CN102508391B - 广角视野的活动照明成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种广角视野的活动照明成像系统。本发明的实施例提供了包括第一相机和第二相机的活动照明成像系统，每个相机具有光轴以及由包括光轴的平面中的视角来表征的视野(FOV)，并且其中，相机的光轴以基本上等于它们视角之和的一半的角度相交于它们的FOV共有的相交区域。

Description

广角视野的活动照明成像系统
技术领域
本发明的实施例涉及活动照明成像系统，该系统发射光以照亮场景并使用由场景中的要素(feature)从所发射的光反射而来的光对场景进行成像。
背景技术
已知通常被称为“活动照明相机”的各种类型的活动照明相机或成像系统，包括它们自己的光源，用于照亮它们使用“人造光”进行成像的场景。在这样的活动照明相机中有普遍存在的闪光相机、姿势识别相机和三维(3D)相机。姿势识别相机照亮人以对其姿势进行成像和识别。3D相机使用其生成的光对场景进行成像以确定到场景中要素的距离。取决于3D相机的运行模式，相机的光源提供的光可以是被称为结构化光的空间上被调制的光，诸如通常由三角测量3D相机使用的，或者是时间上被调制的光，诸如通常由各种类型的飞行时间(TOF)3D相机使用的脉冲中发射的光。
对于诸如跟踪人的姿势以使其与计算机进行交互的很多应用程序而言，活动照明相机的优选设计规范可能是不相容的，并且适应这样的竞争性设计偏好可能是昂贵的。
例如，对于姿势跟踪和/或3D成像以使人与计算机游戏进行交互，通常期望的是活动照明相机具有由广视角来表征的相对大的视野(FOV)，人可在其中自由地移动并仍然由相机准确地对其进行成像。相机的FOV是由从相机的光学中心延伸的固定角度定义的空间区域，并且由相机的光学系统在相机包括的以下称为“光电传感器”的光敏传感器上对其中的点进行成像。相机的FOV的视角是位于相机的FOV中并从相机的光学中心延伸的线之间最大可能的角度。可为与相机的光学中心相交的任何平面定义视角。通常为包含相机的光轴的平面定义视角。用于对人的活动进行成像的实际视角通常是，为分别与地面平行和垂直的平面所定义的水平和垂直视角。由广视角来表征FOV可能是有利的，广水平视角通常大至90°、120°或150°。
为了提供具有广角FOV和准确成像的相机，相机通常具有光学系统，该光学系统包括具有小的有效焦距“f”的透镜或透镜系统，以及具有大量光敏像素的相对大的光电传感器。光学系统的有效焦距是可用于表示光学系统的功能的光学系统的薄透镜等价物的焦距。
但是，使用来自相机光源的光照亮大的FOV通常在技术上和成本级上都是有挑战的。由光源提供的照明强度通常受到成本考虑以及将光源和相机维持在可接受的运行温度的散热要求的限制。因此，由相机FOV中的人和其他要素反射的来自光源的光的量通常有限。
为了补偿有限的照明，相机可具有增强的光收集效率和记录能力，从而由相机的光电传感器中的像素所记录的所反射的光的量足以使像素生成的信号具有可接受的信噪比(SNR)。光收集效率是相机所成像的对象的单位面积上对由相机透镜收集的光的部分在相机光电传感器上成像的光的强度(每单位面积的光能)的度量。光记录能力是相机在像素上成像的每单位光能的对相机光电传感器中的像素产生多少信号的度量，并且具有每单位光能的信号幅度单元。相机的光收集效率与光记录能力的乘积是对来自要成像的场景的光的相机敏感度的度量，并被称为相机的光获取敏感度(LAS)。
可通过降低相机透镜的f数(f#)并提高相机的光电传感器中像素的大小来增强光收集效率和收集能力。透镜f#等于透镜的焦距f除以其光圈的直径D，即f#＝f/D。光圈直径D可由各种光圈中的任一个来控制。最小的f#意为用于最大可能的D的f#，通常是接近透镜的物理直径的直径。
在白天和/或使用来自传统闪光灯的光对场景进行成像的传统数码相机具有由在约40°和约60°之间的视角来表征的FOV，包括具有在1.2μ-6μ(微米)之间的边尺寸的正方形像素，并且最小f#在2.8-3.5之间。另一方面，对于姿势识别和多玩家视频游戏应用程序，具有广角FOV的活动照明相机具有小于2的f#以及具有大于或等于7.5微米的边尺寸的大的像素可能是有利的。
但是，降低相机的f#并增加其像素大小通常会降低相机分辨率，并且导致在相机获得的图像中的光学失真，除非相机的光学系统被专门设计为对失真进行补偿。配置相机以调制光学失真在技术上可能是困难的，并包括使相机定价超出其预期市场的成本。
