CN114556136A - 照明设备、光检测设备以及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于光检测设备的照明设备，该光检测设备包括光检测传感器和光学透镜部分，其中，该照明设备包括：光源，该光源被配置为向场景发射光；以及光强度适配设备，该光强度适配设备被配置为适配由光源发射的光的光强度轮廓，用于在光检测传感器上至少部分地提供从场景反射并且通过光学透镜部分由光检测传感器检测到的光的均匀光强度。

Description

照明设备、光检测设备以及方法

技术领域

本公开整体涉及一种用于光检测设备的照明设备、光检测设备以及用于提供由光检测设备检测的光的方法。

背景技术

通常，光检测设备(诸如，飞行时间(ToF)设备、结构光扫描仪或立体相机等)是已知的，该光检测设备用于确定到场景的距离或深度图。通常，光检测设备包括例如照明设备、光学部件，诸如包括例如光学透镜、滤光器的光学透镜部分以及图像传感器等。

飞行时间包括多种测量粒子或光波在介质中传播一段距离所需时间的方法。已知的ToF设备可以同时获得用于深度图像的每个像素的场景中对象的深度测量，其中，深度图像用图像传感器捕获。为了捕获该图像，ToF设备典型地用例如调制光波照明场景，并且用具有例如像素阵列的图像传感器上的光学透镜部分对背向散射光波进行成像，其中，像素阵列的增益被相应地调制。信号深度信息可以从调制结果中获得。

在具有宽视场以获得更大场景的深度图像的光学系统(例如包括光学透镜(诸如鱼眼透镜)的相机或包括宽角透镜的ToF设备)中，以及例如，当优化照明设备以在场景上实现近乎均匀的照明时，已知来自成像到图像传感器上的场景的光强度在图像的角落和边界处典型地较低(即用于较大的角度)。在具有高背景亮度的情况下，可以降低对应于命中图像传感器的像素的场景的传输调制光的比例。这个比例可以确定图像传感器(即光检测传感器)的信噪比(SNR)，该信噪比(SNR)可以作为光检测设备性能的指标。

虽然存在用于光检测设备的技术，但通常希望改进用于光检测设备的照明设备、光检测设备以及用于提供由光检测设备检测的光的方法。

发明内容

根据本公开的第一方面，提供一种用于光检测设备的照明设备，该光检测设备包括光检测传感器和光学透镜部分，其中，该照明设备包括：光源，被配置为向场景发射光；以及光强度适配设备，被配置为适配由光源发射的光的光强度轮廓，用于在光检测传感器上至少部分地提供从场景反射并且通过光学透镜部分由光检测传感器检测到的光的均匀光强度。

根据本公开的第二方面，提供一种光检测设备，该光检测设备包括：光检测传感器，被配置为检测光；光学透镜部分，被配置为将从场景反射的光成像到光检测传感器上；控制器，被配置为从检测的光中获取图像；以及照明设备，该照明设备用于光检测设备，其中，该照明设备包括：光源，被配置为向场景发射光；光强度适配设备，被配置为适配由光源发射的光的光强度轮廓，用于在光检测传感器上至少部分地提供从场景反射并且通过光学透镜部分由光检测传感器检测到的光的均匀光强度。

根据第三方面，本发明提供一种用于提供由光检测设备检测的光的方法，该光检测设备包括光检测传感器和光学透镜部分，该方法包括：向场景发射光；适配由光源发射的光的光强度轮廓，用于在光检测传感器上至少部分地提供从场景反射并且通过光学透镜部分由光检测传感器检测到的光的均匀光强度。

在从属权利要求、以下描述和附图中阐述了其他方面。

附图说明

实施方式通过实例参照附图进行解释，其中：

图1示出作为飞行时间设备的光检测设备的实施方式。

图2示出飞行时间设备的主要功能；

图3示出用于光检测设备(诸如，飞行时间设备)的照明设备的实施方式；

图4示出光学透镜部分的在预定虚拟目标区域上的视场的计算方法的原理；

图5示出用于提供由光检测设备检测到的光的方法的实施方式的流程图；并且

图6示出用于计算用于光检测设备的光强度轮廓的方法的实施方式的流程图。

具体实施方式

在给出参考图1的实施方式的详细描述之前，进行广义解释。

如开头所提到的，已经认识到通常期望改进光检测设备的性能，并且光检测设备的性能的指标是光检测传感器的SNR。

例如，在汽车上下文中，需要越来越多的内部感测功能以监控车厢内部用于提高安全性；例如，在自动驾驶场景中，车载计算机需要检查是否可以安全地将车辆的控制权交还给驾驶员。已经认识到，例如，ToF设备能够执行具有宽视场的内部感测。理想情况下，单个ToF设备可以允许对车辆中的驾驶员和乘客进行监控，并且(例如在汽车车厢中)执行通常活动识别，同时减少对车厢内部进行全面监控所需的摄像头数量，从而降低了汽车内部的成本和功耗。

通常，光学透镜部分的视场对应于场景的一部分，该场景的一部分由光检测设备中的光检测传感器有效地检测到，并且如下文进一步所讨论的，该场景的一部分连接至光检测传感器的被光学透镜部分失真的图像。

然而，如开头所提到的，使用宽视场透镜(例如ToF设备中的光学透镜部分)可以典型地减少从场景(例如车厢中的驾驶员和前排乘客)反射的光的数量，该场景命中图像的角落处和边界处的光检测传感器的像素。由此，在具有高背景亮度的情况下(例如在车厢中的日光下)，SNR会在图像的边界处典型地降低。具有高环境光条件(即，背景亮度)的内部感测的其他情况可以是在封闭式混合物中飞行的无人机中或在用于乘客监控的商业飞行的飞机等中。

这些图像区域中较低的SNR可以来自ToF设备的光学透镜部分内部朝向边界的自然渐晕和固有相对照明损失。在光学系统中，由于光照射在光检测传感器上的较大角度，自然渐晕可以是自然照明衰减，由此，尤其在宽视场光学系统中，该自然渐晕是损失通道。

例如，当使用一个ToF设备对汽车中的整个车厢进行内部感测时，已经认识到驾驶员的头部和方向盘位于视场(即来自图像)的边界处。例如，在这样的自动驾驶场景和活动识别中，故障率可能必须非常小，由此，已经认识到期望ToF设备中的SNR在图像传感器的所有区域中是一致的以提高ToF设备的性能。

