掃描深度引擎的制作方法
【專利摘要】制圖裝置(22)包括發(fā)射包含光脈沖的射束的發(fā)射器44和被配置為在場景上在預(yù)定的掃描范圍內(nèi)掃描射束(38)的掃描器(46)。接收器(48)接收從場景反射的光并且產(chǎn)生指示脈沖來往于場景中的點的飛行時間的輸出。處理器(42)被耦合為控制掃描器以使得射束在掃描范圍內(nèi)的選擇的窗口(32、34、36)上掃描并處理接收器的輸出以產(chǎn)生場景的處于選擇的窗口內(nèi)的一部分的3D地圖。
【專利說明】掃描深度引擎

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般涉及用于投影和捕獲光學(xué)放射線的方法和裝置，特別涉及光學(xué)3D制 圖。

【背景技術(shù)】
[0002] 在光學(xué)3D制圖即通過處理物體的光學(xué)圖像產(chǎn)生物體的表面的3D輪廓的領(lǐng)域中， 各種方法是已知的。這種類型的3D輪廓也被稱為3D地圖、深度地圖或深度圖像，并且，3D 制圖也被稱為深度制圖。
[0003] 美國專利申請公開2011/0279648描述了用于構(gòu)建主體的3D表示的方法，該方法 包括用照相機捕獲主體的2D圖像。該方法還包括在主體上掃描調(diào)制的照射射束以一次一 個地照射主體的多個目標區(qū)域并且從于目標區(qū)域中的每一個反射的照射射束測量光的調(diào) 制方面。使用移動鏡子射束掃描器以掃描照射射束，并且，使用光電檢測器以測量調(diào)制方 面。該方法還包括基于對于目標區(qū)域中的每一個測量的調(diào)制方面來計算深度方面，并且使 深度方面與2D圖像的相應(yīng)的像素相關(guān)聯(lián)。
[0004] 美國專利8018579描述了通過測量振幅調(diào)制掃描射束隨其相移的路徑長度而在 成像容積中光學(xué)檢測用戶輸入的三維成像和顯示系統(tǒng)。呈現(xiàn)了關(guān)于檢測的用戶輸入的視覺 圖像用戶反饋。
[0005] 美國專利7952781描述了掃描光射束的方法和可在掃描裝置中加入的微電氣機 械系統(tǒng)（MEMS)的制造方法，在這里加入其公開作為參考。
[0006] 美國專利申請公開2012/0236379描述了使用MEMS掃描的LADAR系統(tǒng)。掃描鏡子 包括被圖案化為包含鏡子區(qū)域、鏡子區(qū)域周圍的框架和框架周圍的基座的基板。一組致動 器操作以使鏡子區(qū)域相對于框架圍繞第一軸旋轉(zhuǎn)，并且，第二組致動器使框架相對于基座 圍繞第二軸旋轉(zhuǎn)。可使用半導(dǎo)體處理技術(shù)制造掃描鏡子。用于掃描鏡子的驅(qū)動器可使用 對于三角移動使鏡子操作的反饋回路。可在用于計算系統(tǒng)的Natural User Interface的 LADAR系統(tǒng)中使用掃描鏡子的一些實施例。
[0007] 由SICK AG (Hamburg,德國）協(xié)調(diào)的"MiniFaros"財團已支持關(guān)于用于汽車應(yīng)用 的新激光掃描器的工作。在minifaros, eu網(wǎng)站上可得到其它的細節(jié)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 以下描述的本發(fā)明的一些實施例提供使用掃描射束的深度制圖的改善的裝置和 方法。