发明内容
本发明的实施例提供广视角FOV的活动照明成像系统，也被称为“合成活动照明相机”或“合成相机”，该系统组合被称为“组件相机”的多个相机的FOV以提供放大的“合成”FOV。
在本发明的实施例中，多个组件相机包括两个组件相机，如此放置这两个组件相机以使得它们的光轴以光轴所定义的平面中的相机的视角之和的一半的角度相交于组件相机的FOV共有的区域，下文称为“相交区域”。组件相机的FOV彼此相交并组合以提供光轴平面中的具有广视角的放大的合成FOV，该广视角等于每个组件相机的FOV的视角的约两倍。任选地，组件相机的FOV的视角是相等的，并且FOV在“镜像”平面中彼此镜像，该平面穿过其光轴的交集、垂直于其平面并且包含平分轴之间的角度的线。
在本发明的实施例中，组件相机彼此邻近间隔以便它们的FOV沿着包括镜像平面的窄缝重叠。所得到的合成FOV基本上没有未被合成相机至少之一成像的区域。在本发明的实施例中，配置具有相对小的f#和包含相对大的像素的光电传感器的每个组件相机，从而组件相机具有相对增强的光收集效率和记录能力。
鉴于合成活动光相机享有放大的广视角FOV，其光成像由f#、光电传感器和组件相机的图像分辨率来表征。因此，将广角合成FOV与组件相机的较小FOV的增强的光收集效率和记录能力进行组合，而不必花费在适应具有类似的广角FOV的传统相机的对抗和不相容的设计需求上。
提供本发明内容以便以简化形式介绍在以下具体实施方式中进一步描述的一些概念。本发明内容并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。
附图说明
以下参考本文所附的在本段后列出的各个附图来描述本发明的各实施例的非限制性示例。在不止一个附图中出现的相同的结构、元素或部件通常在它们出现的所有图中用相同的数字来标记。附图中所示的组件的尺寸和特征通常是为了方便和清楚呈现而选择的，并且不一定按比例显示。
图1A和1B分别示意性地示出了根据现有技术确定到场景中要素的距离的传统3D飞行时间(TOF)相机的俯视图和立体图；
图2A和2B示意性地示出了根据本发明的实施例作为具有广角FOV的活动照明成像系统的示例的合成3D TOF相机；
图3A-3C示意性地示出了根据本发明的实施例的其他活动照明成像系统；
图4示意性地示出了根据本发明的实施例的包括三个组件相机的活动照明成像系统；以及
图5示意性地示出了根据本发明的实施例的包括四个组件相机的活动照明成像系统。
具体实施方式
下面参考作为示例的3D飞行时间(TOF)成像系统的活动照明成像系统的附图来讨论本发明的各实施例的各方面。图1A和1B分别示意性地示出了传统3D TOF相机20和相机的视野(FOV)的立体图和俯视图。图2A至图5示意性地示出了根据本发明的实施例与图1A和1B中所示的类似的相机是如何被组合并被配置以提供具有放大的广角合成FOV的任选3D TOF合成活动照明相机。将根据本发明的实施例与图2A和2B中所示类似的具有
广角合成FOV的合成3D TOF相机与传统上被设计为具有广角FOV的3DTOF相机进行比较。
在讨论中，除非另行说明，修改本发明的实施例的特征的条件或关系特征的诸如“基本上”和“大约”的形容词应被理解为条件或特征被定义在用于本申请的实施例的操作可接受的容差范围以内。
图1A和1B中示出的3D TOF相机20包括能够控制以辐射光脉冲串来照亮相机FOV 30以内的场景(未示出)的光源22。由光源22辐射的光脉冲示意性地由标有标记24的方形“脉冲”来表示，并且与表示传播方向的上方箭头相关联。在参考光脉冲时，也使用标记24。鉴于光脉冲24可包括由合适的发光二极管(LED)提供的光和/或来自频谱任意部分的激光，光脉冲24通常是近红外(NIR)光脉冲。相机20包括由透镜40表示的光学系统，用于将来自光脉冲24的被场景中的要素反射回到相机的光成像到光电传感器50上。透镜40具有光学中心42和光轴44，它们也分别是相机20的光学中心和光轴。光电传感器50包括光敏像素52(图1A)。光学系统还包括用于遮挡照相机使其挡板打开和关闭的快门(未示出)。从由光源22辐射光脉冲串中的每个脉冲24以照亮场景时起经过预定的延迟，快门将相机打开一短的曝光时间段以记录由场景中要素所反射的光，光到达相机并由透镜40成像到光电传感器50上。相机记录的已成像的光用于确定来自光脉冲24的光从光源22到要素并回到3D TOF相机20的往返需要多少时间。往返时间和光速用于确定要素到相机的距离。
