专利名称：测距设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测距设备，特别涉及一种成像测距设备。
成像测距系统通常对一个景象进行照射，使从该景象反射的光成像，以确定距离信息。
一种已知的系统称为三角测量系统，其使用光源而利用光束对景象进行照射，使得在景象内出现一个光斑。检测器以预定方式相对于光源定位成使得光斑在景象内的位置揭示距离信息。光束可以在方向和高度上对景象进行扫描，以产生整个景象的距离信息。在一些系统中，光束可以是线光束从而可以同时采集到一维的距离信息，并且使该线光束在垂直方向扫描，就可以得到另一维的距离信息。
诸如这样的系统需要扫描，这就增加了费用和复杂性，也意味着要对快速变化的景象进行精确的测距是不可能的。此外，在已知的三角测量系统中的照射通常需要激光系统。使用激光系统可能具有安全性的意义，但可能需要复杂而较不经济的扫描机构。激光器也是较高的功率源。
US 6,154,279揭示了一种确定埋头螺孔形状的方法和设备。至少一个激光器将激光指向具有孔的表面从而生成光斑，而这个光斑相对于平坦表面的基准图像的侧向位移用来给出深度信息。在一个实施例中，激光器可以投射多个光斑，从而可以对一个图像内的许多光斑进行分析。然而，如在US 6,154,279中所揭示的这种方法只适合于查看在一个已知的有限景深内的连续表面，并且要求被观察表面的模型正确起作用。因此，它不适合根据包括分布在大景深上的离散目标的景象提供距离信息。
US 4,294,544揭示了一种从景象得到三维地形数据的系统。利用多个激光光束对景象进行照射，这些激光光束按预定的顺序打开和关闭，使得在景象内检测到的每个光斑都可以用一个投射光束进行标识。成像器配置成观察利用每个不同的光斑图案照射的景象，一旦已经标识了光斑，就可以确定到这个光斑的距离。然而，这种方法涉及几个投影阶段，而且使用激光器和比较复杂的快门机构来投射不同的图案。这些投影阶段也需要花费时间，因此与扫描系统类似，所揭示的这种设备不适合用于变化比较快的景象。
US 4,867,570揭示了一种通过将多个图案光束投射到物体上来得到这个物体的三维信息的方法和设备。光源配置在具有多个窗口的掩模后。透镜将这个光源的通过掩模所看到的图像投射到要成像的物体上，而另一个放大率相同的透镜配置在同一个平面内，其光轴与第一透镜的光轴平行，该透镜使景象在CCD阵列上成像。景象内这些光斑的位置给出了到该光斑的距离，虽然用来计算距离的方法并不清楚。然而，这种投影系统的景深有一定限制，这是因为使用使受照射的掩模成像的透镜和投射装置不会有宽的投射角。因此，该发明所揭示的只适用于对一个窄的作用范围内的有限视场成像。
在美国专利6,377,353中揭示了另一种测距系统。其中，将光源配置在其中具有孔径阵列的图案式滑片前。为了将光斑阵列投射到景象上，来自光源的光必须通过孔径。在这种设备内的距离信息是通过分析所形成的光斑的大小和形状而确定的。然而，这种系统要求光斑的大小和其取向是可确定的，而这需要在光斑的大小上有合理的差别。因此，这种系统必然具有有限的观察深度，所以实际上只能用于对连续表面的测距。
因此，本发明的一个目的是提供一种能减轻上述缺点中的至少一些缺点和可用于大景深和其中分布有离散物体的景象的测距设备。
因此，按照本发明，提供了一种测距设备，这种测距设备包括利用二维光斑阵列照射景象的照射装置，检测光斑在景象内的位置的检测器，以及适合根据检测到的光斑在景象内的位置确定到该光斑的距离的处理器。
照射装置利用光斑阵列照射景象。检测器然后查看该景象，而处理器确定光斑在被测景象内的位置。阵列内任何光斑的视在位置将由于视差而随距离改变。由于检测器与照射装置的关系是已知的，因此阵列内任何已知光斑在景象内的位置可以得出到该光斑的距离。
当然，为了能计算出到光斑的距离，必须知道正在处理的是阵列内的哪个光斑。在现有技术的单光斑系统内，在景象内只有一个光斑，因此没有困难。即使是使用线光束，光束也投射成与一个方向、例如y方向平行。于是，对于在y方向上的每个值，景象内的实际x位置就可以用来确定距离。
然而，如果所使用的是二维光斑阵列，则光斑沿x和y两个方向分布。技术人员因此不倾向于使用二维光斑阵列，因为他们会想这意味着测距系统不能确定分辨各个光斑从而不能执行测距，或者会得出可能有差错的结果，如果所考虑的是错误的光斑的话。然而，本发明确实可以使用二维光斑阵列来同时对两维的景象进行测距，并且使用了各种技术来避免光斑确定时的模糊。
US 4,294,544建议使用光斑阵列，但建议以预定方式将这些光斑打开和关闭，使得每个光斑可以通过确定它在哪些帧中出现而唯一地标识。然而，这需要比较复杂的照射系统，而且还需要摄取几个帧的景象，从而增加了获得距离信息所需的时间。如果所投射的阵列包括N列光斑，那么US 4,294,544的方法就需要获取I＝1+log2N个图像。
US 6,154,279还建议投射光斑阵列，但只用于模糊不会是问题的景深很有限的测距这种非常受控的情况，而且仅仅用于可以由测距设备建模的已知连续表面。US 4,867,570还建议投射光斑阵列用来测定距离，但没有指出怎样确定距离信息和怎样可以解决景象内的模糊。
本文中所谓的光斑阵列是指任何投射到景象上的具有明显的强度区域的阵列。通常，一个光斑是任何的高强度辐射的明显区域，而且如稍后要说明的那样可以有特定的形状。然而，只要可以识别不同的光斑，就可以将这些高强度的区域链接起来。例如，照射装置可以将交线阵列投射到景象上。线的交点是可以识别的明显的点，而且当作用于本说明书目的的光斑。
照射装置和检测器可以方便地配置成使得所投射的阵列内的每个光斑在被测景象内呈现为从一个距离到另一个距离沿一个轴运动，而投射阵列内的每个相邻光斑的视在运动的轴是不同的。如稍后要说明的那样，阵列内的每个光斑根据到目标的距离出现在景象内的不同点处。如果设想一个平的目标缓慢地远离检测器运动，则每个光斑看起来就横贯景象移动。这种移动在调整得很好的用于某些用途的系统内将沿着与连接检测器和照射装置的轴平行的方向，假设没有反光镜等放置在检测器或照射装置的光路中。然而，每个光斑将在景象内垂直于这个轴的方向上保持相同的位置。对于照射装置和检测器的不同配置而言，移动会呈现为沿着大体会聚的线。
因此可以说，每个投射光斑在景象内具有与在系统的作用范围内不同距离上各个可能位置相应的轨线，也就是说视在移动的轨线会是可能出现光斑的视在移动的轴的部分，如在建立这个设备时所规定的。光斑在被测景象内的实际位置产生了距离信息。如果一个光斑在不同的距离处的视在移动方向恰巧与另一个光斑的相同，与投射阵列内不同光斑相应的轨线就可能交叠。在这种情况下，处理器将不能确定正在考虑的是投射阵列内的哪个光斑。如果在投影阵列内相邻的光斑的轨线交叠，特定的光斑在景象内的位置的测量可能与若干不同距离中的任何距离相应，而这些可能距离之间只有很小的间隔。例如，设想光斑阵列是一个呈x-y正方网格形式的二维光斑阵列，而检测器与照射装置只是沿着x轴分开。使用笛卡尔坐标标识投影阵列内的光斑，其中(0，0)为中央光斑而(1，0)为沿x轴的一个光斑，在一个距离处的投影阵列内位置(0，0)处的光斑在景象内的位置可能与在稍有不同的距离处的投影光斑(1，0)的位置相同，甚至与在再稍有不同的距离处的投影光斑(2，0)的位置相同。景象内的这种模糊因此会使距离测定非常困难。
然而，如果将检测器和照射装置配置成使得它们之间的轴不与投影阵列的x轴平行也不与投影阵列的y轴平行，那么相邻光斑就不会交叠。理论上，投影阵列内每个光斑的轨线不会与任何其他光斑的轨线交叠，但在实践中，由于光斑和阵列比较大，因此这是不可能的。然而，如果配置成使得每个光斑的轨线仅与阵列内一个离得比较远的光斑的轨线交叠，那么虽然仍然还会存在模糊，但模糊量就会减少。此外，可能的解之间的距离之差会相当大。例如，如果要在景象内的一个位置检测特定投影光斑、例如光斑(0，4)，所确定的距离可能远远不同于在景象内同一个位置出现的阵列内去除的光斑(5，0)所确定的距离。在一些应用中，作用范围可以使得与光斑在景象内各个可能位置相应的轨线在操作窗内不会交叠，从而不会有模糊。即使是工作距离会允许一些光斑的轨线交叠，距离上有显著差别就可能执行对距离的粗估计，以唯一确定哪个光斑是哪个，而每个光斑在景象内的位置用来给出精距离信息。
确定粗距离信息的一种方便的方式涉及将照射装置和检测器配置成可以使投影光斑阵列在设备的作用范围内的第一距离处呈现为锐利聚焦而在设备的作用范围内的第二距离处呈现为没有聚焦。处理器可以确定光斑是否聚焦，以便确定粗距离信息。例如，如果检测到的光斑可能与打到近距离的目标上的投影光斑(0，4)或打到远距离的目标上的投影光斑(5，0)相应，处理器就可以考察光斑的图像来确定光斑是否聚焦。如果照射装置和检测器一起配置成使光斑在远距离聚焦，那么确定所考虑的光斑是聚焦的就意味着检测到的光斑应是打到远距离的目标上的投影光斑(5，0)。如果检测到没有聚焦的光斑，其应与从近距离的目标反射的光斑(0，4)相应。优选的是，为了便于识别光斑是否聚焦，照射装置可以投射由聚焦时是非圆形的(例如是正方形的)光斑组成的光斑阵列。聚焦的光斑于是就是正方形的，而没有聚焦的光斑就是圆形的。当然也可以用其他粗测距方法，如可以用光斑大小作为粗距离的指示。
因此，本发明可以使用单个获取的景象帧来确定景象内的距离。这避免了对于诸如在US 4,294,544中所揭示的可以快速测距的复杂的编码系统的需求。此外，处理器可以使用光斑在景象内的位置来确定可能的距离，并且如果在距离内存在可能的模糊，则处理器可以考察诸如光斑的形状之类的辅助特性来消除可能的任何模糊。因此，处理器可以适合消除景象内存在的任何残留的模糊。当然，在评估是否存在任何模糊方面也可以考虑其他光斑在景象内的位置。在以上这个例子中，如果观察到的光斑可能与投影光斑(5，0)或(0，4)相应，而在景象内观察到的另一个光斑只可能是由于投影光斑(5，0)引起的或者在景象内没有别的光斑可能与投影光斑(0，4)相应，于是就消除了模糊(虽然这假设了检测器可以看到向景象投射的所有光斑)。
