CN104221059B - 基于衍射感测镜子位置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了扫描装置(40)，该扫描装置包括被配置为发射包括光脉冲的光束的发射器(44)和被配置为在场景上方扫描光束的扫描镜(46)。接收器(48)被配置为接收从场景反射的光并生成指示从场景返回的脉冲的输出。光栅(82)形成于装置中的光学表面上并被配置为以预先确定的角度衍射光束的一部分以便使得所衍射的部分从扫描镜返回到接收器。控制器(30)被耦合以处理接收器的输出以便检测所衍射的部分并响应于其而监视镜子的扫描。

Description

基于衍射感测镜子位置

技术领域

本发明整体涉及光学扫描。

背景技术

光学扫描器用于广泛的应用中。一些扫描器使用旋转镜来扫描光束。

PCT国际公开WO 2012/020380(其公开内容以引用方式并入本文)描述了用于测绘的装置，其包括照明模块。此模块包括被配置为发射辐射束的辐射源以及被配置为在选定角度范围上接收和扫描光束的扫描器。照明光学器件被配置为投射所扫描的光束以便产生在感兴趣的区域上延伸的点图案。成像模块被配置为捕获被投射到感兴趣的区域中物体上的图案的图像。处理器被配置为处理图像以便构造物体的三维(3D)图。

在本PCT公开中描述的实施例之一中，照明模块包括一个或多个耦合到处理器的光束传感器，诸如光电二极管。这些传感器定位于镜子扫描的角度范围内选定的一个或多个角度处以便周期性地接收扫描的光束，从而验证扫描器在工作。

美国专利申请公开2011/0279648(其公开内容以引用方式并入本文)描述了一种用于构造受检对象3D表示的方法，包括利用摄像机捕获受检对象的2D图像。该方法还包括在受检对象上扫描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器扫描照明光束，并使用光电探测器测量调制方面。该方法还包括基于为每个目标区域测量的调制方面计算深度方面，以及将深度方面与2D图像的对应像素相关联。

美国专利8,018,579(其公开内容以引用方式并入本文)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，以光学方式检测成像体积中的用户输入。给出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型机电系统(MEMS)(可以并入扫描设备中)的方法。

发明内容

下文描述的本发明的实施例提供了改进型扫描设备，以及利用这种设备进行3D测绘的装置与方法。

因此，根据本发明的一个实施例，提供了一种扫描装置，其包括被配置为发射包括光脉冲的光束的发射器和被配置为在场景上方扫描光束的扫描镜。接收器被配置为接收从所述场景反射的光，并生成指示从场景返回的脉冲的输出。光栅形成于装置中的光学表面上并被配置为以预先确定的角度衍射光束的一部分以便使得所衍射的部分从扫描镜返回到接收器。耦合控制器以处理接收器的输出以便检测所衍射的部分并响应于其而监视镜子的扫描。

在本发明所公开的一个实施例，通过光刻在镜子上形成光栅。可以通过向基底应用光刻工艺，然后蚀刻基底以限定镜子和将镜子连接到支座的主轴，由此限定镜子相对于支座的旋转轴，从而制造扫描镜。可以定位接收器以在从扫描镜反射所反射的脉冲之后，接收从场景所反射的脉冲。

在一些实施例中，控制器被配置为响应于检测到所衍射的部分而校准镜子的扫描。在一个实施例中，光栅在不同的相应角度产生多个衍射叶，且控制器被配置为响应于检测到所衍射的部分，通过监视叶之间的间距来校准扫描的角尺寸和速度。

