0.331
Толщина 5 (**)	1.458	1.466	1.969
Толщина 10 (***)	2.784	1.344	0.120
Толщина 15 (****)	0.058	1.498	2.722
Фокусное расстояние	1.68	2.79	5.83
Выходное поле	60°×45°	38°×28.5°	20°×15°
Полная длина	12.40	12.40	12.40

В таблицах - все линейные размеры в мм.

Энергетическая эффективность: >90%.

Неоднородность в области подсветки требуемого углового размера: <10%.

В настоящее время наиболее эффективное применение связано с использованием в системах подсветки активных 3D камер.

1. Оптическая система подсветки активной 3D камеры, включающая массив первичных источников излучения и формирующую оптическую систему, отличающаяся тем, что формирующая оптическая система состоит из промежуточной и выходной формирующих оптических подсистем, причем:
промежуточная формирующая подсистема выполнена с возможностью формирования вторичного источника и включает в себя согласующую оптическую систему и интегратор;
согласующая оптическая система включает в себя массив линз первоначального преобразования излучения массива первичных источников и общий комбинер;
выходная формирующая оптическая подсистема представляет собой вариообъектив.

2. Оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что массив первичных источников излучения выполнен в виде набора мультимодовых мощных лазерных диодов с малой длиной когерентности.

3. Оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что массив линз первоначального преобразования излучения массива первичных источников состоит из цилиндрических линз.

4. Оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что комбинер выполнен в виде шестигранной призмы из оптического стекла с показателем преломления в диапазоне от 1,7 до 1,85, причем передняя, задняя и две боковые грани являются преломляющими, а верхняя и нижняя грани являются отражающими.

5. Оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что интегратор выполнен в виде стержня из оптического стекла с показателем преломления в диапазоне от 1,4 до 1,5, постоянного сечения в виде прямоугольника с соотношением сторон порядка 4:3.

6. Оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что вторичный источник излучения формируется на выходном торце интегратора.

7. Оптическая система по п.6, отличающаяся тем, что индикатрисы излучения вторичного источника однородны по его апертуре и имеют угловые размеры 2u'=12,0…16,0 град, а их оси являются коллинеарными одна относительно другой.

8. Оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что вариообъектив имеет перепад фокусного расстояния порядка трех крат, неподвижную предметную плоскость, телецентрический ход главного луча и входной апертурный угол u=6,5…8,5 град.

9. Оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что конструктивные параметры элементов оптической системы подсветки активной 3D камеры связаны соотношениями:

где L - длина оптического хода от линз до входного торца интегратора;
D_инт - диагональ сечения интегратора;
u' - угловой размер индикатрис излучения на выходе линз;

где L_инт - длина интегратора;
D_инт - диагональ сечения интегратора.