因此，本发明提供了一种具有大景深的测距系统，这种测距系统具有消除在标识观察到的光斑中的任何模糊的装置。本发明可以用于具有许多处在各个距离上的离散物体的景象，并且提供快速的测距，因此可以用于正在改变的景象。对于某些应用而言，这种测距设备可以在给出大视场的150毫米到2.5米的操作窗内解出到景象内的物体的距离。可以使用更大的操作窗或者更大的最大距离或更小的最小距离来配合其他应用。如稍后要说明的，本发明的优选照射装置可以有益地产生从150毫米到无限远的景深。
作为消除可能的模糊的一种补充或替代方法，可以使照射装置周期性地改变二维投射光斑阵列，也就是说可以在不同时间使某些光斑打开或关闭。这种设备可以周期性地利用不同的光斑阵列照射景象。实际上，可以将一个帧分成一系列子帧，在每个子帧内投射一个子阵列。可以使每个子阵列在这个子帧内存在很少的距离模糊或没有距离模糊。通过整个帧可以对全景细致而没有模糊地成像。虽然这种方法具有要用若干子帧来成像的缺点。但是不像US 4,294,544中所用的方法要用各个子帧的照射来执行光斑识别，本发明是对每个子帧获得的数据执行测距。随着时间的推移使用多于一个子帧，增加了图像内的距离点，因此提高了相对于距离的图像分辨率。因此，本发明可以用比现有技术少的子帧工作，而仍然可以用来给出对变化较快的景象的良好分辨率。
另一个方法可以是利用整个光斑阵列照射景象和识别任何模糊区域。如果特定的检测到的光斑可以与不同距离上的多于一个投射光斑相应，那么可以通过使这些可能的投射光斑中的一个或多个光斑去激活来消除模糊。这种方法可能需要较多的处理，但是可以较快地进行测距，而且需要获得最少的辅助子帧来执行测距，也就是说少于在US4,294,544中所揭示的I＝1+log2N个子帧。按照照射装置和使个别光斑关闭的容易程度，通常取一个用子组光斑照射的辅助子帧就足以提供全部的测距信息。
作为补充或者替换方案，使照射装置产生其中的至少一些投射光斑具有与它们的相邻光斑不同的特性的光斑阵列。这个不同的特性可以是颜色或形状，或者是这两者。
光斑具有不同颜色或形状同样也减少了检测到的光斑的模糊。虽然不同的光斑的轨线可能交叠，而且可能存在纯粹基于景象内光斑位置的模糊，但如果在那些轨线上的投射光斑的颜色和/或形状是不同的，那么处理器就能确定哪个光斑是哪个，从而就不会有模糊。因此，优选的是检测器和照射装置配置成如果一个投射光斑的轨线与一个或多个其他投射光斑的轨线交叠，那么至少具有共同轨线的最近的投射光斑应具有不同的特性。
如上面所提到的，光斑可以包括实线之间的交点。检测器于是可以如上面所说明的那样确定光斑或者线相交的区域的位置。优选的是，照射装置投射两组规则地隔开的线，这两组线基本上是正交的。
这样使用交线使检测器可以以与如上面所说明的相同方式确定交点的位置。一旦检测到和识别了交点，就还可以将连接线用于距离测量。实际上，交点用来标识投射阵列内的各条线，一旦这样识别了这些线，就可以利用该线上的所有点给出距离信息。因此，与只用独立光斑的测距设备相比，测距设备的分辨率可以得到改善。
方便的是，检测器是二维的CCD阵列，即CCD摄像机。CCD摄像机是比较经济和可靠的部件，对于确定光斑来说具有良好的分辨率。专业技术人员显然清楚也可以使用其他适当的检测器，其中包括CMOS摄像机。
照射装置可以很方便地做成使二维阵列的光斑是红外光斑。使用红外辐射意味着光斑不会影响可见光谱区内的景象。检测器可以做成适合获取景象的可见图像以及红外光斑在景象内的位置。
检测器与照射装置之间的基线的长度确定了系统的精度。术语“基线”是指检测器的视线与照射装置的视线的间距，如熟悉该技术的人员所理解的。如专业技术人员所理解的，任何特定的光斑在景象内在两个不同距离之间的视在移动的程度将随着检测器与照射装置之间的间距或基线的增大而增大。景象内不同距离之间视在移动增大显然意味着可以更为精确地确定距离上的差别。然而，基线增大同样也意味着没有模糊的工作范围减小。
因此按照具体用途选择检测器与照射装置之间的基线。对于要在例如0.5m到2.0m的作用距离工作的测距设备来说，检测器与照射装置的基线典型为大约为60mm。
应该注意的是，虽然该设备的基线通常是检测器与照射装置之间的实际物理间距，但也不一定总是这种情况。有些实施例可以在照射装置和/或景象的光路内具有反光镜、分光镜等。在这种情况下，实际的物理间距可以较大，但如熟悉该技术的人员所理解的，通过利用适当的光学器件，视在间距或基线仍然是较小的。例如，照射装置可以直接对景象进行照射，但是靠近照射装置设置的反光镜可以将接收到的幅射导向检测器。在这种情况下，实际的物理间距可以较大，但视在间距或基线将由反光镜和检测器的位置、即在没有反光镜而检测器接收同样的幅射的情况下检测器应在的位置来确定。技术人员可以理解，所谓基线应该视为检测器与照射装置之间的视在间距。
检测装置可以做成从多于一个方向对景象成像。检测器可以从一个位置移动到另一个位置，以便从不同的视点对景象成像，或者可以在到检测器的光路内设置扫描光学装置，以便周期性地改变查看方向。然而，这两种方法都需要可动部件，意味着景象必须通过子帧成像。作为一个可替代方案，检测器可以包括两个检测器阵列，每个检测器阵列配置成从不同的方向对景象成像。实际上，可以用两个检测器(两个摄像机)，各从不同的方向对景象成像，因此增加了距离信息量和/或提高了距离信息的质量。
从多于一个方向对景象成像具有若干优点。显然，从某些视点看，景象的前景内的物体可以遮蔽景象的背景内的物体。改变检测器的视点可以保证得到全景的距离信息。此外，可利用两个图像之间的差别来提供有关景象的距离信息。在两个图像上之间，前景内的物体相对于背景内的物体的位置发生了偏移。这可用来给出附加的距离信息。此外，如所提到的，在某些视点中，前景内的物体可以遮蔽背景内的物体，这可用来给出相对距离信息。在景象内物体的相对移动也可以给出距离信息。例如，前景内的物体可以呈现为在景象内从一个视点移动到另一个视点的移动方式，而背景内的物体可以呈现为另一种移动方式。因此，优选的是处理器对从每个视点得到的景象应用图像处理算法，以确定距离信息。所需的这种图像处理算法为本领域技术人员所知。这样得出的距离信息可以用来消除景象内各个光斑之间的任何模糊，从而进行精密测距。因此，本发明可以使用处理技术考察两个图像内的差别，以利用已知的立体成像技术确定有关景象的信息，从而增加通过分析投射光斑的位置采集的距离信息。
如果使用多于一个视点，那么这些视点可以具有不同的基线。如所提到的，检测器与照射装置之间的基线对设备的距离和模糊度有影响。因此，一个视点可以与小基线使用，以便在所需的距离范围内给出到景象的精度比较低、但不模糊的距离。这个粗距离信息于是可以用来消除从一个具有较大的基线、因此具有较高的精度的视点看到的景象中的模糊。
作为补充或者替换方案，两个视点之间的基线选择成如果在从一个视点得到的景象内检测到的光斑可以与第一组可能距离相应，那么在另一个视点检测到的相同光斑只可能与在该第一组距离内的一个距离相应。也就是说，设想在从第一视点看到的景象内检测到光斑，并且这个光斑可能与第一距离R1处的第一光斑(1，0)、第二距离R2处的第二光斑(2，0)、第三距离R3处的第三光斑(3，0)等等光斑相应。在从第二视点观看时，相同的光斑也给出一组可能的距离，也就是说它可能是距离r1处的光斑(1，0)、距离r2处的光斑(2，0)等等。适当的设置两个视点和照射装置，在将这两组距离比较时可能只有一个可能距离为两个组所共有，因此这个距离一定是实际距离。
在使用多于两个视点的情况下，至少其中的两个视点的基线可以沿不同的轴设置。例如，一个视点可以与照射装置水平分开，而另一个视点与照射装置垂直分开。两个视点可以从不同的角度对景象共同成像，因此可以减少景象的前景部分对背景部分的遮蔽的问题。两个视点还可以如上面所提到的那样无模糊地确定任何光斑，但是在不同的轴上隔开视点可以有助于对图像的后续处理。利用不同的视点可以例如有助于边缘检测，这是因为通过保证两个视点垂直分开可以有助于景象内水平边缘的检测。
在优选实施例中，系统可以包括至少三个检测器，配置成两个检测器具有沿第一轴分开的视点，而至少第三检测器定位成视点不在第一轴上。也就是说，其中两个检测器的视点沿x方向分开，而第三个摄像机的视点与前两个检测器分开。方便的是，该系统可以包括配置成基本上是直角三角形结构的三个检测器。照射装置可以方便地与这三个检测器形成长方形或正方形的结构。这样的结构给出了良好的对景象的覆盖度，从而可以通过对不同图像进行相关而无模糊地确定投射光斑和保证两对沿垂直轴分开的图像。可以对两组图像对应用立体成像技术，以对图像内所有边缘进行分析。
设备还可以包括多个照射装置，配置成从不同方向照射景象。系统可以为周期性地改变用来照射景象的照射装置，使得任何时间只使用一个照射装置，或者可以同时使用两个或更多个照射装置，而且投射的光斑可以具有不同的诸如形状或颜色之类的特性，以便处理器可以得出哪些光斑是由哪个照射装置投射的。具有两个照射装置与如上面所说明的具有两个检测器产生一些相同好处。利用一个照射装置，背景内的物体可能被前景内的物体遮蔽，从而不会受到照射装置的照射。因此不可能产生任何距离信息。具有两个照射装置就可以避免这个问题。此外，如果一个或多个检测器处于离各个照射装置的不同基线处，那么这不同的基线也可以用来帮助消除距离模糊。
