3D激光扫描仪的制作方法

本发明基于一种根据权利要求1的前序部分的模块。

背景技术：

众所周知激光扫描仪。例如激光扫描仪可以用于检测对象的三维(3D)形状。这样的激光扫描仪也称为3D扫描仪。

技术实现要素：

本发明的任务在于，提出一种模块，该模块相比于现有技术允许提供3D扫描仪的更紧凑并且更成本有利的结构并且此外尤其能够实现对象的相对精确的测量。

根据并列权利要求的根据本发明的模块和根据本发明的用于测量定位在测位区中的对象的方法相比于现有技术具有如下优点：通过应用半导体激光构件以相对高的精度测量对象并且尽管如此模块具有相对紧凑的结构，因为半导体激光构件配置不仅用于产生初级射束而且用于探测次级信号。优选地，半导体激光构件是单片式半导体构件。这尤其表示：激光源和光学探测装置单片地集成在半导体激光构件中，其中，光学探测装置包括光学探测器，其信号优选用于距离测量和/或速度测量。

尤其应将对象的测量理解为数据检测，以便检测对象的三维形状，也即空间立体几何结构或外形。优选地，术语模块包括可以匹配方式集成到多个不同电设备中的构件。例如，对象是空间立体的物体，其定位在测位区中。测位信息优选涉及在对象表面上的点的测位，其中，测位在此尤其表示：探测到在对象表面上的该点的位置坐标。位置坐标尤其涉及该点相对于模块的位置和/或该点相对于在对象表面上的另一点的另一位置的位置，其中，尤其该点和另一点沿着与扫描运动关联的扫描线布置在对象的表面上。次级信号尤其通过对象与在扫描镜结构的偏转位置中辐射的初级射束的相互作用(反射)而产生。次级信号尤其是反射信号的通过模块可探测的部分，该反射信号返回到模块。优选地，半导体激光构件是用于产生辐射到测位区中的初级射束的激光源，其中，初级射束例如具有可见光和/或红外光。初级射束的扫描运动优选是初级射束的行式运动和/或网格式运动，其中，扫描运动优选沿着辐射面实现。优选地，扫描运动是在测位区的两个测位边界之间的周期性的摆动运动。

优选地，模块可根据组合部件(Baukasten)原理以灵活方式集成到多个不同的电设备中。模块例如如此配置，使得模块可集成到智能电话、平板电脑、微型投影仪和/或其他便携式电设备中。本发明的有利的构型和扩展方案可由从属权利要求以及参照附图的描述得出。

根据一个优选的扩展方案设置，所述半导体激光构件是多普勒传感器，其中，所述多普勒传感器尤其是具有垂直空穴(VCSEL)的表面发射激光器或者具有外部垂直空穴(VeCSEL)的表面发射激光器。

由此有利地可能的是，借助于多普勒传感器无触碰式地探测例如在对象表面上的投影点的速度和/或例如在对象表面上的投影点与模块的距离或间距。优选地，初级射束是高斯射束，从而尤其将相对简单地设计的准直光学器件用于如下模块，该模块用于由VCSEL产生的初级射束的准直。优选地，VCSEL集成在多波长激光模块中，也即红-绿-蓝(RGB)模块或红外(IR)模块或RGB-IR模块中。此外，通过应用VCSEL多普勒传感器有利地可能的是，也探测具有相对小强度的次级信号，从而提供具有相比于干扰性背景光和/或相对于温度波动相对小的灵敏性的模块。

根据另一优选的扩展方案设置，扫描镜结构是微机电系统(MEMS)。

由此有利地可能的是，将MEMS微镜用作用于使初级射束偏转的扫描镜结构或用作偏转单元，其中，尤其通过调节MEMS微镜来产生初级射束的扫描运动。

根据另一优选的扩展方案设置，所述模块配置用于在距离运行模式下和/或在速度运行模式下测量所述对象，其中，所述模块如此配置，使得关于所述对象的三维形状的图像信息在所述距离运行模式下和/或在所述速度运行模式下产生。

