成像器212保持相对于它们各自的光学系统(图4A所示的透镜230)的适当位置。整体框架240可以是机械加工的、塑模的、或者由单件材料(例如，单件的塑料或金属)制造而成，该材料具有具对较低的导热系数以确保成像器212彼此对准，从而避免温度波动影响立体成像精度。框架240可以具有分散的在同一平面内的安装面260或者单一连续的安装面，其用于用螺栓固定成像器212和它们的附接PCB 214。将成像器212和成像器PCB 214用螺栓和销固定在单一整体框架240上同一平面的安装结构260上，能够改进成像器212的安装精度和安装稳定性，由于随着时间推移系统的校准更加精确，从而可以得到更高质量的3D数据。在某一实施例中，为了使成像器212和光学系统之间获得更高的对准精度，电子装配600被直接安装到整体框架240上。
[0076]图3A-3D也示出了在处理器510(例如ASIC或FPGA)和集成到壳体204内的导热壁280之间的导热板282。该内壁280不直接暴露于外部环境，而是壳体204的一部分，其中壳体204具有许多外部表面。这样，热量从处理器510通过板282而加热内壁280。热量流经该壁280传导至壳体204的其它部分，从而通过其许多外表面将热量耗散至外部环境中。在一些情况下，外部壁可以包括用于提高热量耗散的一个或多个散热片724(图7B)。总之，该设计在热量源(例如，处理器510)与外部环境之间创造了一条低阻抗的热通路。其不需要任何主动冷却手段如风扇，并且能够保持系统的整体密封性。在其它的实施例中，壳体204可以被配置成使处理器510紧靠在外壁上，从而减小从处理器510到外部空气的热通路的长度。
[0077]用于立体视觉的光学组件
[0078]图4A、4B以及5A-5D示出了立体传感器200内的摄像机210中的一个光学组件220的多种视图。如图4A所示，光学子组件光学系统220包括一个或多个透镜230和/或其它光学元件，其用于将景像成像到成像器212上。光学组件220还包括定制视窗(customwindow) 202，通过使用O形环密封件222将定制视窗202相对于壳体204放置。泡沫226阻挡光线并且防止能够降低图像质量的反射，聚焦垫片228将透镜230保持在相对于壳体204和成像器212的适当位置。定位销262将各成像器212对准到整体框架240上，并用螺栓264将成像器212锁紧到整体框架240上。
[0079]用于光源和传感器透镜的分开的视窗
[0080]如图7A和7B所示，立体传感头700可具有分开的光学视窗，用于成像器光学系统和系统照明。向外的照明可能会部分地从视窗反射进容纳光源(例如，发光二极管)的空腔内，或者由视窗本身所吸收。这些在视窗内的照明损失将照亮灰尘、水汽、尘土、或任何其它碎肩一一甚至是与光线的出射位置直线偏移的碎肩。因此，处于与成像光学系统相同视窗之后的光照明将照亮系统透镜的视场内的碎肩，这将导致与未被照明的碎肩相比更多的场景干扰。为了防止照明损失降低图像质量，该系统使用了分开的视窗置于透镜和照明之
、广.刖。
[0081]置于照明光源(LED 712)之前的视窗714可以被毛玻璃化，以使光线扩散到一定角度。毛玻璃化可以减轻阴影的锐度并且导致发射的光线更加柔和不刺眼，还可以减少光线分布中的“热点”。通过提供更加均匀的照明和减小阴影，扩散光能够使立体算法更加容易地从左向右匹配各种特征。
[0082]光照
[0083]系统照明的视场非常接近地匹配透镜和成像器的视场。这意味着系统无需浪费能量去照亮用户或立体摄像机无法光学可见的场景。因此，系统的能量效率更高。
[0084]系统可以包括提供可见光照明、红外照明或兼具可见光和红外照明的光源。成像器是IR感光的，IR照明的选择能够允许系统在没有可见光的夜间运行。
[0085]可分离的成像器基板允许各种基线(baseline)
[0086]图6A和6B示出了电子组件600的更加具体的细节。电子组件600包括成像传感器阵列212、成像传感器PCB 214、以及处理单元500。这些元件都机械地、热地以及电气地耦接到主逻辑PCB 290上，其还支持向有源电子元件提供电能的电源292以及名种数据和电源连接294。如图6A所示，PCB 290可以相当小，长仅大约4英寸，高大约2英寸。