[0009] 因此，根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供一種制圖裝置，該制圖裝置包括：被配置為發(fā)射 包含光脈沖的射束的發(fā)射器；和被配置為在場景上在預(yù)定的掃描范圍內(nèi)掃描射束的掃描 器。接收器被配置為接收從場景反射的光并且產(chǎn)生指示脈沖來往于場景中的點的飛行時間 的輸出。處理器被f禹合為控制掃描器以使得射束在掃描范圍內(nèi)的選擇的窗口上掃描并處理 接收器的輸出以產(chǎn)生場景的處于選擇的窗口內(nèi)的一部分的3D地圖。
[0010] 在一些實施例中，處理器被配置為選擇不同的窗口以在射束的每個掃描中掃描。 處理器可被配置為在可覆蓋掃描器的整個掃描范圍的第一掃描期間處理接收器的輸出，以 產(chǎn)生場景的第一 3D地圖，并且響應(yīng)第一 3D地圖的特征而選擇在第二掃描期間優(yōu)先掃描的 窗口。
[0011] 處理器可被配置為識別第一 3D地圖中的物體，并限定窗口以包含識別的物體。在 公開的實施例中，物體包含裝置的用戶的身體的至少一部分，并且，處理器被配置為響應(yīng)在 第一掃描期間用戶做出的姿勢而識別身體的一部分。
[0012] 在一個實施例中，處理器被配置為驅(qū)動掃描器以用相對于第一掃描得到提高的分 辨率掃描選擇的窗口。作為替代方案，或者，另外，處理器被配置為驅(qū)動掃描器以按比第一 掃描期間高的巾貞率掃描第二窗口。對于至少一些掃描，選擇的窗口不需要居中于預(yù)定的掃 描范圍內(nèi)。
[0013] 在一些實施例中，掃描器包括使用微電氣機械系統(tǒng)（MEMS)技術(shù)制成的微鏡子，并 且，發(fā)射器被配置為引導(dǎo)射束以從微鏡子向場景反射。微鏡子可被配置為圍繞兩個軸旋轉(zhuǎn)， 其中，處理器被稱合為控制微鏡子關(guān)于軸中的至少一個的旋轉(zhuǎn)范圍以限定窗口。
[0014] 另外，或者，作為替代方案，處理器可被耦合為改變微鏡子關(guān)于軸中的至少一個的 旋轉(zhuǎn)速度以限定窗口。在一個這種實施例中，微鏡子的旋轉(zhuǎn)范圍在第一掃描和第二掃描中 相同，并且，處理器被耦合為在第二掃描期間改變關(guān)于軸中的至少一個的旋轉(zhuǎn)速度，使得微 鏡子在選擇的窗口上的掃描速度比在范圍的其它部分上慢。
[0015] 在一些實施例中，掃描器包括基板，該基板被蝕刻以限定微鏡子和支撐件，以及沿 第一軸連接微鏡子與支撐件的第一錘錠和沿第二軸連接支撐件與基板的第二錘錠。電磁驅(qū) 動器使得微鏡子和支撐件圍繞第一錘錠和第二錘錠旋轉(zhuǎn)。電磁驅(qū)動器可包含：包含具有空 氣間隙的至少一個磁芯和纏繞在磁芯上的至少一個線圈的定子組件；和上面安裝微鏡子和 支撐件并且懸在空氣間隙中以響應(yīng)被驅(qū)動經(jīng)過至少一個線圈的電流而在空氣間隙內(nèi)移動 的至少一個轉(zhuǎn)子。在公開的實施例中，至少一個磁芯和至少一個轉(zhuǎn)子包含兩個芯部且懸在 芯部的相應(yīng)的空氣間隙中的兩個轉(zhuǎn)子，并且，電磁驅(qū)動器被配置為用不同的電流驅(qū)動兩個 芯部上的線圈，以使得微鏡子和支撐件以不同的相應(yīng)的速度旋轉(zhuǎn)，使得微鏡子以光柵圖案 掃描。
[0016] 在一些實施例中，電磁驅(qū)動器使得微鏡子以作為旋轉(zhuǎn)的共振頻率的第一頻率圍繞 第一錘錠旋轉(zhuǎn)，同時使得支撐件以比第一頻率低且可以不是共振頻率的第二頻率圍繞第二 錘錠旋轉(zhuǎn)。在公開的實施例中，支撐件包含：通過第一錘錠與微鏡子連接的第一支撐件；通 過第二錘錠與基板連接的第二支撐件；和連接第一支撐件與第二支撐件的第三錘錠，其中， 電磁驅(qū)動器被配置為使得第一支撐件圍繞第三錘錠相對于第二支撐件旋轉(zhuǎn)。
