CN105143820B

CN105143820B - 利用多个发射器进行深度扫描

Info

Publication number: CN105143820B
Application number: CN201480021088.3A
Authority: CN
Inventors: A·施庞特; R·因纳特; Z·莫尔
Original assignee: Apple Computer Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2017-06-09
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: US9267787B2; EP2972081B1; CN105143820A; IL241335A0; KR20150131313A; EP2972081A2; KR101762525B1; IL241335B; WO2014141115A3; EP2972081A4; US20140313519A1; WO2014141115A2

Abstract

本发明公开了一种测绘装置，该测绘装置包括发射机(44)，该发射机被配置为交替发射至少两个光束，该至少两个光束包括沿相应光束轴(87,88)的光脉冲，该光束轴相对于光栅图案的扫描线方向在横向上相互偏移。扫描仪(64)被配置为在场景上以光栅图案来扫描两个或更多个光束。接收器(48)被配置为接收从场景反射的光，并生成指示往返于场景中的点的脉冲的飞行时间的输出。处理器(24)被耦接以处理接收器的输出，以便生成场景的3D地图。

Description

利用多个发射器进行深度扫描

技术领域

本发明整体涉及用于投射和捕获光辐射的方法与设备，并且更具体地涉及光学3D测绘。

背景技术

现有技术中存在用于光学3D测绘的已知的各种方法，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地图、深度图或深度图像，并且3D测绘也称为深度测绘。

美国专利申请公开2011/0279648描述了一种用于构造受检对象的3D表示的方法，其包括利用相机来捕获受检对象的2D图像。该方法进一步包括在受检对象上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仪来扫描照明光束，并使用光电检测器来测量调制方面。该方法进一步包括基于为每个目标区域所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。

美国专利8,018,579描述了一种三维成像和显示***，其中作为其相移的函数，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。关于所检测的用户输入的视觉图像用户反馈被呈现。

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***(MEMS)(其可并入到扫描设备中)的方法。

美国专利公开2012/0236379描述了一种使用MEMS扫描的LADAR***。扫描镜包括基板，该基板被构造成包括镜区域、镜区域周围的框架和框架周围的基底。一组致动器用于围绕第一轴相对于框架来旋转该镜区域，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。用于扫描镜的驱动器可采用反馈环路，该反馈环路操作该镜以用于进行三角运动。可将扫描镜的一些实施例用于LADAR***中，以用于该计算***的自然用户界面。

由SICK AG(德国汉堡)协调的“MiniFaros”联盟已支持在用于汽车应用的新型激光扫描仪上工作。在minifaros.eu网站上可获得更多详情。

发明内容

下文描述的本发明的实施例提供了一种用于使用扫描光束进行深度测绘的改进的装置与方法。

因此，根据本发明的一个实施例提供了一种测绘装置，该测绘装置包括发射机，该发射机被配置为交替发射至少两个光束，该至少两个光束包括沿相应光束轴的光脉冲，该光束轴相对于光栅图案的扫描线方向沿横向相互偏移。扫描仪被配置为在场景上以光栅图案来扫描两个或更多个光束。接收器被配置为接收从场景所反射的光，并生成指示往返于场景中的点的脉冲飞行时间的输出。处理器被耦接以处理接收器的输出，以便生成场景的3D地图。

在一些实施例中，扫描仪包括旋转镜，该旋转镜被配置为旋转以便生成光栅图案，并且发射机被配置为引导至少两个光束以当镜在光栅图案上扫描时从镜交替反射。通常，接收器包括检测器，该检测器被配置为在镜旋转时经由镜从场景接收反射光。检测器具有检测区域，该检测区域通过该镜的旋转在场景上被扫描，并且至少两个光束可具有相应的发射区域，该相应的发射区域通过该镜的旋转在场景上被扫描，并且在沿光栅图案的任何给定位置处落在检测区域内。