在图1A和1B的立体图和俯视图中，相机20的FOV 30被示意性地示为由边界线32来界定。边界线定义了确定金字塔形固定角度的平面，该角度限定并限制FOV的体积。相机20仅对FOV 30的固定角度以内以及由此由边界线32定义的平面所限定的体积以内的点进行成像。连接边界线32、虚线35和36、以及圆37的线34被示为辅助可视化FOV 30的固定角度。线34和圆37的位置不指示对FOV 30从相机20延伸多远的限制。界定边界线32和FOV30通常被理解为延伸到“无穷远”。
定义FOV 30的大小和形状的固定角度等于光电传感器50对着透镜40的光学中心42的金字塔形固定角度。固定角度由光电传感器50的大小、形状以及透镜40的焦距“f”(图1B)来确定。光电传感器通常具有矩形像素阵列，并且光电传感器50被示为具有长度V的垂直边54和长度H的水平边55的矩形像素阵列。在相机的正常运行下，任意地，认为使用垂直于地面(未示出)的垂直边54和平行于地面的水平边55来对相机定向。从光电传感器50的角延伸至透镜40的光学中心42的线段58(仅标出其中的某些以减少图中的混乱)定义了光电传感器50对着光学中心的固定角度，以及由此FOV 30的固定角度。定义FOV 30的边界线32是线段58的延伸。
FOV 30在由虚线36定义的水平面中具有水平角度范围θ，该水平面与图1A所示的水平边55平行并且包括光轴44。(注意，在图1B的俯视图中，边界线32投影到虚线36并与虚线36重合。)虚线36穿过透镜40的光学中心42，并与光电传感器50的垂直边54(图1A)任选地相交于其中点。插图57示意性地示出了透镜40和光电传感器50的放大的视图，其中更清楚地示出线58、光电传感器50和透镜40的细节。角θ是线36之间的角度，并满足等式1)tan(θ/2)＝H/2f。
图1B中示出FOV 30的“水平”视角θ、H/2和f之间的几何关系。
FOV 30在由虚线35定义的包括光轴44并且与光电传感器50的垂直边54平行的平面中类似地具有垂直角度范围φ。线35穿过透镜40的光学中心42，并与水平边55任选地相交于其中点。FOV 30的垂直视角φ是线35之间的角度，并满足等式2)tan(φ/2)＝V/2f。
场景的要素的图像的每单位面积上由相机20生成的入射到光电传感器50上的每单位时间的光能的量被称为来自要素的光电传感器的辐照度“IR”。如果要素位于距离相机“r”处，并且每单位面积、每单位时间发出通常称为“出射度(exitance)”的光能的量(“光的量”)IE，则来自要素的光电传感器50的辐照度“IR”可被写为3)IR＝IEVπ(D/2r)2[1/(f/r)]2，其中D是透镜40的直径，并且“V”是渐晕因子。因子π(D/2r)2是透镜对着要素的固定角度。数量(f/r)是用于位于距离r的要素的相机的放大，并且(f/r)2是光电传感器50上要素图像的面积相对于要素在垂直于光轴44的平面上的投影的面积的比率。记住，f#＝f/D，IR的表达式变为4)IR＝IEVπ/(4f#2)。
如果要素位于光轴44上且与相机20的距离为r，则渐晕因子V是等于从要素收集并在光电传感器50上成像的光的量除以透镜40可为要素收集并成像的光的最大量的比率。渐晕因子V小于或约等于1。它通常随着要素到光轴44的位移的增加和FOV视角的增加而降低。
响应于来自要素的光的相机20的平均辐照度通过使用与相机距离为r的FOV 30中要素的全部可能位置的平均代替V来确定，从而 比率5)可被认为是对于位于相机FOV 30中与相机距离为r的任意处的要素的相机20的平均光收集效率。
如果光电传感器50中的像素52具有面积“Apx”，并且来自相机FOV 30中已成像要素的入射到像素52上的光的量为“Ipx”，则平均 将用于从入射光的给定量提供信号的像素52的“效率”用“k”来表示，并且将由像素52从来自要素的入射到像素的光生成的信号用“Spx”来表示。例如，因子k可表示入射到像素上的每单位光能的由像素52生成的多个电子。则kApx为光电传感器中像素52的记录能力。对于已成像要素，像素52平均提供信号，6) S px = kI px = kA px I ‾ R = I E k A px ( π / 4 ) V ‾ / ( f # 2 ) = ( I E ) [ k ( π / 4 ) A px V ‾ / ( f # 2 ) ] .
