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。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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。技术问题本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术涉及一种光学系统，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。本专利技术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。采用根据本专利技术的光学系统，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。在本专利技术的可能实施例中，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。作为本专利技术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，由本专利技术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，以当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：N·赫施巴赫，
申请(专利权)人：IEE国际电子工程股份公司，
类型：发明
国别省市：卢森堡;LU
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