[0017] 一般地，接收器包含被配置為經(jīng)由微鏡子接收來自場景的反射光的檢測器。在公 開的實施例中，該裝置包括被定位成向微鏡子引導(dǎo)由發(fā)射器發(fā)射的射束，同時允許反射光 到達檢測器的射束分裂器，其中，發(fā)射的射束和反射光具有在射束分裂器與微鏡子之間平 行的相應(yīng)的光軸。射束分裂器可僅在射束分裂器的表面的一部分上利用偏光反射涂層被 圖案化，并且可被定位成使得表面的圖案化部分攔截來自發(fā)射器的射束并向微鏡子反射射 束。任選地，射束分裂器可包含射束分裂器的反側(cè)上的帶通涂層，該帶通涂層被配置為阻止 發(fā)射器的發(fā)射帶外的光到達接收器。發(fā)射器和接收器可在單個集成封裝中一起安裝于微光 學(xué)基板上。
[0018] 在公開的實施例中，處理器被配置為可變地控制由發(fā)射器發(fā)射的脈沖的功率水 平，這一控制是響應(yīng)于響應(yīng)一個或更多個以前的脈沖而來自接收器的輸出的水平的。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，還提供一種光電子模塊，該光電子模塊包括：微光學(xué)基板； 和包含安裝于微光學(xué)基板上并被配置為沿射束軸發(fā)射至少一個激光射束的激光小片的射 束發(fā)射器。接收器包含安裝于微光學(xué)基板上并被配置為感測沿接收器的收集軸由模塊接收 的光的檢測器小片。射束組合光學(xué)器件被配置為引導(dǎo)激光射束和接收光，使得在模塊外面 射束軸與收集軸對準。
[0020] 在一些實施例中，射束組合光學(xué)器件包含被射束軸和收集軸攔截的射束分裂器。 在這些實施例中的某個實施例中，射束軸和收集軸均與基板垂直，并且，射束組合光學(xué)器件 包含被配置為向射束分裂器偏轉(zhuǎn)射束軸和收集軸中的一個，使得射束軸和收集軸以不同的 相應(yīng)的角度入射于射束分裂器上的反射器。射束組合光學(xué)器件可包含具有相對的第一表面 和第二表面的透明板，并且，射束分裂器在第一表面上形成，而反射器在第二表面上形成。 板可包含在表面中的一個上形成的濾光器，以排除處于射束發(fā)射器的發(fā)射帶外面的接收 光。
[0021] 另外，或者，作為替代方案，射束組合光學(xué)器件包含被配置為使至少一個激光射束 準直化并將接收光聚焦于檢測器小片上的至少一個透鏡。在一個實施例中，至少一個透鏡 包含被配置為經(jīng)過第一孔徑使至少一個激光射束準直化并被配置為經(jīng)過比第一孔徑大的 第二孔徑收集接收光的雙焦透鏡。
[0022] 在一些實施例中，激光小片是邊緣發(fā)射小片，并且，模塊包含安裝于基板上并被配 置為反射來自激光小片的至少一個激光射束以使激光射束遠離基板的轉(zhuǎn)向鏡子。溝槽可在 激光小片與轉(zhuǎn)向鏡子之間的基板中形成，其中，模塊包含安裝于溝槽中并被配置為使至少 一個激光射束準直化的球透鏡。在另一實施例中，模塊包含安裝于基板上以使從轉(zhuǎn)向鏡子 反射之后的至少一個激光射束準直化的透鏡，其中，透鏡具有在將激光小片組裝于基板上 之前測量的焦距，并且，激光小片到基板上的轉(zhuǎn)向鏡子的距離響應(yīng)測量的焦距被調(diào)整。
[0023] 在其它的實施例中，激光小片包含垂直空腔表面發(fā)射激光器（VCSEL)的第一陣 列，并且，射束發(fā)射器包含分別與VCSEL對準以傳送由VCSEL產(chǎn)生的相應(yīng)的激光射束的微透 鏡的第二陣列。
[0024] 在公開的實施例中，至少一個激光射束和接收光被引導(dǎo)以入射于模塊外面的掃描 鏡子上，其中，該鏡子在場景上掃描至少一個激光射束和接收器的視場。