因子是对相机的光获取敏感度(LAS)的度量。假设对于类似于3D TOF相机20的3D TOF相机的不同配置，k是相同的，并且丢弃常数因子，可以合理地用作比较不同的3D TOF相机的光获取敏感度的比较性指标。根据其对角线尺寸“dpx”来书写面积Apx是方便的，并由此将光获取敏感度LAS定义为8)其中dpx以微米为单位。
作为数值示例，与相机20类似的传统3D TOF任选地具有由等于62°的中等水平视角θ和等于77°的垂直视角φ来表征的FOV 30。相机在具有水平尺寸(H)任选地等于3.6mm和垂直尺寸(V)任选地等于4.8mm的光电传感器50上对场景进行成像。(3.6mm×4.8mm光电传感器传统上被称为1/3英尺＝1/3”格式光电传感器，因为其对角线等于6mm，约为16mm的1/3，并且16mm对角线光电传感器被称为具有1”格式。16mm对角线被称为1”格式传感器是由于在具有等于16mm的有效成像传感器直径的CCD出现之前，传统视频相机管具有用于成像的1”直径。)使用等式1)及水平视角θ＝62°，或者等式2)及垂直视角φ＝77°，相机透镜40的焦距f被确定为等于3mm，并且它任选地由最小f#等于1.2来表征。
用于使用3D TOF相机20以对场景进行成像并确定到场景中要素的距离的实际成像分辨率标准，任选地要求相机将表面区域在光电传感器50上成像为具有所需图像大小的图像，该表面区域(下文称为“分辨率片”)具有所需大小并且位于离相机所需工作距离之处。选择分辨率片的所需大小以定义用于3D TOF相机20所提供的距离测量的空间采样程度。为了使用3D TOF相机20使人与计算机进行交互，工作距离可以是1m(米)，并且分辨率片任选的是边长为1cm的正方形。
成像分辨率标准任选地要求光电传感器50上的分辨率片的图像总是完整地覆盖光电传感器中的至少一个像素52。该标准用于确保光电传感器50中的至少一个像素52(图2A)对来自要素的分辨率片大小区域的光具有最大可能的曝光，该要素位于工作距离并在光电传感器上成像。期望完整覆盖的像素响应于来自片大小区域的光而生成信号，该信号具有最优的SNR并由此用于提供对区域和要素的满意的距离测量。如果分辨率片的图像的对角线为像素52的对角线长度的两倍，则满足分辨率标准。对于3mm焦距的透镜40，具有边长等于15微米(μ)的像素52满足该标准。对于3.6mm×4.8mm尺寸的光电传感器50，光电传感器包括240水平“行”和320垂直“列”的15μ×15μ像素。
对于上面给出的3D TOF相机20的数值规范，相机具有等于0.81的渐晕因子以及使用等式8)计算的等于约126的LAS(光获取敏感度)的值。实际上，针对相机规范，对于距相机20的等于约3m的最大工作距离，光源22提供像素52可接受的辐照度，可控制该光源以辐射具有50％占空比及约2.5瓦的平均光功率的光脉冲的突发。
根据本发明的实施例，组合多个活动照明相机以提供具有广角FOV的合成活动照明相机。
根据本发明的实施例，图2A和2B分别示意性地示出了合成广角3D TOF相机100的立体图和俯视图，该相机包括两个任选地相同的类似于相机20(图1A和1B)的组件相机120，以及用于照亮相机所成像的场景(未示出)的光源122。组件相机提供带有合成FOV 130的合成3D TOF相机120，合成FOV130具有两倍于相机20的水平视角θ的水平视角Θ。
组件相机120被装载到支撑框架(未示出)，其中它们的光电传感器50的垂直边54基本上是平行的，并且相对于彼此旋转相机以便其各自的FOV 30“相交”，并且它们的光轴44以基本等于组件相机的水平视角θ的角度相交于FOV共有的相交区域45。如果它们最接近点之间的距离小于所需的上限距离，则认为轴44相交。相交区域是包括最接近点的最小直径的范围。相交轴44的平面被定义为垂直于且平分连接最接近点的直线的平面。相交轴44之间的角度是它们在其定义的平面上的投影之间的角度。