理想的是，照射装置应该使用功率较小的光源而产生具有大景深的大而规则的光斑阵列。在利用各可能距离的大操作窗工作时大景深是必需的，这是因为投影是广角的，也就是说光斑应该以广角均匀地投射到景象上，而不是仅仅照射景象的一小部分。优选的照射装置以60°到100°之间的照射角投射光斑阵列。有效的景深可以是从150mm到无限远。
因此，在优选实施例中，照射装置包括配置成照射光波导的部分输入端面的光源，该光波导包括具有基本上是反射性的侧面的导管，与投影光学装置一起配置成向景象投射由光源的一些不同的图像组成的阵列。这个光波导实际上起着万花筒的作用。来自光源的光从导管的侧面反射，可以在导管内经历若干个反射光路。结果是产生多个光源图像，并且投射到景象上。因此，景象受到由光源图像组成的阵列的照射。如果光源是简单的发光二极管，景象因此就受到光斑阵列的照射。光波导万花筒给出了很好的图像重复特性，并且以广角投射光波导输入端面的图像，即在所有方向上投射大量光斑。此外，万花筒还产生大的景深，因此提供了大的操作窗。
光波导包括具有基本上是反射性的壁的导管。优选的是，该导管具有恒定的截面，方便的是正多角形。具有规则截面意味着光源图像阵列也是规则的，这对保证覆盖全景是有益的，并且方便了处理。最为优选的是导管的截面为正方形。典型的是，光波导的截面积在几平方毫米到几十平方毫米的范围内，例如截面积可以在1-50mm2或2-25mm2的范围内。如所提到的，光波导优选的是具有规则形状的截面，最长的尺寸为几毫米，例如1-5mm。如所提到的一个实施例是导管的截面为边长是2-3mm的正方形，光波导的长度可以为几十毫米，光波导可以为10到70mm长。这样的光波导可以在50-100度(典型的是光波导内的总内角的两倍)上产生光斑栅格。通常发现，景深大到足以允许在150mm到无限远工作。然而，对于某些应用可以采用其他适当的光波导结构。
导管可以包括具有反射性的内表面、即镜式内壁的空心管。或者，也可以是用实心材料做成的导管，并且设置成使入射到导管材料与周围材料之间的交界面上的绝大部分光都受到全内反射。导管材料可以镀以具有适当折射率的镀层，也可以设计成能在空气内工作，在这种情况下光波导材料的折射率应该使得在材料与空气的交界面上出现全内反射。
利用这样的导管作为光波导可以产生多个光源图像，可以将这些图像投射到景象以形成光斑阵列。这种光波导制造、装配容易，而且可也将来自光源的光大部分投向景象。因此，可以使用诸如发光二极管之类的小功率光源。由于出口孔径可以很小，因此设备还具有大的景深，使设备可用于需要要将光斑分开投射在很宽的距离范围内的测距应用。
可以用靠近光波导的输入端面的各个光源各照射部分输入端面，也可以用一个或多个光源通过掩模来照射光波导的输入端面。使用具有透射部分的掩模使光传播到部分光波导可能比使用单个光源方便。需要在光波导的输入端面精确调准掩模，但是这可能比精确调准LED或LED阵列方便。
优选的是，在使用掩模的情况下，照射装置包括均束器，其设置在光源与掩模之间，以保证掩模得到均匀的照射。因此，光源可以是任何给出可接受的亮度的光源，而不需要精确调准。
投影光学装置可以包括投影透镜。投影透镜可以设置在光波导的输出端面邻近。在光波导是实心的一些实施例中，透镜可以与光波导整合在一起，也就是说可以对导管在输出端面处进行定形以形成透镜。
按照本发明的设备投射的所有光束通过光波导的末端，并且可以看作是从光波导的端面中心发出的光束。于是，投影光学装置可以包括半球形透镜，如果半球形的中心与光波导输出端面的中心一致，那么光束的视在原点就保持在同一个点处，也就是说每个投射图像具有共同的投影原点。在这种结构中，投影器没有可以看作广角辐射光束的光源的轴。本发明的优选照射装置因此与已知结构的光产生器有相当大的不同。这种测距设备的问题因此是光束的原点与检测器的成像透镜的主点之间的几何关系。
优选的是，投影光学装置可以做成使投射阵列在比较大的距离处聚焦。这就在大距离处提供了清晰的图像而在较近的距离处提供了模糊的图像。如以上所说明的那样，模糊量可以给出可用来消除模糊的比较粗的距离信息。如果光源照射具有诸如正方形之类的非圆形形状的光波导输入端面，其差别就可得到改善。可以使用正方形光源，也可以将光源与具有正方形透射部分的掩模一起使用。
为了进一步消除模糊，围绕光波导的反射轴形状不对称的光源可以照射光波导的输入端面。如果光源或掩模的透射部分围绕反射轴不对称，那么光源的图像将与它的镜像不同。在投射阵列内的相邻光斑是互为镜像的，因此这样定形光源或掩模的透射部分将可以分辩相邻的光斑。
设备可以包括多于一个光源，每个光源配置成各照射光波导的部分输入端面。使用多于一个光源可以改善景象内的光斑分辨率。优选的是，将多于一个的光源配置成规则图案。这些光源可以配置成使得不同的光源配置可用来提供不同的光斑密度。例如，可以将单个光源设置在光波导的输入端面中央，以提供某个光斑密度。还可以在输入端面上配置独立的2×2光源阵列，可以用来代替中央光源，从而提供增大了的光斑密度。
或者，也可以将掩模配置成有多个透射部分，各照射光波导的一部分输入端面。按照与使用多个光源类似的方式可以增大景象内的光斑密度。掩模可以包括电光调制器，因此可以改变任何透射部分的传输特性，也就是说掩模内的窗可以从透射型切换为非透射型，从而有效地打开和关闭投射阵列内的某些光斑。
在使用多于一个光源的情况下，可以将至少一个光源配置成以与另一个光源不同的波长发光。或者，在使用具有多个透射部分的掩模时不同的透射部分可以发射不同的波长。使用具有不同波长的光源或工作在不同波长的透射窗意味着投射到景象上的光斑阵列具有不同的波长，实际上这些光斑是不同颜色的，虽然专业技术人员可以理解所谓颜色并不是暗中意味是在可见光谱内工作。具有变化的颜色将有助于消除在分辨投射阵列内的各个光斑时的模糊。
或者，可以与另一个光源不同地定形至少一个光源，优选的是围绕光波导的反射轴形状不对称的至少一个光源。定形光源也有助于辨别光斑阵列内的光斑，而具有不对称的形状意味着镜像将是不同的，如上面所说明的那样，这进一步改善了差别。可以使用掩模通过适当定形透射部分来达到同样的效果。
至少一个光源可以设置在光波导内与另一个光源不同的深度处。从万花筒投射的阵列的角间距由它的长宽比确定，如稍后所说明的那样。将至少一个光源设置在万花筒内有效地缩短了对于这个光源的光波导的有效长度。因此，所得到的向景象投射的图案将包括多于一个的具有不同周期的光斑阵列。光斑的交叠度将因此随离阵列的中心的距离而改变，这可用来唯一地标识每个光斑。
测距系统还可以具有周期性地使景象内的光斑阵列改变方向的装置。这个使景象内的光斑阵列改变方向的装置优选设置成移动景象内的光斑阵列，以便提供新的距离点。因此，可以利用光斑阵列照射景象，确定到每个光斑的距离。然后，可以移动景象内的光斑阵列，从而发现到每个新的光斑位置的距离。这可以使图像在测距方面的分辨率得到提高，从而可以非常精确地对景象进行测距。
使景象内的光斑阵列改变方向的装置可以包括使照射装置移动或倾斜的装置。在移动照射装置的情况下，可以改变检测器与照射装置之间的基线，显然这将需要处理器在计算到每个光斑的距离时予以考虑。或者，稍使照射装置倾斜而不改变视在基线，但是会导致轻微的光斑位移。
作为完全是移动照射装置的替代方案，使光斑阵列改变方向的装置可以包括设置在照射装置的光路中的光学元件。例如可以将折射材料的楔放置在光路中靠近投影光学装置的位置。该折射楔可以起着使幅射稍偏离不存在楔时遵循的路径。因此，可以将楔插入或退出光路来改变阵列在景象内的方向。或者，也可以是将楔配置成可以围绕轴转动，以便使入射辐射随着楔的定位而偏向不同方向。楔可以做成可以在固定位置之间转动，而测距系统做成在每个位置获取图像。因此可以达到使光斑密度增大为四倍。
本发明的测距系统还可以有益地包括位置传感器。在测距设备用于诸如摄像机之类的便携设备的情况下，知道摄像机在获取图像时的位置可能是有益的。知道摄像机的位置和到所获取的图像内的物体的距离就可以确定景象内物体的位置。这可以用于许多用途，特别是对于使用所获取的图像来形成景象或物体的三维模型的情况。位置传感器可以包括给出坐标位置的GPS(全球定位系统)接收器，或者包括确定相对某个固定点的位置的位置传感器。例如，位置传感器可以确定测距设备相对于设置在固定点的标志信标的位置。
优选的是，位置传感器确定传感器的取向。这可以是测距系统俯仰上的取向，即它是仰视还是俯视以及到什么程度，或者是系统的方位，即它是向东看还是向西看等等，也可以是这两者。取向也可以相对标志信标来确定。如本领域技术人员可以理解的，可以使用任何已知的定向系统，例如罗盘、倾斜/俯仰传感器、磁场传感器等。可以使用惯性传感器来跟踪测距设备的运动，以便确定位置和/或取向信息。
在已知了图像的位置和取向信息以及到图像内的物体的距离时，就可以使用这个图像来形成景象的三维模型。可以利用本发明的测距设备从若干不同的视点对物体或者诸如房间之类的景象成像，使用所记录的图像以及位置和距离信息来形成这个物体或房间的三维模型。
在本发明的一个实施例中不是跟踪本发明的测距设备的位置和从若干不同的视点摄取物体或景象的图像，而是将按照本发明的多个测距设备以相互固定的关系配置以从不同的视点对空间成像。设想，按照本发明的多个测距摄像机以已知的固定关系配置，从不同的角度对同一空间成像。每个测距摄像机从不同的角度对放置在这个空间内的任意物体成像，从而为每个视点确定到物体表面的距离。然后可以利用从这些图像得到的数据建立这个物体的三维模型。这可以用于许多种计算机辅助设计或者建模或仿真应用。物体不必是无生命的，也可以是一个人或动物的全体或部分。例如，可以在摄像棚内配置若干摄像机对一个人成像，并且确定诸如体格大小的生物测定信息，其可以用于衣服拟合，或者较小的空间对脚成像，例如用来确定鞋的尺码，或者对面部成像用来进行面容识别。
