CN107111128B - 多镜扫描深度引擎 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扫描设备(20)，该扫描设备(20)包括扫描器(22)，该扫描器包括基部(32)和万向节(28)，该万向节安装在基部内以便相对于基部绕着第一旋转轴旋转。发射镜(24)和至少一个接收镜(26)安装在该万向节内以便绕着相应第二轴互相同步地旋转，该第二轴相互平行并垂直于第一轴。发射器(36)朝向发射镜发出包括光脉冲的光束，该发射镜反射光束使得扫描器扫描场景上的光束。接收器(44)通过来自至少一个接收镜的反射来接收从场景反射的光并生成输出，该输出指示往返于场景中的点的脉冲的渡越时间。

Description

多镜扫描深度引擎

技术领域

本发明通常涉及用于投射和捕获光学辐射的方法和设备，并具体涉及紧凑型光学扫描器。

背景技术

在现有技术中已知用于光学3D测绘的各种方法，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轮廓也被称为3D图、深度图或深度图像，并且3D测绘也被称为深度测绘。

一些3D测绘方法使用渡越时间(time-of-flight)感测。例如，美国专利申请公开2013/0207970，其公开内容以引用方式并入本文，描述了一种扫描深度引擎，其包括发射器和扫描器，该发射器发出包含光脉冲的光束，该扫描器被配置为在场景上在预定义的扫描范围内扫描该光束。该扫描器可包括使用微机电系统(MEMS)技术制备的微镜。接收器接收从场景反射的光并生成输出，该输出指示往返于场景中的点的脉冲的渡越时间。耦接处理器以控制扫描器并处理接收器的输出，以便生成场景的3D图。

使用MEMS技术的另一渡越时间扫描器是由Fraunhofer Institute for PhotonicMicrosystems(IPMS)(Dresden,Germany)制备的Lamda扫描器模块。该Lamda模块是基于由相同扫描镜元件组成的分段式MEMS扫描器设备而构造的。经准直化的发射光束的单个扫描镜平行于接收器光学器件的分段式扫描镜设备而振荡。

PCT国际公布WO 2014/016794，其公开内容以引用方式并入本文，描述了具有增强性能和能力的光学扫描器。在公开的实施方案中，光学装置包括定子组件，该定子组件包括含有气隙的芯以及包括缠绕在该芯上的导电线的一个或多个线圈，以便使该芯响应于在导电线中流动的电流而形成通过该气隙的磁性电路。扫描镜组件包括支撑结构；基部，该基部被安装成相对于该支撑结构绕着第一轴旋转；以及镜，该镜被安装成相对于该基部绕着第二轴旋转。至少一个转子包括一个或多个永久磁体，该一个或多个永久磁体固定到扫描镜组件并位于气隙中以便响应于磁性电路而移动。耦接驱动器以在所选的一个或多个频率下在一个或多个线圈中产生电流，使得该至少一个转子的响应于磁性电路的该移动使基部在第一频率下绕着第一轴旋转，而使镜在第二频率下绕着第二轴旋转。

公开内容以引用方式并入本文的美国专利申请公布2014/0153001描述了一种光学扫描设备，该光学扫描设备包括基板，该基板被蚀刻以限定两个或更多个平行微镜的阵列和围绕该微镜的支撑件。相应主轴将微镜连接到支撑件，从而限定微镜相对于支撑件的相应平行旋转轴。一个或多个柔性耦合构件连接到微镜，以便同步微镜围绕相应轴的振荡。

公开内容以引用方式并入本文的美国专利7,952,781描述了一种扫描光束的方法和一种制造可并入扫描设备中的微机电系统(MEMS)的方法。在公开的实施方案中，具有至少一个微镜的转子组件形成有安装在其上的永久磁体材料，并且定子组件具有用于将预定力矩施加在至少一个微镜上的线圈布置。