最接近的所需上限距离是使用合成3D TOF相机100的应用程序可以接受的由组件相机120生成的图像的距离。如果垂直边之间的角度足够小以便使用合成3D TOF相机100的应用程序可以接受由组件相机120生成的图像，则垂直边54被认为是基本上平行的。实际上，确定最接近的上限距离和垂直边54相对于平行的最大可接受的偏差角度，以便使响应于由组件相机120提供的图像而生成的并且使用适当的图像处理算法处理的图像中的失真不会阻止对图像的使用。
在本发明的实施例中，为了提供对由组件相机120提供的图像的平滑的缝合、对其各自的光电传感器50区域的高效使用并简化图像处理，最接近的上限距离小于像素52边长的约20倍是有利的。例如，对于15μ×15μ的像素52，光轴44的最接近距离小于或等于约300μ(0.3mm)是有利的。任选地，最接近距离小于像素52边长的约15倍。在某些实施例中，最接近距离小于像素52边长的约10倍。
类似地，在本发明的实施例中，垂直边54相对于平行的偏差的上限角度等于像素52边长的约20倍除以光电传感器50的边长。对于15μ的像素52和3.6mm×4.8mm尺寸的光电传感器50，偏差角度的上限任选地约等于5°。任选地，上限偏差角度等于2°。在本发明的某些实施例中，上限偏差角度等于1°。
组件FOV 30在包括线101(图2B)的平面中是彼此的镜像图像，线101平分光轴44之间的角度并且垂直于它们的平面。组件FOV 30组合构成合成FOV 130，合成FOV具有水平视角Θ＝2θ，以及与组件相机的垂直视角相等的垂直视角φ(图2A中未示出)。
根据本发明的实施例，组件FOV 30的“相交”配置导致对组件FOV的高效缝合以提供大的、广角合成FOV 130，其中任选地，组件FOV仅沿着窄的、平面体积区域102重叠。重叠体积被称为“缝102”并在图1B中示以阴影。缝102的宽度等于分隔组件相机20的光学中心42的距离Δ。任选地使距离Δ相对小以便缝102不会占据FOV 130的大部分。例如，Δ可以小于或等于10cm。在某些实施例中，分隔距离Δ小于或等于5cm。
注意，通过相机120可被捆扎(pack)在一起多接近来确定Δ的最小距离。最小的“捆扎”距离以及由此最小的Δ通常由相机120所包括的组件的大小来确定。在本发明的某些实施例中，相机120被安装在常见的外壳中，并且最小的捆扎距离可由透镜42的直径来确定。作为示例，透镜42可具有小至2毫米的直径，导致最小的捆扎距离和约等于或小于5毫米的最小Δ。
不会被任一合成相机20成像的死区104在组件相机20的前方延伸。死区的体积及其在组件相机20前方延伸的距离随Δ降低而降低。在某些实施例中，确定分隔距离Δ以便使死区的范围不会负面影响用于其旨在的应用程序的合成3D TOF相机100的令人满意的运行。例如，对于使用计算机与人交互，死区从连接组件相机120的光学中心42的线延伸约20cm的最大距离可能是有利的。
注意到，两个组件相机120对位于缝102中的点进行成像，并且在本发明的实施例中，响应于组件相机为位于缝中的场景的要素所提供的距离，相对于彼此来对齐和/或校准相机。例如，对于位于缝102中离组件相机工作距离的要素，相机应提供基本上相等的距离。(在工作距离“WD”，缝102中同一要素到组件相机的距离之间的分数差小于(1/2)(Δ/WD)2。该差通常将会非常小。例如，对于WD＝100cm并且Δ＝5cm，差约为1毫米。)根据本发明的实施例，调整组件相机120相对于彼此的位置，或者补偿相机的未对准，从而使两个组件相机提供到缝102中同一要素的相同的距离。
对于组件相机120，作为如上所述示例，响应于跟随每个光脉冲的曝光时间段的延迟时间来确定脉冲24的往返时间，校准相机120任选地包括相对于其他相机120的曝光时间段调整对一个相机120的曝光时间段的计时。在某些实施例中，调整曝光时间段之间的相对计时包括对曝光时间段进行同步。在某些实施例中，调整计时包括相对于其他相机的曝光时间段，延迟一个相机的曝光时间段。
鉴于合成3D TOF相机100具有由水平视角Θ是组件相机120的水平视角θ的两倍来表征的合成FOV 130，它保留了组件相机的焦距、f#、成像分辨率和LAS值。由于FOV 130具有基本上大至组件FOV 30两倍的体积，因此光源122有利地提供图1A和1B中所示相机20的光源22所提供的两倍的光功率。