除此之外或作为另外一种选择，控制器被配置为，在预期时间未检测到所衍射的部分时，确定装置出现了故障。控制器可以被配置为在确定装置出现故障时关闭来自发射器的光束。

在本发明所公开的一个实施例中，控制器被配置为处理扫描期间接收器的输出以便生成场景的三维图。

根据本发明的一个实施例，还提供了一种用于扫描的方法，其包括从发射器发射包括光脉冲的光束并在场景上方扫描所发射的光束。在接收器处接收从场景反射的光，生成指示从场景返回的脉冲的输出。在与所发射的光束交叉的光学表面上提供光栅以便以预先确定的角度衍射光束的一部分，使得所衍射的部分返回接收器而不会从场景反射。处理接收器的输出以便检测所衍射的部分，并响应于其而监视光束的扫描。

通过下面的具体实施方式以及结合附图，将更全面地理解本发明，其中：

附图说明

图1是示出根据本发明的一个实施例的光学扫描头的示意性图示；

图2是示出根据本发明的一个实施例的MEMS扫描器的示意性图示；

图3是根据本发明的一个实施例由光学扫描头中的接收器输出的信号的示意图。

具体实施方式

2013年2月14日提交的美国专利申请13/766,801描述了通过测量扫描束飞行时间来生成3D测绘数据的深度引擎，该申请被转让给本专利申请的受让人且其公开通过引用并入本文。诸如激光器的光发射器向扫描镜引导光的短脉冲，扫描镜在感兴趣的场景上方扫描光束。诸如敏感高速光电二极管(例如，雪崩光电二极管)的接收器接收通过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，从而指示该点处物体的深度。处理电路在产生场景的3D图时使用如此提取的深度数据。

本文描述的本发明的实施例提供了用于光束监视的方法，可以有利地用于上述扫描器，以及其他类型基于镜子的扫描器。这些方法通过在光学表面上，诸如镜面上，例如，或在输出光束路径中的盖玻璃上或任何其他适当的光学表面上，形成低效率光栅，从而有意地产生来自扫描镜的“散乱”反射。这些散乱反射是在预定已知角度从镜子反射的。(一般在这样的系统中在任何角度都存在散乱光线，但光栅在散乱光线上施加了定义明确的结构，并在某定义明确的方向上增大了其水平。)

无论何时镜子在其扫描中通过特定预定角度，扫描头中的光电探测器(可以是用于接收从上述种类的扫描头中的场景返回的光的同一检测器)都将从而周期性地从扫描镜接收散乱反射。检测到由于散乱反射导致的光脉冲指示镜子在正确扫描。这些光脉冲也可用于在运行期间校准扫描角度。

本发明的实施例采用的方法是有利的，特别是，因为它能够利用现有的部件，包括镜子自身和光电探测器，以便执行光束监视功能，并且基本上不需要额外的硬件。这种方法提高了扫描头的安全性和精确度。尽管下文在3D测绘的特定语境中参考特定种类扫描头的设计详细描述了一个实施例，但可以类似地将本发明的原理应用于其他类型的基于镜子的扫描器，用于3D测绘和其他应用。

图1是示出根据本发明的一个实施例的包括基于光栅的光束监视器的光学扫描头40的示意性图示。除了光束监视器自身之外，光学扫描头40类似于上述美国专利申请13/766,801中描述的光学扫描头。

发射器44向偏振分束器60发射光脉冲。通常，分束器中仅有在发射器44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)，以允许返回的光穿过到达接收器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向扫描微镜46反射，如下所述，利用光栅支配扫描微镜以便进行光束监视。MEMS扫描器64以期望的扫描频率和幅度在X和Y方向上扫描微镜。图2中示出了微镜和扫描器的细节。

从场景返回的光脉冲入射到微镜46，微镜经由折叠式反射镜62通过分束器60反射光。接收器48感测返回的光脉冲并产生对应的电脉冲。为了限制到达接收器48的不必要环境光的量，可以在接收器路径中，可能在与分束器60相同的基底上结合入带通滤波器(未示出)。接收器通常包括敏感高速光电探测器，诸如雪崩光电二极管(APD)。诸如互阻抗放大器(TIA)的灵敏放大器放大由光电探测器输出的电脉冲，如图3中所示，其指示对应光脉冲的飞行时间。