[0025] 另外，根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供一種用于制圖的方法，該方法包括：操作掃描器 以在場景上在預(yù)定的掃描范圍內(nèi)掃描包含光脈沖的射束。接收從場景反射的光并且產(chǎn)生指 不脈沖來往于場景中的點的飛行時間的輸出。在掃描器的操作中，控制掃描器以使得射束 優(yōu)先在掃描范圍內(nèi)的選擇的窗口上掃描。處理接收器的輸出以產(chǎn)生場景的處于選擇的窗口 內(nèi)的一部分的3D地圖。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，還提供一種用于制造光電子模塊的方法。該方法包括在微 光學(xué)基板上安裝包含被配置為沿射束軸發(fā)射至少一個激光射束的激光小片的射束發(fā)射器。 在微光學(xué)基板上安裝包含被配置為沿接收器的收集軸感測由模塊接收的光的檢測器小片 的接收器。關(guān)于微光學(xué)基板定位射束組合光學(xué)器件，以引導(dǎo)激光射束和接收光，使得在模塊 外面射束軸與收集軸對準。
[0027] 并且，根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供一種射束產(chǎn)生裝置，該射束產(chǎn)生裝置包括具有光 學(xué)通帶的諸如GaAs的半導(dǎo)體基板。在半導(dǎo)體基板的第一面上形成垂直空腔表面發(fā)射激光 器（VCSEL)的第一陣列，并且VCSEL被配置為以處于通帶內(nèi)的波長經(jīng)過基板發(fā)射相應(yīng)的激 光射束。以分別與VCSEL對準的方式在半導(dǎo)體基板的第二面上形成微透鏡的第二陣列以傳 送通過VCSEL產(chǎn)生的激光射束。
[0028] VCSEL可相對于微透鏡向內(nèi)偏移，以使得相應(yīng)的激光射束分散開。作為替代方案， VCSEL可相對于微透鏡向外偏移，以使得相應(yīng)的激光射束一起會聚于焦點腰。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，還提供一種光電子模塊，該光電子模塊包括具有在其中形 成的溝槽的微光學(xué)基板。包含邊緣發(fā)射激光小片的射束發(fā)射器被安裝在與溝槽相鄰的微光 學(xué)基板上并被配置為沿與基板平行的射束軸發(fā)射激光射束。球透鏡被安裝于溝槽中并被配 置為使激光射束準直化。轉(zhuǎn)向鏡子被安裝于基板上并被配置為反射從球透鏡出射的準直化 的激光射束以使激光射束遠離基板。射束擴展器被配置為收集和擴展從轉(zhuǎn)向鏡子反射之后 的激光射束。
[0030] 另外，根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供一種用于制造光電子模塊的方法。該方法包括： 在微光學(xué)基板中形成溝槽和在與溝槽相鄰的微光學(xué)基板上安裝包含被配置為沿射束軸發(fā) 射激光射束的邊緣發(fā)射激光小片的射束發(fā)射器，使得射束軸與基板平行。球透鏡被安裝于 溝槽中以使激光射束準直化。在基板上安裝轉(zhuǎn)向鏡子，以使從球透鏡出射的準直化的激光 射束離開基板。在轉(zhuǎn)向鏡子上安裝射束擴展器，以收集和擴展從轉(zhuǎn)向鏡子反射之后的激光 射束。
