CN105324688B - 用于扫描引擎的模块化光学器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电模块(130,148)，该光电模块包括光束发射器(104)和接收器(114)，该光束发射器沿光束轴发出至少一个光束，该接收器感测由模块沿该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(142,150,170)引导光束和所接收的光，使得该光束轴与模块外部的收集轴对准。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(144,160,172)和包括分束器(158)的第二面(146,151)，该分束器与光束轴和收集轴两者相交。

Description

用于扫描引擎的模块化光学器件

技术领域

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

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。

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。

美国专利8,018,579描述了一种三维成像和显示***，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。

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)(可并入扫描设备中)的方法。

美国专利申请公开2012/0236379描述了一种使用MEMS扫描的LADAR***。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***的自然用户界面的LADAR***。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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；

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；

图3A是根据本发明的实施例的光电模块的示意性侧视图；

图3B是图3A的模块的示意性等距视图；

图4是根据本发明的实施例的棱镜的示意性侧视图；以及

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

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。

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。

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)。

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，以使得能够通过元件内的轴中的一个轴的反射来对准光束轴和收集轴。元件的第二面包括与光束轴和收集轴两者相交的分束器。如下所述，可设计并定位光束组合棱镜，使得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。棱镜的这个特征促进对准光束并且增强模块相对于使用期间的可能的对准偏离的稳定性。

图1示意性地示出了在上述美国专利申请13/766,811中描述的***中使用的光学扫描头40的元件。光学扫描头40在这里被示出为并描述为对可应用本发明的实施例的特定扫描仪的原理的说明。该光学扫描头包含大量光学部件，通常必须要仔细对准它们才能正常工作；并且利用图3-图5中所示以及如下文所述的的元件类型来替换这些部件可能是有利的。

然而，本发明的原理不限于这种类型的扫描仪。相反，可在具有发射和接收的瞄准线(或其他平行)轴的其他种类光学发射器/接收器中应用基于这些原理的光电模块和光束组合光学器件。

头40中的发射器44朝偏振分束器60发出光脉冲。通常，分束器中仅有在发射器44的光路正下方的小区域被涂布以用于反射，而分束器的其余部分在所发射的波长范围中完全透明(或甚至针对该范围具有抗反射涂层)，以允许所返回的光通过，以到达接收器48。来自发射器44的光从分束器60反射回来，然后从折叠式反射镜62朝扫描微镜46反射。MEMS扫描器64以期望的扫描频率和幅度在X方向和Y方向上扫描微镜。在美国专利申请13/766,811中描述了微镜和扫描仪的细节，并且超出了本专利申请的范围。

从场景返回的光脉冲入射到微镜46，该微镜经由折叠式反射镜62通过分束器60来反射光。接收器48感测所返回的光脉冲并生成对应的电脉冲。为了提高检测的灵敏度，接收器48的孔和分束器60的总面积显著大于由发射器44输出的发射束的面积。为了限制到达接收器48的不需要的环境光的量，可在接收器路径中可能在与分束器60相同的衬底上并入带通滤光器(在这图中未示出)。

图2A和2B是根据上述美国专利申请13/766,811中描述的另一实施例的光电模块130的示意性侧视图。模块130可取代光学扫描头40(图1)中的发射器44、接收器48、分束器60和镜62。图2B中所示的图相对于图2A旋转了90°，使得在图2A的视图前方处看到的项目在图2B的左侧。

在模块130中，所发射的光束由激光器管芯104生成，而所接收的光束由雪崩光电二极管(APD)114感测，该激光器管芯和该雪崩光电二极管均安装在通常为硅光学基座(SiOB)102的公共微型光学衬底上。另选地，激光器管芯可集成在SiOB上作为发射器模块，而APD与发射器模块一起安装在印刷电路板上。尽管图中将激光器管芯104示出为边缘发射设备，但在替代实施例中(在图中未示出)，发射器可包括一个或多个面发射设备诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)。然而，这里仅仅通过举例示出和描述了模块130的配置的这些方面，如下所述，本发明的原理同样适用于范围广泛的不同的发射器/接收器设计。

所发射和所接收的光束在模块130中是独立的，并在从模块离开时由安装在模块衬底上方的光束组合器142对准。图3-图5中所示的实施例使用类似种类的发射器和接收器，但提供改进的光束组合器。另选地，图3-图5中所示的光束组合器可用于其他种类的光学发射器和接收器。

由激光器管芯104发射的照明由球形透镜134准直，该球形透镜定位在SiOB 102中形成的凹槽135中。可通过现有技术中已知的技术例如湿法蚀刻来以光刻精度在硅(和其他半导体材料)中形成凹槽135。另选地或除此之外，球形透镜可通过甚至没有凹槽135的精确的拾取放置机器直接附接到SiOB。转向镜136将准直光束反射离开SiOB 102，并且通过覆盖玻璃137，该覆盖玻璃保护模块130中的光电部件。相关联的电子部件诸如激光驱动器106和耦接到APD 114的放大器116也可被安装在SiOB 102上。