除此之外或另选地，该装置包括分束器，该分束器被定位以便朝镜引导由发射机所发射的光束，同时允许反射光到达检测器，其中光束轴和反射光的光轴在分束器和微镜之间平行。

在一些实施例中，发射机包括至少两个发射器，该至少两个发射器分别被配置为发射至少两个光束，并被安装在相对于将所述扫描线方向投射到基板上而横向偏移的相应位置中的所述基板上。在一个实施例中，发射机包括边缘发射激光器管芯，该边缘发射激光器管芯包含充当至少两个发射器的两个或更多个平行激光器条的阵列。在另一个实施例中，发射机包括垂直发射激光器管芯，该垂直发射激光器管芯包含充当至少两个发射器的两个或更多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列。在所公开的实施例中，发射机包括光学器件，该光学器件包括至少两个微透镜的阵列，该至少两个微透镜分别与至少两个发射器对准，使得光学器件减小光束轴之间的角间隔。至少两个发射器的相应位置可相对于将扫描线方向投射到基板上而成对角地偏移。

根据本发明的一个实施例，还提供了一种用于测绘的方法，其包括交替发射至少两个光束，该至少两个光束包括沿相应光束轴的光脉冲，该光束轴相对于光栅图案的扫描线方向沿横向相互偏移。在场景上以光栅图案来扫描两个或更多个光束。接收从场景所反射的光并响应于所接收的光来生成输出，该输出指示往返于场景中的点的脉冲飞行时间。处理输出以便生成场景的3D地图。

根据其实施例的下面的详细描述以及结合附图将更全面地理解本发明，其中：

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的深度测绘***的示意性插图；

图2是根据本发明的一个实施例的光学扫描头的示意性插图；

图3A和3B是根据本发明的一个实施例的光电发射器模块的示意性侧视图和顶视图；

图4是根据本发明的一个实施例的光学扫描头的照明和感测区域的示意图；

图5是根据本发明的一个实施例的光学扫描头的扫描图案的示意图；

图6是根据本发明的另一个实施例的光学扫描头的照明和感测区域的示意图；

图7A是根据本发明的另一个实施例的光学扫描头的照明和感测区域的示意图。

图7B是根据本发明的一个实施例可用于产生图7A的照明区域的光束发射机的示意性侧视图；以及

图7C是根据本发明的一个实施例的用于图7B的发射机的光束发生器的示意性侧视图。

具体实施方式

概述

美国专利申请2013/0207970描述了通过测量扫描束的飞行时间来生成3D测绘数据的深度引擎，该专利申请被转让给本专利申请的受让人并且其公开以引用方式并入本文。光发射机诸如激光器朝扫描镜引导光的短脉冲，该扫描镜在特定扫描范围内在感兴趣的场景上扫描光束。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。处理电路测量扫描中的每个点处所发射的光脉冲和所接收的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地图的过程中使用如此提取的深度数据。

在上述专利申请中描述的***中(以及在利用类似原理操作的其他***中)，在光栅图案中的场景上扫描光束以及接收器的检测区域。可通过减小连续光栅线之间的角分隔来提高扫描分辨率，但这种分辨率的增大将以帧速率减小为代价，因为需要更大数量的光栅线来覆盖该场景。或者，如果每帧的光栅线的数量不变，可以减小视场为代价来提高分辨率。机械约束对能够增大镜的扫描速度以便补偿这些效应的程度加以限制。

下文描述的本发明的实施例通过沿扫描的每条光栅线复用彼此在角度上偏移的两个(或更多个)扫描点来解决这些限制。在所公开的实施例中，发射机交替发射至少两个脉冲光束。这些光束的相应轴相对于光栅的扫描线方向横向相互(在角度上)偏移。扫描仪诸如运动镜在场景上以光栅图案来扫描两个或更多个光束，从而实际上生成与每条光栅线平行的两条或更多条平行扫描线。接收器接收从场景所反射的光，并生成指示往返于场景中的点的脉冲飞行时间的输出，然后可使用其来创建场景的3D地图。

因此，根据所使用的发射器的数量，本发明的实施例有效地将深度测绘***的扫描分辨率放大了两倍或更多倍。发射器可包括例如二极管激光器或其他固态光源，其可迅速轮流打开和关闭脉冲，从而在给定时间内使接收器感测到的光点密度倍增，而无需扫描仪自身速度有任何增加。可基于扫描速率和深度图的期望像素分辨率来选择脉冲激励发射器的最优速率和图案。

