КАМЕРА ТРЕХМЕРНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ С ФОТОМОДУЛЯТОРОМ
THREE-DIMENSIONAL IMAGE CAMERA WITH PHOTOMODULATOR

Изобретение относится к области разработки оптических приборов, а более конкретно к проектированию камер для получения трехмерных (3D) изображений.
Из уровня техники известны различные конструкции камер для получения трехмерных изображений (см. например, патент США №6,278,847 [1] и международную публикацию WO 2000/019705 [2]). Большинство известных конструкций основаны на использовании нескольких отдельных каналов, по которым в камеру помимо сигнала в видимом диапазоне поступает информация о фоновой засветке, интенсивности сцены и ее глубине. Одним из ключевых элементов таких 3D камер является высокоскоростной модулятор света, основанный на дискретизации приходящего светового потока по времени. Известны высокоскоростные модуляторы света, выполненные в виде оптического элемента для пространственной модуляции оптического излучения (см., например, европейский патентный документ ЕР №1662297 [3]). Принцип построения такого модулятора на основе полного внутреннего отражения поясняется схемой, представленной на Фиг.2. Оптический элемент 201 для пространственной модуляции состоит из слоя 204 с низким показателем преломления, изготовленного из прозрачного материала с показателем преломления, меньшим, чем у призмы 202, и расположенного между призмой 202 и оптическим функциональным слоем 203 из оптического материала с коэффициентом преломления, изменяемым под воздействием излучения 206.
Принцип работы заключается в том, что в элементе 201, на границе отражения между призмой 202 и слоем 204, излучение 205, которое должно быть промодулировано, модулируется из-за изменения физических параметров слоя 203 с помощью излучения 206. Таким образом, обеспечивается модуляция интенсивности выходящего излучения 205.
Наиболее близким по своим признакам к заявляемому изобретению является система трехмерного изображения, описанная в патенте США №7224384 [4] и поясняющаяся схемой, представленной на Фиг.1.
Прототип изобретения представляет собой 3D камеру, включающую в себя блок зондирующей подсветки в инфракрасном диапазоне и четыре канала. Канал 50 предназначен для формирования видимого изображения. Канал 71 предназначен для формирования карты глубины. Канал 73 предназначен для нормировки карты глубины по интенсивности зондируемой сцены. Канал 72 предназначен для учета фоновой засветки вблизи длины волны зондирующего излучения.
Известная 3D камера является сложным прибором, в котором используются 3 высокоскоростных модулятора и 4 канала приема и обработки информации. Таким образом, она является весьма сложным и дорогостоящим прибором. Кроме того, дальность зондируемой сцены обычно невелика, так как ограничена методом зондирования и модуляции при приеме сигнала.
Известные механические и оптические модуляторы и затворы не обеспечивают полигармонического режима модуляции. Кроме того, такие модуляторы и затворы работают на поляризационном принципе и не всегда удобны в эксплуатации, т.к. требуют применения источников с поляризованным излучением. В схему приходится вставлять дополнительные элементы (поляризаторы, анализаторы, фазовые пластинки и т.п.). Помимо усложнения схемы используемая мощность светового излучения в этом случае снижается более чем в два раза.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы минимизировать число элементов в 3D камере для миниатюризации конструкции камеры и упростить схему фотомодулятора без снижения эффективности использования полезной мощности светового излучения.
Поставленная задача решена за счет разработки усовершенствованной 3D камеры, содержащей канал регистрации сцены в видимом диапазоне света и канал регистрации карты глубины, функционирующий в инфракрасном диапазоне при наличии подсветки, матрицу CCD с электронным блоком обработки сигналов, общий объектив, дихроичный светоделитель каналов и расположенные в канале регистрации карты глубины ирисовую диафрагму, коллективную линзу Френеля и фотомодулятор, при этом характерной особенностью конструкции является то, что модулятор совмещен с коллективной линзой Френеля и матрицей, причем модулятор изготовлен из электрооптического материала в форме комплементарных тонких гравированных пластин и выполнен с возможностью функционирования в полигармоническом режиме модуляции таким образом, что нормировка карты глубины в канале регистрации карты глубины, общий принцип выполнения которой известен, например, из прототипа [4] (см. функции канала 73), а также из аналогов WO 97/01111 [5] и патента США №5,434,612 [6], осуществляется в данном случае за счет введения временного разделения режимов работы этого канала.