控制器30驱动发射器44和扫描器64，并分析发射脉冲和来自接收器48的对应脉冲之间的时间延迟以便测量每个脉冲的飞行时间。基于这一飞行时间，控制器计算场景中被扫描头40扫描的每个点(X，Y)的深度坐标(Z)，从而生成场景的深度图。控制器30还在监视扫描期间使用接收器48输出的脉冲，如下文所述。

在此以举例的方式描述图1中所示的光学头的特定机械和光学设计，实施类似原理的替代设计被视为在本发明范围之内。

图2是示出根据本发明的一个实施例的镜子46和MEMS扫描器64的示意性图示。以类似于上述美国专利7,952,781中所述那些的原理制造并操作此扫描器，但实现单个微镜的二维扫描。或者，可以将本发明的原理应用于其他种类的扫描镜，诸如Awtar等人在“Two-axis Optical MEMS Scanner”，Proceedings of the ASPE 2005 Annual Meeting(Norfolk，Virginia，Paper No.1800，2005)中所述的那种。此外，或者可以将下文所述的光束监视方法用于仅在单个方向上扫描的镜子。

通过应用适当的光刻工艺，然后蚀刻半导体基底68以从支座72分开微镜，并从其余基底68分离支座，从而制造微镜46。在蚀刻之后，微镜46(已向其施用适当的反射涂层)能够相对于主轴70上的支座72在Y方向上旋转，而支座72相对于主轴74上的基底68在X方向上旋转。

微镜46自身被蚀刻有精细的浅光栅82，被设计成在由光栅间距确定的某特定角度处衍射入射光束的小部分(通常小于1％)。或者，可以印刷光栅，在反射性金属涂层中构图，在聚合物涂层中压印，或安装于镜面上或光从镜子向场景输出的路径中的别处。尽管出于视觉清晰度考虑，图2中光栅82的刻线间距很宽且清晰可见，但在实施过程中，光栅刻线可以更靠近在一起且肉眼不可见。尽管在X和Y方向上都支配光栅82(这将导致衍射级相应地沿Y和X方向分布)，但可以作为另外一种选择仅在一个方向上支配光栅，给出在另一方向上分布的衍射级。光栅不必包括如图2中所示的直线结构，而是可以包括基本上任何适当类型的衍射结构以便优化光栅等级，使其具有期望的间距和能量，从而提高测量系统的性能。作为另外一种选择，可以在输出光束路径中微镜46之后的另一光学表面上形成光栅，诸如在盖玻璃(未示出)上形成，具有类似效果。

微镜46和支座72安装于一对转子76上，转子包括永久性磁铁。(在此图中仅可见转子中的一个。)转子76悬浮于磁芯78的相应气隙中。磁芯78缠绕了导电线的相应线圈80，从而产生电磁定子总成。驱动电流通过线圈80在气隙中产生磁场，磁场与转子76的磁化交互作用，从而使得转子在气隙之内旋转或以其他方式运动。

具体地讲，可以利用高频差动电流驱动线圈80，从而使得微镜46以高速(例如在2-10kHz的范围中)绕主轴70往复共振旋转。这种共振旋转产生来自扫描头40的输出束的高速Y方向光栅扫描，利用通过光栅82产生的衍射级监视这种扫描。同时，以较低频率共同驱动线圈80以通过绕主轴74通过期望的扫描范围旋转支座72，来驱动X方向的扫描。或者，可以将其他定子配置和驱动方案用于这些目的。X和Y旋转一起生成微镜46的总体光栅扫描图案。

如图1中所示，从离散的光学和机械部件组装光学头40需要精确的对准，并且可能费用高昂。在另选的实施例中，可以在硅光具座(SiOB)上的单个集成封装中组合需要精确放置和对准的所有部分(诸如光发射器、接收器和关联的光学器件)，如上述美国专利申请13/766,801中所述。