按照本发明的测距设备可以用于各种应用。使用按照本发明的设备特别是记录位置信息的实施例可以有助于测绘。本发明可以用于水下成像设备，其可以有助于勘察、构建和海洋考古学。
可以使用按照本发明的测距设备对生产过程进行质量控制或辅助自动装配。该设备可以用来辅助诸如机器人视觉、UAV/UUV(无人驾驶空中/水下运载工具)导航或汽车驾驶辅助之类的自动导航。
安全扫描器和邻近报警器可以使用距离信息来帮助标识景象内的运动或对景象内的物体进行分类。本发明还可以用于访问控制，可以例如使用人的面部图像作为部分访问控制装置，用来与参考图像进行比较。
由于本发明允许很快得到距离信息，因此这种测距设备可用来分析运动。例如，如上面所说明的访问控制应用可以包括在所记录的主体说口令时记录和分析其面部的运动。系统可以与语音识别设备配合来增加安全性。
如前面所提到的，这些投射光斑可以具有与可见光谱不同的其他波长。检测器必须能检测这些光斑，但是它还可以在可见光波长外工作，例如可以使用红外摄像机或紫外摄像机。
虽然需要能确定距离点的处理器，但设备可以包括图像获取单元，其简单地获取利用光斑阵列照射的景象的图像以用于以后处理。因此，在本发明的另一方面中，提供了一种具有大景深的图像记录器，它包括利用光斑阵列照射景象的照射装置和记录景象的图像的成像阵列，这种图像记录器的特征是照射装置适合照射景象，使得光斑在所记录的图像内的位置可用来确定距离而没有任何模糊。在设备没有集成的处理器时很明显当时不可能确定任何可能的模糊的位置，因此照射装置做成可以对景象进行照射使得在距离测定中不会有模糊。所有如上面对本发明的第一方面所说明的消除模糊的设备、方法和特征可以用于本发明的这个方面，包括在一定距离上聚焦的经整形的光斑、经着色的光斑、经不同着色的光斑和多个视点/成像阵列。本发明的这个方面还可以采用与本发明的第一方面相同的改善光斑密度分辨率的技术，诸如使光斑阵列改变方向或在不同时间激活不同的阵列之类的技术。本发明这个方面的照射装置优选的是参照本发明第一方面所说明的照射装置。
在本发明的另一个方面中，提供了一种得到有关景象的距离信息的方法，这种方法包括下列步骤利用光斑阵列照射景象，拍摄这些光斑在景象内的图像，唯一地标识景象内的每个光斑，以及根据每个光斑在景象内的位置确定到该光斑的距离。
这种方法可以包括利用具有非圆形形状的在操作窗内一个距离处聚焦而在操作窗内另一个距离处没有聚焦的光斑照射景象的步骤，并且唯一标识景象内每个光斑的步骤包括确定光斑是否聚焦的步骤。
这种方法还可以包括投射光斑阵列使得至少一些投射光斑具有与其他光斑不同的形状和/或颜色的步骤，并且唯一标识景象内每个光斑的步骤包括确定光斑的颜色和/或形状的步骤。
记录景象的图像的步骤可以包括从多个视点记录受到同样照射的景象的图像的步骤。在这种情况下，唯一标识景象内每个光斑的步骤可以包括对从多于一个视点得到的光斑位置进行比较以便唯一标识该光斑的步骤。
这种方法还可以包括为每个所记录的图像记录有关从哪个位置记录图像的信息的步骤。
在距离信息是从景象例如从所获取的特定物体的图像而获得的情况下，可以将与检测到的物体的形状有关的信息与一些基准形状或形状模型相比较，例如用来进行识别。因此，按照本发明的另一个方面，提供了一种识别方法，这种方法包括下列步骤按照如上面所说明的方法获得有关景象的距离信息，将所述距离信息与需识别的项相应的基准形状信息相比较，以及给出检测到的形状与基准项的匹配质量的指示。匹配步骤可以使用模型系数或最佳拟合方法。需识别的项可以是希望识别的任何事物，例如可以将生产线上的产品与合格产品相比较，以进行质量控制，如果匹配不好就触发报警器。
下面将结合以下附图仅通过举例的方式对本发明进行说明，在这些附图中
图1示出了现有技术的单光斑测距系统；图2示出了本发明的测距系统的一个实施例；图3示出了适用于本发明的测距系统的光斑投影器；图4表示了图3所示的光斑投影器的工作原理；图5示出了另一个光斑投影器及其输出；图6示出了具有可变光斑密度投影的光斑投影器的输入端面；图7示出了另一种适当的光斑投影器的输入端面和端面上产生的图案；图8示出了另一种适当的光斑投影器；图9示出了本发明的使用两个摄像机的实施例；图10示出了产生由实线的交点形成的光斑的光斑投影器的输入端面；图11示出了适用于本发明的光斑投影器的另一个实施例；
图12示出了使光斑投影器的输出改变方向以提高光斑密度的装置；以及图13示出了按照本发明的三摄像机测距系统。
图1示出了现有技术的使用单个光斑的测距系统。扫描源2产生单个向景象投射的光束4。检测器6查看景象，检测光斑处在景象内哪个位置。图1a示出了这个设备，目标8处在第一距离，还表示了检测器所看到的景象10。在由角θ1确定的特定位置可以看到光斑12，它本身由到物体的距离确定。
图1b示出了同样的设备，但目标8已去掉而引入了离得更远的新目标14。新的至光斑的角度θ2比θ1小，因此检测器6看到光斑12在不同的位置。光斑在景象内的视在移动由箭头16示出。
于是可以看到，在将光束从扫描源2以已知角度投射时，光斑12在检测到的景象10内的位置可以给出距离信息。随着目标的距离改变，光斑呈现为在景象上移动。因此，光斑具有可由源2和检测器6的排列确定的随着距离改变在景象上视在移动的轨线。
然而，这种现有技术的局限是光斑必须在整个景象上扫描，以便产生景象上的距离信息。扫描需要复杂的机械系统，而且意味着对整个景象的测距需要用比较长的时间。
本发明使用二维光斑阵列同时从整个景象获得距离信息。使用二维光斑阵列可以导致如结合图2a所说明的模糊问题。这里，与图1中相同的部分标有相同的附图标记。配置是相同的，只是扫描源2用二维光斑投影器22代替，而且表示了处理器7。光斑投影器22投射多个在角度上间隔的光束24a、24b(为了清晰起见只示出了两个光束)。如果景象是平坦的目标，那么检测器看到的是方形的光斑阵列12。从图2a可见，虽然出现在景象内特定位置(例如在角度θ1接收到)的光斑可以相应于由于光束24b从处在第一距离的目标8反射或散射的第一投射光斑，或者相应于由于光束24a从处在更远距离的目标14反射或散射的不同的第二投射光斑。同样，阵列内的每个光斑可以认为在景象内具有一条随距离改变的轨线。可以看到，一个光斑的轨线(箭头26)可以与其他光斑的位置重叠，从而引起距离模糊。
本发明的一个实施例是通过将光斑投影器相对于检测器配置成使得光斑阵列投射成相邻光斑随距离改变在检测到的景象内的可能位置的轨线不相重叠来避免这个问题的。为此，图2b用侧视图示出了本发明的设备。可以看到，检测器6与光斑投影器22在y方向和x方向上都是分开的。因此，光斑在景象内的y位置也随距离改变，这就影响到视在光斑移动的轨线。这种配置选择成使得相邻光斑的轨线不相重叠。光斑运动的实际轨线由箭头28表示。通过将投影器围绕它的轴转动可达到同样的效果。
另一个思路可以是将x轴重新定义为检测器与光斑投影器沿之分开的轴，或者至少为它们的有效入口/出口光瞳沿之分开的轴，如果使用反光镜或其他转向光学器件的话。Z轴是至需测量的景象的距离，而y轴是正交的。因此，检测器形成了景象的x-y二维图像。在这个坐标系内检测器与投影器在y方向没有间隔，因此投影器以z-y平面内某个角度投射的光斑将始终被检测器观察为处于这个角度，不论距离如何，也就是说这个光斑在检测到的景象内将只呈现为沿与x方向平行的方向移动。因此，如果阵列关于x轴配置成使得相邻的光斑在y方向上具有不同的间距，则相邻的光斑之间就不会有模糊。如果阵列是方形的光斑阵列，这实际上就意味着使阵列倾斜成阵列的轴不沿着如所定义的x轴(即检测器与光斑投影器沿之分开的轴)。
为了完全不模糊地确定哪个光斑是哪个，光斑大小、光斑间的间隙和检测器的配置应使得每个光斑的轨线不与任何其他光斑的轨线交叠。然而，由于实际的分辨原因，优选的是用大量比较大的光斑，而且使用大景深的设备(从而光斑在景象内有大的视在移动)。实际上，不同的光斑的轨线有时会交叠。如图2b所示，投射光斑30的轨线与投射光斑32交叠，因此在景象内沿箭头28的线检测到的光斑可能与在一个距离处的投射光斑30相应，也可能与一个不同距离处的投射光斑32相应。然而，这两个距离的差将是明显的。在有些应用中，测距系统只可以用于狭小的可能距离段，从而在操作窗内不会有模糊。然而，对于大多数应用来说，必需解决模糊问题。然而，由于可能距离的差比较大，就可以用粗测距技术来解决测距系统所考虑的光斑的模糊，再根据被唯一标识的光斑的位置来提供精确的距离信息。
在一个实施例中，光斑投影器22投射由在比较远的距离处聚焦的方形光斑组成的阵列。如果处理器在检测到的景象内看到的是方形光斑，这意味着光斑基本上是聚焦的，因此检测到的光斑一定是一个处于比较远的距离的光斑。然而，如果观察到的光斑在近距离处，那么它基本上是没有聚焦的、从而将呈现为圆形。典型的焦距可以是800mm。因此，可以用光斑的外形来提供粗距离信息，以消除检测光斑的模糊，而用光斑的位置来提供精距离信息。
检测器6是标准的二维CCD阵列，例如标准的CCD摄像机，当然也可以用CMOS摄像机来代替。检测器6应该具有足够高的分辨率，以能识别光斑和光斑在景象内的位置。检测器6可以用来获取可见图像和检测景象内的光斑。一旦已经处理了距离信息以确定图像内的距离信息，从而产生3D表面，于是可以将可见数据叠加在这个3D表面上，以产生表面细节/纹理，或者在面部的情况下，形成“3D掩模”。
