专利名称：结构化的光投影器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于照射景物的结构化的光发生器，如可以与测距装置一起使用，所述测距装置如成像测距系统。
成像测距系统通常照射景物并对从该景物反射的光成像，以确定距离信息。
已知的系统，即所谓的三角测量系统，利用设置为用光束照射景物的光源，从而在景物中出现光点。以预定方式相对于光源定位检测器，从而使该景物中的光点位置揭示出距离信息。可以沿横跨该景物的方位角和海拔扫描光束以产生横跨整个景物的距离信息。在一些系统中，光束可以是线性光束，以使在收集一维距离信息的同时，沿垂直方向扫描该线性光束从而得到在其他方向上的距离信息。
这种类型的照明系统经常使用激光系统。激光系统可能有安全问题，并需要复杂且相对较昂贵的扫描机构。激光器也是相对较高的功率源。
在美国专利US6,377,353中描述了另一种类型的照明系统。这里描述的结构化的光发生器包括位于带图案的滑板前面的光源，该带图案的滑板中具有孔径阵列。从光源发出的光仅仅通过这些孔径，并将光点阵列投射到景物上。通过分析形成的光点的尺寸和形状来确定该装置的距离信息。
但是这种类型的照明系统阻挡由光源产生的一部分光，同样需要相对较大的功率源来产生所需的照明。此外，照明系统的景深略有限，在低量程的辨别很困难。
美国专利US4,294,544公开了一种用于确定远距离表面的地形测量系统，该系统具有用于利用以特定方式排序的激光束阵列照射景物的照明器。所描述的投影装置是具有剪切板和光束控制装置的复杂系统。该设备产生光束的准直阵列，该准直阵列可能不适合于所有的应用，并使用大功率的激光源。
因此，本发明的目的是提供一种结构化的光源，其减轻至少一些上述缺点。如在该说明书中所用的术语“结构化的光发生器”应理解为表示朝景物投射许多不同区域的光的光源。
因此，根据本发明，提供一种用于照射景物的结构化的光发生器，其包括设置为照射光导的一部分入射面的光源，光导包括具有多个基本上反射的侧面的管，所述管与投影光学器件一起设置用于朝景物投射光源的图像阵列。
该光导实际上作为万花筒而工作。来自该光源的光从管的侧面反射，并在管内经历多条反射路径。结果是产生光源的多个图像，并将其投射到景物上。这样，用光源的图像阵列照射该景物。在光源是简单发光二极管的地方，用光点阵列照射该景物。本发明的结构化的光发生器的优点在于其提供大的景深。该发生器的景深将明显地确定能够有效利用该发生器的距离，大的景深意味着该设备具有较大的有效工作距离。当用作测距应用的照明源时，其特别有效，因为其允许使用同一个装置来确定到相对邻近的物体以及远距离目标的距离。同样允许在景物中具有大的可能的距离变化的景物中工作。而且，在光导中出现的图像复制意味着以非常大的角度均匀地投射光源的图像。换句话说，投射到景物上的光点阵列不限于在测距应用中也非常有用的一些现有技术设备的角度，其中对于相对远距离的目标可能需要宽的视场。
光导包括具有基本反射的壁的管。优选的是，该管具有恒定的横截面，该横截面方便地是正多边形。具有规则横截面意味着光源的图像阵列也是规则的，这对于测距应用是有利的。规则的光点阵列确保以已知的方式照射景物，容易辨别用于测距目的的光点。最优选的是正方形截面的管。
该管可包括具有反射内表面的中空管，即具有反射的内壁。可替换的是，可以由固体材料制作该管，并且将其设置为入射到管的材料和周围材料之间的界面上的相当大量的光经历全内反射。管的材料可以是涂敷具有适当折射率的涂层或者设计为在空气中工作，在这种情况下光导材料的折射率应该使得在材料/空气界面处发生全内反射。