[0031] 在公開的實施例中，射束發(fā)射器、球透鏡、轉(zhuǎn)向鏡子和射束擴展器被對準并在不在 激光小片上通電的情況下被緊固于模塊中的適當(dāng)?shù)奈恢弥小?br> [0032] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，還提供一種制圖裝置，該制圖裝置包括被配置為發(fā)射包含 光脈沖的射束的發(fā)射器和被配置為在場景上掃描射束的掃描器。接收器被配置為接收從場 景反射的光并且產(chǎn)生指示脈沖來往于場景中的點的飛行時間的輸出。處理器被耦合為處理 在射束的第一掃描期間接收器的輸出以產(chǎn)生場景的3D地圖，同時控制由發(fā)射器發(fā)射的脈 沖的功率水平，這一控制是響應(yīng)于響應(yīng)一個或更多個以前的脈沖而來自接收器的輸出的水 平的。
[0033] -般地，處理器被配置為控制脈沖的功率水平，以減少從場景的不同部分接收的 反射光的強度的變化。為了評估和調(diào)整功率水平，一個或更多個以前的脈沖可包含由發(fā)射 器發(fā)射的偵察脈沖。
[0034] 結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明的實施例的以下詳細描述，將更完整地理解本發(fā)明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的深度制圖系統(tǒng)的示意性圖示；
[0036] 圖2是示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的實施例的深度引擎的功能部件的框圖；
[0037] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的光學(xué)掃描頭的示意性圖示；
[0038] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的MEMS掃描器的示意性圖示；
[0039] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的微鏡子單元的示意性圖示；
[0040] 圖6A和圖6B是根據(jù)本發(fā)明的實施例的光電子模塊的示意性側(cè)視圖；
[0041] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的光電子模塊的示意性側(cè)視圖；
[0042] 圖8A和圖8B是根據(jù)本發(fā)明的又一實施例的光電子模塊的示意性側(cè)視圖；
[0043] 圖9是根據(jù)本發(fā)明的實施例的射束組合器的示意性側(cè)視圖；
[0044] 圖10A和圖10B是根據(jù)本發(fā)明的又一實施例的光電子模塊的示意性側(cè)視圖；
[0045] 圖11A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的射束發(fā)射器的示意性側(cè)視圖；
[0046] 圖11B和圖11C分別是根據(jù)本發(fā)明的實施例的射束產(chǎn)生器的示意性側(cè)視圖和后視 圖；
[0047] 圖11D是根據(jù)本發(fā)明的替代性實施例的射束產(chǎn)生器的示意性側(cè)視圖；
[0048] 圖12A是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的射束發(fā)射器的示意性側(cè)視圖；
[0049] 圖12B和圖12C分別是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的射束產(chǎn)生器的示意性側(cè)視圖和 后視圖；
[0050] 圖13?15是根據(jù)本發(fā)明的其它實施例的光電子模塊的示意性側(cè)視圖。

【具體實施方式】