在所公开的实施例中，扫描仪包括镜，该镜振荡(即围绕两个垂直轴旋转)以生成光栅图案。来自发射机的光束在镜于光栅图案上扫描时从镜交替反射。通常，接收器包括也经由镜来接收从场景所反射的光的检测器。可选择并设计部件，使得检测器的检测区域通过该镜的旋转在场景上被扫描而在角度方面足够大，使得所有所发射的光束在沿光栅图案的任何给定位置处的发射区域落在检测区域内。

两个(或更多个)脉冲光束可由相应发射器生成，该相应发射器被安装在相对于将所述扫描线方向投射到基板上而横向偏移的相应位置中的所述基板上。发射机可包括边缘发射激光器管芯，该边缘发射激光器管芯例如包含充当发射器的两个或更多个平行激光器条的阵列，或者包含两个或更多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列，或者可能的话，为了实现高光学功率，包括两个或更多个独立寻址的VCSEL组。

所发射的光束之间的角间隔取决于基板上的发射器之间的相对偏移和用于投射光束的光学器件。通常，技术约束规定了发射器(或对于VCSEL阵列的情况下的发射器组)之间的某最小偏移，这继而给远场中的光束的角间隔提出了更低的限制。这种角间隔确定了扫描光点的密度，并且将可能限制3D地图中的像素之间的可实现的分辨率。

下文所述的一些实施例提供了一种用于减小光束之间角间隔从而提高分辨率的方式。在一些实施例中，发射机光学器件包括微透镜阵列，它们分别与发射器对准，并被配置为减小光束轴之间的角间隔。在其他实施例中，发射器的相应位置相对于将扫描线方向投射到基板上而成对角地偏移。作为结果，即使在实际角间隔不变的情况下，也减小在垂直于扫描线的关键方向上所测量的光束间的有效角间隔。

***描述

图1是根据本发明的一个实施例的深度测绘***20的示意性插图。该***基于扫描深度引擎22，该扫描深度引擎捕获包括一个或多个对象的场景中的感兴趣体积(VOI)30中的3D信息。在该实例中，对象包括***的用户28身体的至少一些部分。引擎22向计算机24输出包含深度数据的帧序列，该计算机24处理数据并从其提取高级别信息。例如，可向运行于计算机24上的应用程序提供这种高级别信息，该应用程序相应地驱动显示屏26。

计算机24处理由引擎22所生成的数据，以便重新构造包含用户28的VOI 30的深度图。在一个实施例中，引擎22在场景上进行扫描的同时发射光脉冲，并测量从场景反射回来的脉冲的相对延迟。引擎22或计算机24中的处理器然后基于场景中的每个测量点(X，Y)处的光脉冲的飞行时间来计算场景中的点(包括用户身体表面上的点)的3D坐标。这种方式是有利的，因为不需要用户拿着或穿戴任何种类的信标、传感器或其他标记。其给出了场景中的各点相对于引擎22位置的深度(Z)坐标并允许动态缩放和偏移在场景内被扫描的区域。下文更详细地描述了深度引擎的具体实施和操作。

尽管图1中将计算机24示为例如与深度引擎22独立的单元，但可由适当的微处理器和软件或由深度引擎的外壳内的或以其他方式与深度引擎相关联的专用电路来执行计算机的一些或全部处理功能。作为另一种替代方案，这些处理功能中的至少一些处理功能可由与显示屏26(例如，在电视机中)或与任何其他适当种类的计算机化设备诸如游戏控制台或媒体播放器集成在一起的适当的处理器来执行。引擎22的感测功能可同样集成到受到深度输出控制的计算机24或其他计算机化装置中。

为了使后续说明简单并清晰，在图1中标记了一组笛卡尔轴(Cartesian axes)。使Z轴平行于深度引擎22的光学轴。深度引擎的前平面为X-Y平面，并且X轴为水平轴。然而，这些轴仅仅是为了方便而定义的。利用相同的符号，本文在描述深度引擎22的操作时使用术语“垂直”和“水平”仅仅是为了解释清楚，以对应于图1中所示的示例性具体实施而并不是为了进行限制，因为深度引擎同样可在相对于所绘视图旋转90°时进行操作。或者，可使用深度引擎的其他几何配置及其感兴趣体积，并将它们视为在本发明的范围内。