利用如这样的管作为光导导致产生光源的多个像，这些像能够以大角度投射到景物上。光导易于制造和组装，并将来自光源的大多数光耦合到景物。这样，可以使用低功率源如发光二极管。由于光导的出射孔径一般很�。虼巳缟纤龈米爸靡簿哂写蟮木吧睿蛊涠杂诓饩嘤τ梅浅Ｓ杏茫鲇τ眯枰诮洗缶嗬敕段诜挚渡涞墓獾恪Ｍǔ＃獾季哂屑钙椒胶撩椎郊甘椒胶撩椎暮峤孛婊绺煤峤孛婊梢允窃�1-50mm2或2-25mm2的范围内。如所述的，光导优选具有最大尺寸为几毫米，例如1-5mm的规则形状的横截面。如所述的一个实施例是具有边长为2-3mm的正方形截面的管。光导可以具有几十毫米的长度，光导的长度可以在10和70mm之间。这种光导可以产生角度为50-100度(通常大约为光导内的全内角的两倍)的光点网格。一般发现景深足够大以允许从150mm外到无穷远工作。但是光导的其他设置可适合于某些应用。
投影光学器件可包括投影透镜。该投影透镜可以位于邻近光导的出射面。在光导是固体的一些实施例中，该透镜可以与光导成一整体，即，该管可以在出射面成形以形成透镜。
通过根据本发明的装置所投射的所有光束通过光导的端部，并能够被认为发源于光导出射面中心的点。那么投影光学器件可包括半球形透镜，如果该半球与光导出射面的中心重合，那么光束的视在原点保持在同一点，即每个投射的图像都具有共同的投影原点。在这种设置中，投影仪不具有所指的轴，因为其被认为是考虑以对于测距应用非常有用的大角度辐射光束的光源。但是对于不同的效果可以使用其他投影光学器件。
优选的是，该投影光学器件可适合于将投影的阵列清晰地聚焦在相对较远的距离。这在该距离处提供较清晰的像，在较近的距离提供模糊图像。�：牧靠筛龆杂诓饩嘤τ糜杏玫囊恍┐致跃嗬胄畔�。如果光源具有非圆形形状那么可增强这种辨别。
对于测距应用来说，距离检测器必须能够检测景物中的光点，并清楚地知道投影阵列中的光点对应于什么。假如在聚焦中提供的粗略距离信息能够帮助去掉一些模糊。因此，投影光学器件优选适合于在第一距离提供基本上聚焦的图像，并在第二距离提供基本上未聚焦的图像，第一和第二距离在装置的期望工作距离中。如所述，第一距离可大于第二距离。
为了进一步去掉�：庠纯删哂泄赜诠獾嫉姆瓷渲岵欢猿频男巫�。如果光源关于反射轴不对称，那么该光源将不同于其镜像。投影阵列中的相邻光点是镜像，因此按照这种方式整形光源将可以辨别出相邻的光点。
该装置可包括多于一个光源，每个光源设置为照射光导入射面的一部分。利用多于一个光源可提高景物中的光点分辨率。优选的是，在规则图案中排列多个光源。可以对这些光源进行设置，以便使用不同的光源设置来提供不同的光点密度。例如，单个光源可位于光导入射面的中心，以提供一定的光点密度。独立的2×2光源阵列也能够设置在入射面上，并能够代替使用中间光源来提供增大的光点密度。
在使用多个光源的地方，至少一个光源可设置为发射波长不同于另一个光源的光。利用具有不同波长的光源意味着投射到景物中的光点阵列将具有不同的波长，实际上这些光源以及因此对应的光点将是不同的颜色，尽管本领域的技术人员将理解术语“颜色”不意味着给出暗示在可见光谱中工作。具有变化的颜色将帮助去掉投射阵列中光点上的�：�。
可替换的是，将至少一个光源整形为不同于其他光源，优选的是，至少一个光源具有关于光导的反射轴不对称的形状。使光源整形再次帮助辨别出阵列中的光点，具有不对称的形状意味着镜像是不同的，另外，如上所述进一步增强辨别。
至少一个光源可位于光导中，且在与另一个光源不同的深度处。从万花筒发射的投射光束阵列的角距通过其长度与其宽度之比来确定，如后面将要描述的。将至少一个光源设置在该万花筒中缩短了用于该光源的光导的有效长度。因此，朝景物投射的所得图案将包括具有不同周期的多于一个光点阵列。因此，光点的重叠程度随离开阵列中心的距离而改变，其能够用于唯一地识别每个光点。