发明内容

本发明的实施方案提供用于对发射的和接收的辐射进行同步扫描的改进设备和方法。

因此根据本发明的实施方案提供了一种扫描设备，该扫描设备包括扫描器，该扫描器包括基部和万向节，该万向节安装在基部内以便相对于基部绕着第一旋转轴旋转。发射镜和至少一个接收镜安装在万向节内以便绕着相应第二轴互相同步地旋转，该第二轴相互平行并垂直于第一轴。发射器被配置成朝向发射镜发出包括光脉冲的光束，该发射镜反射光束使得扫描器扫描场景上的光束。接收器被配置成通过来自至少一个接收镜的反射来接收从场景反射的光并生成输出，该输出指示往返于场景中的点的脉冲的渡越时间。

在公开的实施方案中，该扫描器包括基板，该基板在微机电系统(MEMS)工艺中被蚀刻以限定基部、万向节以及发射镜和接收镜。

在一些实施方案中，发射镜和接收镜由相应铰链连接到万向节，该铰链沿着相应第二轴布置并被配置成使得发射镜和接收镜通过相应谐振频率下的振荡而绕着相应铰链旋转，并且发射镜和接收镜耦接在一起以便使振荡同步。万向节可被驱动成相对于基部在非谐振模式下旋转。发射镜和接收镜的旋转通常在频率、相位和幅值上是同步的。

在一个实施方案中，该至少一个接收镜包括与发射镜一起安装在万向节中的两个或更多个接收镜，并且该接收器被配置成通过来自两个或更多个接收镜中的全部接收镜的反射来接收从场景反射的光。

在一些实施方案中，该扫描器被配置成在预定义角度范围内扫描光，并且该设备包括反射器，该反射器定位成将由发射器发出的光反射到发射镜上并将从场景反射的光以预定义角度范围外的反射角从至少一个接收镜反射到接收器。发射器被配置成发出预定义波长范围内的光，并且在一个实施方案中，该反射器包括干涉滤波器，该干涉滤波器定位在扫描器和场景之间并被配置成使以预定义角度范围内的角度入射在干涉滤波器上的在预定义波长范围内的光通过，而反射在预定义角度范围外入射在干涉滤波器上的在预定义波长范围内的光。发射镜和至少一个接收镜通常间隔开足够远使得由反射器发出的光束的镜面反射不落入接收器的视场内。

在公开的实施方案中，该设备包括准直透镜，该准直透镜定位在发射器和扫描器之间并被配置成准直化由发射器发出的光。校正透镜定位于扫描器和接收器之间并被配置成将反射光聚焦在接收器上。在一个实施方案中，该发射器包括激光二极管，并且该接收器包括雪崩光电二极管。

根据本发明的实施方案，还提供了一种用于扫描的方法，该方法包括提供扫描器，该扫描器包括：基部；万向节，该万向节安装在基部内以便绕着第一旋转轴相对于基部旋转；以及发射镜和至少一个接收镜，该发射镜和至少一个接收镜安装在万向节内以便绕着相应第二轴互相同步地旋转，该第二轴相互平行并垂直于第一轴。包括光脉冲的光束被朝向发射镜导引，该发射镜反射光束使得扫描器扫描场景上的光束。通过来自至少一个接收镜的反射来接收从场景反射的光并生成输出，该输出指示往返于场景中的点的脉冲的渡越时间。

在一个实施方案中，该方法包括处理该输出以便基于脉冲的渡越时间产生场景的三维(3D)图。

结合附图，从下文中对本发明的实施方案的详细描述将更充分地理解本发明，在附图中：

附图说明

图1是示出根据本发明的实施方案的光学扫描设备的示意性图示；

图2A是图1的光学扫描设备的示意性图示，示出了根据本发明的实施方案的设备中发射的和接收的光束的路径；并且

图2B是图1的光学扫描设备的示意性侧视图，示出了根据本发明的实施方案的设备中发射的和接收的光束的路径。

具体实施方式

本文公开的本发明的实施方案提供了一种扫描设备，该扫描设备具有用于发射通道和接收通道的单独、同步扫描镜。可使用MEMS工艺将镜有利地生产成为在单个万向节上的紧凑型耦接阵列。