ToF设备的照明设备可以增加照明场景的光强度以增加反射光的量，然而，已经进一步认识到，这可能会增加车辆的功耗，并且可能导致图像其他部分中的传感器饱和。

此外，在某些情况下，在ToF的照明侧的宽视场透镜的固有图像失真(即透镜失真)可能不被忽略，因为落在光学透镜部分的视场之外的任何照明光可以计入总功耗。

而且，已经认识到，在诸如宽视场汽车驾驶舱监控的情况下，对象平面(或成像到光检测传感器上的对象区域)可以近似为球面区域(或特定应用区域)而不是平面区域，该球面区域可以以优化的方式被照明，使得光检测传感器上的光强度至少部分均匀。这是因为平面区域可能不足以覆盖整个宽视场(即接近180°)，因为边缘光线(即与光轴成接近90°的光线)几乎与平面区域平行，并且因此可能永远无法到达平面区域。因此，对应于该边缘光线起点的光检测传感器中的像素可能不会接收到信息。

因此，已经认识到，在一些实施方式中，改进光检测设备的照明侧(即照明设备)可以改进光检测设备的整体系统性能。

因此，一些实施方式涉及一种用于光检测设备的照明设备，该光检测设备包括：光检测传感器和光学透镜部分，其中，该照明设备包括：光源，该光源被配置为向场景发射光；以及光强度适配设备，该光强度适配设备被配置为适配由光源发射的光的光强度轮廓，用于在光检测传感器上至少部分地提供从场景反射并且通过光学透镜部分由光检测传感器检测到的光的均匀光强度。照明设备可以是用于对可以反射光的场景或感兴趣区域进行照明的照明设备。照明设备用于光检测设备(例如ToF设备、结构光扫描仪或立体相机等)，使得由照明设备发射的反射光可以由光检测设备检测以获得关于照明场景的深度信息。

通常，在不将本发明限制到ToF设备的示例性实施方式(其他实施方式可以基于例如门控ToF或任何其他已知的ToF技术)的情况下，ToF设备可以是直接ToF(dToF)设备，其中，距离是基于发射(和反射)光信号的运行时间确定的，该光信号可以是脉冲光信号，或者ToF可以是间接ToF(iToF)设备，其中，距离是基于反射光相对于感测信号的相移确定的。在iToF的情况下，调制光从ToF设备的照明设备发射到场景。场景反射调制光或散射调制光，并且反射/散射调制光由ToF设备的光学透镜部分成像到光检测传感器上，并且检测到的光信号被解调。由此，可以确定发射的调制信号和检测到的解调信号的相移，该相移指示ToF设备与场景之间的距离。ToF设备可以基于获取到的图像计算场景的3D深度信息。

为了在光检测设备中检测反射光，光检测传感器可以包括多个光检测像素。光检测像素可以布置成阵列或任何规则图案。光检测传感器可以是电荷耦合器件(CCD)、基于CMOS技术的有源像素传感器等，可以包括一个或多个SPAD(单光子雪崩二极管)、CAPD(电流辅助光子解调器)等。光检测像素可以基于无机和/或有机光电转换元件，即光电检测器(诸如，半导体或有机光电二极管或晶体管等、雪崩光电二极管、光电倍增器、热电堆等)，使得反射的照明光被检测。

此外，光检测传感器可以检测近红外光或红外光。另外，光检测传感器可以包括滤色器，或者每个光检测像素可以包括滤色器，其中，滤色器可以过滤不同的光谱区域。每个像素可以被微透镜覆盖。而且，阵列可以是单个光检测像素的二次曲线、矩形或任何其他二维图案，其中，每个光检测像素可以由控制器读出。

光学透镜部分将来自场景的位于光学透镜部分的视场中的反射光成像到光检测传感器上。光学透镜部分可以包括光学透镜、光圈、滤光器、偏振相关光学元件(诸如，双折射材料等)。光学透镜部分可以包括宽视场透镜(诸如，鱼眼透镜等)。光学透镜部分可以是单个光学透镜或光学透镜组等。光学透镜部分可以布置在光检测传感器上方。光学透镜部分可以在照明设备的制造阶段已经限定。

在照明设备中，包括向场景发射光的光源。光源可以是基于无机半导体、有机半导体或激光设备等的发光二极管(LED)。例如，LED可以发射近红外或红外辐射，然而，光源不限于此。激光设备可以是激光二极管或垂直腔面发射激光器(VCSEL)等，其中，光发射轮廓可以由电信号控制。而且，光源可以包括布置成阵列或任何规则或不规则图案的多个LED或VCSEL。光源可以发射连续光或脉冲光和/或可以发射具有预定调制的光。

光源可以是可由电(控制)信号(例如电压或电流等)控制。在这样的实施方式中，由电信号对光源的控制是对光源的光发射轮廓进行控制。

此外，光源可以在不同的空间方向上发射不同的波长(即光谱区域)，或所有发射的波长叠加在光强度轮廓中。

这里，场景可以是待由光检测设备监控的区域，该场景可以包括对象和/或感兴趣的人(诸如，汽车或飞机客舱等中的乘客)，该场景反射由照明设备发出的光并且由光检测设备的光检测传感器检测。

光强度适配设备适配由光源发射的光的光强度轮廓，用于在光检测传感器上至少部分地提供从场景反射并且通过光学透镜部分由光检测传感器检测到的光的均匀光强度。

光强度轮廓可以由其尺寸和形状(即，照明图案、感兴趣区域、照明场)、以及由光强度轮廓的光强度分布表征。两者都可以通过光强度适配设备适配，由此，该光强度适配设备可以包括用于该目的的光学元件(诸如，光学透镜、衍射光学元件(DOE)等)。

因此，场景可以不均匀地被照明，但是光检测传感器由反射光均匀地照明。例如，光强度分布可以使得场景的边界区域用比中心部分更高的光强度照明。而且，照明图案可以适配光学透镜部分的视场，该照明图案对应于光检测传感器的被光学透镜部分失真的图像(即光学透镜部分的反相失真)。在这样的实施方式中，从场景反射的光在通过光学透镜部分之后在光检测传感器上至少部分地提供均匀光强度。