光源可设置为从入射面的一侧到另一侧延伸，从而使结构化的光发生器用线阵列照射景物。如果使用设置为在与反射轴正交的方向上从光导入射面一侧到另一侧延伸的光源，那么效果是将恒定的线投射到对一些应用有用的景物上。在一些实施例中，希望用交线照射景物。线之间的交点可按照与上述独立的光点类似的方式用于测距目的的识别，并且对于本说明书来说，光点的任何参考应该理解为包括照射光的可识别的点，如连续线的交点。因此，交点可用于设置到该点的距离。然后可使用该距离信息来测量到该线上任何其他点的距离，即线上不是交点的一点，同时允许收集更详细的距离信息。但是在一些情况下，最好是测量到各个光点的距离，然后激励这些线，在这种情况下，光源可适合于照射光导以产生线阵列或各个光点的阵列。
在另一个实施例中，一个或多个光源可以设置为通过掩模照射光导的入射面。该掩�？缮柚梦构庠唇稣丈淙肷涿娴囊桓龌蚨喔霾糠郑囱谀？删哂兄辽僖桓鐾干洳糠郑猛干洳糠只蛎扛鐾干洳糠挚缮柚梦稣丈涔獾既肷涿娴囊徊糠�。因此不使用设置为仅照射一部分光导入射面的相对较小的光源，而是可使用一个或多个光源来照射掩模。该掩模将只允许光通过从而到达光导入射面的一部分，因此可以使用较大的光源或光源的集合。掩�？删哂卸嘤谝桓鐾干洳糠郑允沟ジ龉庠纯烧丈涔獾既肷涿娴母鞲霾糠�。因此，可以只利用一个光源或者可能的光源的小阵列在光导入射面上产生几个不同的光点。
照这样使用掩模需要将掩模精确位于光导的入射面。这比需要光源或光源阵列的精确定位更容易，并且可通过印制或处理万花筒的端部来实现。因此一个或多个光源的定位不是很关键，因为它们仅需要设置为照射掩模。
掩模的一个或多个透射部分可具有不同的非圆形的形状。如上所述，投射具有不同的非圆形的光点可帮助给出距离信息，如果该光点在一个距离清晰聚焦，在另一个距离不聚焦。类似地，如果掩模具有几个透射部分来照射光导入射面的几个不同的区域，那么至少一些能够具有不同的形状以辅助测距系统中的光点识别。输入掩模的透射部分的整形一般比提供整形的光源更容易。此外或者可替换的是，掩�？砂ú煌耐干洳糠郑辽僖恍┩干洳糠衷诓煌ǔごν干�。换句话说，该掩模会具有多个窗，每个用作不同的滤色器。当利用白光源照射掩模时，用不同的彩色光点照射入射面的不同部分，这些光点将被复制并朝景物投射。当然本发明不限于可见光波长，术语“彩色”应相应地解释。掩模也可具有设置为从光导入射面的一侧向另一侧延伸的透射部分，以便允许光源利用至少一条线照射光导入射面。这将导致结构化的光发生器将线阵列投射到景物上。在一些实施例中，掩�？梢陨柚梦渡浣幌叩恼罅校哂杏肷鲜龉赜诹庠聪嗤挠诺�。
掩�？砂ǖ髦破鳎绲绻獾髦破�。利用调制器形成至少一部分掩模可允许控制掩模的一些部分的透射特性，其又控制对光导入射面的照射。例如，一些窗或透射部分可以从透射切换为非透射，以断开阵列中的一些光点，反之亦然。因此术语“透射部分”不应被当作限制为总是透射的部分，而仅仅是能够在至少一个工作波长处透射的部分。作为一个可替换的方案，可改变掩模中的窗的透射波长，从而改变阵列中一些光点的颜色。如上所述，当用在测距应用中时，需要改变阵列中一些光点的特性，从而允许景物中观测的光点的唯一标识以减轻任何距离�：�。
为了确保掩模的均匀照射，优选在一个或多个光源与掩模之间提供均化器。该均化器可包括用于提供均匀照明的简单光导管，如塑料光导管。
掩模的非透射部分可以是反射的，因此不透射的光可从掩模反射回去以再次使用。非透射光按照这种方式再循环有助于降低一个或多个光源的亮度，以满足减少供电的要求。
结构化的光发生器可方便地包括使投射辐射的方向重新定向的可控装置。在一些应用中，需要将光的投射阵列重新定向。例如，通过重新定向位于捕获的帧之间的投射阵列可获取较高分辨率的距离信息，以便将这些光点投射到景物的不同部分，同时计算更多的距离点。方便的是，重新定向辐射的装置包括折射元件，该折射元件可旋转，以便将投射阵列重新定向到景物的不同部分。例如，重新定向装置可包括折射楔，该折射楔安装成关于一轴旋转，并适合于将辐射折射远离该轴。
