用于掃描引擎的模塊化光學器件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明整體涉及一種用于投影和光學輻射捕獲的方法和設備，并且尤其涉及光學掃描設備。
【背景技術】
[0002]各種方法在本領域中是已知的，以用于光學3D測繪，即通過處理對象的光學圖像來生成對象的表面的3D輪廓。這種3D輪廓也稱為3D圖、深度圖或深度圖像，并且3D測繪也稱為深度測繪。如本專利申請和權利要求中所使用的術語“光學”和“光”是指任何或所有可見波長范圍、紅外波長范圍和紫外波長范圍中的電磁輻射。
[0003]美國專利申請公開2011/0279648描述了一種用于構造受檢對象3D表示的方法，包括利用相機來捕獲受檢對象的2D圖像。該方法還包括在受檢對象上方掃描經調制的照明光束以一次一個地照射受檢對象的多個目標區域，以及測量來自從目標區域中的每個目標區域反射的照明光束的光的調制方面。使用移動鏡光束掃描器來掃描照明光束，并使用光電檢測器來測量調制方面。該方法還包括基于為目標區域中的每個目標區域測量的調制方面來計算深度方面，以及使深度方面與2D圖像的對應像素相關聯。
[0004]美國專利8，018，579描述了一種三維成像和顯示系統，其中根據其相移通過測量調幅掃描光束的路徑長度來以光學方式檢測成像體積中的用戶輸入。呈現了關于所檢測的用戶輸入的視覺圖像用戶反饋。
[0005]美國專利7，952，781 (其公開內容以引用方式并入本文)描述了一種掃描光束的方法和一種制造微機電系統(MEMS)(可并入掃描設備中)的方法。
[0006]美國專利申請公開2012/0236379描述了一種使用MEMS掃描的LADAR系統。掃描鏡包括被圖案化以包括鏡區域、圍繞鏡區域的框架、和圍繞框架的基部的襯底。一組致動器用于圍繞第一軸相對于框架來旋轉鏡區域，并且第二組致動器圍繞第二軸相對于基底來旋轉框架。可使用半導體處理技術來制造掃描鏡。掃描鏡的驅動器可采用用于操作該鏡以用于進行三角形運動的反饋回路。掃描鏡的一些實施例可用于計算系統的自然用戶界面的LADAR系統。
[0007]由SICK AG(德國漢堡(Hamburg, Germany))協調的“MiniFaros”聯盟曾經支持汽車應用程序的新激光掃描儀方面的工作。在minifaros, eu網站上有更多細節可用。
【發明內容】
[0008]下文描述的本發明的實施例提供了一種用于光束發射和接收的改進的裝置和方法。
[0009]因此，根據本發明的實施例，提供了一種光電模塊，該光電模塊包括光束發射器和接收器，該光束發射器被配置為沿光束軸發出至少一個光束，該接收器被配置為感測由模塊沿接收器的收集軸接收的光，該收集軸平行于模塊內的光束軸。光束組合光學器件被配置為引導光束和所接收的光，使得該光束軸和模塊外部的收集軸對準，該光束組合光學器件包括多個面，該多個面至少包括被配置用于內反射的第一面和包括分束器的第二面，該分束器與光束軸和收集軸兩者相交。
[0010]在一些實施例中，該光束組合光學器件包括具有多個面的棱鏡，其中光束軸以最小偏向角附近的進入角和離開角來進入和離開棱鏡的面。在所公開的實施例中，第一面和第二面彼此平行，并且光束軸和收集軸兩者在不同的相應位置處穿過第二面。
[0011]在所公開的實施例中，該模塊包括微型光學襯底，并且光束發射器包括激光器管芯，而接收器包括檢測器管芯，該模塊包括微型光學襯底，并且激光器管芯和該檢測器管芯均安裝在微型光學襯底上。
[0012]在一些實施例中，該模塊包括形成于面中的一個面上的濾光器，以便排除光束發射器的發射頻帶之外的所接收的光。另選地或替代地，分束器包括第二面上的偏振分束器涂層。該光束組合光學器件可包括至少一個透鏡，該至少一個透鏡被配置為使至少一個激光束準直，并將所接收的光聚焦到檢測器管芯上。