光斑投影器可以投射可由工作在可见光波段的摄像机检测的可见光波段光斑。然而，光斑投影器也可以投射其他波长的光斑，例如红外或紫外光斑。如果光斑投影器将红外光斑投射到景象上，那么所用的检测器就是每个像素组中有四个像元的CCD摄像机。一个像元检测红光，另一个像元检测蓝光，第三个像元检测绿光。该系统中的第四个像元用来检测适当波长的红外光。因此，可以使用RGB像元的读数来形成没有任何光斑的可见图像，而将红外像元的输出(实际上只含有红外光斑)提供给处理器确定距离。然而，如稍后要说明的，如果投射的是不同波长的光斑，检测器就必须可以区别不同的红外波长，在这种情况下优选的是不同的摄像机。检测器也不局限于工作在可见光波段。例如，可以使用热辐射摄像机。倘若检测器能够检测所投射的光斑，检测器是否还具有接收不同波长的像元就没有关系。
为了有助于光斑检测和避免环境光引起的问题，光斑投影器可以投射经调制的信号。处理器可以对调制频率的被检信号滤波，以改善信噪比。最简单的实现这个原理的方式是用脉冲照射，所谓的频闪或闪光照射。摄像机在脉冲为高电平时获取一个帧。还在不投射光斑的情况下获得参考脉冲。然后，按照背景光偏置量校正这些强度模式的差别。此外，在与均匀照射的LED闪光灯同步时可以采集第三反射性参考帧，它可以用来对强度模式进行标准化。
图3示出了适当的光斑投影器22。光源34设置在邻近万花筒(kaleidoscope)36的输入端面处。在另一端设置了简单的投影透镜38。为了清晰起见，将投影透镜示为与万花筒分开，但通常是与万花筒的输出端面邻接的。
光源34是发射红外光的发光二极管(LED)。如以上所说明的那样，红外光对于测距应用是很有用的，因为投射光斑阵列不会干扰正在获取的可见图像，而且红外LED和检测器是价格合理的。然而，本领域技术人员可以理解，可以在不背离本发明的精神的情况下使用其它波长和其它光源用于其它应用。
万花筒是带有内部反射壁的空心管。万花筒可以由任何具有适当刚度的材料制成，内壁镀有适当的介质膜。然而，本领域技术人员可以理解，万花筒也可以包括实心材料棒。任何诸如透明的光学玻璃之类的对LED工作波长透明的材料都能满足。材料需要选择成使得光在万花筒内在万花筒与周围空气之间的界面处全部内反射。这可以是利用附加的(银)镀层来实现，特别是在可以用反射率可能匹配的粘合剂/环氧树脂等粘接的区域。如果要求投影角大，这可能需要将万花筒材料包覆在反射材料中。理想的万花筒具有反射率为100％的完美直壁。应该注意的是，空心的万花筒不可以具有这样的输入或输出端面，但为了说明起见应该将空心万花筒入口和出口看作为端面。
万花筒管的效果是使得在万花筒的输出端可以看到LED的多个图像。其原理将结合图4说明。来自LED34的光可以是直接沿着万花筒传播而在整个路径40上没有反射。然而，有些光将一次反射并且遵循路径42。从万花筒的末端来看，这将导致看到虚像源44。经历两次反射的光将沿着路径46传播，导致看到另一个虚像源48。
这个器件的尺寸设计成适合所指定的应用。设想LED34将光发射到全圆角为90°的圆锥。在中心未经反射的光斑任何一侧看到的光斑的数目将等于万花筒的长度除以它的宽度。光斑间距与光斑尺寸之比由万花筒宽度与LED尺寸之比确定。因此，200μm宽的LED和30mm长、横截面为边长1mm的方形的万花筒将产生有61个光斑的正方网格，光斑之间的间隔为光斑宽度的五倍(在聚焦时)。光斑投影器通常可以是几十毫米长，并且具有边长在2到5毫米的范围内的方形截面，例如3至4毫米见方。对于典型的应用，光斑投影器设计成能产生向景象投射的具有40×30个或更多一些的光斑的阵列。40×30的阵列在景象内产生多达1200个距离点，虽然优选的是2500个距离点，如果利用相交线可以多达10,000个距离点。
投影透镜38是简单的单透镜，设置在万花筒的末端，选择成将由LED 34的图像组成的阵列投射到景象上。可以按照应用和所需要的景深来选择投影的几何关系，但简单的几何关系是将光斑阵列放置在透镜的焦平面处或接近透镜的焦平面。投影系统的景深是很重要的，因为优选的是具有大的景深，以使测距设备能精确地在一个大的操作窗内测量到物体的距离。从150mm到无穷远的景深是可以实现的，并且可以确定测距离的有效操作窗。
如所提到的，LED 34可以是正方形的，投影透镜38可以用来使光斑阵列在上部预期范围的一定距离处焦距，从而任何特定光斑的聚焦度可以得出粗距离信息。
如所说明的光斑投影器具有若干优点。万花筒制造方便，成本也低。LED是便宜的器件，而且由于万花筒可以高效地将光从LED耦合给景象，因此可以使用功率较低的光源。如所说明的光斑投影器因此是经济而相当耐用的组件，而且还给出对测距应用非常有用的大的景深。因此，对于本发明来说，基于万花筒的光斑投影器是优选的。此外，本发明的光斑投影器可以设置成实际上没有特有的轴。如图4所示，光斑投影器发射的所有光束都通过万花筒的末端，并且可以认为都通过输出端面的中心。如果投影透镜38是半球形透镜，其旋转轴与输出端面的中心一致(如在图5中结合集成透镜58更好地示出)，于是所有光束看起来来自万花筒的输出端面，而投影器起着均匀的广角投影器的作用。
然而，本领域技术人员可以理解，也可以使用其他光斑投影器来形成这个二维阵列。例如，可以用激光器与衍射器件配合形成为光斑阵列的衍射图案。或者，也可以将光源与投影光学器件和开有孔径阵列的掩模配合使用。任何能向景象投射离散的光斑阵列的光源都是可以的，然而发现利用其他装置、LED阵列、微透镜阵列、投影掩模等产生的景深通常在性能上都有相当大的限制。
图2所示的设备利用如图3所示的光斑投影器构成。光斑投影器利用40×30个光斑的阵列照射景象。操作窗为60°的全圆角。光斑聚焦在1m的距离处，该测距装置在0.5m至2m的距离内工作得很好。检测器为308k个像素(VGA)的CCD摄像机。测量景象内至不同物体(处在中间距离)的距离的精度为0.5mm。
如上所述的设备在可用于产生距离数据前，首先必须加以校准。原则上，校准可以根据系统的几何关系进行。实际上，更方便的是执行人工校准。这便于考虑在结构上的不完善，从而可以得到较好的结果。
校准数据通过将测试物体放在一系列已知距离处、记录作为距离函数的光斑位置而获得。最方便的测试物体是在所有距离上都充满摄像机视场的颜色(优选的是白色)均匀的平坦而无光泽的平面。平坦的白色墙壁可能是理想的(显然，在这种情况下要移动摄像机)，然而任何由于平直度而引起的偏差会影响校准精度。
最初，将摄像机放置在离墙壁一段大的距离处，对于如上所述的系统为1.5m左右，记录图像内每个光斑的位置(光斑发现算法将在下面说明)。随着摄像机移近墙壁，图像内所有的光斑大体上沿相同的方向移动，因此跟踪它们是相当简单的事。光斑在图像中沿着一条直线移动，如以上所说明的那样。线性回归给出每条线的轨迹公式为b＝ma+c其中，光斑的坐标为(a，b)。
万花筒投影器的设计保证所有光束看起来来自共同的原点。因此，所有光斑轨迹在作为光束原点通过摄像机透镜的主要中心投射到摄像机焦平面上的公共点投影处相交。这个轨迹原点可以通过找出测得的光斑轨迹的交点计算出来。在实践中，这些光斑轨迹由于测量中的不定性不太可能都相交于同一个点。选择一条轨迹、找出这条轨迹与所有其他轨迹的交点就足够了。这将产生原点坐标的一系列值。原点的位置于是可以通过选择各坐标的中值来确定。
校准程序中的下一步是为每条轨迹确定可以在用摄像机产生距离数据时用来确定光斑标志的标识符i。已发现两种可能的标识符。如果光斑轨迹全都平行，那么所有的线的斜率m就是相同的。于是，截距c就是标识符。如果这些轨迹不平行，那么将每条轨迹的中点连接到轨迹原点的线与x轴之间的夹角就是标识符。校准的最后一步是确定沿轨迹的光斑位置与距离之间的关系。这可以按照以下表达式得出
z-z0＝k/(r-r0)其中，z为沿z轴的距离，而r为光斑沿轨迹的位置。位置r可以沿任何方便的轴进行测量，但最方便的度量是将r表示为离轨迹原点的距离。每条轨迹的常数k、z0和r0可以通过使以上表达式与测量数据拟合来得出。在对准得很好的系统中，k和z0的值对于所有的轨迹应该是类似的。
校准程序的结果包括轨迹原点和列有每条轨迹的i、m、c、k、r0、z0这六个数的表。
校准后，系统就可以用来确定距离了。测距算法包括四个基本步骤。它们是1.将图像标准化2.确定图像内光斑的位置3.标识光斑4.计算距离数据标准化由于摄像机已经进行滤波，以只选择来自万花筒的光，因此图像内背景光的级别非常低。所以，任何与本地背景相比更为明亮的区域可以合理地认为是光斑。然而，不同光斑的相对亮度将随目标的距离、位置和反射率而改变。因此，方便的是作为第一步先对图像进行标准化，以消除不希望有的背景和突出光斑。标准化程序包括计算每个像素的邻域的“平均”亮度，将像素的信号除以其本地平均值再减1。如果计算结果小于零，就将这结果设置为零。
光斑定位光斑定位包括两个部分。首先是发现光斑。其次，确定它的中心。光斑检测例行程序维护经标准化的图像的两个副本。一个副本(图像A)随着发现更多的光斑而改变。另一个(图像B)固定不变，用来定位每个光斑的中心。由于假设经标准化的图像内的所有明亮特征都是光斑，因此可以简单地通过对图像内的所有亮区定位来检测光斑。第一个光斑假设为接近图像A内最亮的点。这个点的坐标用来确定光斑的中心和光斑大小的估计(见下)。然后，在图像A内，将在光斑中心周围的区域(根据所估计的光斑大小)内的亮度设置为零。然后利用图像A内剩下的点中最亮的来找出下一个光斑，诸如此类。
以上说明的光斑找到算法将无限地找到光斑，除非施加一些附加的条件。已确定了三个条件，来终止这个例行程序。在满足这些条件中的任何一个条件时，例行程序终止。第一个条件是找到的光斑数目不应该超过一个固定值。第二个条件是该例行程序不应该反复找到同一个光斑。这在有些照明条件下偶然会出现。第三个条件是图像A内剩下的最亮的点的亮度下降到预定阈值以下。这个条件防止该例行程序在图像噪声内找到虚假的光斑。通常，将阈值亮度设置为图像B内最亮光斑的亮度的几分之一(通常为20％)。