图3是根据本发明的一个实施例在微镜46扫描期间由接收器48输出的信号的示意图。在该实施例中，光栅82如图2中所示受到支配并产生衍射级形式的“散乱”反射，衍射级以大致10°间距分布。作为另外一种选择，可以将光栅设计成给出基本任意期望相对强度和间距的衍射级，如系统要求指示的那样。图3中的每条水平线对应于接收器48响应于微镜46在Y方向上扫描时发射器44发射的一个光脉冲。为简单起见，图示的实例假设要以1°的扫描间隔发射脉冲，但在实施过程中，连续脉冲之间的角距离一般更小，并且可能随着时间或其他系统参数而改变。

每个光脉冲都是从光学头40扫描的场景中的对应点反射回来的，返回的光脉冲产生由图右侧的对应峰值90指示的电脉冲。每个峰值90的时间延迟(单位为纳秒)指示光脉冲往返于场景中对应点的往返飞行时间，因此指示该点距光学头的距离。

此外，在某角度(在图示的实例中为0°和10°)，光栅82的衍射级之一直接反射回接收器48。在图左侧0°和10°示出了对应的峰值92。峰值92的时间延迟非常短，因为在从发射器44发射之后，通常在不到纳秒的时间内，脉冲直接从镜子46返回接收器48。这些散乱光线峰值的延迟(其包括电子延迟)可能随着系统条件，诸如温度而改变，但这样的延迟通常缓慢变化，因此可以进行处理，不会显著降低位置测量的质量。通常，有一些散乱光线从发射器44发射的每个脉冲反射回接收器48，这些散乱反射往往会出现于所有角度。光栅82利用的结构在特定角度产生强得多的散乱光线峰值，如图3中所示，出于清晰和简单考虑，从图中略去了更弱的散乱反射。

控制器30基于其短的延迟判别峰值92，并可以将它们用于两个目的：

-验证扫描器64是否在正常工作。

-实时校准微镜46的角尺寸和扫描速度。

在预期时间检测到峰值92是扫描器正常工作的可靠指标，并确保扫描器未卡住或未出现其他故障。在控制器30未能如预期那样检测到峰值92时，控制器确定已出现了故障，并可以发出警示和/或采取其他预防性措施，诸如关闭发射器44输出的光束，以免可能伤害眼睛。

出于校准的目的，可能希望考虑到，衍射叶的间距与光波长成正比，光波长可能随着工作条件，诸如温度而改变。因此，作为校准过程的一部分，可以测量发射器44的发射体温度并相应地计算波长。除此之外或作为另外一种选择，可以通过向微镜46施加二维光栅并监视X和Y方向上衍射叶间距之间的差异来校准角尺寸，虽然两个方向将具有相同的波长行为，但它们具有不同的驱动器特性和频率，因此，可以利用X和Y方向上的差异来校准出任何波长变化。

尽管图3的实例涉及监视Y方向的扫描，但可以在监视X方向扫描时使用同样种类的技术。

因此，向微镜46添加光栅82提高了光学头40的安全性和精确度，不需要超越扫描自身中已经使用的任何额外硬件。甚至光栅自身可以作为用于制造微镜的相同工艺或相似工艺的一部分，通过光刻形成。在一个实施例中，通过光刻在镜子上形成光栅的轮廓。可以使用光刻掩模将光栅构图成反射金属层(例如通过剥离工艺)或在镜面上蚀刻浅光栅。这些方法仅仅以举例的方式给出，且作为另外一种选择可以使用其他方法在设备的表面上产生低效率光栅。

这种方法的优点不限于图1和图2中所示的特定设备架构，而是可以用于其他种类的扫描系统，尤其是(尽管不是唯一地)基于MEMS的扫描系统。本发明的原理不限于扫描镜，还可以用于监视其他类型扫描和周期性运动结构的运动。通过检测由施加于结构某个表面上的适当光栅产生的衍射叶，可以在该结构运动时测量和跟踪结构的位置。