如上所述，本发明特别适合于利用结构光照射景物，因此基于成像的测距系统能确定到图像中多个点的距离。本发明还涉及一种装置，通过该装置能够利用除去任何可能的距离�：耐渡涔馐峁构馔渡涞搅舫鐾渡湔罅兄泄鄄獾愕奈ㄒ槐晔兜木拔锷�。
现在将参照下面的附图仅示例性地描述本发明，其中
图1示出根据本发明的结构化的光源，图2图解说明该结构化的光源怎样投射多个光点，图3示出根据本发明的结构化的光发生器的另一个实施例，图4示出具有多个光源的本发明的光导的入射面，图5示出本发明的光导的入射面，该入射面具有多个整形的光源和朝景物投射的一部分图案，图6示出具有置于不同深度的两个光源的结构化的光源和朝景物投射的一部分图案，图7示出设置为用多条线照射景物的结构化的光源的出射图案，图8图解说明设置为用交线阵列照射景物的结构化的光源的入射面和出射图案，和图9示出根据本发明另一方面的结构化的光源。
图1中示出根据本发明的结构化的光源，通常用2来表示。光源4邻近万花筒6的入射面而设置。简单投影透镜8位于万花筒6的另一端。为了清楚起见，图中显示该投影透镜与万花筒分开，但是一般来说该投影透镜邻近万花筒的出射面而设置。
光源4是红外发射发光二极管(LED)。当投射的光点阵列不需要与获取的可视图像干涉，并且红外LED和检测器价格合理且不昂贵时，红外线对于测距应用较为有效。但是，本领域的技术人员将理解，对于其他应用可以使用不背离本发明精神的其他波长和其他光源。
万花筒是具有内部反射壁的中空管。该万花筒可以由具有适当刚度且内壁涂敷适当电介质涂层的任何材料制成。但是，本领域的技术人员将理解，该万花筒可以包括实心棒。在LED的工作波长处透明的任何材料都是合乎要求，如透明的光学玻璃。这种材料需要设置为在万花筒和周围空气之间的界面处的光在该万花筒中全内反射。这可以利用附加的(镀银)涂层来实现，特别是在与可能折射率匹配的粘合剂/环氧树脂等粘合的区域中。在需要大投射角的地方，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％的精确的线壁。应该注意，中空的万花筒可以不具有这样的入射或出射面，而是应该将该中空万花筒的入口和出口认为是对于本说明书来说的面。
万花筒管的作用是能够在该万花筒的出射端看到LED的多重图像。参照图2说明这一原理。LED4发出的光可以根本不经过反射而沿着该万花筒直接透射，即光路10。但是一些光将反射一次并将沿着光路12前进。从万花筒的端部观察时，导致看到虚光源14。经过两次反射的光将沿着光路16传播，导致观察到另一个虚光源18。
设备的尺寸适应预期的应用。设想LED4将光发射到全角为90°的锥体中。在中心、不反射的光点的任一侧观察的光点数量等于该万花筒的长度除以其宽度。通过万花筒宽度与LED尺寸之比来确定光点间隔与光点尺寸之比。这样，200μm宽的LED和30mm长×1mm2的万花筒将在一侧产生由其宽度(在聚焦时)的五倍隔开的61个光点的正方形网格。当有效的出射孔径在1mm2处很低时，该设备具有很大的景深，使其特别适合于基于测距的应用。上述万花筒的景深可以从100mm到无穷远。对于其他的应用可使用其他的万花筒尺寸。可以使用2-3mm2和例如长度为20-50mm的方形截面的万花筒，以产生各种光点密度。