通常，在一些实施方式中，适配光强度轮廓用于在光检测传感器上至少部分地提供均匀光强度，在以下一些实施方式中改进光检测设备的性能：

·阳光鲁棒性，即在高背景亮度的情况下通过最大化光检测传感器上的活跃光强度增加的SNR，尤其在通常较暗的区域上(即透镜的宽视场角度)；

·以相同的性能(即SNR)最小化光检测传感器内的散热；以及

·通过降低图像上的照明梯度来推动处理链。

此外，在一些实施方式中，所有光集中在光检测传感器上以在整个图像上具有均匀的SNR，由此，可以降低整体发射光强度从而降低功耗。

在一些实施方式中，光强度轮廓的适配是基于光学透镜部分的相对照明损失。

这里，光学透镜部分的相对照明损失对应于由于光学透镜部分中(i)自然渐晕和(ii)固有相对照明损失的组合损失，如上所描述的。相对照明损失可以确定适配的光强度轮廓的强度分布。

光学透镜部分的相对照明损失可以导致光检测传感器上的边界区域处的从场景反射的光的强度较低。

因此，适配的光强度轮廓的光强度分布可以使得在照明场景的边界区域处的光强度更高，以补偿光学透镜部分在场景的边界区域处的相对损失。在这样的实施方式中，相应地适配光强度轮廓，使得在光检测传感器上至少部分地提供均匀光强度。

由此，光强度轮廓的适配是基于光学透镜部分的相对照明损失。

在一些实施方式中，光强度轮廓的适配还基于光检测传感器与预定虚拟目标区域之间的距离。

为了适配光强度轮廓，限定预定虚拟目标区域。预定虚拟目标区域不是真实的物理区域，而是空间中的虚拟区域，表示照明场景的典型尺寸和形状，例如，对象或人(诸如车厢内部驾驶员座位上的驾驶员)典型地存在于该照明场景中。预定虚拟目标区域可以已经在照明设备的制造阶段限定。

如上所提到的，照明设备照明场景，这通常是未知的，因为例如存在于场景中的对象和乘客改变它们的位置。预定虚拟目标区域可以表示存在大部分对象和乘客的、照明设备的光被光检测传感器反射并且检测(即光强度轮廓)的典型区域。在这样的实施方式中，在光检测传感器上至少部分地提供均匀光强度。

预定虚拟目标区域虚拟地限定在距光检测传感器一定距离的空间中，并且通常，从对象反射的光的强度与到对象的距离的平方成反比而减小。由于对象可以存在于预定虚拟目标区域或预定虚拟目标区域附近、或在预定虚拟目标区域上或在预定虚拟目标区域附近移动，因此，光检测传感器与预定虚拟目标区域之间的距离与光强度轮廓的适配相关。

因此，光强度轮廓的适配还基于光检测传感器与预定虚拟目标区域之间的距离。

光检测传感器与预定虚拟目标区域之间的距离可以确定(或限定)照明区域(即光强度轮廓的照明图案)有多大，由此，可以相应地适配光强度轮廓。

此外，基于光检测传感器与预定虚拟目标区域之间的距离可以适配光强度轮廓的整体光强度，使得光检测传感器上的反射光的强度在检测阈值之上。

在一些实施方式中，光强度轮廓的适配还基于预定虚拟目标区域的形状。

通常，预定虚拟目标区域可以是覆盖光学透镜部分的视场的任何类型的区域。该区域可以是平面区域、环形区域、圆形区域、球面区域(即球体表面的一部分)、抛物面等。

根据待由光检测设备监控的应用情景或场景，可以相应地选择预定虚拟目标区域。例如，球面区域可以比平面区域更好地表示汽车内部，因为它覆盖了(例如在汽车内部感测场景中使用的)宽角透镜的整个视场。

在这样的实施方式中，可以选择球面区域的半径，使得前排座椅在球面区域上并且光强度轮廓可以具有强度分布，该强度分布在球面区域的边界处具有更高的强度以在前排座椅处具有更高的强度。

因此，光强度轮廓可以适配预定虚拟目标区域的形状。

在一些实施方式中，光强度轮廓的适配还基于光学透镜部分的投影在预定虚拟目标区域上的视场。

如上所提到的，光学透镜部分的视场是场景中的感兴趣区域，该区域由光检测传感器有效地检测。

为了说明，假设光检测传感器是或包括例如光检测像素阵列，到达光检测传感器的任何光线可以被任何像素捕获。光线可以由光学透镜部分折射并且在光学透镜部分的输出表面处以特定角度进入。

在此，光学透镜部分的输入表面是朝向光检测区段的表面，并且光学透镜部分的输出表面是朝向场景的表面。由此，从场景反射的光在输出表面处进入光学透镜部分并且在输入表面处离开光学透镜部分。

通常，在本文对光线和投影向量(投影射线)进行区分：

遵循经典光学定义的光线由有源光源(该光源是光检测的照明设备的一部分)或环境光源(诸如但不限于阳光)发射，并且光线可以在行进通过光学透镜部分之前从场景对象散射、从输出表面到输入表面，并且最终由光检测传感器上的像素检测。

如在本申请中提及的，投影向量(即投影光线)是光线或光线束的数学近似，并且具有与该投影向量近似的光线或光线束相反的方向，并且具有在三维中的欧几里得向量的特性。投影向量在像素坐标中具有原点，该像素检测投影向量近似的光线或检测投影向量近似的光线束。

此外，投影向量朝向场景上的特定点定向，该特定点近似由投影向量近似的光线或光线束处已经散射的点或点组。光检测设备可以使用这样的投影向量以基于由光检测传感器捕获到的信息构建场景的3D模型。例如，模拟软件可以追踪从场景通过光学透镜部分到达光检测传感器的光线。基于该模拟的结果，为光检测传感器的每个像素计算投影向量，该投影向量近似命中该像素的所有光线。

投影向量与预定虚拟目标区域的交集可以对应于光学透镜部分的视场，即感兴趣区域(即光学透镜部分的视场投影到预定虚拟目标区域上)。

换句话说，光检测传感器的被光学透镜部分失真的图像可以确定视场(光学透镜部分的反相失真)。

例如，预定虚拟目标区域可以是球面区域，其中，对应球体的中心点与光检测传感器重合。例如，这在光学透镜部分中包括宽视场透镜的实施方式中是有利的，因为它更真实地表示成像到光检测传感器上的对象平面。在这样的实施方式中，视场(即感兴趣区域)可以是枕形，并且光强度轮廓的照明图案可以具有相似的尺寸和形状。