在公开的实施方案中，该扫描设备包括扫描器，该扫描器包括基部和万向节，该万向节安装在基部内以便相对于基部绕着第一旋转轴旋转。发射镜和至少一个接收镜安装在万向节内并绕着相应轴互相同步地旋转，该轴相互平行并垂直于万向节的第一轴。发射器朝向发射镜发出包括光脉冲的光束，该发射镜反射光束使得扫描器扫描场景上的光束。接收器通过来自接收镜(或多个接收镜)的反射来接收从场景反射的光并生成输出，该输出指示往返于场景中的点的脉冲的渡越时间。这个输出例如可被处理以便产生场景的3D图。

其中发射镜和接收镜紧密耦接在相同万向节上的这个新型设计在生产紧凑型扫描设备时是有利的，该紧凑型扫描设备相对于现有技术中已知的设备减小了尺寸和复杂性。因为光学发射通道和光学接收通道平行但分离，所以光束分离器无需对通道进行合并，因此减少了组件数并避免了在光束分离器上不可避免地发生接收光的损失。发射通道和接收通道的分离在减小由于扫描设备内发射光束的镜面反射而到达接收器的杂散光的量上有用。

现在参考附图1、图2A和图2B，其示意性图示了根据本发明的实施方案的光学扫描设备20。图1呈现了设备20的绘图概览，而图2A和图2B分别是示出了设备内的光学光束路径的绘图和侧视图。设备20可与如现有技术中已知的合适处理器、扫描驱动器和机械封装结合来尤其有利地用作为3D测绘系统或其它深度感测(LIDAR)设备的一部分。(然而，为了简化的目的，这些组件从图中省略。)另选地，设备20可在诸如宽角度光学链路上的自由空间光学通信之类的其它应用中适于用作扫描光学收发器。

扫描设备20建立在扫描器22周围，包括相邻的发射镜24和接收镜26，该发射镜和接收镜一起安装在万向节28内。虽然这里仅示出单个接收镜，但在另选的实施方案中(图中未示出)，两个或更多个接收镜可平行于发射镜24并排安装在万向节28内。多个同步接收镜的以此方式的使用有利于扩大接收器的有效孔径，同时维持小尺寸并因此维持单独镜的低惯性。通常，对于便携式应用而言，设备20中每个微镜的面积在2.5mm²至50mm²的范围内，并且扫描器22的总面积近似为1cm²。另选地，可取决于应用需求来生产较大或甚至较小的这类扫描器。

镜24和26相对于万向节28绕着相应铰链30旋转，而万向节28相对于基部32绕着铰链34旋转。铰链30沿着图中X轴相互平行(因此镜24和26的旋转轴也如此)。如沿着Y轴定向所示，铰链30被定向使得万向节28的旋转轴垂直于镜轴。如先前阐述，扫描器22可由诸如半导体晶片之类的基板制成，该基板在MEMS工艺中被蚀刻以限定基部32、万向节28以及发射镜24和接收镜26。(反射涂层被沉积在镜上作为该工艺的一部分。)万向节28以及镜24和26可通过任何合适类别的驱动来被驱动成绕着其相应轴旋转，该驱动诸如上文在背景技术部分中引用的参考资料中所描述的磁性驱动或者现有技术中已知的其它类型的磁性和电子扫描器驱动。