Для построения 3D камеры используют модулятор света, построенный на комплементарных электрооптических рельефных пластинах, расположенный в канале построения карты глубины камеры с CCD матрицей. Углы рельефа, т.е. выступов, пластины и изменение ее показателя преломления строго согласованы с параметрами объектива, коллектива (в данном случае - коллективной линзы Френеля) и CCD матрицей.
Использование такого модулятора обеспечивает работу 3D камеры в полигармоническом режиме, что позволяет увеличить длину регистрируемой 3D сцены и существенно упростить схемотехнику 3D камеры. Не требуется использования источников с поляризованным излучением, что повышает коэффициент использования светового излучения.
С другой стороны, использование предложенной схемы модулятора вследствие возможности ее реализации с очень малой толщиной (<0.2 mm) позволяет совместить его с коллективом, реализованным в виде тонкой линзы Френеля, и CCD матрицей, что исключает необходимость применения объектива переноса.
Применение полигармонической модуляции, т.е. модуляции на нескольких определенным образом выбранных частотах с заданными значениями глубины модуляции, позволяет увеличить длину регистрируемой сцены с сохранением точности определения глубины объектов сцены.
Применение двух режимов модуляции, т.е. полигармонического режима и режима нормировки карты глубины с полностью открытым в течение определенного времени модулятором, разделенных во времени, позволяет совместить канал формирования карты глубины с каналом нормировки этой карты.
Фиг.1. Схема 3D камеры, включающей в себя канал визуального изображения, канал карты глубины сцены, канал нормировки карты глубины и канал фоновой засветки.
Фиг.2. Схема высокоскоростного модулятора на основе призмы полного внутреннего отражения.
Фиг.3. Схема 3D-камеры с каналом визуального изображения, каналом карты глубины сцены и фотомодулятором из двух гравированных электрооптических пластинок, коллективной линзой Френеля.
Фиг.4. Комплементарные (первая и вторая) гравированные электрооптические пластины модулятора света; 4.1 - гравированные электрооптические пластины в разрезе; 4.2 - вид на первую гравированную электрооптическую пластину снизу.
Фиг.5. Схема хода лучей в модуляторе света, иллюстрирующая принцип работы высокоскоростного модулятора с двумя электрооптическими пластинками.
Фиг.6. Схема фотомодулятора с двумя выгравированными электрооптическими пластинками, коллективной линзой Френеля и одним каналом для получения изображения и формирования карты глубины.
Изобретение поясняется схемой на Фиг.3, где изображено устройство камеры с каналом визуального изображения, каналом карты глубины сцены и фотомодулятором из двух гравированных электрооптических пластинок, коллективной линзой Френеля;
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Видимое излучение от объектов изображаемой сцены проходит через объектив 301 камеры, проходит спектрально селективный делитель 302 и попадает на CCD матрицу 303, формирующую видимое изображение в видеокамере. Источник 304 зондирующего излучения обеспечивает подсветку объектной сцены ИК излучением, модулированным по интенсивности, при этом модуляция является многочастотной, т.е. осуществляется на двух или более частотах. Синхронизация режима работы фотомодулятора 306 с источником 304 подсветки осуществляется блоком 305 синхронизации. Блок 305 синхронизации обеспечивает два режима работы фотомодулятора 306 - в режиме нормировки карты глубины фотомодулятор находится определенное время в открытом состоянии, а в режиме формирования карты глубины модуляция фотомодулятора происходит синхронно с модуляцией 304 источника излучения. Оба режима фотомодулятора последовательно сменяют друг друга во времени. В первом режиме модулятор открыт в течение заданного времени, а источник подсветки имеет постоянную интенсивность, при этом регистрируется первое изображение на CCD матрице, массив оцифрованных значений интенсивности которого запоминается в ее блоке электронной обработки, во втором режиме синхронно модулируются интенсивность источника подсветки и коэффициент пропускания модулятора, в этом случае на CCD регистрируется второе изображение и запоминается второй массив оцифрованных значений интенсивности, нормированная карта глубины определяется как отношение значений элементов второго массива к значениям соответствующих элементов первого массива (соответствующие элементы массивов имеют одинаковые индексы) в блоке электронной обработки.