因此，在一些实施方式中，如上所描述的，基于光学透镜部分的投影在预定虚拟目标区域上的视场，适配光强度轮廓或光强度轮廓的照明图案。

通常，在一些实施方式中，光源和光适配设备的组合通过在照明设备的构建阶段考虑以下几点实现光强度轮廓的适配：(i)由光检测传感器有效检测到的光学透镜部分的宽视场(即通过光学透镜部分的反相失真获得)，(ii)光学透镜部分中的自然渐晕和固有相对照明损失(相对照明损失)，(iii)预定虚拟目标区域，例如，表示场景(例如汽车驾驶舱)形状的球面区域，以及(iv)预定虚拟目标区域到光检测传感器的距离。

由此，在一些实施方式中，在光检测传感器上至少部分地提供从场景反射并且通过光学透镜部分由光检测传感器检测到的光的均匀光强度。

相反，当前的照明技术或者专注于平面区域上的照明均匀性(平面均匀性)，这对于宽视场透镜来说是次优的，或者当限定光强度轮廓时没有考虑光学透镜部分的失真和相对照明损失。

在一些实施方式中，预定虚拟目标区域是弯曲区域。

如上所描述的，弯曲区域(诸如球面区域、抛物面等)是有利的，因为一方面它可以比平面区域更真实地表示成像到光检测传感器上的对象平面，另一方面它可以更好适合待由光检测设备监控的典型应用情景或场景。

在一些实施方式中，光强度适配设备包括衍射光学元件，该衍射光学元件被配置为基于光学透镜部分的相对照明损失适配光强度轮廓。

通常，DOE可以对光强度轮廓成形并且通过在光学晶格处的衍射和部分光束的相长干涉和相消干涉调制光强度轮廓的强度分布。

DOE可以包括提供光学晶格的微结构化表面起伏，或它可以包括具有不同折射率的多种材料，这些材料可以堆叠、混合或布置成特定结构等。光学透镜部分的相对照明损失降低图像的某些部分中在光检测传感器上的光强度，典型地在图像的边界区域处，由此，可以相应地适配光强度轮廓。

因此，DOE可以被设计成实现对光强度轮廓的强度分布的适配，使得在光检测传感器上至少部分地提供从场景反射并且通过光学透镜部分由光检测传感器检测到的光的均匀光强度。

此外，DOE可以包括玻璃基板，其中，微结构化表面起伏可以存在于一个表面或两个表面上，并且玻璃基板可以是弯曲的等。

此外，可以组合光源和/或包括在照明设备中的其他光学元件实现光强度轮廓的适配。光源(即由光源发射的光)可以由电信号控制以用于提供不同的光发射轮廓。在一些实施方式中，光源可以是电控光源(即投影仪)。

在一些实施方式中，光强度适配设备还包括照明场适配透镜，该照明场适配透镜被配置为基于光学透镜部分的投影到预定虚拟目标区域上的视场适配光强度轮廓。照明场适配透镜可以是任何类型的光学透镜或透镜组等，例如宽视场透镜(诸如，鱼眼透镜等)。该照明场适配透镜可以包括虹膜或不透明的结构化区域，使得光强度轮廓的照明图案的形状和尺寸根据光学透镜部分的投影到光检测传感器上的视场进行适配。

此外，可以组合光源、DOE和/或包括在照明设备中的其他光学元件实现照明图案的适配。

在一些实施方式中，光强度适配设备还包括被配置为将由光源发射的光进行汇聚的准直透镜。

由光源发射的光可以是发散的并且准直透镜可以提供平行光束或低发散光束，其中，准直透镜可以布置在光源上方。照明场适配透镜可以是任何类型的光学透镜或透镜组等。

DOE、照明场适配透镜、准直透镜和/或其他光学元件的布置可以不限于特定的堆叠顺序等，只要如所描述地适配光强度轮廓。

通常，可能被忽略的是由于透镜失真和通过使图像圈照亮矩形而损失的光量是不可忽略的。在这方面，在一些实施方式中，共同设计透镜和照明DOE是优选的并且可以导致光检测设备的性能进一步提升。

特殊的宽照明场(即照明图案)的构建，光强度适配设备可以包括VCSEL顶部上的DOE，以便：

·反相光学透镜部分的失真(即在不进行失真校正的情况下表征光学透镜部分的失真)；以及

·补偿光学透镜部分内部的相对照明损失。

由此，可以解释为在VCSEL阵列的光发射轮廓的构建、适配和配置阶段光学透镜的失真。

如所提到的，由于光学透镜部分的失真，光检测传感器的矩形区域对应于球体上的特定感兴趣区域。例如，在预定虚拟目标区域是例如球面区域的实施方式中，该感兴趣区域(即视场)可以是枕形。感兴趣区域的形状和大小取决于光学透镜部分的参数，并且可以基于光学透镜部分的设计文件和预定虚拟目标区域在模拟环境中计算。模拟环境可以包括透镜设计软件、光线追踪功能等。该模拟环境可以有利地用于光学透镜部分的构建阶段(透镜设计、宽视场透镜中的自然渐晕以及固有相对照明损失等)和照明设备(光发射轮廓、DOE、照明场适配透镜等)。当配置照明设备的光强度轮廓时，感兴趣区域可以作为输入。例如，DOE(也可能是照明设备中的其他元件，诸如VCSEL)将以这样的方式设计，使得适配光强度轮廓用于在光检测传感器上至少部分地提供从场景反射并且通过光学透镜部分由光检测传感器检测到的光的均匀光强度。

在一些实施方式中，衍射光学元件包括微结构化表面起伏轮廓。

如所提到的，微结构化表面起伏可以存在于玻璃基板的一个表面上或两个表面上。微结构化表面起伏可以是表面上的不同高度的规则图案，如通道、边缘、点等。

如上所描述的，在一些实施方式中，由光源发射的光可以由电信号控制。

如上所描述的，光源可以是激光二极管、单个VCSEL或VCSEL阵列，其中，发射的光强度可以由电信号(例如电压或电流)控制。此外，在VCSEL阵列的情况下，电信号可以应用在阵列中的单个VCSEL处。在这样的实施方式中，光发射轮廓可以由电信号控制。