发射镜24和接收镜26以及铰链30的尺寸和质量可视需要进行选择使得镜通过相应谐振频率下的振荡来绕着其相应铰链30旋转。虽然这些谐振频率由于制造公差而略微不同，但如下文所描述，发射镜和接收镜耦接在一起以便使它们的振荡同步。这种耦接通常使发射镜和接收镜的旋转在频率、相位和幅值上同步。另一方面，万向节28可被驱动成在非谐振模式下相对于基部32旋转，其旋转频率通常基本上低于镜24和26的谐振频率。镜24和26绕着X轴的快速旋转以及万向节28绕着Y轴的较慢旋转可协调以便在受关注区域上限定发射的和接收的光束的光栅扫描。另选地，镜24、26和万向节28的旋转可受控制以产生其他类别的扫描图案。

各种类型的链路可用来耦接镜24和26的旋转。例如，镜可由与镜接触的机械链路来耦接在一起，如上述美国专利申请公布2014/0153001中所描述。另选地或附加地，镜可通过由电磁力施加的链路而耦接在一起，电磁力可在镜之间没有机械接触的情况下操作，例如如2014年1月19日提交的美国临时专利申请61/929,071中所描述，该申请的公开内容以引用方式并入本文中。通常，弱耦接力足以产生所期望的同步，尤其是在镜被驱动以其旋转谐振频率或近似旋转谐振频率进行扫描的情况下。

发射器36发出光脉冲，该光脉冲由准直透镜38准直化并由选择的反射器40朝向发射镜24导引。(在本描述的上下文中以及在权利要求中，术语“光”是指任何波长的光学辐射，包括可见辐射、红外线辐射和紫外线辐射。)从场景反射回来的光由接收镜26朝向反射器40导引，并从反射器40导引到校正透镜42，该校正透镜将反射光聚焦在接收器44上。在另选的光学布局(图中未示出)中，从场景反射回来的光由接收镜26朝向校正透镜导引而没有从反射器40反射。附加地或另选地，反射器40也可从发射路径去除。

接收器44通常包括高速光电检测器。在一个实施方案中，发射器36包括脉冲激光二极管，而接收器44包括雪崩光电二极管，但是任何其它合适类别的发出和感测部件可另选地用于设备20中。

镜24和26之间的距离经过选择以使发射光学器件和接收光学器件能够布置在相应光束路径中，并消除扫描设备内发射的光束的镜面反射。具体来说，镜间隔开足够远使得由发射器36发出的光束的由反射器40的镜面反射不落入接收器44的视场内。具体地，在本发明的实施方案中，为了防止发射的光从发射镜24经由反射器40直接穿行到接收镜26，当反射器40的法线位于接收通道的瞬时视场内时，镜之间的距离应大于这个路径上该发射光束的横向行进距离。例如，如果镜24、26和反射器40之间的距离是7mm，并且接收通道的视场是半角为3^O的锥体，那么镜之间的距离应大于2*sin(3^O)*7mm＝0.73mm。否则，接收器44将因镜面反射而致盲。

扫描器22在预定义角度范围上同时扫描发射的和接收的光束，使得在该扫描中的每个点处，接收器44从场景的相同区域接收光，该区域在该点处由发射器36照亮。图2B以举例方式示出了在角度扫描范围内的万向节28的两个不同旋转角度下的发射的和接收的光束角度。反射器40被配置和定位以便选择性地将由发射器36发出的光以在扫描角度范围外的多个反射角度反射到发射镜24上，并且类似地将从场景反射的光以这些角度从接收镜26反射到接收器44。另一方面，如图2A和图2B中所示，反射器40选择性地发射在镜24、26和被扫描场景之间的预定义角度扫描范围内的光(但如先前所阐述，在一些另选的实施方案中，反射器40不存在于发射通道或接收通道或两者中)。

为了达到这类角度选择，反射器40可包括通常呈反射器表面上的涂层形式的干涉滤波器，该干涉滤波器设计成在由发射器36发出的光的预定义波长范围下操作。此类干涉滤波器的波长响应随着滤波器上入射光线的角度变化而改变，其中滤波器的光谱传输频带通常随着入射角增大而朝向较短波长移位。这个取决于角度的行为及其在实现描述反射器40特征的这类角度选择时的使用进一步在2014年2月16日提交的美国临时专利申请61/940,439中描述，该申请以引用方式并入本文中。