Отраженное от объектов зондируемой сцены ИК излучение проходит через объектив 301 камеры, отражается от спектрально-селективного светоделителя 302 и проходит через апертурную диафрагму 307, которая определяет задний апертурный угол канала камеры для формирования карты глубины с целью более оптимального обеспечения условия полного внутреннего отражения, падает на коллективную линзу Френеля 308 для обеспечения нормального падения на первую гравированную электрооптическую пластинку фотомодулятора 306 главных лучей всех сходящихся пучков, формирующих изображение независимо от положения точки схода на кадре. Элементы линзы 308 Френеля согласованы по положению с треугольными кольцевыми канавками электрооптических пластинок фотомодулятора 306. После прохождения фотомодулятора ИК излучение формирует карту глубины объектной сцены на поверхности CCD матрицы 309.
Структура электрооптических пластин фотомодулятора представлена на Фиг.4, где на Фиг.4.1 представлены гравированные пластины в разрезе, а на Фиг.4.2 представлен вид на первую гравированную электрооптическую пластину снизу. Первая серия канавок нанесена на нижнюю поверхность первой электрооптической пластинки. Вертикальная стенка канавки зачернена для обеспечения поглощения отраженного излучения в режиме ПВО. Вторая гравированная электрооптическая пластинка на верхней поверхности имеет комплементарные кольцевые канавки (см. Фиг.4.1, где изображен профиль этих пластинок). В собранном состоянии между пластинками с комплементарными профилями между наклонными поверхностями канавок образуется тонкий воздушный зазор.
Схема хода лучей в двух электрооптических пластинах приведена на Фиг.5. Линиями, помеченными крестиками, показан ход лучей в полностью открытом фотомодуляторе. Линиями, помеченными кружками, показан ход лучей в полностью закрытом фотомодуляторе. В полностью открытом фотомодуляторе лучи преломляются на наклонной поверхности у нижней границы кольцевой канавки первой электрооптической пластины, проходят воздушный зазор и преломляются на наклонной поверхности канавки второй электрооптической пластины. Отраженные от верхней грани нижней пластины вторичные лучи будут поглощены, как это показано на Фиг.5 пунктиром. Поскольку воздушный промежуток представляет собой, как бы, плоскопараллельную пластину, ход лучей во второй электрооптической пластине восстанавливается с незначительным горизонтальным смещением. Параметры всей схемы рассчитаны таким образом, что точка схода лучей находится на поверхности CCD матрицы. В полностью закрытом состоянии фотомодулятора (лучи с кружками) сходящийся пучок лучей отражается от нижней границы первой электрооптической пластины и затем поглощается специальным слоем на вертикальной стороне канавки первой пластины.
Фотомодулятор основан на эффекте полного внутреннего отражения с двумя встречными электрооптическими гравированными пластинками и коллективной линзой Френеля с комбинированной CCD матрицей и спектрально-селективной апертурной диафрагмой, позволяющей совместить в одном канале и функции формирования видимого изображения, и функции получения карты глубины. Пример конкретного построения данной схемы приведен на Фиг.6.
По предложенной схеме могут быть реализованы малогабаритные камеры трехмерного изображения, которые можно использовать в различных малогабаритных технических, медицинских и научных системах и устройствах, в частности в системах технического зрения промышленных роботов, промышленных системах наблюдения и других областях.