如下文更详细所述的，引擎22生成在光栅图案中扫描VOI 30的两个或更多个光束38。例如，深度引擎可在具有诸如1kHz-20kHz固定频率的扫描镜的谐振扫描中在Y方向上迅速扫描，同时以期望的帧速率(诸如1Hz-300Hz，这通常不是旋转的谐振频率)在X方向上更缓慢地进行扫描。扫描速率通常是扫描的分辨率的限制因素。例如，在Y方向上，在每帧中能够横贯的扫描线的数量受到谐振镜频率的限制，而不论X方向扫描的速率和范围如何。本文所述的本发明的实施例通过使用引擎22中的多个发射器在镜的每次扫描中同时生成和扫描多条平行光栅线来提高可实现的分辨率。尽管在本实施例中使用多个发射器以专门用于克服Y方向扫描速率的限制(这是引擎22的配置的特性)，但也可使用本发明的原理在其他种类的扫描配置中提高分辨率。

可在操作***20期间调节引擎22的扫描图案范围，如上述美国专利申请公开2013/0207970中所述的。例如，可将扫描限于窗口32或可控制扫描范围以聚焦于用户28上的相应窗口34,36上，同时跳过它们之间的空间。这些缩放能力能够在所选择的窗口内提高分辨率。

图2是示出了根据本发明的一个实施例的可用于深度引擎22的光学扫描头40的元件的示意性插图。发射机44向偏振分束器60发射光脉冲。如下文更详细解释的那样，发射机包括沿着相互偏移的轴发射相应光束的多个发射器。这些光束可包括可见辐射、红外辐射和/或紫外线辐射(在本说明书和权利要求的上下文中，它们全被称为“光”)。通常，分束器中仅有在发射机60的光路正下方的小区域针对反射被涂布，而分束器的其余部分完全透明(或甚至有抗反射涂层)，以允许所返回的光穿过到达接收器48。

来自发射机44的光从分束器60反射回来，并且然后通过折叠式镜62朝扫描微镜46引导。MEMS扫描仪64以期望的扫描频率和幅度在X和Y方向上扫描微镜46。微镜通常经由投射光学设备/聚光光学器件诸如适当的透镜(图中未示出)在场景上扫描光束38。在上述美国专利申请公开2013/0207970中描述了微镜和扫描仪的细节，并且在上述美国专利7,952,781中描述了可用于生产这些元件的技术。在另选的实施例(未示出)中，可针对X和Y方向扫描使用独立的镜，并且也可使用现有技术中已知的其他类型的扫描仪(未必基于MEMS)。

从场景返回的光脉冲入射到微镜46，该微镜46经由转向镜62通过分束器60反射光。由投射光学器件的轴定义的所发射的光束的光轴以及由聚光光学器件的轴定义的反射光的光轴在分束器60和镜62之间是平行的。(或者，替代由发射机和接收器共享的单个镜，可使用一对同步镜，一个用于发射机并且另一个用于接收器，同时仍然支持本文所述的引擎22的能力。)接收器48感测所返回的光脉冲并生成对应的电脉冲。

接收器48通常包括灵敏高速光检测器诸如雪崩光电二极管(APD)以及灵敏放大器诸如放大由光电二极管所输出的电脉冲的互阻抗放大器(TIA)。这些脉冲指示该对应光脉冲的飞行时间。通常，给定其中感测区域介于0.01mm和1mm之间的APD以及接收器中的焦距在1mm-10mm范围中的聚光透镜，接收器48的聚光角度大约为0.5°-10°。(然而，更一般地，通过适当的光学设计，可使接收器的聚光角度小到0.05°或大到90°。)由接收器48所输出的脉冲被控制器42(或计算机24)处理，以便提取作为扫描位置(X，Y)的函数的深度(Z)值。可通过适当的接口向计算机24输出来自引擎40的数据。

为了提高检测的灵敏度，分束器60和接收器48的孔径的总面积显著大于发射束的面积。可对分束器60相对应地进行图案化，即反射涂层仅在其表面上的发射光束入射的一部分上方延伸。分束器的反面可具有带通涂层，以防止发射机44的发射频带外部的光到达接收器。还希望微镜46在由扫描仪施加的惯性约束内尽可能大。例如，微镜的面积可大约为5mm²-50mm²。