使用光斑找到例行程序确定的位置作为起点就从图像B找到每个光斑的中心。从图像B以这个点为中心获取子图像。该子图像的大小选择成稍大于光斑。通过将每列的亮度值相加，将这个子图像降为一维阵列。然后，将这个阵列(或者它的变型)与高斯函数(或者它的变型)相关，再将相关峰(内插到像素的几分之一)定义为光斑在水平方向上的中心。光斑在垂直方向上的中心可以通过将子图像按行而不是按列求和按照类似方式得出。
如果由以上程序确定的光斑的中心离起点超过两个像素，就应该用计算得到的中心作为新的起点迭代地重复这个程序。这种计算一直继续直到计算得到的位置保持不变或者达到最大迭代次数为止。这考虑到了最亮的点不在光斑中心的可能性。最大迭代次数(通常为5)用来防止例行程序搜寻小的区域。这种迭代方法还允许随着到物体的距离的改变而对光斑进行跟踪，只要光斑在相继的帧之间移动得不太远。这个特征在校准期间是很有用的。
如果找到光斑的中心，则对子图像内亮度大于阈值(通常为子图像内最亮的像素的亮度的10％)的像素进行计数。光斑大小定义为光斑数的平方根，可以用来提供附加的粗距离信息。
光斑定位程序的结果是列有一些(a，b)坐标的表，每个坐标表示不同的光斑。
光斑标识如果可以确定每个光斑的标志，就仅能计算到光斑的距离。最简单的标识光斑的方法是依次确定从光斑到每条光斑轨迹的距离，剔除那些处在预先确定的距离(对于得到很好校准的系统而言，通常小于一个像素)外的轨迹。这种方法在存在许多光斑和许多轨迹时可能是很费时间的。一种更为有效的方法是计算光斑的标识符，再将它与各个轨迹的标识符相比较。由于轨迹的标识符可以预先分类，因此搜索可以快得多。以与校准例行程序中相同的方式计算标识符。
一旦确定了候选的轨迹，就必须考虑光斑沿轨迹的位置。如果可能距离的范围是有限的(例如只是从150mm开外或者2500mm以内)，那么许多候选轨迹就可能由于计算得到的距离在可能范围之外而被剔除。在调整得很好的系统内应最多剩下两条轨迹。一条轨迹相应于近程，而另一条轨迹相应于远得多的远程。
最终检验是查看所讨论的光斑的形状。如所说明的那样，投影器22产生在远距离处聚焦、在近距离处是模糊的光斑。只要投影器内的LED具有可识别的形状(诸如正方形)，于是光斑在近距离将是圆的，而在远距离成方形。这应该消除任何剩下的距离模糊。
任何仍未标识的光斑可能根本不是光斑，而是景象内的不希望的光点。
距离计算一旦标识了光斑，就可以计算它的距离。为了产生景象的有效的三维表示，还需要计算x和y坐标。这可以简单地从摄像机的特性得出。例如，对于焦距为f、像素间距为p的摄影透镜，x和y坐标可以简单地由下式给出x＝zap/f，y＝zbp/f其中，a和b是在像素坐标内测得的。
以上所说明的实施例调整成在可能的光斑之间具有最小的模糊，而且使用焦距来消除模糊。然而也可以采用其他消除模糊的措施。在本发明的一个实施例中，该设备包括大体如结合图3所说明的光斑投影器，但其中光源定形成可以分辨相邻的光斑。如果光源围绕适当的反射轴是对称的，系统产生的光斑效果上是相同的。然而，如果使用形状不对称的光源，相邻的光斑就是可分辨的相互成镜像的图像。其原理如图5所示。
结构化的光产生器22包括由截面为方形的透明光学玻璃56形成的实心管。经整形的LED 54设置在一个端面处。管56的另一端定形成半球形的投影透镜58。万花筒56和透镜58因此集成在一起，从而提高了光效率，而且由于可以采用单件模制步骤，因而制造方便。或者，也可以将独立的透镜光学粘接在具有平面输出端面的实心万花筒的末端。
为了例示起见，LED 54示为指向万花筒一角(图中为右上角)的箭头。示出了屏幕60上形成的图像。所形成的LED的中央图像62与没有受到反射的光斑相应，也具有指向右上角的箭头。注意，实际上简单投影透镜将投射颠倒的图像，因此所形成的图像实际上是颠倒的。然而，为了说明起见，将这些图像都示为没有颠倒。中央光斑上、下的图像64受到一次反射，因此是相对x轴的镜像，也就是说箭头指向右下角。然而在上面或下面的下一个图像66经相对x轴的两次反射，因此与中央图像相同。类似的是，中央图像左、右的图像68经相对y轴的一次反射，因此箭头呈现为指向左上角。与中央光斑对角相邻的图像70经相对x轴的一次反射和相对y轴的一次反射，因此箭头呈现为指向左下角。因此，在找到的图像内的箭头的取向给出了所检测的是哪个光斑的指示。这种技术可以分辨相邻的光斑，但不能分辨以后的光斑。
在另一个实施例中，使用了多于一个的光源。可以用这些光源按照景象内的光斑密度来给出可变的分辨率和/或有助于分辨光斑。
例如，如果使用多于一个LED，而每个LED是不同颜色的，则向景象投射的图案其中就会具有不同颜色的光斑。本领域技术人员可以理解，在这里的术语“颜色”不一定意味着可见光谱内的不同波长而只是指这些LED具有可分辨的波长。
LED在万花筒的输入端面上的排列实现了所投射的光斑阵列，优选的是规则的排列。为了提供规则的阵列，这些LED应该相互规则地隔开，而从LED到万花筒边缘的距离应该为LED之间的间距的一半。
图6示出了可以用来给出不同的光斑密度的LED的配置情况。十三个LED配置在截面为正方形的万花筒的输入端面72上。九个LED 76、74a-h排列成规则的3×3的正方形网格图案，中央的LED 76处在输入端面的中央。剩下的四个LED 78a-d配置成给出规则的2×2网格。于是，结构化的光产生器可以以三种不同的模式工作。可以使中央LED 76自己工作，这会如上面所说明的那样投射规则的光斑阵列，或者可以使多个LED工作。例如，可以照射以2×2排列设置的四个LED 78a-d，以给出具有为单独使用中央LED 76所产生的四倍的光斑的阵列。
在不同的距离可以使用不同的LED配置。在用来照射目标处在近距离的景象时，单个LED可以形成足够多的用于分辨的光斑。然而，在中间或较远的距离，光斑密度可能下降到可接受的程度以下，而在这种情况下可以用2×2或3×3阵列来提高光斑密度。如所提到的那样，这些LED可以是不同颜色的，以改善对不同光斑的分辨。
如果使用多个光源，适当地选择光源的形状或颜色可以给出进一步的分辨率。这种情况将结合图7说明。在这里，示出了由形状不同的光源82、84、86、88组成的2×2阵列和所产生的部分图案。可以将所形成的合成图案想象成由万花筒的输入端面80的图像组成的平铺阵列，每个图像是它的相邻图像对适当的轴的镜像。仅就x轴来看，阵列将由与LED 82和84相应的光斑和后面的与它们的镜象相应的光斑构成。合成的图案意味着每个光斑沿每个方向与其后面三个最邻近光斑不同，从而减少了由检测器进行观察的光斑的模糊度。
如果使用多个光源，可以将这些光源配置成可以独立地打开和关闭，以进一步有助于进行分辨。例如，可以使用若干个LED，如以上所说明的那样排列，依次激活每个LED。或者，阵列一般也可以用所有的LED照射进行工作，但是响应来自处理器的控制信号，该处理器建议一些模糊可以用来相应地激活或去激活某些LED。
所有以上使用成形的LED或者不同颜色的LED的实施例可以结合适当的检测器和光斑投影器的配置，使得在一个光斑的轨线与另一个光斑交叠的情况下在这条轨线上的相邻光斑具有不同的特性。例如，再来看图2b，可以看到这种配置使得光斑30的轨线与光斑32交叠，也就是说在所示出的光斑32的位置处找到的光斑可以相应于从在第一距离处的目标反射的投射光斑32，或者相应于从在另一个距离处的目标反射的投射光斑30。然而，可以设想使用的是图5的光斑投影器的情况。可以看到，如果投射的光斑30是指向右上角的箭头，那么投射光斑32由于它在阵列内的位置将是指向左上角的箭头。因此，在辨别各个光斑时不会存在模糊，这是因为箭头的方向指出了正在观察的是哪个光斑。
在图11所示的光斑投影器的另一个实施例中，光源130通过掩模132照射万花筒136。万花筒136和投影透镜138可以与上面结合图5所说明的相同。光源130是明亮的LED光源，配置成通过均束器134照射掩模132。均束器134只是用来保证均匀地照射掩模132，因此可以是简单而较为经济的塑料光管。
掩模132配置成具有多个透射部分、即窗，使得来自LED 130的光只有部分入射到万花筒136的输入端面上。适当的掩模示为132a，它具有多个用来透射光的孔142。每个孔以与上面对图6所说明的相同方式起着独立的光源的作用，因此万花筒将复制掩模132a内这些孔的图像，并且将光斑阵列投射到景象上。
可以比需要小LED的LED阵列更容易地制造掩模132，并且使其相对于万花筒136精确对准。因此，通过使用掩模可以简化光斑投影器的制造。掩模的这些透射部分可以做成不同形状，以便起着如上面对图5和7所说明的定形的光源的作用。因此，掩模可以投射由一些具有不同形状的光斑组成的阵列，而使掩模的这些透射部分做成不同形状也可以比提供定形的光源更容易。
此外，掩模的不同透射部分也可以透射不同的波长，也就是说，这些窗可以具有不同的滤色镜。掩模132c示出了具有两种不同颜色的窗的阵列，窗144例如可以是红的，而窗146可以是绿的。然而，同样本发明既不局限于特定的颜色也不局限于在可见光波段工作。
一些透射窗可以具有能受到调制的传输特性，例如，掩模可以包括电光调制器。掩模内某些窗可以从透射的切换到非透射的，以使投射阵列内的某些光斑去激活。这可以以类似的方式用于结合图6所说明的各种阵列，以给出不同的光斑密度，或者可以用来对阵列内的某些光斑去激活，以消除可能的模糊。
