用于扫描引擎的模块化光学器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明整体涉及一种用于投影和光学辐射捕获的方法和设备，并且尤其涉及光学扫描设备。
【背景技术】
[0002]各种方法在本领域中是已知的，以用于光学3D测绘，即通过处理对象的光学图像来生成对象的表面的3D轮廓。这种3D轮廓也称为3D图、深度图或深度图像，并且3D测绘也称为深度测绘。如本专利申请和权利要求中所使用的术语“光学”和“光”是指任何或所有可见波长范围、红外波长范围和紫外波长范围中的电磁辐射。
[0003]美国专利申请公开2011/0279648描述了一种用于构造受检对象3D表示的方法，包括利用相机来捕获受检对象的2D图像。该方法还包括在受检对象上方扫描经调制的照明光束以一次一个地照射受检对象的多个目标区域，以及测量来自从目标区域中的每个目标区域反射的照明光束的光的调制方面。使用移动镜光束扫描器来扫描照明光束，并使用光电检测器来测量调制方面。该方法还包括基于为目标区域中的每个目标区域测量的调制方面来计算深度方面，以及使深度方面与2D图像的对应像素相关联。
[0004]美国专利8，018，579描述了一种三维成像和显示系统，其中根据其相移通过测量调幅扫描光束的路径长度来以光学方式检测成像体积中的用户输入。呈现了关于所检测的用户输入的视觉图像用户反馈。
[0005]美国专利7，952，781 (其公开内容以引用方式并入本文)描述了一种扫描光束的方法和一种制造微机电系统(MEMS)(可并入扫描设备中)的方法。
[0006]美国专利申请公开2012/0236379描述了一种使用MEMS扫描的LADAR系统。扫描镜包括被图案化以包括镜区域、围绕镜区域的框架、和围绕框架的基部的衬底。一组致动器用于围绕第一轴相对于框架来旋转镜区域，并且第二组致动器围绕第二轴相对于基底来旋转框架。可使用半导体处理技术来制造扫描镜。扫描镜的驱动器可采用用于操作该镜以用于进行三角形运动的反馈回路。扫描镜的一些实施例可用于计算系统的自然用户界面的LADAR系统。
[0007]由SICK AG(德国汉堡(Hamburg, Germany))协调的“MiniFaros”联盟曾经支持汽车应用程序的新激光扫描仪方面的工作。在minifaros, eu网站上有更多细节可用。
【发明内容】
[0008]下文描述的本发明的实施例提供了一种用于光束发射和接收的改进的装置和方法。
[0009]因此，根据本发明的实施例，提供了一种光电模块，该光电模块包括光束发射器和接收器，该光束发射器被配置为沿光束轴发出至少一个光束，该接收器被配置为感测由模块沿接收器的收集轴接收的光，该收集轴平行于模块内的光束轴。光束组合光学器件被配置为引导光束和所接收的光，使得该光束轴和模块外部的收集轴对准，该光束组合光学器件包括多个面，该多个面至少包括被配置用于内反射的第一面和包括分束器的第二面，该分束器与光束轴和收集轴两者相交。
[0010]在一些实施例中，该光束组合光学器件包括具有多个面的棱镜，其中光束轴以最小偏向角附近的进入角和离开角来进入和离开棱镜的面。在所公开的实施例中，第一面和第二面彼此平行，并且光束轴和收集轴两者在不同的相应位置处穿过第二面。
[0011]在所公开的实施例中，该模块包括微型光学衬底，并且光束发射器包括激光器管芯，而接收器包括检测器管芯，该模块包括微型光学衬底，并且激光器管芯和该检测器管芯均安装在微型光学衬底上。
[0012]在一些实施例中，该模块包括形成于面中的一个面上的滤光器，以便排除光束发射器的发射频带之外的所接收的光。另选地或替代地，分束器包括第二面上的偏振分束器涂层。该光束组合光学器件可包括至少一个透镜，该至少一个透镜被配置为使至少一个激光束准直，并将所接收的光聚焦到检测器管芯上。