控制器42协调由发射机44发射的脉冲以及微镜46的扫描图案的定时。具体而言，控制器使得发射机中的多个发射器交替发射其相应的脉冲，使得由微镜46所生成的每条扫描线实际都在VOI 30(如下面图5中所示)上跟踪间隔开某小距离的两条或更多条平行扫描线。另选的脉冲操作可使得每个发射器在其轮次中发射单个脉冲，接着发射来自下一个发射器的脉冲，或者其可生成更多复杂图案，诸如由给定发射器来发射两个或更多个连续脉冲，接着发射来自下一个发射器的两个或更多个脉冲，以此类推。

在此以举例的方式描述了图2中所示的光学头的特定机械设计和光学设计，并且实施类似原理的另选设计被视为在本发明的范围内。例如，在上述美国专利申请公开2013/0207970中描述的光电模块设计可适于多发射器操作。作为另一个实例，可使用在发射机和分束器之间的传输路径中的具有声光调制器或电光调制器的单个发射器来生成具有相互(角)偏移的多个另选光点。调制器将所发射的光束的指向角改变某小的预定义量(例如，1mrad-10mrad的像素间隔)，这不会显著偏移镜上的光束。

多发射器设计

图3A和3B分别是根据本发明的一个实施例的在发射机44中使用的光电发射器模块的示意性侧视图和顶视图。在适当的基板72上诸如硅光具座(SiOB)上安装激光器管芯70。在本实施例中，激光器管芯70是包含两个平行激光器条80,82的阵列的边缘发射设备。(在图中未示出的其他实施例中，该阵列可包含大量的条；或者可使用表面发射设备，如图7B-图7C中所示。)

条80和82相对于将光学扫描头40的扫描线96投射到基板72上来在横向上进行偏移。(通过向基板上对沿来自VOI 30的扫描线的连续点进行成像来限定扫描线的投射。如图5中所示，光栅中的扫描线通常可定义Z字形或正弦图案，并且在本说明书和权利要求中提到的“投射”被设定为沿扫描线的中央基本平直的部分。)因此，条80和82沿相应的轴87和88发射光束，轴是大致平行的，但在本实施例中，相对于扫描线的投射横向偏移。由于半导体激光设备的物理约束，条之间的间距并且因此相应光束之间的偏移通常为30μm-50μm的量级，但更大或更小的间距也是可能的。

来自条80和82的激光输出光束被微透镜阵列74收集，该微透镜阵列包括分别与条80,82对准的微透镜84、86。(或者，微透镜可直接形成于激光器管芯70的输出面上。)光束然后从转向镜诸如具有适当涂布的对角面棱镜76反射，并由投射镜78准直。假设透镜78的焦距约为1mm-10mm，则来自远场(即，投射到VOI 30上)中的条80和82的光束之间的角间隔将大约为0.1°-5°。因此，假设接收器48的聚光角度如上所述为0.5°-10°，则在设置***参数时有足够大灵活度，使得两个照明光束都落在接收器的检测区域内。

或者，可使用其他准直方案来替代图3A和3B中所示的布置。例如，可将公共柱面准直透镜用于条80和82的Y轴准直(替代微透镜阵列74)，而另一个具有更长焦距的柱面准直透镜用于X轴准直(替代透镜78)。作为另一个实例，对于一些应用而言，甚至单个投射镜78便足够了，而无需由微透镜阵列74进行预先准直。

图4是根据本发明的一个实施例的光学扫描头40的照明区域92,94和感测区域90的示意图。照明区域92和94对应于由激光器管芯70的条80和82所发射的光束的远场光束分布。如上所述，区域92和94两者均落在接收器48的在扫描线96的任一侧上具有相应横向偏移的感测区域90内。

