CN104956179A - 利用折射或反射光的结构化元件从光源阵列生成结构化光场的光学系统 - Google Patents

利用折射或反射光的结构化元件从光源阵列生成结构化光场的光学系统 Download PDF

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Abstract

一种用于生成结构化光场的光学系统包括光源阵列和与所述光源阵列分开的结构化单元，所述结构化单元是折射或反射的，并且通过准直每个独立的光源的光束并以能由折射或反射任意选择的竖直和水平角度将每个光束引导到场景中来将光源阵列的输出转变成结构化光照明。

Description

利用折射或反射光的结构化元件从光源阵列生成结构化光场的光学系统
技术领域
本发明总体上涉及例如在结构化光3D扫描仪中的例如通过结构化光三角法的3D映射的结构化光应用的领域，并且更具体地说涉及一种利用光源阵列的输出生成结构化光场的光学系统。
背景技术
场景通过结构化光三角法的3D映射包括用光图案照明场景和用光轴从照明源偏离的照相机观察照明的场景。如果来自照明的给定光线与反射对象相交，则该光线的图像将形成在照相机上。该光线的图像的定位与照明成像设置的确切几何知识一起允许确定光线与对象之间的交点的相对位置。这假定人们已知结构化光图案的哪一光线与对象相交。找到与图像中的点对应的图案的光线常常被称为对应问题。
为了解决该问题，已提出由激光器二极管阵列生成空间编码结构化光。激光器二极管可以是表面发射型的，其中在与半导体晶片表面垂直的方向上发射光。多个这样的激光器二极管被单片地集成，以形成阵列。阵列中的独立的激光器二极管的位置被空间地编码，以形成非规则的独特图案。
该类型的照明单元的挑战在于以这样的方式将独立的光源分布在给定的芯片区域上，使得在芯片区域的任何给定子区域中的光源的位置的图案是独特的。
除了结构化光场的空间编码之外，结构化光成像应用典型地要求系统的特定视野(FOV)、系统应在其上精确操作的某一距离范围、以及仍然应被分辨的场景对象中的细节的特定最小尺寸。这些要求从一个应用到另一应用各不相同。
对于某些应用，例如，有用的是，如果系统应在其上操作的距离范围可通过设计被设定成随着横跨FOV的角度而变化。相似地，在某些应用中，优化的结构化光场允许视野上变化的分辨率，也就是说结构化光场中的特征的变化的粒度或变化的密度。
对于基于光源阵列的结构化光生成器，空间编码以及如上所述的特定要求原则上可通过利用阵列中的光源的专用布置和通过利用合适的投射光学系统将该阵列的输出投射到FOV中来实现。然而，由于成本原因，并且由于各种各样的技术限制，这样的光源阵列的尺寸以及将光源布置在阵列内的自由度受限制，使得对于应用要求设计系统的灵活性也受限制。
技术问题
本发明的目的是提供一种光学系统，其给予设计结构化光场的较大的灵活性。该目的通过如权利要求1所述的装置实现。
发明内容
本发明涉及一种光学系统，其通过准直、偏转或反射每个独立的光源的光束并从而以能任意选择的竖直和水平角度将每个光束引导到场景中来将光源阵列的输出转变成结构化光照明。每个光束的空间方向的选择自由度使得在使照明适应关于光束在视野上的分布的特定应用要求方面的高灵活性成为可能。这能通过标准的低成本光源阵列实现，不需要独立光束的复杂布置。
本发明大体上涉及一种用于生成结构化光场以照明场景的光学系统，所述光学系统包括光源阵列和布置在所述光源阵列前面的结构化单元。光源优选地是诸如LED或VCSEL(垂直腔面发射激光器)的单独的小孔径光源。结构化单元包括具有独立取向的第一光学表面的阵列，这意味着光学表面相对于源自独立光束的光束单独地倾斜。所述结构化单元的所述光学表面的独立取向配置成使得源自所述光源的独立光束通过在所述第一光学表面处的折射和/或反射以相应的竖直和水平角度被独立地引导到场景中。
采用根据本发明的光学系统，能够在高的亮度和对比度的照明场中、甚至在离照明单元大的距离处产生图案。光学系统的部件因而独立于所述光源阵列内的所述光源的初始布置的确切形式，确保所述光源的光束的准直以及用于投射的任意选择的光图案的生成。优选地与所述光源阵列分开的结构化单元的使用使得能够根据应用的特定要求成形照明场。由于照明场的形状由结构化单元的构造决定，所以应意识到的是，对于光源的给定布置，能够通过替换结构化单元来改变照明场的形状。