投影透镜8是设置在万花筒端部的简单的单透镜，并将其选择为将LED4的图像阵列投射到景物上。可以根据应用和所需的景深再次选择投影几何图形，但是简单的几何图形可以将光点阵列放在透镜的焦平面处或接近于焦平面。如图2中所示，根据本发明的投影仪装置的有用特征在于，所有光束都通过万花筒的端部，并能够被认为源于万花筒的出射面的中心。因此，投影透镜8可以是半球形透镜，并且如果其轴设置为与出射面的中心一致，那么投影透镜8将保持这些光束的视在原点。图3示出与万花筒26形成整体的半球形透镜28。这样，与现有技术的投影系统不同，根据本发明的投影仪在大角度投射万花筒入射面的图像方面有优势，并且实际上不具有所谈到的轴。
对于一些测距应用来说，光点在可能的距离清晰地聚焦并在另一个可能的距离较少程度地聚焦是有利的。在根据本发明的结构化的光发生器用于测距应用的地方，用投射的光点阵列照射景物。然后，被设置用于确定景物中光点位置的检测器计算出角度，因此算出到该光点的距离，但是其前提是其能够精确分辨各个光点。确定光点是否聚焦将粗略地表示距离，并因此去掉正在被考虑的光点周围的一些�：�。如果LED是特殊形状，如正方形，因此使焦点对准的光点也是正方形，那么可提高这种鉴别。未聚焦的光点更多地是圆形。
在本发明的一个实施例中，光源整形为允许辨别出相邻的光点。在光源关于适当的反射轴对称的地方，由该系统产生的光点实际上相同。但是在使用非对称成形的光源的地方，相邻光点是彼此可辨别的镜像。在图3中说明这一原理。
结构化的光发生器2包括具有正方形横截面的透明光学玻璃26的固体管。整形的LED24位于一个面处。管26的另一端形成投影透镜28。因此，当使用单一的模塑步骤时，如上所述的万花筒26和透镜28是一整体，这提高了光学效率并易于制造。可替换的是，可将单独的透镜光学粘合到具有平面出射面的固体万花筒的端部。
出于图解说明的目的，用指向万花筒一角的箭头表示LED24，在图中箭头指向右上方。图中显示出在屏30上形成的图像。LED的中心图像32对应于未反射的光点形成，也具有指向右上方的箭头。注意，实际上单个投影透镜将投射倒像，因此形成的图像实际上是倒转的。但是为了说明，显示的图像没有倒转。位于中心光点上方和下方的图像34反射一次，因此是关于x轴的镜像，即箭头指向右下方。但是上方或下方的下一个图像36关于x轴反射两次，因此与中心图像相同。类似的是，中心图像32左边和右边的图像38关于y轴反射一次，因此箭头显示指向左上方。与中心光点对角相邻的像40关于x轴反射一次，关于y轴反射一次，因此箭头显示指向左下方。因此，检测图像中的箭头指向表示被检测光点。这种技术可以辨别出相邻的光点，但不能辨别出连续的光点。
此外或者可替换的是，可以使用多于一个光源。这些光源可用于根据景物中的光点密度而给出可变的分辨率，或者可用于帮助辨别出光点，或者用于上述两者。
例如，如果使用多于一个LED，并且每个LED是不同的颜色，那么朝景物投射的图案将在其中具有不同的彩色光点。本领域的技术人员将理解，这里所用的术语“彩色”不一定表示可见光谱中不同的波长，而是仅仅表示LED具有可识别的波长。
LED在万花筒入射面上的设置影响投射的光点阵列，规则的设置是优选的。为了提供规则的设置，LED应有规则地彼此分开，从LED到万花筒边缘的距离应该是LED之间的间隔的一半。
图4示出可用于提供不同光点密度的LED的设置。在万花筒正方形截面的入射面42上排列十三个LED。其中九个LED，46和44a-h以规则的3×3正方形格网图案排列，中间LED46位于入射面的中间。其余四个LED，48a-d排列为使其呈现规则的2×2的网格。那么结构化的光发生器可以在三种不同模式下工作。可以独立地操作中间LED46，这将投射如上所述的规则的光点阵列，或者操作多个LED。例如，可以照射以2×2设置排列的四个LED48a-d，从而得到的光点阵列是只利用中间LED46产生的光点四倍。