因此，应当理解，上述实施例是以举例方式援引的，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，以及其变型和修改。

Claims (16)

1.一种扫描装置，包括：

发射器，其被配置为发射包括光的脉冲的光束；

扫描镜，其被配置为在场景上方扫描所述光束；

接收器，其被配置为接收从所述场景反射的所述光的脉冲并生成指示从所述场景返回的所述脉冲的输出；

光栅，其形成于所述扫描装置中的光学表面上并被配置为以预定角度衍射所述光束的一部分以便使得所衍射的部分从所述扫描镜返回到所述接收器，其中所述光栅在不同的相应角度产生多个衍射叶；以及

控制器，其被耦合以处理所述接收器的所述输出以便检测所衍射的部分，并响应于所衍射的部分而监视所述扫描镜的扫描，

其中所述控制器被配置为响应于检测到所衍射的部分，通过监视所述衍射叶之间的间距来校准所述扫描的角尺寸和速度。

2.根据权利要求1所述的扫描装置，其中所述光栅形成于所述扫描镜上。

3.根据权利要求2所述的扫描装置，其中所述光栅通过光刻形成于所述扫描镜上。

4.根据权利要求3所述的扫描装置，其中通过向基底应用光刻工艺，然后蚀刻所述基底以限定所述扫描镜和将所述扫描镜连接到支座的主轴，从而限定所述扫描镜相对于所述支座的旋转轴，从而制造所述扫描镜。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的扫描装置，其中所述接收器被定位成在从所述扫描镜反射所反射的脉冲之后，接收从所述场景反射的所述脉冲。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的扫描装置，其中所述控制器被配置为在预期时间未检测到所衍射的部分时，确定所述扫描装置出现了故障。

7.根据权利要求6所述的扫描装置，其中所述控制器被配置为在确定所述扫描装置出现故障时关闭来自所述发射器的所述光束。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的扫描装置，其中所述控制器被配置为处理在所述扫描期间所述接收器的所述输出以便生成所述场景的三维图。

9.一种用于扫描的方法，包括：

从发射器发射包括光的脉冲的光束；

在场景上方扫描所发射的光束；

在接收器处接收从所述场景反射的所述光的脉冲并生成来自所述接收器的指示从所述场景返回的所述脉冲的输出；

在与所发射的光束交叉的光学表面上提供光栅以便以预先确定的角度衍射所述光束的一部分，使得所衍射的部分返回所述接收器而不会从所述场景反射，其中提供所述光栅包括以不同的相应角度产生多个衍射叶；以及

处理所述接收器的所述输出以便检测所衍射的部分，并响应于所衍射的部分而监视所述光束的扫描，

其中校准所述扫描包括响应于检测到所衍射的部分，通过监视所述衍射叶之间的间距来校准所述扫描的角尺寸和速度。

10.根据权利要求9所述的方法，其中扫描所发射的光束包括向扫描镜引导所发射的光束。

11.根据权利要求10所述的方法，其中提供所述光栅包括在所述扫描镜上形成所述光栅。

12.根据权利要求11所述的方法，其中形成所述光栅包括通过光刻向所述扫描镜施加所述光栅。

13.根据权利要求12所述的方法，其中通过向基底应用光刻工艺，然后蚀刻所述基底以限定所述扫描镜和将所述扫描镜连接到支座的主轴，由此限定所述扫描镜相对于所述支座的旋转轴，从而制造所述扫描镜。

14.根据权利要求10所述的方法，其中接收所述光的脉冲包括在从所述扫描镜反射所反射的脉冲之后接收从所述场景反射的所述脉冲。

15.根据权利要求9-14中任一项所述的方法，其中监视所述扫描包括在预期时间未检测到所衍射的部分时识别所述扫描的故障。

16.根据权利要求15所述的方法，并且包括在识别出所述故障时，关闭来自所述发射器的所述光束。