由此有利地可能的是，以相对高的精度探测沿对象表面的相对大的高度差(轮廓变化)和/或棱边。特别优选地实现在非常高的扫描速度、也即与在千赫范围中的扫描频率关联的扫描速度下的探测。由此有利地可能的是，相对高效并且快速地探测相应高的多普勒频率。

根据另一优选的扩展方案设置，所述模块配置用于在所述距离模式下根据关于所述模块与所述对象之间的距离的距离探测产生图像信息，其中，所述模块尤其配置用于根据所述初级射束的以调制信号的调制进行所述距离探测。

由此有利地可能的是，在距离运行模式(其也称为距离模式)下如此实现对象(对象表面)的表面(或者形状或轮廓)的三维测量，使得由初级激光射束射到或如此照射位置点或投影点，使得产生次级信号并且根据次级信号(借助多普勒传感器)的探测产生测位信息，从而测位信息具有关于距离的信息(距离值)。优选地，在此通过关于对象表面上的多个不同的投影点的多个这样的距离值的探测重构对象的三维形状。

根据另一优选的扩展方案设置，所述模块配置用于在所述速度运行模式下根据所述次级信号的多普勒频率的频率探测来产生所述图像信息，其中，所述模块尤其如此配置，使得所述图像信息根据所述多普勒频率和所述初级射束的扫描运动的扫描速度来产生。

由此有利地可能的是，在如下运行模式下，在所述运行模式下在扫描运动期间在对象表面上产生的投影点的速度通过多普勒传感器来探测，其中，对象表面借助(运动的)初级射束来采集(扫描)。根据投影点沿对象轮廓的横向运动——也即基本上垂直于初级射束的主延伸方向——如此改变投影点与多普勒传感器的间距，也即基本上平行于初级射束的主延伸方向，使得根据所探测的次级信号产生的探测信号(测量信号)具有关于投影点沿对象轮廓的运动的信息，其中，投影点的运动优选作为有效的速度(也即基于点沿对象轮廓的运动，对象相对于模块的有效速度)检测(多普勒效应)。优选地，根据与多普勒效应关联的多普勒频率的频率测量来探测有效速度，从而由探测信号可导出图像信息。根据本发明优选地，所述模块如此配置，使得根据所探测的多普勒频率探测在对象表面上的两个不同投影点之间的距离变化或间距变化并且距离变化可由探测信号导出。优选地，多普勒频率与初级射束的扫描速度(也即角速度或方向变化速率)以及对象表面的几何结构(对象几何结构)相关。

根据另一优选扩展方案设置，

所述模块配置用于产生关于所述模块的位置的位置数据，其中，所述模块配置用于根据所述位置数据测量所述对象；和/或，

所述模块配置用于借助于特征识别来测量所述对象。

由此有利地可能的是，使用不同的方法来测量对象。所述模块例如具有用于产生位置数据的微机电惯性传感器。

本发明的另一主题是具有根据本发明的模块的电设备，其中，所述电设备是用于关于对象的三维形状测量对象的激光扫描仪。

由此有利地可能的是，提供一种电设备，借助该电设备能够实现：以有效方式相对精确地探测对象表面上的结构(例如棱边)。

按照根据本发明的方法的一种优选的扩展方案设置，在距离运行模式下和/或在速度运行模式下如此运行所述模块，使得产生关于所述对象的三维形状的图像信息，其中，尤其根据所述测位信息和所述扫描镜结构的偏转位置产生所述图像信息。

按照根据本发明的方法的另一优选的扩展方案设置，在距离模式下通过距离探测检测对象的对象表面轮廓，其中，在距离探测期间以调制信号来调制初级射束。

根据本发明的方法的另一优选的扩展方案设置，在所述速度运行模式下根据所述次级信号的多普勒频率的频率探测来检测所述对象的对象表面轮廓，其中，根据所探测的多普勒频率产生所述图像信息，其中，尤其根据所述初级射束的扫描运动的扫描速度产生所述图像信息。