由于球形透镜134通常仅实现部分准直，所以可使用光束扩展器138来扩展激光束，通常扩展三到十倍，从而增强其准直度。尽管这里将光束扩展器138示出为单元件光学部件，但也可替代使用多元件光束扩展器。

由光束扩展器138输出的准直光束被光束组合器142中的反射器144转向，然后由分束器146朝扫描镜向外偏转返回。假设激光器管芯104输出偏振光束，分束器146可有利地为与偏振无关的，其中所发射和所接收的光束的偏振是相反的。从扫描镜返回的收集光束穿过分束器146，然后由收集透镜140聚焦到APD 114上。收集透镜可任选地具有不对称的细长形状，如图2A和2B所示的，以便在模块130的几何约束内使光收集效率最大化。(在这种情况下，选择收集透镜140的孔径以接收来自场景的由微镜46反射的所有光线，其中在特定公差下，透镜的细长形状匹配镜的细长形状。)

图3A和3B示意性示出了根据本发明的实施例的光电模块148。图3A示出了侧视图，而图3B示出了相同元件的等距视图。可使用模块148来替代光学扫描头40中的以及其他类型的光学装置中的模块130。如上所述，功能类似于光学扫描头40和模块130的元件的模块148中的元件以与以上相同的数字来识别，并可加以必要的修改，从而以类似方式来实现。然而，与模块130相反，模块148中的光束组合光学器件包括新类别的棱镜150，该新类别的棱镜包括后面151(面向发射器和接收器)和前面153(面向微镜46)。所发射的光束通过面151进入棱镜并朝微镜46通过面153离开，而从微镜反射的所接收的光束通过面153进入棱镜并通过面151离开(如图4中所示的)。安装该微镜46以围绕铰链47相对于基底49旋转，从而在扫描区域上方扫描所发射的光束和所接收的光束两者。

配置并对准棱镜150，使得在模块148外部，所发射的光束的光束轴与所接收的光束的收集轴对准，而光束轴和收集轴均以棱镜的最小偏向角的大致一半进入和离开棱镜的面。如现有技术中已知的，最小偏向角是满足如下关系的角度D：sin((A+D)/2)＝nsin(A/2)其中，A是棱镜的角度(在这种情况下，为图3A中的棱镜的上顶点的角度)，n是棱镜的折射率，并且D是通过棱镜发射的光束相对于入射光束的偏向角。

然而，由于各种设计的原因，例如紧凑性和可制造性，可能使棱镜150人为地从精确的最小偏向角偏离。即使对于从最小偏向角最多约±15°的偏离，这种最小偏离设计的有益效果仍然是有价值的。本文将这个±15°角范围内的光束角被定义为在最小偏向角附近，并且根据本发明的一些实施例的发射器/接收器模块可利用棱镜内的折射和内反射，只要光束轴以在此类最小偏离标准附近的进入角和离开角来进入和离开棱镜的面即可。

图4是根据本发明的实施例的棱镜150的示意性侧视图。所发射的光束152以相对于每个面的角度α进入后面151并离开前面153，其中偏向角D＝180-2α-A。所接收的光束154类似地以相同的角度α进入面153并离开后面151。所发射的光束152的光束轴和所接收的光束154的收集轴在两个光束共用的相同位置处穿过正面153；而收集轴通过后面151的位置与所发射的光束152的光束轴通过后面的进入点的位置不同。(模块的光束轴和收集轴分别平行于光束152和光束154。)所接收的光束相对于光束转向面160在内部反射，该光束转向面平行于面151。

为了使棱镜150正常工作，通常向棱镜的面上涂布适当的涂层。面151在光束152进入棱镜150的区域中具有通常为偏振分束器涂层的分束器涂层158，而面153通常在光束152离开棱镜以及光束154所进入的区域中具有抗反射涂层162。光束转向面160具有用于在棱镜150内反射所接收的光束154的反射涂层(其可以是金属或电介质)。面151可在所接收的光束朝接收器离开150的区域中具有窄带滤光器涂层156，其中通带匹配发射器的发射带，如美国专利申请13/766,811中所述的。棱镜150的剩余区域可涂布有光吸收涂层，以便减少到达接收器的杂散光的量。

棱镜150的设计使得模块148的对准简单，并且容忍对准的偏离。即使棱镜旋转若干度，但是光束152和154仍然将在前面153处彼此保持对准以及与微镜46保持对准。具体地，因为最小偏离标准的缘故，如果棱镜围绕通过图4的页面的轴旋转小角度Δ，则光束152和154和面151之间的角度将增大到α+Δ，而光束和面153之间的角度将减小到α-Δ，或者反之亦然，使得总偏向角保持相同。因为面160平行于面151，所以即使旋转，仍然保持两个光束之间的对准。于是，可以低成本来组装包含模块148的扫描仪，并且对震动和现场热条件的变化将是稳定的。