可以在不同的距离处使用不同的LED排列。当用于照射目标在近距离的场所时，单个LED可产生用于辨别的足够数量的光点。但是在中等距离或较远距离处，光点密度可降低到可接受的程度以下，在这种情况下，可以使用2×2或3×3阵列来增大光点密度。如上所述，LED可以是不同的颜色以增大不同光点之间的区别。
在使用多个光源的地方，适当选择光源的形状或颜色能够提供进一步的辨别。这参考图5说明。图中示出不同形状的光源52、54、56、58的2×2阵列，以及产生的一部分图案。可以想到所形成的所得图案为万花筒入射面50的平铺的图像阵列，每个相邻的砖都是其相邻砖关于适当轴的镜像。仅仅沿x轴方向看，那么该阵列由对应于LED52和54的光点组成，并且后面有对应于其镜像的光点。所得图案表示，每个光点沿每个方向都不同于其紧挨着的最接近的三个相邻砖，并且可减少�：ü觳馄骺晒鄄斓侥：系墓獾�。
在使用多个源的地方，这些光源可设置为独立地接通和切断以进一步帮助辨别。例如，可以使用如上所述排列的几个LED，依次激励每个LED。可替换的是，在阵列工作时通常照射所有LED都进行照射，并且响应于来自检测器的控制信号，这表明可以相应地使用一些�：醇だ恍㎜ED或使这些LED无效。
在另一个实施例中，光源设置在万花筒中的不同深度。来自万花筒的相邻光束的角距取决于万花筒的长度和宽度之比，如上所述。图6示出正方形截面万花筒66和投影透镜68。万花筒管66由两段材料66a和66b形成，所述材料可以是清晰的光学玻璃或任何其他合适的材料。如上所述，第一LED68位于万花筒的入射面。第二LED70位于该万花筒中的不同深度，且在该万花筒的两段66a和66b之间。本领域的技术人员应该知道怎样将万花筒的两段66a和66b接合以确保最高效率，并知道怎样将第二LED70定位于两段之间。
所得图案包含不同周期的两个网格，对应于第二LED70的网格部分地遮掩对应于第一LED68的网格。如能够看到的，两个光点之间的分离度随着到中心光点的距离而改变。那么可以使用两个网格的分离度或偏移度来唯一地识别这些光点。如上所述，LED68、70可以是不同颜色以增大区别。
直到现在，已经参考产生离散光点描述了本发明。但是本发明可用于将连续线投射到景物上。包括从入射面到另一面延伸且位于中心的条的光源将产生如图7所示的连续线的阵列。类似地，通过利用如图8中所示的十字形光源产生正方形格网。
参考图8，在万花筒的入射面上设置十字形LED80。这产生朝景物投射的所示的交线82的图案。输出图案中线的交点可视为分别可识别的光点。检测器能够按照与如上所述检测清楚的光点的同样方式检测出交点。但是，已经设置了到交点的距离的检测器之后也能够确定沿交线到任何其他点的距离信息。因此，在一些应用中，投射交线的网格的有利之处在于可提高测距装置的分辨率。但是识别交点没有识别唯一的光点容易。在这种情况下，十字形LED可以包括可独立工作的单独的中间部分84。仅仅激励中间部分84将产生如参考图1和图2所述产生的清楚的光点阵列。一旦已经确定到每个光点的距离，就能够激励其余的LED80以提供用于测距的补充细节。
图9示出本发明的另一实施例，其中在该入射面上设置掩模来代替将LED定位于光导的入射面。结构化的光发生器具有如上面参考图6所述的正方形截面万花筒96和投影透镜98，但是同样可以使用如图3中所示的整体设置。掩模92设置在由LED90通过光导管94照射的万花筒96的入射面。LED90可由LED阵列或其他光源来代替，LED90用相对较宽的波长范围照射光导管94，即其可以是白光源。光导管94作为均化器，并确保掩模92接收均匀照明。掩模92具有多个透射部分，从而仅仅照射万花筒入射面的一部分。掩模92的透射部分因此按照与参考图1至8所述实施例的各个LED类似的方式照射光导的入射面，因此所有上述优点可适用于本发明的该实施例。