因此，反射器40上的干涉滤波器涂层设计成使以扫描器22的预定义角度扫描范围内的角度入射在反射器上的在发射器36的预定义波长范围内的光通过，该光诸如在镜24、26和被扫描的场景之间行进的光。而且，干涉滤波器涂层反射预定义角度扫描范围外的入射在反射器40上的在预定义波长范围内的光，诸如在发射器36和镜24之间以及镜26和接收器44之间行进的光。

因此，干涉滤波器涂层使反射器40能够用作以高角度朝向其导引的光的调谐镜，以及当以较低角度范围扫描通过干涉滤波器涂层时用作相同光束的带通滤波器。因此，反射器40提供的附加益处是减少从场景到接收器44的受关注波长范围外的不期望的杂散光的传输。反射器40的这种双重用途——用作调谐镜和带通滤波器两者——利于扫描设备20的紧凑型设计并相对于现有技术中已知的设备减少了部件数。

虽然上述附图示出了扫描设备20的部件的特定光学设计和布局，但本发明的原理可应用于其他设计的扫描设备中。例如，扫描器22可包括具有不同形状、尺寸、定向并与附图中所示的那些间隔开的镜和万向节，并可进一步包括如上述的两个或更多个平行接收镜。再如，发射器36和接收器44可定位成在不干预反射器40的情况下直接将光发射到扫描器22并从扫描器22直接接收光。基于上述原理的另选设计将对熟悉本领域的技术人员是显而易见的，并且还被认为处于本发明的范围内。

因此，应当理解，上述实施方案通过示例的方式进行引用，并且本发明并不限于上文具体示出并描述的内容。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在现有技术中没有公开的其变型形式和修改形式的组合和子组合。

Claims (20)

1.一种扫描设备，包括：

扫描器，所述扫描器包括：

基部；

万向节，所述万向节安装在所述基部内以便相对于所述基部绕着第一旋转轴旋转；和

发射镜和至少一个接收镜，所述至少一个接收镜与所述发射镜分离，其中所述发射镜和所述至少一个接收镜安装在相同的万向节内以便绕着相应第二轴互相同步地旋转，该相应第二轴相互平行并垂直于所述第一旋转轴；

发射器，所述发射器被配置成沿着光学发射通道朝向所述发射镜发出包括光脉冲的光束，所述发射镜反射所述光束使得所述扫描器在场景上扫描所述光束；和

接收器，所述接收器被配置成通过来自所述至少一个接收镜的沿光学接收通道的反射来接收从所述场景反射的光，并生成输出，所述输出指示往返于所述场景中的点的该脉冲的渡越时间，所述光学接收通道与所述光学发射通道平行但分离。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述扫描器包括基板，所述基板在微机电系统(MEMS)工艺中被蚀刻以限定所述基部、所述万向节以及所述发射镜和接收镜。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述发射镜和接收镜由相应铰链连接到所述万向节，所述相应铰链沿着所述相应第二轴布置并被配置成使得所述发射镜和接收镜通过相应谐振频率下的振荡来绕着所述相应铰链旋转，并且其中所述发射镜和接收镜耦接在一起以便使所述振荡同步。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述万向节被驱动成相对于所述基部在非谐振模式下旋转。

5.根据权利要求3所述的设备，其中所述发射镜和接收镜的旋转在频率、相位和幅值上是同步的。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中所述至少一个接收镜包括与所述发射镜一起安装在所述万向节中的两个或更多个接收镜，并且其中所述接收器被配置成通过来自所述两个或更多个接收镜中的全部接收镜的反射来接收从所述场景反射的光。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中所述扫描器被配置成在预定义角度范围内扫描光，并且