作为数值示例，假设组件FOV 30具有分别等于62°和77°的水平和垂直视角θ和φ，则合成FOV 130具有广水平视角Θ＝124°以及等于77°的垂直视角，并保持LAS值等于126。如果光源122提供两倍于光源22(图1A和1B)的光功率，则合成相机20中用于对放大的合成FOV 130中的要素进行成像的像素52将与用于对图1A和1B所示的“小”FOV 30中的要素进行成像的3D TOF相机20的像素52暴露于相同的发光级别。
作为第二个数指示例，假设期望用于特定应用程序的3D TOF相机，该相机具有由约为140°的水平视角和约为90°的垂直视角来表征的广角放大FOV。进一步假设相机提供的图像将被处理以提供距离测量，其中空间采样程度约为0.7cm及由此分辨率片的边长为0.7cm。
根据本发明的实施例，与提供所需视角和空间分辨率的合成相机100类似的合成相机可包括，具有由约等于70°的水平视角和约等于90°的垂直视角来表征的FOV 30的组件相机120。任选地，每个组件相机包括具有480水平行和640垂直列的7.5μ×7.5μ的像素，并且所得水平和垂直尺寸H和V分别等于3.6mm和4.8mm。组件相机可具有等于2.5mm的焦距f，f#任选地等于1.3，以及等于0.66的渐晕因子。组件相机和合成3D TOF相机的要素LAS数等于约22。
图3A示意性地示出了根据本发明的实施例的另一个合成3D TOF相机150的俯视图。
合成3D TOF相机150包括合成3D TOF相机100(图2A和2B)也包括的相同的组件相机120，并提供具有水平视角Θ＝2θ的放大FOV 130。但是，在合成相机100(图2A和2B)中，相对于彼此旋转组件相机120以旋转其各自的光轴44和FOV 30，而在合成3D TOF相机150中，将组件相机彼此平行对齐。合成相机150包括用于每个组件相机120的棱镜，该棱镜旋转其各自的光轴44和FOV 30等于θ/2的角度以产生放大的FOV 130。
根据本发明的实施例，提供具有与表征3D TOF相机的广角FOV类似的广角FOV的3D TOF相机在技术上可能是困难的，诸如图2A-图3A所示的合成相机。
例如，考虑与相机20(图1A和1B)类似地配置但具有FOV的传统3D TOF相机，该FOV由与上面图2A和2B中所示3D TOF相机100所讨论的第一个数值示例中说明的相同的124°广水平视角来表征。为了提供水平放大的124°视角FOV，传统广角3D TOF相机可包括光电传感器，该光电传感器具有大于给定用于相机20的示例性数值规范中所称的3.6mm的水平尺寸H(图1B)。具体而言，传统广角3D TOF相机中的光电传感器可以具有市场上可买到的1/2”标准格式(8mm对角线尺寸)，并具有等于7.3mm的水平H尺寸(图1B)以及等于3.3mm的垂直尺寸V。使用将焦距f与水平视角θ相关的等式1)和光电传感器水平尺寸H，透镜40所需要的用于传统广角相机的焦距f等于2.1mm。透镜将具有等于1.8的f#并且渐晕因子V＝0.21。为了满足上面给出的用于合成相机100的数值示例中满足的相同的成像分辨率标准，光电传感器50中的像素52应具有等于10.4μ的边长。使用用于传统124°水平视角3D TOF相机的组件的上述值，传统相机将具有等于约23的LAS。
传统相机的LAS值约为3D TOF相机100和150的LAS值126的1/6。对于相同的工作环境，传统广水平视角3D TOF相机需要对场景进行成像的光源，该光源传递的光功率是根据本发明的实施例的具有相同广水平视角以对场景成像的3D TOF相机所需的六倍。
为了与根据本发明的实施例的上面给出的3D TOF相机的第二个数值示例进行比较，提供分别约等于140°和90°的水平和垂直视角的传统相机可以包括具有5μ×5μ的像素以及分别等于8.5mm和3.2mm的水平和垂直尺寸的光电传感器。透镜可具有约等于1.65mm的有效焦距，f#任选地等于2.4，以及等于0.15的所得渐晕因子。传统相机可具有约等于0.65的LAS，其约为根据本发明的实施例的第二个数值示例所说明的对应的合成相机的LAS的1/34。