附图说明

在附图中示出并且在以下描述中进一步阐述本发明的实施例。附图示出：

图1至3：根据本发明的不同实施方式的模块的示意性视图；

图4至7：根据本发明的不同实施方式的模块的半导体激光构件的示意性视图。

具体实施方式

在不同附图中，相同部分总是设有相同附图标记并且因此通常也分别仅仅命名或提及一次。

在图1中示出根据本发明的一种实施方式的模块2的示意性视图。模块2在此配置用于布置在辐射面30中的对象4的测位。模块2如此配置，使得初级射束3实施基本上沿辐射面30的扫描运动，其中，如果初级射束3与定位在辐射面30中的对象4如此相互作用使得产生次级信号5，则探测次级信号5。例如，如果初级射束3沿辐射方向101辐射并且射到对象4上并且如果对象由模块2看去沿辐射方向101定位在辐射面30中，则通过初级射束3在对象4上的反射产生次级信号5。

对象4的测位在此表示整个对象或在对象表面上的仅仅一个点(例如在对象4的表面上的由初级射束3产生的投影点)的位置确定，其中，位置确定涉及在模块2与对象4或对象表面之间的距离的或间距的确定和/或涉及(与在对象表面上的点关联的)投影点相对于(与在对象表面上的另一点关联的)另一投影点的位置的确定，其中，尤其分别在扫描运动期间在不同的时刻产生该投影点和另一投影点。

优选地，模块2具有第一子模块21、第二子模块22、第三子模块23、第四子模块24、第五子模块25、第六子模块26、第七子模块27、第八子模块28和/或另外的子模块。由此提供模块化地构造的模块2，该模块例如根据组合部件原理可灵活地匹配于多个不同的电设备1和/或应用情况。

在模块2的一种示例性的实施方式中，第一子模块21是配置用于产生初级射束3和/或另一初级射束3’的光模块21；和/或，第二子模块22是配置用于产生初级射束3的扫描运动和/或另一初级射束3’的另一扫描运动的扫描模块22；和/或，第三子模块23是配置用于根据次级信号5和/或另一次级信号5’产生探测信号的第一控制和/或探测模块23；和/或，第四子模块24是用于产生测位信息的分析处理模块24；和/或，第五子模块25是第二控制和/或探测模块25；和/或，第六子模块26是用于控制能量供给的控制模块26；和/或，第七子模块27是摄像机模块；和/或，第八子模块28是配置用于与电设备1通信和/或到电设备1上的数据传输的通信模块28。

光模块21具有用于产生初级射束3的半导体激光构件6(以下也称为光源)。光源优选是发光二极管，特别优选是激光二极管或表面发射装置，例如VCSEL。由光源6产生的初级射束3尤其是可见光射束3——也即大约380纳米(nm)至780nm波长的光——或者红外(IR)光射束。

扫描模块22在此具有扫描镜结构7、7’，所述扫描镜结构具有微机电扫描镜元件7。模块2尤其如此配置，使得通过扫描镜结构7以如下方式使初级射束3偏转，使得初级射束3基本上沿(平整的)辐射面30延伸。微机械扫描镜元件7可调整到在(扫描镜元件7或另外的扫描镜元件7’的)两个最大的偏转位置之间的区域中的多个偏转位置中。在所述两个最大偏转位置中的第一最大偏转位置中，通过扫描镜结构7使初级射束3沿辐射面30以第一辐射方向101’辐射。在所述两个最大偏转位置的第二最大偏转位置中，通过扫描镜结构7使初级射束3沿辐射面30以第二辐射方向101’辐射。通过第一辐射方向101’和第二辐射方向101”在此限定测位区30的测位边界101’、101”。尤其在该实施方式中术语测位区30和辐射面30具有相同含义。微机械扫描镜元件7尤其如此配置，使得当以控制信号加载扫描镜元件7时，扫描镜元件7执行在所述两个最大偏转位置之间的偏转运动。初级射束3尤其是激光射束3。

尤其使初级射束3在具有扫描频率的扫描运动期间运动，其中，所述扫描频率与扫描运动的扫描周期关联。尤其使初级射束3在所述扫描周期期间由第一测位边界101’(通过具有附图标记3’的初级射束表示)至第二测位边界101”(通过具有附图标记3”的初级射束表示)并且又回到第一测位边界101’地扫描或摆动。扫描频率尤其在1赫兹(Hz)与100千赫兹(kHz)之间，特别优选在1赫兹与50千赫兹之间，特别优选在1赫兹与30千赫兹之间。