在又一个实施例中，将光源配置在万花筒内不同的深度。从万花筒发出的相邻光束的角间距取决于如以上所说明的万花筒的长度与宽度之比。图8示出了截面为正方形的万花筒96和投影透镜98。万花筒管96由两段材料96a和96b形成。第一LED 98如以上所说明的那样设置在万花筒的输入端面处。第二LED 100设置在万花筒内的不同深度，位于万花筒的两段96a和96b之间。本领域技术人员知道怎样将万花筒的两段96a和96b连接在一起以保证效率最大和怎样将第二LED100安置在这两段之间。
所得到的图案含有两个具有不同周期的栅格，与第二LED 100相应的栅格部分地遮蔽了与第一LED 98相应的栅格。如可以看到的那样，两个光斑之间的分离度随离中央光斑的距离而改变。两个栅格的分离度或偏置量于是可用来唯一地识别光斑。LED 98、100可以如上面所说明的是不同颜色的，以改善其识别。
应该注意的是，术语“光斑”应意味着可分辨的光点。这并不局限于完全分开的光域。
例如，图10例示了另一个可以使用的光斑投影器。这里，将十字形LED 120用在万花筒的输入端面上。LED 120延伸到万花筒的侧壁，因此投射的图案将是如图所示的由实线组成的栅格。这些线的交点提供了可定位的可识别区域或光斑，和以与上面所说明的相同的方式确定的距离。
一旦已经确定了到交点的距离，就可以利用从交点获得的信息确定到通过该交点的线上的任意点的距离。因此，这个系统的分辨率大大增强。利用如上面所说明的相同的40×30的投影系统，但其中如图10所示的LED配置存在1200个可为具有多得多的距离点的系统识别的交点。因此，这种设备可以与配置成识别每个交点和确定到每个交点的距离再计算出到连接线上每个点的距离的处理器配合使用。或者，十字LED可以包括独立的可以单独照射的中央部分124。LED中央部分124的照射可以如早先所说明的使光斑阵列投射。一旦已经确定了到每个光斑的距离，就可以激活十字LED 120的其余部分，确定到连接线上各个点的距离。首先只照射中央部分可以更容易根据投射光斑的形状解决模糊。也可以利用具有如图11所示的掩模的光斑投影器产生交叉线阵列。掩模132c示出了适合产生线阵列的掩模。同样，这个掩模的一些部分可以是可切换的，以便如果需要的话在光斑阵列和线阵列之间切换。
图9示出了本发明的另一个实施例。在这里，使用了两个CCD摄像机6、106来考察景象。光斑投影器22可以是任何上面所说明的光斑投影器，投射规则的光斑阵列或十字阵列。CCD摄像机6与上面对图2所说明的相同。所配置的第二个摄像机106与摄像机6相同。配置了分光镜104，使来自景象的一些光传送给摄像机6，而将一些光反射给摄像机106。摄像机106相对于分光镜104配置成使得在两个摄像机的有效位置上存在小的差别108。因此，每个摄像机看到稍有不同的景象。如果这两个摄像机离得足够远，则可以省略分光镜104，可以将它们定向成直接对着景象观察，但是组件的尺寸和所要求的间距可能不允许这样的配置。
摄像机6的输出于是可以用来如上面所说明的那样计算到景象的距离。摄像机106也可以用来计算到景象的距离。每个摄像机的输出可能如上面所说明的那样是模糊的，找到的光斑可以与若干在不同距离上的可能的投射光斑中的任何一个光斑相应。然而，由于两个摄像机处在不同的间距上，因此为每个检测到的光斑计算得出的这组可能距离将有不同。因此，对于任何检测到的光斑，只有一个可能距离，即实际距离，将是为每个摄像机计算得出的这两组所共有的。
在摄像机6定位成离光斑投影器有非常小的基线(即视线间距)时，由不同距离上的光斑在景象内的各个可能位置形成的相应轨线是很短的。回到图2a，可以看到，如果检测器6到光斑投影器22的间距很小，在不同距离上的光斑在景象内的视在移动就不大。因此，这些轨线将是短的，在操作窗内不同光斑的轨线之间可能就没有交叠，也就是说没有模糊。然而，可能位置的有限轨线意味着该系统不如移动度较大的系统精确。对于具有合理的精度和距离的系统来说，典型的是基线近似为60mm。如图9所示，如果摄像机6设置成接近光斑投影器的视线，摄像机6的输出可以是不模糊的，但是测量精度低。然而，可以将摄像机106设置在离光斑投影器22适当的基线处，以给出精确的结果。摄像机6输出的低精度读数可用来消除摄像机106的读数的任何模糊。
或者，也可以用两个摄像机本身的输出给出粗测距。如果配置成摄像机之间的基线很短，例如2mm左右，则光斑在两个摄像机内检测到的位置之差可以用来给出距离的粗略估计。然而，任一个摄像机与投影器之间的基线可以是较长的。这种配置的优点是两个摄像机看到的是有着很小差别的图像。这种摄像机与投影器的配置需要通过将所恢复的光斑与所存储的高斯亮度分布进行相关来确定光斑位置，以优化对光斑位置的测量。这是合理的，但不是完美的匹配，这是因为光斑的大小随距离改变，而反射率在光斑上也可以改变。目标的表面斜率也可以影响视在形状。这种摄像机-摄像机系统从两个视点考察相同而可能有失真的光斑，这意味着相关始终是接近完美匹配的。这种添加摄像机通道来完全消除模糊或增添信息的原理可以有益地利用摄像机生成接近正交的基线和/或一组三个摄像机从而产生两个正交的立体系统来实现。图13示出了一种将三个摄像机160和光斑投影器22以呈正方形设置在同一个平面内的三摄像机系统的配置。这种配置使摄像机160a和160b生成一对垂直图像，使摄像机160b和160c生成一对水平图像，从而可以对这两对图像应用立体成像技术。这可以分析图像内的一些边缘，将这些边缘与通过处理光斑位置得到的距离信息联系起来。
为了改善所获取的距离点的分辨率，图12所示的本发明的一个实施例具有使投射的阵列在景象内位移的光学装置。如上面所说明的光斑投影器22与摄像机6配置在一起。然而，在光斑投影器22前的是折射楔150。折射楔的作用是使来自光斑投影器的光稍有偏转。如图所示，光被从在没有楔的情况下的路径偏转了小的角度φ。楔150安装成可以转动的，随着它的转动其改变了光偏转的方向。图12a示出了第一位置，而图12b示出了楔转动了180°后的情况。楔配置成可在四个各相隔90°的位置之间转动，摄像机在每个位置摄取图像。这样做的效果是使光斑阵列在景象内抖动。角度φ小到使得光斑只移动所观察到的光斑之间的间距的几分之一。这样，在所获取的四个图像的每个图像内观察到光斑处在不同的位置，从而取得较多的到景象的距离点，可以将这些距离点合在一起给出精确的距离映象。
通常要注意的是，由于如上面所说明的万花筒光斑投影器没有象通常所理解的光轴，因此不必将这个光轴与检测器的主轴对准。它通常配置成在光斑投影器相对于检测器倾斜时在作用范围内观察到最佳光斑图案，从而在可能的工作距离处将光斑图案的最亮区域放置在检测器图像的中央。甚至在使用具有光轴的光斑投影器时，最佳结果通常仍然利用倾斜的轴得到，而不必如US 4,867,570中所提出的利用平行的轴。
如所说明的测距系统可用于许多应用。由于这种光斑投影系统制造容易而经济，而且不会与实际获取的可见图像干扰，因此可以将任何摄像机系统与按照本发明所设计的测距系统整合在一起。按照本发明所设计的测距系统可以用来改善成像目标识别系统，这是因为到景象的距离会揭示有关物体边缘的辅助信息。这可以用于入侵者报警等的保安应用。或者，距离信息可以改善例如面部识别之类的目标标识。
这种设备还可以用于多种勘察或测绘应用。在用于这样的应用时，测距摄像机可以包括确定摄像机在记录景象的每个图像时的位置的位置传感器。位置传感器可以包括GPS接收器、倾斜/俯仰传感器和磁场传感器。或者，也可以将诸如磁场源之类的信标放置在已知的位置上，而利用磁场梯度测定仪来确定摄像机相对这个信标的位置。还可以利用惯性传感器来记录摄像机的运动情况。这样，摄像机在摄取图像时的位置和取向就是已知的。知道了摄像机的精确位置和取向意味着可以将到景象内的物体的距离信息转换为与景象有关的位置信息。例如，设想从不同的视点摄取一个房间的若干图像。可以用每个图像(在这里图像意味着所记录的光斑在所观察的景象内的布局，而不一定是景象的完全反差图像)来建立景象的所观察的部分的模型。在摄取若干图像和每次摄像机的位置已知时，可利用来自各个图像的数据建立这个房间的一个三维模型。如所提到的，这可以应用于测绘。物体也可以根据各个方向和用来建立三维模型的数据成像，这对于计算机辅助设计和模拟或建模以及形成虚拟现实环境是有用的。
这种系统显然可以用于接近度传感器，例如在交通工具中所用的那些传感器。此外，在交通工具中，可以采集有关乘员位置的距离信息，用于安全部署诸如充气袋之类的应急安全设备。这种设备可以用于机器人视觉系统，因为距离信息会帮助机器人系统导航。它还可以用来帮助对UV(无人驾驶运载工具)进行驾驶。
距离信息可以用来获得对物体建模有用的三维信息。可以获得生物测定信息，以保证正确估计衣服的尺寸。可以提供装备有多个摄像机和光斑投影器的对整个人身(可能从多于一个的观察方向)成像的摄像棚。于是，人可以暂时站立在这样一个摄像棚内，并且从多个方向对之成像和测距。可以获取和处理这信息，建立这个人的一个模型，以用于各种设计或衣服拟合应用。由于这些摄像机处在相互固定的关系，就不需要获得任何附加的位置信息。
另一个有用的实施例是用于文件扫描。扫描诸如书本之类的文件通常需要将书本的页面尽可能平地压到要使书本或文件成像的透明表面上。然而，利用这样的方式使文件成像并不总是切实可行的。如果文件只是摊开成像，书本的弯曲意味着将得到一个失真的图像。但是在将这个成像器与如所说明的测距设备相结合的情况下，到书本表面的距离可以揭示书本的弯曲情况。于是可以利用图像处理算法来校正成像页面的弯曲，给出一个“平的”图像。
对于本领域技术人员来说本发明其他应用和实施例都是显而易见的，然而没有背离本发明的专利保护范围。
权利要求
1.一种测距设备，所述测距设备包括利用所投射的二维光斑阵列照射景象的照射装置，检测光斑在景象内的位置的检测器，以及适合根据检测到的光斑在景象内的位置确定到该光斑的距离的处理器。