在本发明的可能实施例中，所述结构化单元由透明光学材料制成，即，材料意味着对来自光源的光是透光的，并包括面对所述光源阵列的后表面和面对要被照明的场景的前表面。所述第一光学表面的阵列优选地是所述结构化单元的前表面的整体部分，并且其中，所述结构化单元布置成使得来自所述光源的独立光束穿过所述结构化单元的所述光学材料，并且当所述光束从所述透明光学材料出来时在所述前表面处被折射。技术人员当然明确地得出，在替代性实施例中，第一光学表面可以是所述结构化单元的后表面的整体部分。在该情况下，当来自所述光源的独立光束进入所述透明光学材料时所述光束在所述后表面处被折射。
在可能的实施例中，结构化单元包括第二光学表面的阵列，所述第二光学表面的阵列是所述结构化单元的所述后表面的整体部分，所述第二表面中的每个第二表面布置成与所述第一表面中的相应一个平行，因而形成用于使独立光束中的每个独立光束侧向平移的独立取向的平面平行板的阵列。
替代性地，所述结构化单元的后表面可以是平面，并取向成使得所述光源的所述独立光束大致以直角通过所述后表面。
在优选的实施例中，光学系统还包括用于独立地准直所述光源阵列的光束的透镜阵列。所述透镜阵列中的各透镜例如可被集成在单独的透镜单元中，所述单独的透镜单元布置在所述光源阵列与所述结构化单元之间，或者所述透镜阵列中的各透镜可被集成到所述结构化单元的所述后表面中，或者甚至可被集成到所述结构化单元的所述第一光学表面中。
在另一实施例中，第一光学表面的阵列是反射表面的阵列，所述反射表面的阵列布置成使得当来自所述光源的独立光束射到所述第一光学表面的阵列时所述光束在所述反射表面处被反射。透镜阵列可用于独立地准直所述光源阵列的光束。所述透镜阵列中的各透镜可被集成到要布置在所述光源阵列与所述结构化单元之间的单独的透镜单元中，或者可被集成到所述结构化单元的所述第一光学表面中。
光学系统还可包括具有至少一个透镜(优选地两个单独的透镜)的准直单元，其用于准直所述光源阵列的多个所述光束。系统可包括附加的光学系统，所述附加的光学系统包括一个或多个折射或衍射透镜元件和/或反射元件，所述附加的光学系统构造成用于使相对于被所述照明覆盖的视野中的两种角度生成的有关光束密度的照明方案适应于特定应用所要求的特殊选择值。
结构化单元优选地由光学聚合材料(例如，塑料材料)制成，并通过诸如注射成型和/或压注成型和/或凸凹压印成型方法的有成本效益的生产方法生产。
作为本发明的目的的光学系统使得具有更高自由度的结构化光场中的空间编码方法的实现成为可能，并给予根据关于FOV的应用要求、在FOV上的结构化光场的亮度分布以及系统应在其上作为横跨FOV的角度的函数运行的距离范围设计结构化光场更大的灵活性。这甚至当照明生成器基于以规则图案布置的光源阵列时也能容易地实现。
对于要求大的操作距离的应用，必须在FOV的一部分中生成结构化光场中的高的光学功率。生成结构化光图案的标准的基于全息的方法不能实现所需要的高的照明亮度。
利用高亮度的光源阵列，由本发明所描述的光学系统允许生成结构化光场，该结构化光场能被调整，以在无亮度损失的情况下充满给定的FOV，并如应用所要求地符合粒度和密度的分布。此外，本发明在与其他方法相比较降低成本的同时，在用于要求大距离的照明的应用的结构化光场的设计中提供增强的灵活性。例如，使用规则(密集)光源布置的可能性使得最佳地使用昂贵的基板材料。
附图说明
本发明的另外的细节和优点将从以下参考附图的多个非限制性实施例的详细说明显见，其中：
图1示出结构化光生成器及其部件的总体结构的示意图；
图2示出基于实现空间编码的倾斜平面阵列的结构化单元的实施例；
图3示出基于具有利用透镜阵列的光束准直的倾斜平面平行板阵列的结构化单元的实施例；
图4示出基于具有用于源阵列的放大与准直光学系统的倾斜平面平行板阵列的结构化单元的实施例；
图5示出基于具有用于源阵列的放大与准直光学系统的棱镜表面阵列的结构化单元的实施例；
图6示出基于具有通过透镜阵列实现的光束准直的棱镜表面阵列的结构化单元的实施例；
图7示出基于与单个光学部件中的透镜阵列组合的棱镜表面阵列的结构化单元的实施例；
图8示出利用具有透镜的侧向位置的变化的透镜阵列的组合准直与结构化单元的实施例；以及