[0051] 受讓給本專利申請的受讓人的PCT國際公開W0 2012/020380描述了包括照射模 塊的用于制圖的裝置，在這里加入其公開作為參考。該模塊包括被配置為發(fā)射放射線射束 的放射線源和被配置為接收射束并在選擇的角度范圍上掃描射束的掃描器。照射光學(xué)器件 投影掃描的射束以產(chǎn)生在關(guān)注的區(qū)域上擴展的斑點圖案。成像模塊捕獲在關(guān)注區(qū)域中投影 到物體上的圖案的圖像。為了構(gòu)建物體的三維（3D)圖像，處理器處理圖像。
[0052] 與這種基于圖像的制圖系統(tǒng)相反，以下描述的本發(fā)明的一些實施例提供通過測量 掃描射束的飛行時間產(chǎn)生3D制圖數(shù)據(jù)的深度引擎。諸如激光器的光發(fā)射器將光的短脈沖 引向掃描鏡子，該掃描鏡子在一定掃描范圍內(nèi)在關(guān)注場景上掃描光射束。諸如靈敏、高速光 電二極管（例如，雪崩光電二極管）的接收器經(jīng)由同一掃描鏡子接收從場景返回的光。處 理電路測量掃描中的各點處的傳送光脈沖與接收光脈沖之間的時間延遲。該延遲指示光射 束行進的距離，并由此指示該點處的物體的深度。處理電路在產(chǎn)生場景的3D地圖時使用由 此提取的深度數(shù)據(jù)。
[0053] 基于這種類型的深度引擎的系統(tǒng)能夠提供動態(tài)、交互式的縮放功能。掃描器可被 控制，以使得射束在掃描范圍內(nèi)的選擇的窗口上掃描，并由此產(chǎn)生場景的處于選擇的窗口 內(nèi)的一部分的3D地圖。可在射束的每個掃描中選擇不同的窗口。例如，在首先掃描寬角度 范圍并創(chuàng)建關(guān)注場景的廣角、低分辨率3D地圖（可能掃描整個范圍）之后，深度引擎可被 控制以在于場景內(nèi)識別的特定窗口或物體上放大。以這種方式放大使得深度引擎能夠以 更高的分辨率在選擇的窗口內(nèi)提供數(shù)據(jù)，或者，作為替代方案，或者，另外，增加其掃描的幀 率。
[0054] 系統(tǒng)描述
[0055] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的深度制圖系統(tǒng)20的示意性圖示。該系統(tǒng)基于捕獲 包含一個或更多個物體的關(guān)注體積（V0I) 30中的3D場景信息的掃描深度引擎22。在本例 子中，物體包含用戶28的身體的至少一部分。引擎22將包含深度數(shù)據(jù)的一系列的幀輸出 到計算機24,該計算機24處理并從地圖數(shù)據(jù)提取高級信息。該高級信息可例如被提供給在 計算機24上運行的應(yīng)用，該應(yīng)用因此驅(qū)動顯示畫面26。
[0056] 為了重構(gòu)包含用戶28的V0I 30的深度地圖，計算機24處理由引擎22產(chǎn)生的數(shù) 據(jù)。在一個實施例中，引擎22在掃描場景的同時發(fā)射光脈沖，并測量從場景反射回的脈沖 的相對延遲。引擎22或計算機24中的處理器然后基于場景中的各測量點（X，Y)處的光脈 沖的飛行時間計算場景中的點（包含用戶的身體的表面上的點）的3D坐標。該方法的有 利之處在于，它不要求用戶保持或者配戴任何類型的信標、傳感器或其它的標記。它給出場 景中的點相對于引擎22的位置的深度（Ζ)坐標，并且允許在場景內(nèi)掃描的區(qū)域的動態(tài)縮放 和偏移。以下更詳細地描述深度引擎的實現(xiàn)和操作。