此外，电信号可以是用于提供ToF功能的连续信号、脉冲信号或连续调制信号。

因此，在一些实施方式中，如上所描述，光源包括垂直腔面发射激光器，其可以发射近红外光。

一些实施方式涉及光检测设备，该光检测设备包括光检测传感器、光学透镜部分、被配置为从检测到的光获取图像的控制器、以及用于光检测设备的照明设备。

光检测传感器、光学透镜部分以及照明设备已经在上面详细讨论过。

控制器可以包括电子电路(诸如，微处理器(CPU)和存储器和/或现场可编程门阵列(FPGA)等)，以实现本文所描述的功能，并且当然，具体地，实现光检测设备(具体ToF设备)的同步、定时、信号调制、深度信息的计算等。电子电路可以包括用于实现如本文所描述的功能的电子组件。控制器可以包括到外部计算机的通信接口(有线和/或无线)，例如用于接收和传输数据和/或命令的车辆中的车载计算机或车辆外部的服务器。

具体地，控制器从光检测传感器的检测到的光中获取图像，即生成的电信号(例如电荷载流子/电压/电流)通过控制器经由连接线读出并且可以存储在存储器中或在微处理器中处理。光检测设备可以基于获取到的图像计算场景的3D深度信息。

在一些实施方式中，控制器进一步被配置为对获取到的图像预处理。

获取到的图像可以直接在控制器中进行预处理，因为光检测传感器上的光强度均匀，图像梯度较低，图像处理所需的资源较少。这种预处理便于图像处理链。

在一些实施方式中，控制器进一步被配置为通过电信号控制光源。

如上所提到的，光源可以由电信号控制，由此，可以控制光源的光发射轮廓，并且例如，可以控制VCSEL阵列以打开和关闭阵列中的单个VCSEL，或例如，可以通过电流提高或降低光发射强度。因此，控制器可以经由连接线连接到光源。

在一些实施方式中，光学透镜部分包括宽视场透镜。

如所描述的，宽视场透镜可以是光学透镜或光学透镜组，该宽视场透镜能够在光检测传感器上有效地成像大部分环境或整个环境，例如入射角接近透镜光轴约90°以上的光线。

因此，如所描述的，在一些实施方式中，宽视场透镜包括鱼眼透镜。

如上所提到的，在一些实施方式中，光检测传感器包括多个光检测像素。

如上所描述的，一些实施方式涉及一种用于提供由光检测设备检测到的光的方法，该光检测设备包括光检测传感器和光学透镜部分，其中，该方法包括以下步骤：向场景发射光的步骤和适配发射光的光强度轮廓，用于在光检测传感器上至少部分地提供从场景反射并且通过光学透镜部分由光检测传感器检测到的光的均匀光强度。

一些实施方式涉及一种用于计算光检测设备的光强度轮廓的方法。

下面还描述了限定照明设备的光强度轮廓所需要的步骤。

在一些实施方式中，该方法包括限定光学透镜部分和光检测传感器的结构。如上所描述的，期望的光强度轮廓考虑光学透镜部分的参数(诸如，图像失真、视场、自然渐晕以及固有相对照明损失)。因此，在一些实施方式中，用于光检测设备(具体是ToF设备)的光学透镜部分与特定的光检测传感器(例如，尺寸和像素数量等)的组合需要被限定以用于计算。

该方法还包括限定朝向光检测传感器定向并朝向光学透镜部分的输出表面传播的光线。

该方法还包括限定预定虚拟目标区域。如上所描述的，预定虚拟目标区域可以表示照明场景的典型形状，并且预定虚拟目标区域与光学透镜部分的失真一起组成光强度轮廓的照明图案。

该方法还包括追踪通过光学透镜部分从输出表面到输入表面的光线。

该方法还包括从光线的追踪获得光学透镜部分的相对照明损失。

该方法还包括在光学透镜部分的输出表面处获得被追踪光线的投影向量。

该方法还包括通过投影向量与对应于光检测传感器的被光学透镜部分失真的图像的预定虚拟目标区域的交集，获得光学透镜部分在预定虚拟目标区域上的视场。

由此，在一些实施方式中，计算光强度轮廓的步骤是例如通过光学透镜部分反相光检测传感器(例如被布置成阵列的多个光检测像素)的有效区域的失真，该有效区域包括获得透镜输出表面处的投影向量。

为了计算光检测传感器到预定虚拟目标区域的投影，计算投影向量或投影光线，其中，投影向量提供对光线的近似，这些光线已经在光学透镜部分内部被追踪并且在多个方向上到达光检测传感器，其中，这些方向由该光学透镜部分的物理元件限定并且受透镜失真影响。如上所提到的，投影向量的方向与光线的方向相反。这些投影向量的定向是特定于透镜的，即任何其他光学透镜部分将对投影向量施加不同的方向。投影向量与预定虚拟目标区域之间的交集组成传感器的由光学透镜部分失真的图像。

这里，通过依赖这些投影向量解释光学透镜部分的失真。应当注意，该方法不需要校正失真，也不旨在校正图像中的失真。由此，该方法可能不属于非失真方法的类别(因为它们在科学文献中典型地被提及)。

例如，像素阵列可以投影到表示许多汽车内部的表面上(以避免在特定汽车模型上过度拟合)，同时仍然在所有汽车中实现足够的性能水平。应当注意，当评估(非定制)光强度轮廓时典型的方法是采用垂直于透镜光轴放置的平面表面。然而，平面表面可能不足以覆盖宽角透镜(即视场接近180°的透镜)的整个视场。这是因为边缘光线(即与光轴成接近90°的光线)可以与平面平行，因此永远可能到达不了平面。因此，对应于这种边缘光线的像素可能接收不到信息。另一方面，例如，中心与光检测传感器的中心(光学中心)一致的球体将覆盖光学透镜部分的整个视场。

在这样的实施方式中，该球体的半径根据感兴趣场景距离确定。也就是说，在汽车内部场景中，前排座椅座需要半径小于后排座椅的球体。因此，球体的半径可以是该方法的输入参数。

该方法还包括基于相对照明损失、光检测传感器与预定虚拟目标区域之间的距离、以及视场计算光强度轮廓。光强度轮廓的照明图案对应于光学透镜部分在具有最佳表示例如汽车内部的尺寸的预定虚拟目标区域上的反相失真图案。