控制器42触发发射机44，使得交替脉冲激励条80和82，从而交替照射区域92和94。调节脉冲定时，使得由于发射器80和82而从场景返回的脉冲之间没有干扰。作为结果，在沿扫描线96的任意位置处，接收器48将感测到从区域92或区域94反射的光脉冲，但不是从两者同时反射的光脉冲。(或者，可限定发射器80和82的所发射的脉冲序列，使其正交或以其他方式分开，并且控制器42可通过应用适当的信号处理算法来分开所接收的脉冲。)因此，深度引擎的空间分辨率是连续照明区域92和94之间的尺寸和间距的函数。

图5是根据本发明的一个实施例的使用上述布置由光学扫描头40形成的光栅扫描图案100的示意图。镜46进行扫描(在Y方向上快速且合理地进行扫描，并且在X方向上以恒定速度更缓慢地进行扫描)，扫描线96遵循图中所示的之字形光栅图案。(或者，对于两个发射器的同时操作，如上所述，扫描图案仅仅是两个平行光栅图案。)光束区域92和94沿着对应的偏移扫描线104,106进行扫描，该偏移扫描线相对于扫描线96横向位移(在X方向上)。交替连续地脉冲激励条80和82，照明区域92和94也在轴向上彼此相对位移(在Y方向上)。为了清晰说明，在图5中夸大了扫描线96的连续Y方向关口之间的水平分布，对于连续的照明区域92和94之间的垂直距离也是这样；而在实际中，扫描点在X方向上和Y方向上都堆积得更紧密。

作为上文所述和图5中所示的光束图案的结果，扫描图案100将通过仅使用单个发射器所实现的两倍密度来覆盖扫描区域，即扫描包括的垂直线的数量是利用单个发射器的垂直线的数量的两倍，并且以任何给定镜扫描速率和范围进行扫描的水平分辨率大致加倍。垂直分辨率受到操作激光器管芯70的脉冲速率和其他考虑因素的限制，该其他考虑因素诸如接收器48的时间分辨率和用于从***提取深度测量结果的特定方法。尽管出于视觉清晰度的缘故，图5仅示出了少量的光栅线和每条线上少量的照明区域，但在实际中，激光器管芯和接收器通常能够在20MHz或更高的频率下操作。因此，垂直分辨率实际上受到深度引擎22的光学和处理能力而不是垂直方向上的光点密度的限制。

可通过若干种方式来增强图5中所示的简单扫描图案100。例如，扫描仪64可在X方向上以更小间距或者以大小不一的间距使镜46步进，使得扫描线104和106在水平方向上以更大密度覆盖扫描区域，从而提高水平分辨率。另选地或除此之外，可设计发射机44中的光束投射光学器件，以在光学上将照明区域之间的角间隔减小到0.5°或更小，从而减小扫描线104和106之间的偏移并提高扫描的水平分辨率。(例如，可通过下文参考图7C所述的方式相对于光束轴87和88稍微偏移微透镜84和86来减小角间隔。)

进一步另选地或除此之外，可通过与图5所示的简单交替切换不同种类的交替图案来脉冲激励条80和82。例如，可立即连续地对条80进行两次或更多次脉冲激励，以照明沿线104的一组连续区域92，接着对条82进行两次或更多次连续脉冲激励，以此类推交替进行。由于这些组中的每个组而使接收器48输出的信号可进行平均，以形成所得深度图中的单个像素。在激光器管芯70的操作脉冲频率大于引擎22的像素时钟速率时，这项技术可能尤其有用，以便增强飞行时间测量的信号/噪声比，而不影响分辨率。

如上所述，在另选的实施例中，还可能的是发射器的交替图案可包括正交时间序列中的同时操作(如通信中所使用的某些方法)。在此类实施例中，不必等待要从VOI中的最远点所接收的脉冲，从而可显著提高像素吞吐量。这种能力在较长距离的传感器中尤其有用，其中往返飞行时间可以其他方式成为像素吞吐量的限制因素。

图6是根据本发明的另一个实施例的光学扫描头的感测区域90和照明区域92,94的示意图。该图示出了提高扫描图案的水平分辨率的另一种方式。发射器在发射机44中的相应位置相对于将扫描线96投射到激光器管芯70的基板72上而成对角地偏移。为了实现这一偏移，例如可在X-Y平面中围绕由透镜78的光轴限定的Z轴来旋转基板72(图3A)。结果，尽管照明区域92和94之间的实际偏移不变，但VOI 30上方的光栅扫描中的照明区域之间的有效距离D将减小旋转角的余弦量，如图6中所示。尽管该图示出了照明区域92和94之间的特定的角间隔，但在微镜46处，对应光点之间的空间间距非常小。