[0057] 雖然計算機24作為例子在圖1中被示為與深度引擎22分開的單元，但可通過適 當(dāng)?shù)奈⑻幚砥骱蛙浖蛘咄ㄟ^處于深度引擎的外殼內(nèi)或者另外與深度引擎相關(guān)的專用電 路執(zhí)行計算機的處理功能中的一些或全部。作為另一替代方案，可通過與顯示屏26-體化 (例如，在電視機中）的適當(dāng)?shù)奶幚砥骰蛘哂弥T如游戲控制臺或媒體播放器的任何其它適 當(dāng)?shù)念愋偷挠嬎阊b置實施這些處理功能中的至少一些。引擎22的感測功能可類似地集成 到計算機24或要由深度輸出控制的其它計算裝置中。
[0058] 出于簡化和闡明的目的，在以下的描述中，在圖1中標記一組的Cartesian軸。Ζ 軸取為與深度引擎22的光軸平行。深度引擎的前面取為X-Y面，X軸是水平的。但是，限 定這些軸只是為了方便。可替代性地使用深度引擎及其關(guān)注體積的其它幾何配置，并將其 視為處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0059] 圖1示出深度引擎22的縮放能力。首先，由引擎22發(fā)射的射束38掃描整個 V0I 30,并產(chǎn)生整個場景的低分辨率深度地圖。場景范圍可以較大，例如，如圖所示，為 120° (X)X80° (Y)。（在本說明書中提到的"掃描范圍"意味著制圖系統(tǒng)要操作的整個范 圍，它可能小于深度引擎22中的掃描器在物理上能夠掃描的整個范圍。）計算機24識別用 戶28并指示引擎22將其掃描范圍變窄到包含用戶的窗口 32,并由此產(chǎn)生在窗口中的物體 的高分辨率深度地圖。任選地，如窗口 34和36例示的那樣，計算機24可指示引擎22進一 步在用戶的面部或身體的特定部位或特征上放大。引擎22的指示以及它們的執(zhí)行可以是 動態(tài)的，即，計算機24可指示引擎22在掃描器的操作期間修改掃描窗口。因此，例如，響應(yīng) 用戶的移動或者場景中的其它變化或者應(yīng)用要求，窗口的位置可在幀與幀之間改變。如圖 所示，窗口不需要居中于掃描范圍內(nèi)并且實際上可位于范圍內(nèi)的任何位置上。
[0060] 通過控制引擎22的掃描范圍實現(xiàn)這些動態(tài)縮放功能。一般地，引擎22以光柵圖 案掃描V0I 30。例如，為了產(chǎn)生窗口 32,減小光柵掃描的X范圍，而Y范圍保持不變。當(dāng)深 度引擎在具有固定的振幅和頻率（諸如5?10kHz)的共振掃描中迅速地沿Y方向掃描同 時以希望的幀率（諸如30Hz)沿X方向更慢地掃描時，可方便地實現(xiàn)這種類型的窗口。X方 向掃描不是旋轉(zhuǎn)的共振頻率。因此，X方向掃描的速度可在掃描范圍上改變，使得各幀包含 多個垂直窗口，諸如在用戶28中的每一個上掃描相應(yīng)的窗口，同時在他們之間的空間上跳 過。作為另一替代方案，可減小掃描的Y范圍，由此減小整個垂直視野。
[0061] 另外，或者，作為替代方案，也可以控制掃描的Y范圍，由此給出在X和Y上具有不 同的范圍的掃描窗口 34和36。并且，可在每個幀期間調(diào)制掃描的Y范圍和/或X范圍和X 偏移，使得可以掃描非矩形的窗口。
[0062] 計算機24可經(jīng)由通過深度引擎提供的命令界面指示深度引擎22改變縮放（即， 改變縮放窗口的尺寸和/或位置）。計算機可運行應(yīng)用程序界面（API)和/或適當(dāng)?shù)闹虚g 件，使得在計算機上運行的應(yīng)用程序可調(diào)用命令界面。
[0063] 可通過計算機或者替代性地或者另外通過深度引擎22中的嵌入軟件實現(xiàn)各種縮 放控制模型。如上所述，計算機或深度引擎可基于深度地圖的分析實時（on the fly)改變 縮放。首先，深度引擎和計算機可在廣角、低分辨率搜索模式中操作，并且然后當(dāng)在場景中 識別用戶時可縮放到高分辨率跟蹤模式。例如，當(dāng)用戶進入場景時，計算機可檢測用戶的有 無和位置，并指示深度引擎在其位置上放大。當(dāng)用戶然后擺出一定的姿勢時，計算機可檢測 該姿勢并指示深度引擎進一步在用戶的手上放大。