其中所述设备包括反射器，所述反射器定位成将由所述发射器发出的光反射到所述发射镜上并将从所述场景反射的光以所述预定义角度范围外的反射角从所述至少一个接收镜反射到所述接收器。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述发射器被配置成发出预定义波长范围内的光，并且

其中所述反射器包括干涉滤波器，所述干涉滤波器定位在所述扫描器和所述场景之间并被配置成使以所述预定义角度范围内的角度入射在所述干涉滤波器上的在所述预定义波长范围内的光通过，而反射在所述预定义角度范围外入射在所述干涉滤波器上的在所述预定义波长范围内的光。

9.根据权利要求7所述的设备，其中所述发射镜和所述至少一个接收镜间隔开足够远使得由所述反射器发出的光束的镜面反射不落入所述接收器的视场内。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，并且包括：

准直透镜，所述准直透镜定位在所述发射器和所述扫描器之间并被配置成准直化由所述发射器发出的光；和

校正透镜，所述校正透镜定位在所述扫描器和所述接收器之间并被配置成将所反射的光聚焦在所述接收器上。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中所述发射器包括激光二极管，并且所述接收器包括雪崩光电二极管。

12.一种用于扫描的方法，包括：

提供扫描器，所述扫描器包括：

基部；

万向节，所述万向节安装在所述基部内以便相对于所述基部绕着第一旋转轴旋转；和

发射镜和至少一个接收镜，所述至少一个接收镜与所述发射镜分离，其中所述发射镜和所述至少一个接收镜安装在相同的万向节内以便绕着相应第二轴互相同步地旋转，该相应第二轴相互平行并垂直于所述第一旋转轴；

沿着光学发射通道朝向所述发射镜来导引包括光脉冲的光束，所述发射镜反射所述光束使得所述扫描器在场景上扫描所述光束；以及

通过来自所述至少一个接收镜的沿光学接收通道的反射来接收从所述场景反射的光，并生成输出，所述输出指示往返于所述场景中的点的该脉冲的渡越时间，所述光学接收通道与所述光学发射通道平行但分离。

13.根据权利要求12所述的方法，其中提供所述扫描器包括在微机电系统(MEMS)工艺中蚀刻基板以限定所述基部、所述万向节以及所述发射镜和接收镜。

14.根据权利要求12所述的方法，其中提供所述扫描器包括通过相应铰链将所述发射镜和接收镜连接到所述万向节，所述相应铰链沿着所述相应第二轴布置并被配置成使得所述发射镜和接收镜通过相应谐振频率下的振荡来绕着所述相应铰链旋转，以及将所述发射镜和接收镜耦接在一起以便使所述振荡同步。

15.根据权利要求14所述的方法，其中提供所述扫描器包括驱动所述万向节使其相对于所述基部在非谐振模式下旋转。

16.根据权利要求14所述的方法，其中将所述发射镜和接收镜耦接在一起包括使所述发射镜和接收镜的旋转在频率、相位和幅值上同步。

17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其中提供所述扫描器包括将两个或更多个接收镜与所述发射镜一起安装在所述万向节中，其中从所述场景反射的光通过来自所述两个或更多个接收镜中的全部接收镜的反射被接收。

18.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其中提供所述扫描器包括在预定义角度范围内扫描光，并且

其中所述方法包括定位反射器以便将所述光束反射到所述发射镜上，并将从所述场景反射的光以所述预定义角度范围外的反射角从所述至少一个接收镜进行反射。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述光束包括预定义波长范围内的光，并且

其中所述反射器包括干涉滤波器，所述干涉滤波器定位在所述扫描器和所述场景之间并被配置成使以所述预定义角度范围内的角度入射在所述干涉滤波器上的在所述预定义波长范围内的光通过，而反射在所述预定义角度范围外入射在所述干涉滤波器上的在所述预定义波长范围内的光。

20.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，包括处理所述输出以便基于该脉冲的渡越时间来产生所述场景的三维(3D)图。