[0087]成像器印刷板(PCB)与主逻辑PCB 290和处理器PCB (处理模块)500相分离，这将允许更加紧凑地系统封装，以及更加容易适应新的系统基线(几何尺寸)。与将成像PCB214直接插接到主逻辑PCB 290上不同，如图6A和6B所示，一个或两个成像器PCB 214可以通过柔性带状电缆或者其它合适弯曲的、可扩张的或可伸缩的连接器与主逻辑PCB 290相连接。例如，图7B示出了用于通过柔性带状电缆将成像器(未标记)耦接至主逻辑PCB290的连接器720a和720b。这些电线可以被制成不同的长度，从而允许系统基线从数英寸变换至数英尺(例如，6-10英尺)。处理器逻辑500基于处理器510与左和右摄像机210之间的电气长度的差异而略微变化。考虑到电气长度差异，处理器510可以在向稍近的摄像机(例如，摄像机210b)发送触发信号之前(例如，早数纳秒)，向稍远的摄像机(例如，摄像机210a)发送触发信号，从而摄像机能够在同一时刻接收到各自的触发信号。另外，处理器(FPGA) 510上的时钟恢复逻辑单元可以进行类似地调整以补偿左和右摄像机210之间的时钟偏差。在具有足够宽的基线来支持以下这种配置的立体传感头内，成像器212还可以被直接安装在主逻辑PCB 290上而不使用柔性电缆和/或专用的成像器PCB。
[0088]激光测距仪和激光扫描机构
[0089]图8A-8D示出了紧凑且轻质的激光扫描机构300，其在低能耗(例如，大约2瓦至大约15瓦)、低转速(例如，O至60rpm)以及低主轴反冲(spindle backlash)(例如，大约0.1度至大约0.5度)的状态下运行。在运行过程中，激光扫描机构300绕第一轴3摆动或连续转动激光器310，以扫过或扫描从激光器310发射的平面激光束(例如，最高至大约180或270度)，从而由普通的2D激光距离传感器(range sensor)创建3D距离(3D range)的部分球体。激光束可以是对于眼睛安全的波长(例如，在光谱的近红外部分的波长，比如950nm)且功率足够高以产生可靠地可检测的回波，而又不产生危害。光斑尺寸和光束发散角可以选择为在光学领域所公知的能够确保准确测距的范围。
[0090]激光扫描机构300包括位于外部环境与机构空腔321之间的第一密封件380，和位于机构空腔321与电子装置空腔323之间的第二密封件337。其还可以提供连续的主轴旋转同时允许电气穿过(图8B中的电线通道360)。扫描机构300以及其齿轮组被保护而不受外部负载影响，特别是可能导致小齿轮齿损坏的震动或冲击。
[0091]在一实施例中，扫描机构300包括单级蜗杆减速齿轮。得益于在单一啮合中的高机械减速(例如，50:1)，可以获得低反冲。悬浮式蜗杆330提供优于标准蜗杆动力传动系统的改善的反冲，这是因为其允许在该组件被螺栓固定于恰当的位置之前对齿轮的位置进行调整，其中反冲是指机构的部件之间的活动度(degree of play)。该悬浮式蜗杆330包括具有电动机352、蜗杆轴331、密封轴承340的子组件332，以及容纳子组件332和其它部件的壳体370。子组件332被安装至传感器单元内，并且其蜗杆330与一大蜗轮324相啮合。反冲可以通过子组件332的左右、上下的微小移动来进行调整。一旦反冲被减小或最小化，子组件332将被一个或多个蜗轮安装螺栓334锁定。
[0092]扫描机构300包括顺应式电动机安装部350，轴331上的两个轴承，以及电动机轴上的两个轴承，该电机动轴被压入至轴331内。在运行时，顺应式电动机安装部350将防止轴331的过紧约束。该顺应式电动机安装部350允许电动机和电动机轴在轴向和径向移动，但是抗拒转动且允许扭矩传送至蜗杆轴331。该顺应式电动机安装部350可以由钢铁、塑料或其它适当的材料制成。
[0093]为了保持容纳蜗杆330和蜗轮324的机构空腔321与容纳电动机352的电子装置空腔323之间密封，扫描机构300包括:在主轴322上的密封轴承；在悬浮式蜗杆子组件332上的密封轴承；以及静态筒密封，该静态筒密封被设计于悬浮式蜗杆壳体336之内，用以密封主壳体370同时仍然允许悬浮式蜗杆装配332可以被轻微移动，以允许反冲调整。另外，滑环326被嵌入于系统的空的主轴332内，以便能够进行连续的机械转动且使电气穿过。
