利用折射或反射光的結構化元件從光源陣列生成結構化光場的光學系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明總體上涉及例如在結構化光3D掃描儀中的例如通過結構化光三角法的3D映射的結構化光應用的領域，并且更具體地說涉及一種利用光源陣列的輸出生成結構化光場的光學系統。
【背景技術】
[0002]場景通過結構化光三角法的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上。該光線的圖像的定位與照明成像設置的確切幾何知識一起允許確定光線與對象之間的交點的相對位置。這假定人們已知結構化光圖案的哪一光線與對象相交。找到與圖像中的點對應的圖案的光線常常被稱為對應問題。
[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構化光。激光器二極管可以是表面發射型的，其中在與半導體晶片表面垂直的方向上發射光。多個這樣的激光器二極管被單片地集成，以形成陣列。陣列中的獨立的激光器二極管的位置被空間地編碼，以形成非規則的獨特圖案。
[0004]該類型的照明單元的挑戰在于以這樣的方式將獨立的光源分布在給定的芯片區域上，使得在芯片區域的任何給定子區域中的光源的位置的圖案是獨特的。
[0005]除了結構化光場的空間編碼之外，結構化光成像應用典型地要求系統的特定視野(FOV)、系統應在其上精確操作的某一距離范圍、以及仍然應被分辨的場景對象中的細節的特定最小尺寸。這些要求從一個應用到另一應用各不相同。
[0006]對于某些應用，例如，有用的是，如果系統應在其上操作的距離范圍可通過設計被設定成隨著橫跨FOV的角度而變化。相似地，在某些應用中，優化的結構化光場允許視野上變化的分辨率，也就是說結構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構化光生成器，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系統將該陣列的輸出投射到FOV中來實現。然而，由于成本原因，并且由于各種各樣的技術限制，這樣的光源陣列的尺寸以及將光源布置在陣列內的自由度受限制，使得對于應用要求設計系統的靈活性也受限制。
[0008]技術問題
[0009]本發明的目的是提供一種光學系統，其給予設計結構化光場的較大的靈活性。該目的通過如權利要求1所述的裝置實現。

【發明內容】

[0010]本發明涉及一種光學系統，其通過準直、偏轉或反射每個獨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到場景中來將光源陣列的輸出轉變成結構化光照明。每個光束的空間方向的選擇自由度使得在使照明適應關于光束在視野上的分布的特定應用要求方面的高靈活性成為可能。這能通過標準的低成本光源陣列實現，不需要獨立光束的復雜布置。
[0011]本發明大體上涉及一種用于生成結構化光場以照明場景的光學系統，所述光學系統包括光源陣列和布置在所述光源陣列前面的結構化單元。光源優選地是諸如LED或VCSEL(垂直腔面發射激光器)的單獨的小孔徑光源。結構化單元包括具有獨立取向的第一光學表面的陣列，這意味著光學表面相對于源自獨立光束的光束單獨地傾斜。所述結構化單元的所述光學表面的獨立取向配置成使得源自所述光源的獨立光束通過在所述第一光學表面處的折射和/或反射以相應的豎直和水平角度被獨立地引導到場景中。
[0012]采用根據本發明的光學系統，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生圖案。光學系統的部件因而獨立于所述光源陣列內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直以及用于投射的任意選擇的光圖案的生成。優選地與所述光源陣列分開的結構化單元的使用使得能夠根據應用的特定要求成形照明場。由于照明場的形狀由結構化單元的構造決定，所以應意識到的是，對于光源的給定布置，能夠通過替換結構化單元來改變照明場的形狀。
[0013]在本發明的可能實施例中，所述結構化單元由透明光學材料制成，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。所述第一光學表面的陣列優選地是所述結構化單元的前表面的整體部分，并且其中，所述結構化單元布置成使得來自所述光源的獨立光束穿過所述結構化單元的所述光學材料，并且當所述光束從所述透明光學材料出來時在所述前表面處被折射。技術人員當然明確地得出，在替代性實施例中，第一光學表面可以是所述結構化單元的后表面的整體部分。在該情況下，當來自所述光源的獨立光束進入所述透明光學材料時所述光束在所述后表面處被折射。
[0014]在可能的實施例中，結構化單元包括第二光學表面的陣列，所述第二光學表面的陣列是所述結構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一個平行，因而形成用于使獨立光束中的每個獨立光束側向平移的獨立取向的平面平行板的陣列。
[0015]替代性地，所述結構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立光束大致以直角通過所述后表面。
[0016]在優選的實施例中，光學系統還包括用于獨立地準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的透鏡單元中，所述單獨的透鏡單元布置在所述光源陣列與所述結構化單元之間，或者所述透鏡陣列中的各透鏡可被集成到所述結構化單元的所述后表面中，或者甚至可被集成到所述結構化單元的所述第一光學表面中。
[0017]在另一實施例中，第一光學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來自所述光源的獨立光束射到所述第一光學表面的陣列時所述光束在所述反射表面處被反射。透鏡陣列可用于獨立地準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構化單元之間的單獨的透鏡單元中，或者可被集成到所述結構化單元的所述第一光學表面中。
[0018]光學系統還可包括具有至少一個透鏡(優選地兩個單獨的透鏡)的準直單元，其用于準直所述光源陣列的多個所述光束。系統可包括附加的光學系統，所述附加的光學系統包括一個或多個折射或衍射透鏡元件和/或反射元件，所述附加的光學系統構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光束密度的照明方案適應于特定應用所要求的特殊選擇值。
[0019]結構化單元優選地由光學聚合材料(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方法生產。
[0020]作為本發明的目的的光學系統使得具有更高自由度的結構化光場中的空間編碼方法的實現成為可能，并給予根據關于FOV的應用要求、在FOV上的結構化光場的亮度分布以及系統應在其上作為橫跨FOV的角度的函數運行的距離范圍設計結構化光場更大的靈活性。這甚至當照明生成器基于以規則圖案布置的光源陣列時也能容易地實現。
[0021]對于要求大的操作距離的應用，必須在FOV的一部分中生成結構化光場中的高的光學功率。生成結構化光圖案的標準的基于全息的方法不能實現所需要的高的照明亮度。
[0022]利用高亮度的光源陣列，由本發明所描述的光學系統允許生成結構化光場，該結構化光場能被調整，以