图9示出基于反射表面的阵列的结构化单元的实施例。
具体实施方式
在描述本发明的多种可能实现方式的细节之前，给出了照明器的总体设置的概述。利用本发明的结构化光照明生成器具有如图1中示意性示出的总体结构。
图1示出了结构化光生成器及其部件的总体结构的示意图。图1所示的不同特征如下：1光源阵列的散热器和底架；2光源阵列；3独立光源；4发散的单个光束；5光束准直单元；6较小散度的光束；7结构化单元(structuring unit)；8结构化光束；9辅助透镜或光学系统；10辅助光栅单元；11将光场的若干部分引导到视野的特定区域中的辅助元件；12结构化光场的投射。
为了实现照明器，考虑光源阵列(2)，其能够是发光二极管(LED)的阵列、边缘发射型二极管激光器的阵列或垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列。光源阵列(2)典型地具有用作散热器(1)或热连接至散热器的底架。在图1中未示出光源阵列所需的电流供应。
取决于所使用的光源的类型，从阵列中的独立光源发射的光束(4)可能太发散而不能直接使用。因此，可能需要准直单元(5)，以获得具有较小散度的光束(6)。准直单元能由小透镜的阵列、微透镜阵列(其中每个透镜准直单个光束)、或准直从光源阵列发射的所有光束的一个或多个大直径的单个透镜或其他光学系统、或者还有大直径的透镜阵列与光学系统的组合组成。产生的光束阵列具有足够小的散度，以由结构化单元(7)转变成结构化光场。
在以下的段落中将更详细地讨论结构化单元(7)及它们到系统中的集成的不同的可能实现方式。取决于结构化单元(7)的实现方式，能使用辅助透镜或光学系统(9)，以如应用所要求地将结构化光场分布投射到FOV中，和/或实现形成结构化光场的独立光束的期望的光束半径和散度。光学系统还能安装有光栅元件(10)，所述光栅元件(10)允许通过投射不同衍射级到视野的不同区域中来增加输出光束，以便以不同的衍射级有效地重复由先前描述的元件产生的光场结构。
尽管可想到光学反射光栅的使用，但光学透射光栅对于该使用是优选的。可使用例如闪耀二元光栅的不同类型的光学光栅，并且能选择光栅的设计参数，以使每个衍射级中的强度适应于应用中所要求的强度分布。还可想到的是，仅结构化光场的一部分落在光栅上面，并分成不同的衍射级。在图1中还示出了用于将生成的光场的若干部分引导到特定的方向中的附加的可选择元件(11)。该光学元件能利用分段平坦表面(类似于平棱镜那样)、或利用曲线表面(类似于圆柱透镜那样)或这两者的组合或利用反射光学系统来实现。
在图2中示出了基于平面平行板的阵列的结构化单元的第一简单实现方式。图2的附图标记：1来自独立光源的光束；2独立光源；3光源的阵列；4光源阵列的散热器和底架；5平面平行板的阵列；6用于平面平行板阵列(5)的支架；7平移光束的阵列。
当光束穿过具有与在板外的介质不同的折射率的透明光学材料的倾斜平面平行板时，其在从板离开时在平面平行板的倾斜方向上平移。偏移效应能用于使来自独立光源的光束相对于彼此平移。这通过布置平面平行板实现，所述平面平行板在图2所示的阵列中能完全具有不同的倾斜角度。对于阵列中的每个板元件而言倾斜可在不同的方向上。作为附加或替代方案，板的厚度能在阵列内改变。产生的光束阵列于是必须利用与图1中的元件编号(9)对应的透镜或光学系统投射到场景中。空间编码有效地通过这样获得的场景对象上的照明光斑之间不同的距离实现。为了实现平面平行板的阵列，能使用不同的技术。可能的材料从光学玻璃到光学塑料材料变化。可采用为精确制造像微透镜阵列一样的微光学部件而开发的技术。示例是精确微加工、光刻与蚀刻技术以及用于石英玻璃及其他玻璃材料的热凸凹压印成型。对于光学聚合材料，同样很好地确立了诸如注射成型、压注成型以及凸凹压印成型方法的低成本系列生产技术。
当独立光源的散度足够小并且单个光源之间的距离足够大使得单个光束的路径通过光学设置很好地分开时，如图2所示的光源阵列与平面平行板阵列的布置是合适的。对于产生较大散度的光束的光源，或者当平面平行板的阵列不能安置成足够靠近光源的阵列时，或者当平面平行板的厚度出于稳定的原因而必须选择得较大时，例如，可能需要降低由利用透镜阵列或微透镜阵列的光源所产生的独立光束的散度。该替代方案在图3中被示意性地绘制。