因此，如上所描述的，计算照明设备的光强度分布可以通过考虑：(i)光学透镜部分的固有相对照明损失，(ii)由于预定虚拟目标区域的区域元件在平面上的投影产生的渐晕，以及(iii)平方反比定律。这将导致光检测传感器上的光强度至少部分均匀。

应当注意，在一些实施方式中，该方法不需要光检测设备可用，因为光学透镜部分的失真和光检测传感器在设计阶段是已知的。

如上所提到的，根据本文所描述的设备和方法，光强度轮廓的适配可以提供例如：

·最大化ToF设备在所有场点上的性能，从而改进阳光鲁棒性；

·降低照明功率，从而最小化散热和功耗；

·最小化置信梯度，从而推动处理链；以及

·能够在汽车内部记录中使用单一的宽视场光检测设备，具体是ToF设备，从而减少汽车内部传感器的相关成本。

如在此所描述的方法在一些实施方式中也被实施为计算机程序，当在计算机和/或处理器上执行时，该计算机程序使计算机和/或处理器和/或电路执行该方法。在一些实施方式中，还提供了存储有计算机程序产品中的非暂时性计算机可读记录介质，当由处理器(诸如上述的处理器)执行时，该计算机程序产品使得执行在本文中描述的方法。

返回图1，示出作为飞行时间设备1的光检测设备的实施方式。

在图1示出的实施方式中，ToF设备1用于车厢的内部感测并且被配置为iToF设备。驾驶员和乘客(未显示)在两个座椅上的活动(场景)由ToF设备1监控，该设备获取车厢的图像以获得场景的空间分辨深度信息。在图1中，面积、角度等不一定是按比例绘制的，因为它仅提供用于说明目的。

ToF设备1包括照明设备2，该照明设备具有光源3和布置在光源3上方的光强度适配设备4，其中，光源3包括被布置成阵列的发射近红外光到场景的多个VCSEL(VCSEL阵列)。

来自光源3的光通过光强度适配设备4朝向场景传播，并且在空间中限定预定虚拟目标区域5。这里，预定虚拟目标区域5是球面区域。如上所描述的，在本实施方式中，球面区域一方面更好地将汽车内部或场景表示为平面区域，另一方面更好适合用于宽视场内部感测应用。

适配的光强度轮廓6照明场景并且当从预定虚拟目标区域5上的乘客和/或对象反射时，光到达将光成像到光检测传感器8上的光学透镜部分7。这里，光检测传感器8被配置为由检测近红外光的多个光检测像素组成的矩形CAPD像素阵列。

ToF设备1中包括控制器9，该控制器连接至照明设备2和光检测传感器8。如所提到的，控制器9包括必要的电子组件和实现在此描述的功能的处理能力。控制器9有若干功能：(i)提供ToF功能，诸如定时、同步、信号调制等；(ii)从光检测传感器检测到的光中获取图像；以及(iii)从获取到的图像中计算深度信息。

在本实施方式中，光学透镜部分7使光检测传感器8来自CAPD像素阵列的矩形图像失真为预定虚拟目标区域5上的枕形图像10(即球面区域)。这限定到光检测传感器8一定距离的视场。由于光检测传感器8有效地检测场景的这个区域，光强度轮廓6的照明图案基于预定虚拟目标区域5和光学透镜部分7的视场。

光检测传感器8与预定虚拟目标区域之间的距离(即这里球面区域的半径)确定照明设备2必须提供给场景的总强度，因为反射光的强度与远离光源的距离的平方成反比降低。可以看出，光强度轮廓6的强度分布是不均匀的(较暗的区域对应于较高的光强度，反之亦然)以补偿光学透镜部分7的相对照明损失。光强度轮廓6的中心具有比边界区域低的强度。这是有利的，因为驾驶员和乘客所在的座椅中间在球面区域的边界区域中，由此，与没有活动的区域相比，待监控的活动区域被更多的光照明。这降低了ToF设备的功耗，因为光被更有效地使用。

如上所描述的，假设光强度轮廓6的所有光都从预定虚拟目标区域5上的场景中的乘客和对象反射，那么光检测传感器8上的光强度至少部分均匀。这是因为光强度轮廓6是基于光检测传感器8与预定虚拟目标区域之间的距离、预定虚拟目标区域5与光学透镜部分7的视场(对应于光学透镜部分7的反相失真、以及光学透镜部分7的相对照明损失)适配的。

由此，SNR在图像的所有区域中都是相同的，特别是在图像的边界处。由此，边界区域以与图像的中心区域相同或更好的灵敏度被监控，因此只需要一台ToF设备可以监控整个场景，从而降低了成本。另外，该系统在高背景亮度的情况下更加稳定。

图2以框图形式示出飞行时间设备1的原理功能。

在图2示出的实施方式中，用于深度感测或提供距离测量的ToF设备1被配置为如图1的实施方式中的iToF设备1。如上所提到的，ToF设备1包括控制器9，该控制器被配置为控制ToF功能(并且其包括本领域技术人员通常已知的未示出的对应的处理器、存储器和存储装置)。

ToF设备1包括照明设备2、光学透镜部分7、以及光检测传感器8。

照明设备2向反射光的场景21发射脉冲光。反射光由光学透镜部分7成像到光检测传感器8上。

光发射时间和调制信息由包括飞行时间测量单元24的控制器9控制，当检测到来自场景21的反射光时，该测量单元还从光检测传感器8获取相应信息。基于由发射光脉冲所代表的光波形和执行的解调，飞行时间测量单元24计算已经从照明设备2发射并且被场景21反射的检测到的光脉冲的相移，并且基于该相移计算光检测传感器8与场景21之间的距离d(深度信息)。

深度信息从飞行时间测量单元24馈送到控制器9的3D图像重建单元25，该3D图像重建单元25基于从飞行时间测量单元24接收的深度信息重建(生成)场景21的3D图像。

图3示出用于光检测设备(诸如飞行时间设备1)的照明设备2的实施方式。

在图3示出的实施方式中，照明设备2包括根据图1和图2的实施方式被配置的光源3。照明设备2还包括光强度适配设备4，该光强适配设备包括衍射光学元件41(水平虚线所示)、照明场成形透镜42(垂直虚线所示)和准直透镜43(垂直条纹区域所示)。DOE包括微结构化表面起伏(未示出)。

