利用折射或反射光的結(jié)構(gòu)化元件從光源陣列生成結(jié)構(gòu)化光場的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及例如在結(jié)構(gòu)化光3D掃描儀中的例如通過結(jié)構(gòu)化光三角法的3D映射的結(jié)構(gòu)化光應(yīng)用的領(lǐng)域，并且更具體地說涉及一種利用光源陣列的輸出生成結(jié)構(gòu)化光場的光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]場景通過結(jié)構(gòu)化光三角法的3D映射包括用光圖案照明場景和用光軸從照明源偏離的照相機(jī)觀察照明的場景。如果來自照明的給定光線與反射對象相交，則該光線的圖像將形成在照相機(jī)上。該光線的圖像的定位與照明成像設(shè)置的確切幾何知識一起允許確定光線與對象之間的交點(diǎn)的相對位置。這假定人們已知結(jié)構(gòu)化光圖案的哪一光線與對象相交。找到與圖像中的點(diǎn)對應(yīng)的圖案的光線常常被稱為對應(yīng)問題。
[0003]為了解決該問題，已提出由激光器二極管陣列生成空間編碼結(jié)構(gòu)化光。激光器二極管可以是表面發(fā)射型的，其中在與半導(dǎo)體晶片表面垂直的方向上發(fā)射光。多個這樣的激光器二極管被單片地集成，以形成陣列。陣列中的獨(dú)立的激光器二極管的位置被空間地編碼，以形成非規(guī)則的獨(dú)特圖案。
[0004]該類型的照明單元的挑戰(zhàn)在于以這樣的方式將獨(dú)立的光源分布在給定的芯片區(qū)域上，使得在芯片區(qū)域的任何給定子區(qū)域中的光源的位置的圖案是獨(dú)特的。
[0005]除了結(jié)構(gòu)化光場的空間編碼之外，結(jié)構(gòu)化光成像應(yīng)用典型地要求系統(tǒng)的特定視野(FOV)、系統(tǒng)應(yīng)在其上精確操作的某一距離范圍、以及仍然應(yīng)被分辨的場景對象中的細(xì)節(jié)的特定最小尺寸。這些要求從一個應(yīng)用到另一應(yīng)用各不相同。
[0006]對于某些應(yīng)用，例如，有用的是，如果系統(tǒng)應(yīng)在其上操作的距離范圍可通過設(shè)計(jì)被設(shè)定成隨著橫跨FOV的角度而變化。相似地，在某些應(yīng)用中，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)化光場允許視野上變化的分辨率，也就是說結(jié)構(gòu)化光場中的特征的變化的粒度或變化的密度。
[0007]對于基于光源陣列的結(jié)構(gòu)化光生成器，空間編碼以及如上所述的特定要求原則上可通過利用陣列中的光源的專用布置和通過利用合適的投射光學(xué)系統(tǒng)將該陣列的輸出投射到FOV中來實(shí)現(xiàn)。然而，由于成本原因，并且由于各種各樣的技術(shù)限制，這樣的光源陣列的尺寸以及將光源布置在陣列內(nèi)的自由度受限制，使得對于應(yīng)用要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)的靈活性也受限制。
[0008]技術(shù)問題
[0009]本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)系統(tǒng)，其給予設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化光場的較大的靈活性。該目的通過如權(quán)利要求1所述的裝置實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明涉及一種光學(xué)系統(tǒng)，其通過準(zhǔn)直、偏轉(zhuǎn)或反射每個獨(dú)立的光源的光束并從而以能任意選擇的豎直和水平角度將每個光束引導(dǎo)到場景中來將光源陣列的輸出轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)化光照明。每個光束的空間方向的選擇自由度使得在使照明適應(yīng)關(guān)于光束在視野上的分布的特定應(yīng)用要求方面的高靈活性成為可能。這能通過標(biāo)準(zhǔn)的低成本光源陣列實(shí)現(xiàn)，不需要獨(dú)立光束的復(fù)雜布置。
[0011]本發(fā)明大體上涉及一種用于生成結(jié)構(gòu)化光場以照明場景的光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)包括光源陣列和布置在所述光源陣列前面的結(jié)構(gòu)化單元。光源優(yōu)選地是諸如LED或VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)的單獨(dú)的小孔徑光源。結(jié)構(gòu)化單元包括具有獨(dú)立取向的第一光學(xué)表面的陣列，這意味著光學(xué)表面相對于源自獨(dú)立光束的光束單獨(dú)地傾斜。所述結(jié)構(gòu)化單元的所述光學(xué)表面的獨(dú)立取向配置成使得源自所述光源的獨(dú)立光束通過在所述第一光學(xué)表面處的折射和/或反射以相應(yīng)的豎直和水平角度被獨(dú)立地引導(dǎo)到場景中。