图3的附图标记：1用于光源阵列的散热器和底架；2光源阵列；3独立光源；4发散的单个光束；5准直透镜阵列；6准直的单个光束；7平面平行板的阵列；8平移光束的阵列。
对于某些光源，能够优选的是，在产生的光束阵列在结构化单元中被转变之前，还具有与光束的准直组合的阵列的侧向放大。这能利用如图4示意性绘制的光学元件的布置来实现。应指出的是，在第二透镜元件(6)后面的光束阵列典型地散开，这使得在图中不可见，并且可意味着在平面平行板阵列元件(8)的设计中必须考虑附加的曲率。
图4的附图标记：1用于光源阵列的散热器和底架；2光源阵列；3独立光源；4发散的单个光束；5和6用于独立光束的侧向放大与准直的透镜系统；7准直的独立光束；8平面平行板的阵列；9平移光束的阵列。
结构化单元的另一可能实施例基于光束当以一个角度横过光学致密介质与光学不太致密的介质之间的界面时、例如当光束通过诸如棱镜的倾斜表面离开玻璃体时经历的折射偏转。我们提出了由平坦的入射表面组成并具有倾斜的平坦出射表面的阵列的光源元件。假定输入光束阵列与棱镜表面的阵列结构几何地对准，则该光学元件使光源阵列的准直输出的每个光束在由为光束通过的相应棱镜元件选择的倾斜角度和倾斜方向所确定的不同方向上折射地偏转。
图5示出了棱镜元件阵列及其到光学系统中的集成的示意图。图5的附图标记：1用于光源阵列的散热器和底架；2光源阵列；3独立光源；4发散的单个光束；5和6用于独立光束的侧向放大与准直的透镜系统；7棱镜阵列；8用于结构化光照明的光束阵列。
对于棱镜光学元件阵列的生产，能采用对于上述由平面平行板的阵列组成的光学元件相似的制造技术。能使用光学玻璃以及各种光学塑料材料。能采用像精确微加工、光刻与蚀刻技术或玻璃材料的热凸凹压印成型一样的微光学部件的标准精确制造方法以及注射成型、压注成型或凸凹压印成型方法的用于光学聚合材料的低成本系列生产技术。
对于能利用透镜阵列准直的光源阵列，光学设置能如图6所示意性绘制地变得更紧凑。图6的附图标记：1用于光源阵列的散热器和底架；2光源阵列；3独立光源；4发散的单个光束；5准直透镜阵列；6准直的单个光束；7棱镜表面的阵列；8用于结构化光照明的光束的阵列。
还能够将准直透镜阵列与单个光学元件中的棱镜表面阵列组合。该实现方式在图7中被示意性地表示。图7的附图标记：1用于光源阵列的散热器和底架；2光源阵列；3独立光源；4发散的单个光束；5准直的单个光束；6与棱镜表面阵列组合的准直透镜阵列；7用于结构化光照明的光束的阵列。除了允许紧凑的结构之外，两个光学元件的组合具有要求较少的对准程序的优点，并使得生产的成本减低成为可能。
还将光束的准直集成在单个光学元件中的结构化单元的另一可能实现方式由准直透镜阵列组成，其中，引入了阵列中的透镜的侧向位置的变化。每个透镜的光轴相对于光源的位置的侧向移位导致光轴与离开透镜的已准直光束之间的角度。在图8中示意性地示出了对应的光学设置。图8的附图标记：1用于光源阵列的散热器和底架；2光源阵列；3独立光源；4发散的单个光束；5具有侧向设置的透镜的准直透镜阵列；6用于结构化光照明的光束的阵列。除每个透镜元件的侧向移位之外，能考虑其光轴的倾斜及透镜表面形状的调整，以减轻透镜畸变效应并改善光束的准直。与上述其他实现方式相似，能应用微光学部件的制造中常见的材料和生产技术来制造该光学元件。
与图7和8所示结构类似的结构关于制造成本是非常优选地，其将准直与结构化功能集成在能通过低成本程序和材料连续生产的单个光学元件中。对于需要在大的距离上工作的应用，能添加与图1中的编号(9)对应的辅助光学元件，以改善独立激光器束的准直。
在图9中示意性地绘制了基于反射表面的阵列的另一实现方式。图9的附图标记：1用于光源阵列的散热器和底架；2光源阵列；3独立光源；4发散的单个光束；5和6用于独立光束的侧向放大与准直的透镜系统；7准直的独立光束；8具有不同倾斜的反射表面的阵列；9保持反射表面的阵列的整体结构；10用于结构化光照明的光束的阵列。
在穿过准直阵列中的每个光源的光束的光学系统之后，光在由阵列中的反射表面的装置组成的光学元件上变成完全分开的光束的阵列，使得每个光束在单个表面处被反射。对于每个反射表面，能在由支撑表面阵列的整体结构(9)必须具有实际形状并且不阻碍反射束的路径的要求所给予的可行限制内任意选择相对于入射束的方向的两个倾斜角度。还能给予独立的镜面曲形形状，以改善光束的准直。整体结构(9)能由适合精确微加工并适合被给予反射涂层的任何材料制成。此外，能使用聚合材料和像注射成型一样的低成本生产技术。存在多种标准技术，以涂覆可以是例如银或铝的金属涂层或多层介电涂层的反射涂层。