2.根据权利要求1所述的测距设备，其中所述照射装置和检测器配置成使得所投射的阵列内的每个光斑在检测到的景象内呈现沿一个轴从一个距离到另一个距离移动，而所投射的阵列内的每个相邻光斑的视在移动的轴是不同的。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的测距设备，其中所述照射装置适合投射在第一距离聚焦而在第二距离没有聚焦的光斑阵列，所述第一和第二距离在所述设备的作用范围内。
4.根据权利要求3所述的测距设备，其中所述照射装置适合投射由聚焦时为非圆形的光斑组成的光斑阵列。
5.根据以上权利要求中任一项所述的测距设备，其中所述处理器适合消除在到每个光斑的距离中的任何可能的模糊。
6.根据以上权利要求中任一项所述的测距设备，其中所述照射装置具有大的景深。
7.根据以上权利要求中任一项所述的测距设备，其中所述照射装置适合周期性地改变二维投射光斑阵列。
8.根据权利要求7所述的测距设备，其中所述照射装置适合周期地利用不同的光斑阵列照射景象。
9.根据权利要求7所述的测距设备，其中所述处理器适合确定在检测到的阵列内的任何模糊区域，以及对一个或多个投射光斑去激活，以便消除模糊。
10.根据以上权利要求中任一项所述的测距设备，其中所述照射装置适合产生光斑阵列，在这个光斑阵列中至少一些投射光斑具有与相邻光斑不同的特性。
11.根据权利要求10所述的测距设备，其中所述特性是颜色。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的测距设备，其中所述特性是形状。
13.根据权利要求1至9中任一项所述的测距设备，其中所述光斑包括实线之间的交点。
14.根据权利要求13所述的测距设备，其中所述照射装置投射两组规则地隔开的线，这两组线基本上是正交的。
15.根据权利要求14所述的测距设备，其中所述处理器适合确定到这些实线之间的交点的距离，再用所确定的距离信息确定到实线上其他点的距离。
16.根据以上权利要求中任一项所述的测距设备，其中所述检测器包括二维CCD或CMOS阵列。
17.根据以上权利要求中任一项所述的测距设备，其中所述照射装置使得二维光斑阵列中的光斑是红外光斑。
18.根据权利要求17所述的测距设备，其中所述检测器适合获取景象的可见图像以及红外光斑在景象内的位置。
19.根据以上权利要求中任一项所述的测距设备，其中所述照射装置与检测器之间的基线在50到100mm之间。
20.根据以上权利要求中任一项所述的测距设备，其中所述检测系统适合从多于一个方向对景象成像。
21.根据权利要求18所述的测距设备，其中所述设备包括设置在至检测器的光路内的扫描光学装置，适合周期性地改变检测器的观察方向。
22.根据权利要求20所述的测距设备，其中所述检测器包括两个检测器阵列，每个检测器阵列配置成从不同的方向对景象成像。
23.根据权利要求1至19中任一项所述的测距设备，其中所述设备包括多个检测器，每个检测器配置成从不同的方向对景象成像。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的测距设备，其中所述处理器对从每个视点得到的景象应用图像处理算法，据此确定距离信息。
25.根据权利要求20至24中任一项所述的测距设备，其中所述检测装置适合在每个视点具有不同的到照射装置的基线。
26.根据权利要求20至25中任一项所述的测距设备，其中所述处理器适合确定从每个视点到景象的可能距离，再对这些可能距离进行比较，以消除任何模糊。
27.根据权利要求20至26中任一项所述的测距设备，其中所述这些视点中至少有两个视点的基线处在不同的轴上。
28.根据以上权利要求中任一项所述的测距设备，其中所述设备还包括多个照射装置，配置成从不同的方向照射景象。
29.根据权利要求28所述的测距设备，其中所述设备适合周期性地改变照射景象所用的照射装置。
30.根据权利要求29所述的测距设备，其中所述处理器适合确定在用每个照射装置照射时到景象的可能距离，再对这些可能距离进行比较，以消除任何模糊。
31.根据权利要求28至30中任一项所述的测距设备，其中每个所述照射装置配置成具有不同的到所述检测器或检测器阵列或每个检测器或检测器阵列的基线。
32.根据权利要求28至31中任一项所述的测距设备，其中至少两个照射装置投射具有不同特性的光斑。
33.根据以上权利要求中任一项所述的测距设备，其中所述照射装置包括配置成照射光波导的部分输入端面的光源，所述光波导包括具有基本上是反射性的侧面的导管，与投影光学装置一起配置成向景象投射由光源的不同的图像组成的阵列。
34.根据权利要求33所述的测距设备，其中所述光波导包括具有方形截面的导管。
35.根据权利要求33或权利要求34所述的测距设备，其中所述光波导包括具有反射性的内表面的导管。
36.根据权利要求33或权利要求34所述的测距设备，其中所述光波导包括固体材料的导管，适合使入射到导管材料与周围材料之间的交界面上的绝大部分光受到全内反射。
37.根据权利要求33至36中任一项所述的测距设备，其中所述投影光学装置包括投影透镜。
38.根据权利要求33至37中任一项所述的测距设备，其中所述光源配置成通过掩模照射光波导的输入端面。
39.根据权利要求27至31中任一项所述的测距设备，其中所述光源以非圆形照射光波导的输入端面。
40.根据权利要求32所述的测距设备，其中所述光源以对光波导的反射轴不对称的形状照射光波导的输入端面。
41.根据权利要求33至40中任一项所述的测距设备，其中所述照射装置包括多于一个光源，每个光源配置成照射光波导的部分输入端面。
42.根据权利要求41所述的测距设备，其中所述光源配置成规则图案。
43.根据权利要求41或42所述的测距设备，其中所述这些光源配置成提供不同的光斑密度。
44.根据权利要求41至43中任一项所述的测距设备，其中至少一个光源发射波长与另一个光源不同的光。
45.根据权利要求41至44中任一项所述的测距设备，其中至少一个光源做成与另一个光源不同的形状。
46.根据权利要求41至45中任一项所述的测距设备，其中至少一个光源具有对光波导的反射轴不对称的形状。
47.根据权利要求41至46中任一项所述的测距设备，其中至少一个光源设置在光波导内深度与另一个光源不同的位置。
48.根据以上权利要求中任一项所述的测距设备，所述测距设备还包括周期性地使光斑阵列在景象内改变方向的装置。
49.根据以上权利要求中任一项所述的测距设备，所述测距设备还包括位置传感器。
50.一种接近度传感器，所述接近度传感器装有根据权利要求1至49中任一项所述的测距设备。
51.一种目标识别设备，所述目标识别设备装有根据权利要求1至49中任一项所述的测距设备。
52.一种入侵者检测系统，所述入侵者检测系统装有根据权利要求1至49中任一项所述的测距设备。
53.一种生物测定建模设备，所述生物测定建模设备装有根据权利要求1至49中任一项所述的测距设备。
54.一种文件扫描器，所述文件扫描器包括成像器和根据权利要求1至40中任一项所述的测距设备，其中所述成像器适合处理从文件得到的距离信息，从而确定文件的弯曲程度，再对检测到的图像进行处理，以校正任何弯曲。
55.一种具有大景深的图像记录器，所述图像记录器包括利用光斑阵列照射景象的照射装置，和用于记录景象的图像的成像阵列，其特征是所述照射装置适合照射景象，使得光斑在所记录的图像内的位置可用来确定距离而没有任何模糊。
56.一种得到有关景象的距离信息的方法，所述方法包括下列步骤利用光斑阵列照射景象，摄取这些光斑在景象内的图像，唯一地标识景象内的每个光斑，以及根据每个光斑在景象内的位置确定到该光斑的距离。
57.根据权利要求56所述的得到有关景象的距离信息的方法，其中所述照射景象的步骤包括利用在一个距离上聚焦而在另一个距离上没有聚焦的非圆形光斑照射景象的步骤，而所述唯一标识景象内每个光斑的步骤包括确定光斑是否聚焦。
58.根据权利要求56或权利要求57所述的得到有关景象的距离信息的方法，其中所述照射景象的步骤包括投射光斑阵列使得至少一些投射光斑具有与其他光斑不同的形状和/或颜色的步骤，而所述唯一标识景象内每个光斑的步骤包括确定光斑的颜色和/或形状的步骤。
59.根据权利要求56至58中任一项所述的得到有关景象的距离信息的方法，其中所述记录景象图像的步骤包括从受到同样的照射的多个视点记录景象图像的步骤。
60.根据权利要求59所述的得到有关景象的距离信息的方法，其中所述唯一标识景象内每个光斑的步骤包括对从多于一个的视点得到的光斑位置进行比较以便唯一标识该光斑的步骤。
61.根据权利要求56至60中任一项所述的得到有关景象的距离信息的方法，所述方法还包括为每个所记录的图像记录有关开始记录该图像时的位置的信息的步骤。
62.一种标识方法，所述方法包括下列步骤按照权利要求56至61中任一项得到有关景象的距离信息，将所述距离信息与相应于要识别的项的参考形状信息进行比较，以及给出对于检测到的形状与参考项的匹配质量的指示。
63.根据权利要求62所述的方法，其中所述匹配步骤使用模型系数或最佳拟合方法。
全文摘要
本发明涉及一种能同时测量到三维景象的距离的测距设备。照射装置(22)利用二维光斑阵列(12)照射景象。检测器(6)设置在照射装置(22)附近，用来查看景象。处理器(7)响应检测器(6)的输出，根据光斑在景象图像内的位置确定到这个光斑的距离。可以用各种技术来消除在确定所考虑的是哪个投射光斑时的模糊。
文档编号G01S17/89GK1735789SQ200380108595
公开日2006年2月15日 申请日期2003年11月11日 优先权日2002年11月11日
发明者A·C·莱温, D·A·奥尔查德, S·C·伍兹 申请人:秦内蒂克有限公司