[0013]在一个实施例中，多个面包括第三面，该光束轴和该收集轴在第三面上的光束轴和收集轴两者共用的位置处通过第三面离开模块。
[0014]在所公开的实施例中，光学扫描头包括扫描镜和上述模块，该扫描镜被配置为在扫描区域上方扫描光束轴和收集轴两者。
[0015]根据本发明的实施例，还提供了一种光学方法，该光学方法包括沿光束轴从光电模块中的光束发射器朝扫描仪发出至少一个光束。沿收集轴从扫描仪接收光，该收集轴平行于光电模块内的光束轴。使用光束组合光学器件来向扫描仪引导光束和所接收的光以及从扫描仪引导光束和所接收的光，使得在扫描仪处该光束轴与该收集轴对准，光束组合光学器件包括多个面，该多个面至少包括被配置用于内反射的第一面和包括分束器的第二面，该分束器与光束轴和收集轴两者相交。
[0016]在所公开的实施例中，该方法包括使用扫描仪来在扫描区域上方扫描光束轴和收集轴两者，其中发出至少一个光束包括发出光脉冲，并且其中接收光包括测量脉冲往返于扫描区域中的对象的相应飞行时间。
[0017]结合附图根据下文对本发明的实施例的详细描述将更加完全地理解本发明，在附图中:
【附图说明】
[0018]图1是示出了根据本发明的实施例的光学扫描头的示意性图示；
[0019]图2A和2B是根据本发明的另一实施例的光电模块的示意性侧视图；
[0020]图3A是根据本发明的实施例的光电模块的示意性侧视图；
[0021]图3B是图3A的模块的示意性等距视图；
[0022]图4是根据本发明的实施例的棱镜的示意性侧视图；以及
[0023]图5是根据本发明的另一实施例的棱镜的示意性侧视图。
【具体实施方式】
[0024]美国专利申请13/766,811(如US 2013/0206967，其公开于2013年8月15日)描述了通过测量扫描光束的飞行时间来生成3D测绘数据的深度引擎。光发射器诸如激光器向扫描镜引导光的短脉冲，该扫描镜在感兴趣的场景上方扫描光束。接收器诸如敏感高速光电二极管(例如，雪崩光电二极管)接收经由同一扫描镜从场景返回的光。处理电路测量在扫描中的每个点处发射和接收光脉冲之间的时间延迟。这一延迟指示光束行进的距离，从而指示该点处的对象的深度。处理电路在产生场景的3D图时使用如此提取的深度数据。
[0025]在美国专利申请13/766,811中描述了深度引擎的各种可能的配置。若干个所公开的实施例使用单个扫描镜来传输由发射器输出的光束，并朝接收器引导(通常通过反射)返回的光。因此，深度引擎光学器件包括光束组合光学器件，该光束组合光学器件引导输出光束和所接收的光，使得输出光束的光束轴与所接收的光束的收集轴对准。光束组合光学器件通常包括多个表面，该多个表面例如具有分束、光束转向和波长过滤的功能。通常，需要与发射器、接收器和扫描镜自身一起仔细对准光学表面，以确保深度引擎正常工作；并且在操作深度引擎期间对准的偏移可能导致严重的性能损失。
[0026]下文描述的本发明实施例构建于美国专利申请13/766,811中描述的光电模块和光束组合光学器件上，并增加了用于增强此类模块的对准容易性和稳定性的特征。在这些实施例中，光电模块包括光束发射器和接收器，该光束发射器沿光束轴发出至少一个激光束，该接收器感测由该模块沿收集轴接收的光。光束轴和收集轴是独立的并且在模块内平行。光束组合光学器件引导光束和所接收的光，使得在模块外部，该光束轴与模块外部的收集轴对准(从而可使用同一扫描镜来在给定扫描区域上方扫描光束轴和收集轴两者)。
[0027]在所公开的实施例中，光束组合光学器件包括元件诸如具有多个面的棱镜。如图所示，一个面被配置用于内部反射，