在扫描镜元件7的最大偏转位置之间的区域中的偏转位置中，使初级射束3沿辐射方向101辐射。如果对象4——例如用户手指4如此布置或定位在辐射面30中，使得对象4触碰辐射面30或与辐射面30相交，则通过初级射束3与对象4的相互作用——也即例如反射产生次级信号5。例如使对象4通过对象4沿与辐射面30垂直的投影方向103的对象运动运动到辐射面30中，从而对象4布置或定位在辐射面30中。在此，如果初级射束3(在扫描运动期间)沿辐射方向101辐射，则产生次级信号5。

在此，光源6配置不仅用于产生初级射束3而且用于探测次级信号3(也即光源6包括与光源单片地集成的光学探测元件)。优选地，光源6是VCSEL。优选地，模块2配置用于根据通过光学探测元件9探测的次级信号5产生探测信号。模块2尤其配置用于根据探测信号产生测位信息。优选地，模块2如此配置用于在探测次级信号5期间产生关于扫描镜元件7的偏转位置的和/或另一扫描镜元件7’的另一偏转位置的位置探测信号，使得时间分辨地根据探测信号和位置探测信号产生测位信息。测位信息尤其包括关于对象4与模块2的距离的距离信息和/或关于对象4相对于模块2的取向方向的取向信息和/或关于对象4的对象表面上的投影点的位置的位置坐标。

在图2中示出根据本发明的一种实施方式的模块2。在此示出的实施方式基本上相应于在图1中描述的实施方式。模块2在此具有第一子模块21、第二子模块22、第三子模块23、第四子模块24和第五子模块25。

第一子模块21(光模块)具有光源6和准直光学器件15。在此，光源6是(VCSEL或VeCSEL)多普勒传感器，其中，多普勒传感器如此配置，使得发送初级射束3(参见例如图2)到第二子模块22(MEMS扫描模块)上。初级射束例如是红外(IR)激光射束。第二子模块22在此包括具有至少一个MEMS扫描镜元件7的扫描镜结构7、7’。在另一实施方式中，扫描镜结构包括另一镜元件7’。优选地，扫描镜结构7、7’是可调节的，也即至少一个MEMS扫描镜元件7的位置是可变的并且可借助于位置探测传感器元件(在此未示出)探测。优选地，模块2具有广角光学器件8(例如透镜光学器件或尤其圆柱形的凹镜结构或凸镜结构)。优选地，多普勒传感器6与模块2的第三子模块23(第一控制和/或探测模块)导电连接(接通)，其中，第三子模块23尤其配置用于控制多普勒传感器6和/或用于根据次级信号的通过多普勒传感器6的探测产生探测信号。优选地，扫描模块22与模块2的第五子模块25(第二控制和/或探测模块)导电连接(接通)，其中，第五子模块25尤其配置用于控制和/或产生位置探测信号(根据MEMS镜元件7的位置的位置探测)，从而位置探测信号尤其包括关于扫描镜元件7的角位置的信息。优选地，模块2具有第四子模块24(分析处理模块)，其中，分析处理模块24尤其如此配置，使得尤其关于对象表面上的投影点4’的距离和/或速度的测位信息根据探测信号和位置探测信号(时间分辨地)来确定，也即尤其被明确分配给角位置。优选地，经由模块2的接口24’将测位信息(也即经分析处理的位置信号、尤其原始数据信号，其具有关于对象4的所测量的三维形状的图像信息)传输给应用处理器(在此未示出)。优选地，应用处理器集成在模块2中或者是电设备(在该电设备中集成有模块2)的应用处理器或另一外部电设备。第三、第四和第五子模块23、24、25尤其集成在相同电路中或者是单独的电路元件。