可由适当的厚度(例如，根据应用要求，2mm-10mm厚)的光学玻璃板容易地批量生产棱镜150。在切割板之前，在板的将变为面151的侧面上的适当位置处施用涂层156和158，并且向将变为面160的相对侧施用反射涂层。然后以适当的角对板进行切割和抛光以限定面153，然后向其施用涂层162。切割另一个非功能面以便仅在完成涂布过程之后将棱镜150分离。

图5是根据本发明的替代实施例的棱镜170的示意性侧视图。在本实施例中，使用与图4中相同的数字来识别棱镜面的涂层。如棱镜150中那样，所发射的光束在最小偏向角附近(尽管在这种情况下并非精确于这个角度)穿过棱镜170。然而，在通过与所发射的光束的进入表面不同的表面离开棱镜之前，棱镜170处的所接收的光束被分束器涂层158转向，然后在棱镜170的转向面172处进行全内反射。因为在棱镜170的设计中部分放宽了最小偏离标准，所以这种设计比棱镜150对失准的容忍度小，但这种放宽在优先考虑物理紧凑性或实施其他设计考虑的应用中可能是有利的。

在阅读本公开之后，上文阐述的原理的替代具体实施对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，并被认为在本发明的范围内。因此，应当理解，上述实施例是以举例的方式引用的，并且本发明不限于上文特别示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述的各种特征、以及本领域的技术人员在阅读以上描述之后会想到的并且在现有技术中没有公开的其变型和修改的组合和子组合两者。

Claims (18)

1.一种光电模块，包括：

光束发射器，所述光束发射器被配置为沿光束轴发出至少一个光束；

接收器，所述接收器被配置为感测由所述光电模块沿所述接收器的收集轴接收的光，所述收集轴平行于所述光电模块内的所述光束轴；和

光束组合光学器件，所述光束组合光学器件被配置为引导所述光束和所接收的光，使得所述光束轴与所述光电模块外部的所述收集轴对准，并且所述光束组合光学器件包括具有多个面的棱镜，所述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，所述分束器与所述光束轴和所述收集轴两者相交，

其中所述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所述棱镜的所述面。

2.根据权利要求1所述的光电模块，其中所述第一面和所述第二面彼此平行。

3.根据权利要求1所述的光电模块，其中所述光束轴和所述收集轴两者在不同的相应位置处穿过所述第二面。

4.根据权利要求1所述的光电模块，并且包括微型光学衬底，其中所述光束发射器包括激光器管芯，并且所述接收器包括检测器管芯，所述激光器管芯和所述检测器管芯均安装在所述微型光学衬底上。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的光电模块，并且包括形成于所述面中的一个面上的滤光器，以便排除所述光束发射器的发射频带之外的所接收的光。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的光电模块，其中所述分束器包括位于所述第二面上的偏振分束器涂层。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的光电模块，其中所述多个面包括第三面，所述光束轴和所述收集轴在所述第三面上的所述光束轴和所述收集轴两者共用的位置处通过所述第三面离开所述光电模块。

8.根据权利要求4所述的光电模块，其中所述光束组合光学器件包括至少一个透镜，所述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所述检测器管芯上。

9.一种光学扫描头，所述光学扫描头包括扫描镜和根据权利要求1-4中任一项所述的光电模块，所述扫描镜被配置为在扫描区域上方扫描所述光束轴和所述收集轴两者。

10.一种光学方法，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；

沿与所述光电模块内的所述光束轴平行的收集轴从所述扫描仪接收光；以及

使用光束组合光学器件来向所述扫描仪引导所述光束和所接收的光以及从所述扫描仪引导所述光束和所接收的光，使得在所述扫描仪处所述光束轴与所述收集轴对准，所述光束组合光学器件包括具有多个面的棱镜，所述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，所述分束器与所述光束轴和所述收集轴两者相交，

其中所述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所述棱镜的所述面。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一面和所述第二面彼此平行。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述光束轴和所述收集轴两者在不同的相应位置处穿过所述第二面。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，并且包括在所述面中的一个面上形成滤光器，以便排除所述光束发射器的发射频带之外的所接收的光。

14.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其中所述分束器包括位于所述第二面上的偏振分束器涂层。

15.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其中所述多个面包括第三面，所述光束轴和所述收集轴在所述第三面上的所述光束轴和所述收集轴两者共用的位置处通过所述第三面离开所述光电模块。

16.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其中引导所述光束和所接收的光包括应用至少一个透镜来使所述至少一个激光束准直，并聚焦从所述扫描仪接收的所述光。

17.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，并且包括使用所述扫描仪来在扫描区域上方扫描所述光束轴和所述收集轴两者。

18.根据权利要求17所述的方法，其中发出所述至少一个光束包括发出光脉冲，并且其中接收所述光包括测量所述脉冲往返于所述扫描区域中的对象的相应飞行时间。