在对合成相机100和150(图2A-3A)的以上描述中，合成相机中包括的组件相机120的光轴44之间的角度等于θ，并且合成相机各自的放大FOV 130具有广视角Θ＝2θ。但是，根据本发明的实施例，合成相机的广角FOV可以由合成相机的组件相机120的光轴44之间的不同于组件相机的视角θ的场的角度来提供。
图3B示意性地示出了根据本发明的实施例的合成相机170的俯视图，合成相机170包括具有FOV视角θ及其各自光轴44之间的角度(θ+α)的两个组件相机120，作为示例，α大于0。合成相机170具有FOV 171，FOV 171具有视角Θ＝(2θ+α)。组件相机120的FOV重叠的缝172不再与合成相机100和150中的缝102相同是平面的，而是具有交叉部分，该交叉部分随着与合成相机170的距离而减少并在距离相机“Z”处消失。
而α的正数值提供了FOV视角的可能有利的增加，图3B中示为阴影区域173的死区在合成相机的FOV 171中生成，任一组件相机120均不为其提供成像。死区173始于距离合成相机170的Z处，可通过表达式Z＝Δ/2tan(α/2)来估计，其中Δ是组件相机120的光学中心42之间的距离。对于小角度α，Z约等于Δ/α。
通过将距离Z限制为大于合成相机170旨在提供连续的、不间断的成像所需的景深来任选地确定α的上限。例如，如果合成相机170旨在远至相机170达2m的景深处提供不间断的成像，并且Δ等于2cm，则α的上限约等于0.6度。
如果图3中α小于0，Θ＝(2θ+α)自然小于2θ，并且组件相机120的FOV重叠的缝的宽度将随着与组件相机170间的距离而增加。除非缝的增加的宽度是有利的，例如，用于可能提供组件相机120的增强的校准，否则对相机120的使用通常将是低效的。例如，相机可被替换为具有较小的光电传感器50的可能较便宜的相机。一般而言，α大于或等于0是有利的。任选地确定α的下限从而减轻组件相机120的使用中的低效。
在以上描述中，根据本发明实施例的合成相机被示为包括具有相同FOV的相同的组件相机。但是，本发明的实施例不限于包括具有相同FOV的组件相机的合成相机。例如，根据本发明实施例的合成相机可包括具有不同FOV的组件相机。图3C示意性地示出了合成相机180的俯视图，该合成相机180包括具有水平视角θ的第一组件相机181和具有水平视角β的第二组件相机182。组件相机被放置为它们各自的光轴以等于1/2(θ+β)的角度相交以提供具有广水平视角Θ＝(θ+β)的FOV 185。
虽然在以上描述中合成相机被示为包括两个组件相机，但根据本发明的实施例的合成相机可包括两个以上的组件相机。作为示例，根据本发明的实施例，包括三个任选地相同的组件相机203的合成相机200被示意性地示出在图4的立体图中。每个组件相机203包括具有垂直边54(图中仅标出其中的某些)的光电传感器50、光轴44和由水平视角θ来表征的FOV 30。
在合成相机200中，组件相机203被配置为它们的光轴44基本上是共面的，并任选地相交于同一相交区域205。如果三个光轴中任意两个的最接近点被包括在具有小于适合上限的直径的同一相交区域内，则认为光轴44相交在同一相交区域中。如果由光轴中的任意两个定义的平面之间的角度小于上限角度，则认为光轴基本上是共面的，对于该上限角度，相机提供的图像中的失真尚未严重到使图像对于合成相机200要适用的应用程序不可用。光电传感器50的垂直边54垂直于光轴44的平面。任意两个相邻光轴44之间的角度等于θ。因此，合成3D TOF相机具有合成FOV 207，该合成FOV具有水平视角Θ＝3θ。