图7A是根据本发明的另一个实施例的光学扫描头的感测区域90和照明区域110,112,114,116和118的示意图。在该实例中，通过增加发射机中的发射器的数量，实现了更大数量的照明区域。为了此目的，可使用具有更大数量的条的边缘发射激光器管芯，或者可使用如图7B和7C中所示的表面发射设备。在任一种情况下，对所有发射器交替进行脉冲激励，使得深度引擎并行扫描五条线，而不是如在前述实例中仅扫描两条，从而实现更高分辨率。在另选的实施例中，可通过这种方式一起操作三个、四个、或六个或更多个发射器。

现在参考图7B和7C，它们示意性地示出了根据本发明的一个实施例的可用于产生图7A的照明区域的光束发射机170。图7B是整个光束发射机的侧视图，而图7C是可用于发射机170中的光束发生器172的侧视图。在上述美国专利申请公开2013/0207970中更详细地描述了这种发射机和基于此类发射机的集成光电模块。经过必要的修正，可在扫描头40中使用此类发射机和模块来替代上述设备。

光束发生器172包括表面发射设备178诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列。由设备178所发射的光束被对应的微透镜176的阵列收集，该微透镜阵列将光束向准直透镜175引导。可将设备178和微透镜176方便地形成于透明光学基板180的相对面上，该基板可以是适当的半导体晶圆诸如GaAs晶圆。如图7C中所示，设备178和微透镜176之间对准，使得设备178的位置相对于对应微透镜176的中心向内偏移，从而在微透镜所发射的各个光束之间产生角分布。

由微透镜176所产生的角分布限定单个虚拟焦点，到达准直透镜175的所有光束似乎都发源于此。因此，从分别形成照明区域110,112,114,116和118的准直透镜发射的相邻光束之间的角偏移被减小到大约0.5°或更小，并且所有照明区域因此均落在检测区域90内。或者，可将设备178对准，使得相对于对应微透镜176具有向外的偏移，使得微透镜所发射的光束聚合到真实焦点，在进行准直时具有类似效果。

在另选的实施例(图中未示出)中，将发射设备分成组，其中每组充当单个发射器，并针对上述总体性能所需在角度上对准这些组。

以上描述集中于多发射器设备可用于通过在相互偏移的位置处产生多个照明点来提高扫描分辨率。除此之外或另选地，可使用多发射器发射机在深度测绘和其他此类***中提供冗余：在发射器中的一个发射器有故障时，该***仍然可继续使用一个或多个其他发射器进行操作。这种方法可减少现场部署之前的扩展发射机烧入的需求。

可使用类似于上述那些技术的技术来提高投射***的分辨率。在此类***中，被投射图像的观察者的眼睛充当接收器。上述类型的多发射器配置可应用于微型投影仪中以使用混合式电子MEMS扫描能力来提供HD性能。

因此，应当理解，上述实施例是以举例的方式援引的，并且本发明不限于上文特别示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括本领域的技术人员在阅读以上描述时会想到并且在现有技术中未公开的上文所述各种特征的组合和子组合两者，以及其变型和修改。

Claims

1.一种测绘装置，包括：

发射机，所述发射机被配置为交替发射至少两个光束，所述至少两个光束包括沿相应光束轴的光脉冲，所述光束轴相对于光栅图案的扫描线方向在横向上相互偏移；

扫描仪，所述扫描仪包括至少一个旋转镜，所述旋转镜被配置为在所述发射机引导所述至少两个光束从所述至少一个旋转镜反射时旋转，以在场景上以所述光栅图案来扫描所述两个或更多个光束；

接收器，所述接收器包括检测器，所述检测器被配置为经由来自所述至少一个旋转镜的反射接收当所述至少一个镜旋转时从所述场景反射的所述光，并生成指示往返于所述场景中的点的所述脉冲的飞行时间的输出；和