[0012]采用根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)，能夠在高的亮度和對比度的照明場中、甚至在離照明單元大的距離處產(chǎn)生圖案。光學(xué)系統(tǒng)的部件因而獨(dú)立于所述光源陣列內(nèi)的所述光源的初始布置的確切形式，確保所述光源的光束的準(zhǔn)直以及用于投射的任意選擇的光圖案的生成。優(yōu)選地與所述光源陣列分開的結(jié)構(gòu)化單元的使用使得能夠根據(jù)應(yīng)用的特定要求成形照明場。由于照明場的形狀由結(jié)構(gòu)化單元的構(gòu)造決定，所以應(yīng)意識到的是，對于光源的給定布置，能夠通過替換結(jié)構(gòu)化單元來改變照明場的形狀。
[0013]在本發(fā)明的可能實(shí)施例中，所述結(jié)構(gòu)化單元由透明光學(xué)材料制成，即，材料意味著對來自光源的光是透光的，并包括面對所述光源陣列的后表面和面對要被照明的場景的前表面。所述第一光學(xué)表面的陣列優(yōu)選地是所述結(jié)構(gòu)化單元的前表面的整體部分，并且其中，所述結(jié)構(gòu)化單元布置成使得來自所述光源的獨(dú)立光束穿過所述結(jié)構(gòu)化單元的所述光學(xué)材料，并且當(dāng)所述光束從所述透明光學(xué)材料出來時在所述前表面處被折射。技術(shù)人員當(dāng)然明確地得出，在替代性實(shí)施例中，第一光學(xué)表面可以是所述結(jié)構(gòu)化單元的后表面的整體部分。在該情況下，當(dāng)來自所述光源的獨(dú)立光束進(jìn)入所述透明光學(xué)材料時所述光束在所述后表面處被折射。
[0014]在可能的實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)化單元包括第二光學(xué)表面的陣列，所述第二光學(xué)表面的陣列是所述結(jié)構(gòu)化單元的所述后表面的整體部分，所述第二表面中的每個第二表面布置成與所述第一表面中的相應(yīng)一個平行，因而形成用于使獨(dú)立光束中的每個獨(dú)立光束側(cè)向平移的獨(dú)立取向的平面平行板的陣列。
[0015]替代性地，所述結(jié)構(gòu)化單元的后表面可以是平面，并取向成使得所述光源的所述獨(dú)立光束大致以直角通過所述后表面。
[0016]在優(yōu)選的實(shí)施例中，光學(xué)系統(tǒng)還包括用于獨(dú)立地準(zhǔn)直所述光源陣列的光束的透鏡陣列。所述透鏡陣列中的各透鏡例如可被集成在單獨(dú)的透鏡單元中，所述單獨(dú)的透鏡單元布置在所述光源陣列與所述結(jié)構(gòu)化單元之間，或者所述透鏡陣列中的各透鏡可被集成到所述結(jié)構(gòu)化單元的所述后表面中，或者甚至可被集成到所述結(jié)構(gòu)化單元的所述第一光學(xué)表面中。
[0017]在另一實(shí)施例中，第一光學(xué)表面的陣列是反射表面的陣列，所述反射表面的陣列布置成使得當(dāng)來自所述光源的獨(dú)立光束射到所述第一光學(xué)表面的陣列時所述光束在所述反射表面處被反射。透鏡陣列可用于獨(dú)立地準(zhǔn)直所述光源陣列的光束。所述透鏡陣列中的各透鏡可被集成到要布置在所述光源陣列與所述結(jié)構(gòu)化單元之間的單獨(dú)的透鏡單元中，或者可被集成到所述結(jié)構(gòu)化單元的所述第一光學(xué)表面中。
[0018]光學(xué)系統(tǒng)還可包括具有至少一個透鏡(優(yōu)選地兩個單獨(dú)的透鏡)的準(zhǔn)直單元，其用于準(zhǔn)直所述光源陣列的多個所述光束。系統(tǒng)可包括附加的光學(xué)系統(tǒng)，所述附加的光學(xué)系統(tǒng)包括一個或多個折射或衍射透鏡元件和/或反射元件，所述附加的光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)造成用于使相對于被所述照明覆蓋的視野中的兩種角度生成的有關(guān)光束密度的照明方案適應(yīng)于特定應(yīng)用所要求的特殊選擇值。
[0019]結(jié)構(gòu)化單元優(yōu)選地由光學(xué)聚合材料(例如，塑料材料)制成，并通過諸如注射成型和/或壓注成型和/或凸凹壓印成型方法的有成本效益的生產(chǎn)方法生產(chǎn)。
[0020]作為本發(fā)明的目的的光學(xué)系統(tǒng)使得具有更高自由度的結(jié)構(gòu)化光場中的空間編碼方法的實(shí)現(xiàn)成為可能，并給予根據(jù)關(guān)于FOV的應(yīng)用要求、在FOV上的結(jié)構(gòu)化光場的亮度分布以及系統(tǒng)應(yīng)在其上作為橫跨FOV的角度的函數(shù)運(yùn)行的距離范圍設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化光場更大的靈活性。這甚至當(dāng)照明生成器基于以規(guī)則圖案布置的光源陣列時也能容易地實(shí)現(xiàn)。
[0021]對于要求大的操作距離的應(yīng)用，必須在FOV的一部分中生成結(jié)構(gòu)化光場中的高的光學(xué)功率。生成結(jié)構(gòu)化光圖案的標(biāo)準(zhǔn)的基于全息的方法不能實(shí)現(xiàn)所需要的高的照明亮度。
[0022]利用高亮度的光源陣列，由本發(fā)明所描述的光學(xué)系統(tǒng)允許生成結(jié)構(gòu)化光場，該結(jié)構(gòu)化光場能被調(diào)整，以