根据本发明的实施例，图5示意性地示出了包括四个任选地相同的组件相机221、222、223和224的3D TOF相机220，组件相机分别具有光轴321、322、323和324以及具有水平视角θ和垂直视角φ的FOV 30。在本发明的实施例中，全部光轴321、322、323和324相交于同一相交区域230。相机被定位为光轴321和322之间的角度以及光轴323和324之间的角度都等于θ。类似地，相机被定位为光轴321和323之间的角度以及光轴322和324之间的角度都等于φ。因此，合成相机150具有由水平视角Θ＝2θ和垂直视角Φ＝2φ来表征的合成FOV。
在本申请的说明书和权利要求书中，动词“包括”、“包含”和“具有”及其组合中的每一个是用来指示该动词的一个或多个宾语不一定是该动词的一个或多个主语的组件、元素、或部分的完整列表。
在本申请中作为示例提供了对本发明的各实施例的描述，而不旨在限制本发明的范围。所描述的各实施例包括不同特征，并非所有这些特征都是本发明的所有实施例所需的。某些实施例只利用了特征的某一些或特征的可能组合。本领域的技术人员会想到所描述的本发明的各实施例的变型以及本发明的各实施例包括在所描述的各实施例中注明的特征的不同组合。本发明的范围只由权利要求书来限定。

Claims (13)

1.一种活动照明成像系统(100)，包括：
光源(122)，用于照亮所述成像系统所成像的场景；以及
第一和第二相机(120)，每个相机包括具有光轴(44)和光电传感器(50)的光学系统，以及由包括所述光轴的平面中的视角θ来表征的视野FOV(30)，所述光电传感器具有所述相机在其上对光进行成像的像素(54)；
其中，所述第一和第二相机(120)的所述光轴(40)以基本上等于它们视角之和的一半的角度相交于它们的FOV(30)共有的相交区域(45)，以向所述成像系统提供放大FOV(130)，所述放大FOV在由所述相交的光轴(44)所定义的平面中具有基本上等于所述相机的所述视角之和的放大视角Θ，
其中对于所述系统对成像的光的敏感度的度量等于所述成像系统的平均渐晕因子乘以所述成像系统中像素的直径除以所述成像系统最小f#的商的平方的乘积，所述度量具有大于20的值。
2.如权利要求1所述的活动照明成像系统，其特征在于，所述第一和第二相机的所述视角是相等的。
3.如权利要求1所述的活动照明成像系统，其特征在于，所述第一和第二相机的所述视角是不相等的。
4.如权利要求1-3中任一项所述的活动照明成像系统，其特征在于，所述放大视角大于或等于90°。
5.如权利要求4所述的活动照明成像系统，其特征在于，所述放大视角大于或等于120°。
6.如前述权利要求1所述的活动照明成像系统，其特征在于，包括第三相机，其光轴与所述第二相机的所述光轴以基本上等于所述第二和第三相机的视角之和的一半的角度相交。
7.如权利要求6所述的活动照明成像系统，其特征在于，所述第二和第三相机的所述光轴定义的平面与所述第一和第二相机的所述光轴定义的平面基本上重合。
8.如权利要求6所述的活动照明成像系统，其特征在于，所述第二和第三相机的所述光轴定义的平面与所述第一和第二相机的所述光轴定义的平面基本上垂直。
9.如权利要求8所述的活动照明成像系统，其特征在于，所述第二相机在所述第二和第三相机的所述光轴定义的平面中具有视角，并且所述第二和第三相机的所述光轴以基本上等于所述第二和第三相机的平面中所述第三相机的所述视角与所述第二相机的所述视角之和的一半的角度相交。
10.如权利要求1所述的活动照明成像系统，其特征在于，所述度量具有大于50的值。
11.如权利要求10所述的活动照明成像系统，其特征在于，所述度量具有大于100的值。
12.如权利要求1所述的活动照明成像系统，其特征在于，所述相机是提供到它们所成像的场景中的轮廓的距离的3D相机。
13.一种成像系统，包括：
第一相机和第二相机，每个相机包括光轴以及由包括所述光轴的平面中的视角来表征的视野FOV；
其中，所述相机的所述光轴以基本上等于它们视角之和的一半的角度相交于它们的FOV共有的相交区域，
其中对于所述系统对成像的光的敏感度的度量等于所述成像系统的平均渐晕因子乘以所述成像系统中像素的直径除以所述成像系统最小f#的商的平方的乘积，所述度量具有大于20的值。
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