处理器，所述处理器被耦接以处理所述接收器的所述输出，以生成所述场景的3D地图。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述检测器具有检测区域，所述检测区域通过所述镜的旋转被扫描在所述场景上，并且其中所述至少两个光束具有相应的发射区域，所述相应的发射区域通过所述镜的旋转被扫描在所述场景上，并且在沿所述光栅图案的任何给定位置处落在所述检测区域内。

3.根据权利要求1所述的装置，并且包括分束器，所述分束器被定位以便朝所述镜引导由所述发射机发射的光束，同时允许所述反射光到达所述检测器，其中所述光束轴和所述反射光的光轴在所述分束器和微镜之间平行。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述接收器具有检测区域，所述检测区域与所述至少两个光束同步地被扫描在所述场景上，并且其中所述至少两个光束具有相应的发射区域，所述相应的发射区域在沿所述光栅图案的任何给定位置处落在所述检测区域内。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中所述发射机包括至少两个发射器，所述至少两个发射器分别被配置为发射所述至少两个光束，并被安装在基板上的相对于所述扫描线方向在所述基板上的投射横向偏移的相应位置。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述发射机包括边缘发射激光器管芯，所述边缘发射激光器管芯包含充当所述至少两个发射器的两个或更多个平行激光器条的阵列。

7.根据权利要求5所述的装置，其中所述发射机包括垂直发射激光器管芯，所述垂直发射激光器管芯包含充当所述至少两个发射器的两个或更多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列。

8.根据权利要求5所述的装置，其中所述发射机包括光学器件，所述光学器件包括至少两个微透镜的阵列，所述至少两个微透镜分别与所述至少两个发射器对准，使得所述光学器件减小所述光束轴之间的角间隔。

9.根据权利要求5所述的装置，其中所述至少两个发射器的所述相应位置相对于所述扫描线方向在所述基板上的投射成对角地偏移。

10.一种用于测绘的方法，包括：

交替发射至少两个光束，所述至少两个光束包括沿相应光束轴的光脉冲，所述光束轴相对于光栅图案的扫描线方向在横向上相互偏移；

通过引导所述光束从旋转以生成所述光栅图案的至少一个镜反射，在场景上以所述光栅图案来扫描所述两个或更多个光束；

通过经由来自所述至少一个镜的反射检测当所述至少一个镜旋转时从所述场景反射的光来接收从所述场景反射的所述光，并响应于所接收的光来生成指示往返于所述场景中的点的所述脉冲的飞行时间的输出；以及

处理所述输出以生成所述场景的3D地图。

11.根据权利要求10所述的方法，其中检测所述光包括收集检测区域内的所述光，所述检测区域通过所述镜的旋转被扫描在所述场景上，并且其中所述至少两个光束具有相应的发射区域，所述相应的发射区域通过所述镜的所述旋转被扫描在所述场景上，并且在沿所述光栅图案的任何给定位置处落在所述检测区域内。

12.根据权利要求10所述的方法，其中接收所述光包括收集检测区域内的所述光，所述检测区域与所述至少两个光束同步地被扫描在所述场景上，并且其中所述至少两个光束具有相应的发射区域，所述相应的发射区域在沿所述光栅图案的任何给定位置处落在所述检测区域内。

13.根据权利要求10或12所述的方法，其中发射所述至少两个光束包括对至少两个发射器发脉冲以发射所述至少两个光束，其中所述至少两个发射器被安装在基板上的相对于所述扫描线方向在所述基板上的投射横向偏移的相应位置。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述发射机包括边缘发射激光器管芯，所述边缘发射激光器管芯包含充当所述至少两个发射器的两个或更多个平行激光器条的阵列。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述发射机包括垂直发射激光器管芯，所述垂直发射激光器管芯包含充当所述至少两个发射器的两个或更多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列。

16.根据权利要求13所述的方法，其中发射所述至少两个光束包括将包括至少两个微透镜的阵列的光学器件与所述至少两个发射器对准，使得所述光学器件减小所述光束轴之间的角间隔。

17.根据权利要求13所述的方法，其中发射所述至少两个光束包括将所述至少两个发射器定位成相对于所述扫描线方向在所述基板上的投射成对角地偏移。