光强度适配设备的光学元件堆叠在机械封装中(倾斜的条纹区域所示)。光源3安装在电气封装上并且接线至电气封装(虚线区域所示)。

VCSEL阵列的每个VCSEL元件(即光源3)朝向准直透镜43发射光形成光发射轮廓。准直透镜43被配置为将光发射轮廓汇聚并且提供平行光束。

然后，这里的球面区域中，照明场成形透镜42被配置为适配预定虚拟目标区域5上的光强度轮廓6的照明图案。预定虚拟目标区域上的光强度轮廓6的强度分布由DOE适配。

图4示出光学透镜部分7在预定虚拟目标区域5上的视场的计算方法的原理。

光检测传感器8被配置为与图1和图2的实施方式相同，但是为了说明的目的，仅示出了6个像素，该方式当然不将本发明限于该特定配置。

投影向量30从光检测传感器8的每个像素发射(当然概念上)。投影向量30由光学透镜部分7折射(图4所示的光路不一定表示真实情况下的光路，因为它只是为了说明的目的)并且以一定角度相交在光学透镜部分7的输出表面处。在输出表面处的投影向量30朝向预定虚拟目标区域5(这里是球面区域)的延伸导致与预定虚拟目标区域5相交。该相交给出了光检测传感器8的被光学透镜部分7失真的图像，并且限定光学透镜部分7的视场。这对应于由光检测传感器8有效检测的场景的部分。

这进一步限定由照明设备2适配的光强度轮廓的照明图案。

因此，往回退，其中，反射对象存在于预定虚拟目标区域5上或其附近，该反射对象被光强度轮廓照明，由场景反射的光在光检测传感器8上提供至少部分的均匀光强度。

图5示出用于提供由光检测设备检测到的光的方法的实施方式的流程图。

下面参照图1对方法45进行说明。

如所描述的，在46，将光发射到场景。

如所描述的，在47，发射光的光强度轮廓6被适配用于在光检测传感器8上至少部分地提供从场景反射并且通过光学透镜部分7由光检测传感器8检测到的光的均匀光强度。

图6示出用于计算光检测设备的光强度轮廓的方法的实施方式的流程图。

在下文中，结合图4对方法50进行说明。

如所描述的，在51，限定光学透镜部分7和光检测传感器8的结构。

如所描述的，在52，限定朝向光检测传感器8定向并且朝向光学透镜部分7的输出表面传播的光线。

如所描述的，在53，限定预定虚拟目标区域5。

如所描述的，在54，追踪从输出表面到输入表面通过光学透镜部分7的光线。

如所描述的，在55，从光线的追踪获得光学透镜部分7的相对照明损失。

如所描述的，在56，在光学透镜部分7的输出表面处获得被追踪光线的投影向量30。

如所描述的，在57，通过投影向量30和预定虚拟目标区域5的交集获得光学透镜部分7在预定虚拟目标区域5上的视场，并且预定虚拟目标区域5对应于光检测传感器8被光学透镜部分失真的图像。

如所描述的，在58，基于到预定虚拟目标区域的距离、视场和相对照明损失计算光强度轮廓6。

应该认识到，实施方式描述具有方法步骤示例性顺序的方法。然而，方法步骤的特定顺序仅出于说明目的给出，不应该被解释为具有约束力。例如，可以交换图6的实施方式中的52和53的顺序。此外，可以交换图6的实施方式中的55和56的顺序。对本领域技术人员来说，方法步骤的顺序的其他变化可以是显而易见的。

请注意，将控制器9划分为单元24至单元25只是为了说明的目的，并且本发明不限于特定单元中的任何特定功能划分。例如，控制器9可以由相应的编程处理器、现场可编程门阵列(FPGA)等实施。

就使用软件控制的数据处理装置至少部分地实现上述本发明的实施方式而言，应当理解，提供这种软件控制的计算机程序和通过其提供这种计算机程序的传输、存储或其他介质被设想为本发明的方面。

注意，本技术也可以如下所描述的进行配置。

(1)一种用于光检测设备的照明设备，该光检测设备包括光检测传感器和光学透镜部分，其中，照明设备包括：光源，该光源被配置为向场景发射光；以及光强度适配设备，该光强度适配设备被配置为适配由光源发射的光的光强度轮廓，用于在光检测传感器上至少部分地提供从场景反射并且通过光学透镜部分由光检测传感器检测到的光的均匀光强度。

(2)根据(1)的照明设备，其中，光强度轮廓的适配基于光学透镜部分的相对照明损失。

(3)根据(2)的照明设备，其中，光强度轮廓的适配进一步基于光检测传感器与预定虚拟目标区域之间的距离。

(4)根据(3)的照明设备，其中，光强度轮廓的适配进一步基于预定虚拟目标区域的形状。

(5)根据(4)的照明设备，其中，光强度轮廓的适配进一步基于光学透镜部分的投影到预定虚拟目标区域上的视场。

(6)根据(4)或(5)的照明设备，其中，预定虚拟目标区域是弯曲区域。

(7)根据(2)至(6)中任一项的照明设备，其中，光强度适配设备包括衍射光学元件，该衍射光学元件被配置为基于光学透镜部分的相对照明损失适配光强度轮廓。

(8)根据(7)的照明设备，其中，光强度适配设备进一步包括被配置为照明场适配透镜，该照明场适配透镜基于光学透镜部分的投影到预定虚拟目标区域上的视场适配光强度轮廓。

(9)根据(8)的照明设备，其中，光强度适配设备还包括准直透镜，该准直透镜被配置为将由光源发射的光进行汇聚。

(10)根据(7)至(9)中任一项的照明设备，其中，衍射光学元件包括微结构化表面起伏轮廓。

(11)根据(1)至(10)中任一项的照明设备，其中，光源能由电信号控制。

(12)根据(11)的照明设备，其中，光源包括垂直腔面发射激光器。

(13)根据(12)的照明设备，其中，垂直腔面发射激光器发射近红外光。

(14)一种光检测设备，包括：光检测传感器，该光检测传感器被配置为检测光；光学透镜部分，该光学透镜部分被配置为将从场景反射的光成像到光检测传感器上；控制器，该控制器被配置为从检测到的光中获取图像；以及照明设备，该照明设备用于光检测设备，其中，该照明设备包括：光源，该光源被配置为向场景发射光；以及光强度适配设备，该光强度适配设备被配置为适配由光源发射的光的光强度轮廓，用于在光检测传感器上至少部分地提供从场景反射并且通过光学透镜部分由光检测传感器检测到的光的均匀光强度。