[0094]在存在外部扭力的冲击或震动负荷的情况下，蜗轮324中的滑动离合器325能够保护蜗轮的齿和蜗杆的齿免于机械损害。滑动离合器325包括摩擦垫328，其如三明治那样被夹在主轴322与蜗轮330之间，一个或多个弹簧388，其将蜗轮324压向摩擦垫328，以及一系列的垫片(垫片组386)和轴承，其压缩弹簧388。摩擦垫328可以由玻璃纤维、GlOGarolite热固性环氧树脂材料、刹车片材料、或任何其它具有高摩擦、低或不可压缩、高表面耐久性、以及强度(以防止磨损)的材料制成。小于蜗轮324、摩擦垫328和主轴322之间的旋转牵引的旋转负荷能够被传送通过该系统，如同所有部件都被刚性地用螺栓固定在一起那样。但是较大旋转负荷会导致蜗轮324相对于主轴322开始滑动，因此蜗杆330和蜗轮324的齿将不会受到高负荷甚至冲击负荷。在系统处于加电状态运动时和系统断电时，该滑动离合器运行。一旦高负荷的情形消除，齿轮组将恢复正常转动，如同没有发生任何事情一样一一无需更换、重置或修理任何部件。
[0095]图8C和8D示出了动力传动系统还可以包括编码器安装部390和轴绝对位置编码器392，其用于测量主轴的位置以便准确的将激光数据投影到3D空间。定制(custom)编码器安装部390包括凸缘，其被用螺栓固定和装配于主轴322。轴绝对位置编码392包括穿孔的或被标记的环，其如三明治那样被夹在用户编码器安装部390和主轴322之间。在运行中，光电二极管或其它传感器感应到轴绝对位置编码器392上的标记，从而来提供主轴的角位置的指示。
[0096]处理器实现方式
[0097]图9A-9C示出了处理器510的实现方式，其使用适合用于本发明传感器单元的FPGA或ASIC。该处理器实现方式包括一个或多个成像器接口 520a和520b ( 一并称为接口520)，其耦接至立体摄像机200的成像传感器210。预处理模块522a和522b ( 一并称为预处理模块522)通过低压差分信号(LVDS)线从成像传感器210接收串行数据(serializeddata)，并将此串行数据转换成标准的并行表示，其用于其它的处理通道(pipeline)。成像器接口 520执行动态时钟/数据整。它们还负责锁定于输入串行数据的已知格式，并检测串行数据的错误。
[0098]如图9B所示，预处理模块522还可以被配置成执行各种预处理任务中的任何一个，包括但不限于:
[0099]-降噪:去除固定模式噪声(模块902)和滤除随机噪声(模块914);
[0100]-生成柱状图用于削波、黑电平检测、自动曝光、自动增益等(模块904);
[0101 ]-线性化:从高动态范围(HDR)空间(如果HDR被激活)转换成线性强度空间(模块906);
[0102]-晕影修正(vignettecorrect1n):修正由透镜引起的图像的昏暗边缘/角落(例如，基于存储于查询表的数据)(模块908);
[0103]-去马赛克:将拜尔彩色图像转换成全彩色图像，例如，利用(”使用基于预置的可变梯度数的插值”算法(VNG)) "Interpolat1n using a Threshold-basedvariable number of gradients^algorithm(VNG):http://scien.Stanford, edu/pages/labsite/1999/psych221/projects/99/tingchen/algodep/vargr a.html (其全文通过引用方式并入本申请)(模块910);
[0104]-色彩空间转换:将传感器的RGB色彩空间转换成标准色彩空间以用于流水线使用(例如，RGB或CIELAB)(模块912);
[0105]-白平衡:调整色彩来匹配场景照明(模块912);以及
[0106]-滤波/子采样:通过平滑处理降低图像分辨率然后进行子采样(例如，如果用户要求低于最高分辨率)(模块916)。
[0107]如图9C所示，处理器510还可以纠正来自摄像机210的数据，例如，使用用于各摄像机的单独的纠正模块，或者由左右立体摄像机共享的单个存储器-到-存储器(memory-to-memory)模块524。该纠正存储器-到-存储器模块524可以具有其自身的到直接存储器(DMA)总线590的连接(预处理还可以直接连接到DMA总线)。为了节约处理器资源，单个纠正模块524由左右图像路径所共享。
[0108]纠正模块524转换图像数据来消除任何由透镜引入的畸变。打包的指令流被用来对输入像素坐标进行高效编码，编码为夹杂有少量绝对坐标的相对坐标序列。指令编码器952通过DMA总线590从存储器514读取该指令流，并将其解码成全部是绝对像素坐标的序列。其它实施例可以直接由校准参数动态地产生，以便于通过移除指令流来节省存储带宽，