根据使用结构化的光发生装置的应用，掩模92可具有不同的透射窗设置。例如，按照最简单的形式(未示出)，该掩�？杉虻グㄖ行目拙叮弥行目拙妒构獾阍谟行г傧滞�1中所示系统的万花筒的入射面的中心形成。如以92a示出的可替换的掩模具有更大密度的规则分开的孔径102，以允许较更大的光点密度。使用掩模，如使用掩模92a使大密度光点入射到万花筒，但是不需要使用非常小的LED。掩模92a的制造相对更容易，掩模92的精确对准比LED阵列的对准更容易。LED90不需要如掩模一样的精确对准(或者其位于万花筒的入射面且没有掩模)。这对于其照射光导管94是足够的，光导管94均匀地照射掩模92。因此制造具有掩模的本发明的实施例比制造不具有掩模的本发明的实施例更容易。
图中示出可替换的掩模92b，其中形成透射不同颜色的不同部分。例如，窗104可透射一种波长的光，例如红色，而窗106可透射不同波长的光，例如绿色(但是本发明可适用于可见光谱之外的波长)。这将产生不同颜色的光点阵列，能够如上所述辅助光点识别。可以通过利用如本领域的技术人员容易理解的不同的过滤材料来制造不同的窗104、106。此外，可以用在不同波长下工作的两种LED，例如红色LED和绿色LED来代替单个LED90，从而使两个不同的窗104、106中的每一个仅仅透射由一个LED发出的辐射。因此，利用激励的这两个LED，可投射不同颜色光点的高密度阵列。但是，仅仅激励一个LED，例如红色LED，那么仅仅一组窗是透射的，如窗104，并且仅仅投射光点的有限阵列。这能够扩展到更多数量的波长。
掩模92c表示使多条交线投射到万花筒入射面上的掩模。这将产生类似于图8中所示的图案。
掩模92可以是固定掩模或该掩模能够包括如快门的电光调制器。那么可将掩模中的各个窗从透射切换到非透射，以便使景物中的一些光点无效。
光导管94简单用来将光从LED90引导到掩模92，因而能够是相对廉价和相对较低精度的部件，降低了系统成本。掩模92的入射面的非透射部分，即从光导管94接收光的表面是反射的，从而将非透射光反射回到光导管94中，其从光导管的LED端部反射，然后再入射到掩模92上。由于光点直径与间隔之比通常约为4∶1，因此掩模的透射部分仅仅为其面积的十六分之一左右。非透射光的再循环增大了设备的效率，并降低了LED的电源要求。
权利要求
1.一种用于照射景物的结构化的光发生器，其包括设置为照射光导的一部分入射面的光源，该光导包括具有基本上反射的侧面的管，该管与投影光学器件一起设置用于向景物投射光源的不同的图像阵列。
2.如权利要求1的结构化的光发生器，其中光导包括具有恒定横截面的管。
3.如权利要求2的结构化的光发生器，其中管的横截面是正多边形。
4.如权利要求3的结构化的光发生器，其中管具有正方形横截面。
5.如前面任一项权利要求的结构化的光发生器，其中光导的横截面积在1至50mm2的范围内或在2至25mm2的范围内。
6.如前面任一项权利要求的结构化的光发生器，其中光导包括具有反射内表面的中空管。
7.如权利要求1至5中任一项权利要求的结构化的光发生器，其中光导包括固体材料的管，使得入射在管的材料和周围材料之间的界面上的相当大量的光经历全内反射。
8.如前面任一项权利要求的结构化的光发生器，其中光导的长度在10和70mm之间。
9.如前面任一项权利要求的结构化的光发生器，其中投影光学器件包括投影透镜。
10.如当从属于权利要求7时的权利要求9所述的结构化的光发生器，其中固体材料的管在出射面成形以形成投影透镜。
11.如权利要求9或10的结构化的光发生器，其中投影透镜是半球形透镜。
12.如权利要求11的结构化的光发生器，其中半球形透镜的中心定位于光导出射面的中心。
13.如前面任一项权利要求的结构化的光发生器，其中朝景物投射的图像阵列具有公共的原点。