Claims (15)

1.一种光学系统，其用于生成结构化光场以照明场景，所述光学系统包括光源阵列和布置在所述光源阵列前面的结构化单元，所述结构化单元包括各自具有独立取向的第一光学表面的阵列，其中，所述结构化单元的所述光学表面的独立取向配置成使得源自所述光源的独立光束通过在所述第一光学表面处的折射和/或反射以相应的竖直和水平角度被独立地引导到场景中。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述结构化单元由透明光学材料制成，并包括面对所述光源阵列的后表面和面对要被照明的场景的前表面，并且其中，所述第一光学表面的阵列是所述结构化单元的前表面的整体部分，并且其中，所述结构化单元布置成使得来自所述光源的独立光束穿过所述结构化单元的所述光学材料，并且当所述光束从所述透明光学材料出来时在所述前表面处被折射。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述结构化单元包括第二光学表面的阵列，所述第二光学表面的阵列是所述结构化单元的所述后表面的整体部分，所述第二表面中的每个第二表面布置成与所述第一表面中的相应一个平行。
4.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述结构化单元的所述后表面是平面，并且其中，所述后表面取向成使得所述光源的所述独立光束大致以直角通过所述后表面。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学系统，还包括用于独立地准直所述光源阵列的光束的透镜阵列。
6.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述透镜阵列中的各透镜被集成在单独的透镜单元中，所述单独的透镜单元布置在所述光源阵列与所述结构化单元之间。
7.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述透镜阵列中的各透镜被集成到所述结构化单元的所述后表面中。
8.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述透镜阵列中的各透镜被集成到所述结构化单元的所述第一光学表面中。
9.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一光学表面的阵列是反射表面的阵列，所述反射表面的阵列布置成使得当来自所述光源的独立光束射到所述第一光学表面的阵列时所述光束在所述反射表面处被反射。
10.根据权利要求9所述的光学系统，还包括用于独立地准直所述光源阵列的光束的透镜阵列。
11.根据权利要求10所述的光学系统，其中，所述透镜阵列中的各透镜被集成到所述结构化单元的所述第一光学表面中。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光学系统，还包括具有至少一个透镜的准直单元，其用于准直所述光源阵列的多个所述光束。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的光学系统，还包括附加的光学系统，所述附加的光学系统包括一个或多个折射或衍射透镜元件和/或反射元件，所述附加的光学系统构造成用于使相对于被所述照明覆盖的视野中的两种角度生成的有关光束密度的照明方案适应于特定应用所要求的特殊选择值。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的光学系统，其中，所述结构化单元由光学聚合材料制成，例如通过诸如注射成型和/或压注成型和/或凸凹压印成型方法的有成本效益的生产方法。
15.如权利要求1至14中任一项所述的照明单元，其中，所述光源阵列是VCSEL阵列。
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