在图3中示出根据本发明的一种实施方式的模块2。根据图3以下描述根据本发明的用于运行模块2的方法。

在第一运行步骤中，通过第一子模块21的半导体激光构件6(VCSEL或VeCSEL多普勒传感器)产生初级射束3，其中，使初级射束3朝第二子模块22的扫描镜结构7、7’定向。在第二运行步骤中，如此调节或控制扫描镜结构7、7’，使得初级射束3实施在测位区30中的扫描运动。扫描镜结构7、7’尤其包括MEMS扫描镜元件7，其中，MEMS扫描镜元件7或者是一维扫描镜元件7、也即配置用于产生单行扫描运动的扫描镜元件7或者是二维扫描镜元件7、也即配置用于(逐渐)扫描对象4的(整个)对象表面的扫描镜元件7。在第三运行步骤中，在扫描镜结构7、7’的偏转位置中，如果在扫描镜结构7、7’的偏转位置中初级射束3与对象4相互作用，则通过半导体激光构件6探测次级信号5。在图2中示出在扫描运动期间在不同角位置(扫描镜结构7、7’的偏转位置)中的初级射束3。在此，初级射束在扫描运动期间在不同时刻射到在对象4(在此是脸)的对象表面上的不同点上，从而给对象表面上的每个点分配在该点与多普勒模块6之间的间距或距离。在第四运行步骤中根据(时间分辨地)探测的次级信号5产生测位信息。对于每个投影点4’优选确定在模块2的距离运行模式下和/或在模块2的速度运行模式下在投影点4’与多普勒传感器6之间的间距。此外优选地，如果投影点沿对象4的表面的速度(表面速度)的探测在如下时间段中实现，该时间段小于关于扫描运动的扫描频率的周期持续时间，则探测对象4沿在模块2与对象4之间的连接线的运动。

在图4中示出根据本发明的不同实施方式的模块2的半导体激光构件6的示意性视图。在此，半导体激光构件6优选多普勒传感器是具有垂直空穴的表面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser-VCSEL)。半导体激光构件6在此施加在衬底610上。半导体激光构件6尤其具有沿与衬底610的主延伸平面100垂直的法线方向103的层式结构，其中，半导体激光构件6包括施加在衬底610上的镜层620(也即具有超过99.9％的反射率的底部镜元件)、另一镜层620’(也即具有大约99％的反射率的上部镜元件)以及布置在镜层620与另一镜层620’之间的共振层630(也即光学共振器或激光空穴)，其中，共振层630尤其沿法线方向103沿层厚延伸，其中，层厚基本上等于初级射束3的波长。共振层630在此具有加强元件631，其中，加强元件631布置在共振层630的两个氧化物层632之间。半导体激光构件6配置用于产生初级射束3，其中，初级射束3在此是激光射束3，其中，激光射束3尤其具有可见光或红外光。在此，半导体激光构件6具有用于半导体激光构件6的导电接触的接触单元601，其中，半导体激光构件可根据注入电流信号601’来控制。

在图5至7中示出根据本发明的不同实施方式的模块2的半导体激光构件6的示意性视图，其中，在此，半导体激光构件6配置为VCSEL多普勒传感器。原则上示出次级信号5的探测(功率探测)的至少三个(尤其可相互组合的)实现选项。根据第一探测变型方案(参见图5)通过在光学共振器630之外的功率探测根据反射或吸收来产生探测信号。根据第二探测变型方案(参见图6)通过在光学共振器630之外的功率探测根据通过半导体激光构件6的底部的发射(底部发射，英语：bottom emission)产生探测信号。根据第三探测变型方案(参见图7)通过在光学共振器630之外的功率探测根据吸收损耗产生探测信号。在图5中阐明根据第一探测变型方案的探测，其中，通过在半导体激光构件6之外的硅-光电探测器610’探测由覆盖元件603反射的光信号。在图6中阐明根据第二探测变型方案的探测，其中，在此，半导体激光构件6具有n掺杂的内部接触单元604(内部空穴接触)和外部接触单元605(外部空穴光电二极管接触)用于集成在半导体激光构件6中的光电二极管的接触，其中，集成的光电二极管在此布置在光学共振器630(也即在外部)与半导体激光构件6的衬底610之间。在图7中阐明根据第三探测变型方案的探测，其中，在此，半导体激光构件6具有n掺杂的内部接触单元604(内部空穴接触)和另一接触结构605’(在此，内部空穴光电二极管接触)用于集成在半导体激光构件6中的光电二极管的接触，其中，集成的光电二极管在此尤其是与光学共振器630集成的光电二极管。