14.如前面任一项权利要求的结构化的光发生器，其中投影光学器件优选适合于在第一距离提供基本上聚焦的图像，在第二距离提供基本上未聚焦的图像，第一距离和第二距离在装置的预期工作距离内。
15.如权利要求14的结构化的光发生器，其中第一距离可大于第二距离。
16.如前面任一项权利要求的结构化的光发生器，其中光源具有非圆形形状。
17.如权利要求16的结构化的光发生器，其中光源具有关于光导的反射轴不对称的形状。
18.如前面任一项权利要求的结构化的光发生器，包括多于一个光源，每个光源设置为照射光导入射面的一部分。
19.如权利要求18的结构化的光发生器，其中光源设置为规则图案。
20.如权利要求18或19的结构化的光发生器，其中对光源进行设置，使得可使用不同的光源设置来提供不同的光点密度。
21.如权利要求18至20中任一项权利要求的结构化的光发生器，其中至少一个光源发射波长不同于另一光源的光。
22.如权利要求18至21中任一项权利要求的结构化的光发生器，其中至少一个光源整形为不同于另一个光源。
23.如权利要求18至22中任一项权利要求的结构化的光发生器，其中至少一个光源具有关于光导的反射轴不对称的形状。
24.如权利要求18至23中任一项权利要求的结构化的光发生器，其中至少一个光源位于光导中，且深度不同于另一个光源的深度。
25.如权利要求1至19中任一项权利要求的结构化的光发生器，其中光源设置为从入射面的一侧到另一侧延伸，从而使结构化的光发生器利用线阵列照射景物。
26.如权利要求25的结构化的光发生器，其中使光源相对于光导设置，以便用交线照射景物。
27.如权利要求25或26的结构化的光发生器，其中光源可适用于照射光导从而产生线阵列或单独光点的阵列。
28.如前面任一项权利要求的结构化的光发生器，其中光源设置为通过掩模照射光导入射面。
29.如权利要求28的结构化的光发生器，其中掩模具有至少一个透射部分，该透射部分或每个透射部分设置为仅照射光导入射面的一部分。
30.如权利要求29的结构化的光发生器，其中掩模的该透射部分或至少一个透射部分具有非圆形形状。
31.如权利要求30的结构化的光发生器，其中掩模具有多个透射部分，至少一些透射部分具有不同的形状。
32.如权利要求28至31的结构化的光发生器，其中掩模具有多个透射部分，至少一些透射部分在不同波长处是透射的。
33.如权利要求28的结构化的光发生器，其中具有至少一个透射部分，所述透射部分设置为从光导入射面的一侧向另一侧延伸，从而使结构化的光发生器利用线阵列照射该景物。
34.如权利要求28至33的结构化的光发生器，其中掩模包括调制器，该调制器适用于改变掩模的至少一部分的透射特性。
35.如权利要求28至34的结构化的光发生器，进一步包括位于光源和掩模之间的均化器。
36.如前面任一项权利要求的结构化的光发生器，其中该发生器以50°至100°之间的角度投射图像阵列。
37.如前面任一项权利要求的结构化的光发生器，其中该发生器的景深是100mm至无穷远。
全文摘要
本发明涉及一种照明装置，其利用二维强度图案照射景物，所述二维强度图案如不同光点的阵列或线阵列。诸如LED的光源(4)设置为直接或通过掩模照射光导(6)的入射面。光导包括实心或中空管，一般具有恒定、规则的横截面，设置为产生光源的多个图像。投影光学器件(8)设置为朝景物投射具有比常规技术更大景深的阵列。
文档编号G01B11/25GK1735788SQ200380108400
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D·A·奥尔查德, A·C·莱温 申请人:秦内蒂克有限公司
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