ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПОДСВЕТКИ АКТИВНОЙ 3D КАМЕРЫ
OPTICAL ILLUMINATION SYSTEM FOR ACTIVE 3D CAMERA

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:
инт
где L - длина оптического хода от цилиндрических линз до входного торца интегратора, D - диагональ сечения интегратора, u' - угловой размер индикатрис излучения на выходе цилиндрических линз;
инт
инт
где L - длина интегратора, D - 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.
3
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 мм (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.