(15)根据(14)的光检测设备，其中，控制器进一步被配置为对获取到的图像进行预处理。

(16)根据(14)或(15)的光检测设备，其中，控制器进一步被配置为通过电信号控制光源。

(17)根据(14)至(16)中任一项的光检测设备，其中，光学透镜部分包括宽视场透镜。

(18)根据(17)的光检测设备，其中，宽视场透镜包括鱼眼透镜。

(19)根据(14)至(18)中任一项的光检测设备，其中，光检测传感器包括多个光检测像素。

(20)一种提供由光检测设备检测到的光的方法，该光检测设备包括光检测传感器和光学透镜部分，该方法包括：向场景发射光；以及适配发射光的光强度轮廓，用于在光检测传感器上至少部分地提供从场景反射并且通过光学透镜部分由光检测传感器检测到的光的均匀光强度。

(21)一种用于计算光检测设备的光强度轮廓的方法，该光检测设备包括：被配置为检测光的光检测传感器；被配置为将从场景反射的光成像到光检测传感器上的光学透镜部分；被配置为从检测到的光中获取图像的控制器；以及用于飞行时间设备的照明设备，其中，照明设备包括：被配置为向所述场景发射光的光源；以及光强度适配设备，被配置为适配由光源发射的光的光强度轮廓，用于在光检测传感器上至少部分地提供从场景反射并且通过光学透镜部分由光检测传感器检测到的光的均匀光强度；该方法包括：限定光学透镜部分和光检测传感器的结构；限定朝向光检测传感器定向并且朝向光学透镜部分的输出表面传播的光线；限定预定虚拟目标区域；追踪通过光学透镜部分从输出表面到输入表面的光线；从光线的追踪中获得光学透镜部分的相对照明损失；获得被追踪光线在光学透镜部分的输出表面的投影向量；通过投影向量与对应于光检测传感器的被光学透镜部分失真的图像的预定虚拟目标区域的交集，获得光学透镜部分在预定虚拟目标区域上的视场；以及基于相对照明损失、光检测传感器与预定虚拟目标区域之间的距离以及视场计算光强度轮廓。

(22)一种计算机程序，包括程序代码，当在计算机上执行时，该程序代码使计算机执行根据(20)或(21)的方法。

(23)一种存储有计算机程序产品的非暂时性计算机可读记录介质，当由处理器执行时，该计算机程序产品执行根据(20)或(21)的方法。

Claims (20)

1.一种用于光检测设备的照明设备，所述光检测设备包括光检测传感器和光学透镜部分，其中，所述照明设备包括：

光源，所述光源被配置为向场景发射光；以及

光强度适配设备，被配置为适配由所述光源发射的光的光强度轮廓，用于在所述光检测传感器上至少部分地提供从所述场景反射并且通过所述光学透镜部分由所述光检测传感器检测到的光的均匀光强度。

2.根据权利要求1所述的照明设备，其中，所述光强度轮廓的适配基于所述光学透镜部分的相对照明损失。

3.根据权利要求2所述的照明设备，其中，所述光强度轮廓的适配还基于所述光检测传感器与预定虚拟目标区域之间的距离。

4.根据权利要求3所述的照明设备，其中，所述光强度轮廓的适配还基于所述预定虚拟目标区域的形状。

5.根据权利要求4所述的照明设备，其中，所述光强度轮廓的适配还基于所述光学透镜部分的投影到所述预定虚拟目标区域上的视场。

6.根据权利要求4所述的照明设备，其中，所述预定虚拟目标区域是弯曲区域。

7.根据权利要求2所述的照明设备，其中，所述光强度适配设备包括衍射光学元件，所述衍射光学元件被配置为基于所述光学透镜部分的所述相对照明损失适配所述光强度轮廓。

8.根据权利要求7所述的照明设备，其中，所述光强度适配设备还包括照明场适配透镜，所述照明场适配透镜被配置为基于所述光学透镜部分的投影到预定虚拟目标区域上的视场适配所述光强度轮廓。

9.根据权利要求8所述的照明设备，其中，所述光强度适配设备还包括准直透镜，所述准直透镜被配置为将由所述光源发射的光进行汇聚。

10.根据权利要求7所述的照明设备，其中，所述衍射光学元件包括微结构化表面起伏轮廓。

11.根据权利要求1所述的照明设备，其中，所述光源由电信号控制。

12.根据权利要求11所述的照明设备，其中，所述光源包括垂直腔面发射激光器。

13.根据权利要求12所述的照明设备，其中，所述垂直腔面发射激光器发射近红外光。

14.一种光检测设备，包括：

光检测传感器，被配置为检测光；

光学透镜部分，被配置为将从场景反射的光成像到所述光检测传感器上；

控制器，被配置为从检测到的光中获取图像；以及

用于所述光检测设备的照明设备，其中，所述照明设备包括：

光源，被配置为向所述场景发射光；以及

光强度适配设备，被配置为适配由所述光源发射的光的光强度轮廓，用于在所述光检测传感器上至少部分地提供从所述场景反射并且通过所述光学透镜部分由所述光检测传感器检测到的光的均匀光强度。

15.根据权利要求14所述的光检测设备，其中，所述控制器还被配置为对获取的所述图像进行预处理。

16.根据权利要求14所述的光检测设备，其中，所述控制器还被配置为由电信号控制所述光源。

17.根据权利要求14所述的光检测设备，其中，所述光学透镜部分包括宽视场透镜。

18.根据权利要求17所述的光检测设备，其中，所述宽视场透镜包括鱼眼透镜。

19.根据权利要求14所述的光检测设备，其中，所述光检测传感器包括多个光检测像素。

20.一种用于提供由光检测设备检测的光的方法，所述光检测设备包括光检测传感器和光学透镜部分，所述方法包括：

向场景发射光；并且

适配发射的光的光强度轮廓，用于在所述光检测传感器上至少部分地提供从所述场景反射并且通过所述光学透镜部分由所述光检测传感器检测到的光的均匀光强度。

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