[0013]在一個實施例中，多個面包括第三面，該光束軸和該收集軸在第三面上的光束軸和收集軸兩者共用的位置處通過第三面離開模塊。
[0014]在所公開的實施例中，光學掃描頭包括掃描鏡和上述模塊，該掃描鏡被配置為在掃描區域上方掃描光束軸和收集軸兩者。
[0015]根據本發明的實施例，還提供了一種光學方法，該光學方法包括沿光束軸從光電模塊中的光束發射器朝掃描儀發出至少一個光束。沿收集軸從掃描儀接收光，該收集軸平行于光電模塊內的光束軸。使用光束組合光學器件來向掃描儀引導光束和所接收的光以及從掃描儀引導光束和所接收的光，使得在掃描儀處該光束軸與該收集軸對準，光束組合光學器件包括多個面，該多個面至少包括被配置用于內反射的第一面和包括分束器的第二面，該分束器與光束軸和收集軸兩者相交。
[0016]在所公開的實施例中，該方法包括使用掃描儀來在掃描區域上方掃描光束軸和收集軸兩者，其中發出至少一個光束包括發出光脈沖，并且其中接收光包括測量脈沖往返于掃描區域中的對象的相應飛行時間。
[0017]結合附圖根據下文對本發明的實施例的詳細描述將更加完全地理解本發明，在附圖中:
【附圖說明】
[0018]圖1是示出了根據本發明的實施例的光學掃描頭的示意性圖示；
[0019]圖2A和2B是根據本發明的另一實施例的光電模塊的示意性側視圖；
[0020]圖3A是根據本發明的實施例的光電模塊的示意性側視圖；
[0021]圖3B是圖3A的模塊的示意性等距視圖；
[0022]圖4是根據本發明的實施例的棱鏡的示意性側視圖；以及
[0023]圖5是根據本發明的另一實施例的棱鏡的示意性側視圖。
【具體實施方式】
[0024]美國專利申請13/766,811(如US 2013/0206967，其公開于2013年8月15日)描述了通過測量掃描光束的飛行時間來生成3D測繪數據的深度引擎。光發射器諸如激光器向掃描鏡引導光的短脈沖，該掃描鏡在感興趣的場景上方掃描光束。接收器諸如敏感高速光電二極管(例如，雪崩光電二極管)接收經由同一掃描鏡從場景返回的光。處理電路測量在掃描中的每個點處發射和接收光脈沖之間的時間延遲。這一延遲指示光束行進的距離，從而指示該點處的對象的深度。處理電路在產生場景的3D圖時使用如此提取的深度數據。
[0025]在美國專利申請13/766,811中描述了深度引擎的各種可能的配置。若干個所公開的實施例使用單個掃描鏡來傳輸由發射器輸出的光束，并朝接收器引導(通常通過反射)返回的光。因此，深度引擎光學器件包括光束組合光學器件，該光束組合光學器件引導輸出光束和所接收的光，使得輸出光束的光束軸與所接收的光束的收集軸對準。光束組合光學器件通常包括多個表面，該多個表面例如具有分束、光束轉向和波長過濾的功能。通常，需要與發射器、接收器和掃描鏡自身一起仔細對準光學表面，以確保深度引擎正常工作；并且在操作深度引擎期間對準的偏移可能導致嚴重的性能損失。
[0026]下文描述的本發明實施例構建于美國專利申請13/766,811中描述的光電模塊和光束組合光學器件上，并增加了用于增強此類模塊的對準容易性和穩定性的特征。在這些實施例中，光電模塊包括光束發射器和接收器，該光束發射器沿光束軸發出至少一個激光束，該接收器感測由該模塊沿收集軸接收的光。光束軸和收集軸是獨立的并且在模塊內平行。光束組合光學器件引導光束和所接收的光，使得在模塊外部，該光束軸與模塊外部的收集軸對準(從而可使用同一掃描鏡來在給定掃描區域上方掃描光束軸和收集軸兩者)。
[0027]在所公開的實施例中，光束組合光學器件包括元件諸如具有多個面的棱鏡。如圖所示，一個面被配置用于內部反射，