[0064] 參照以下的附圖描述支持以上的類型的方案的掃描鏡子設(shè)計和深度引擎的其它 細節(jié)。
[0065] 圖2是示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的實施例的深度引擎22的功能部件的框圖。如 圖所示，引擎22包含光學(xué)頭40和可實現(xiàn)為專用集成電路（ASIC)的控制器42 (也稱為處理 器）。
[0066] 光學(xué)頭40包含諸如激光二極管的發(fā)射器44,該發(fā)射器44的輸出通過適當(dāng)?shù)耐哥R 被準直化。發(fā)射器44輸出可包含可見、紅外和/或紫外放射線（在本說明書和權(quán)利要求的 上下文中，均稱為"光"）的光射束。可類似地在ASIC 53中實現(xiàn)的激光驅(qū)動器調(diào)制激光輸 出，使得它發(fā)射一般具有亞納秒上升時間的短脈沖。如后面描述的那樣，激光射束被引向可 使用MEMS技術(shù)制造和驅(qū)動的掃描微鏡子46。微鏡子一般經(jīng)由諸如適當(dāng)?shù)耐哥R（在后面的 示圖中表示）的投影/收集光學(xué)器件在場景上掃描射束38。
[0067] 從場景反射回的光脈沖被光學(xué)器件收集并且從掃描鏡子46反射到接收器48上。 (作為替代方案，作為被發(fā)射器和接收器共享的單個鏡子的替代，可以使用一對同步的鏡 子，一個用于發(fā)射器，另一個用于接收器，同時仍支持引擎22的交互縮放能力）。接收器一 般包括諸如雪崩光電二極管（APD)的靈敏、高速光電檢測器連同放大通過光電檢測器輸出 的電脈沖的諸如跨阻放大器（TIA)的靈敏放大器。這些脈沖指示相應(yīng)光脈沖的飛行時間。 [0068] 為了提取作為掃描位置（X，Y)的函數(shù)的深度（Z)值，通過控制器42處理通過接收 器48輸出的脈沖。出于這種目的，脈沖可通過高速模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A2D)56被數(shù)字化， 并且可通過深度處理邏輯50處理得到的數(shù)字值。相應(yīng)的深度值可經(jīng)由USB端口 58或其它 的適當(dāng)?shù)慕涌诒惠敵龅接嬎銠C24。
[0069] 在一些情況下，特別是在場景中的物體的邊緣附近，給定的投影光脈沖可導(dǎo)致被 接收器48檢測的兩個反射光脈沖一在前景中從物體自身反射的第一脈沖，后跟從物體后 面的背景反射的第二脈沖。邏輯50可被配置為處理兩個脈沖，從而給出相應(yīng)像素處的兩個 深度值（前景和背景）。計算機24可在產(chǎn)生場景的更精確的深度地圖時使用這兩值。
[0070] 控制器42還包括用于向引擎22的部件提供電力的功率轉(zhuǎn)換器57,并控制光學(xué)頭 40的傳送、接收和掃描功能。例如，控制器42中的MEMS控制電路52可將命令引向光學(xué)頭 以修改以上解釋的鏡子46的掃描范圍。諸如適當(dāng)?shù)碾姼谢螂娙輦鞲衅鳎ㄎ词境觯┑呐c掃 描鏡子相關(guān)的位置傳感器可向MEMS控制功能提供位置反饋。激光控制電路54和接收器控 制電路55類似地控制發(fā)射器44和接收器48的操作的多個方面，諸如振幅、增益、偏移和偏 壓。
[0071] 為了使入射于接收器48上的脈沖的光學(xué)功率的水平均衡化，ASIC 53中的激光驅(qū) 動器和/或激光控制電路54可自適應(yīng)地控制發(fā)射器44的輸出功率。該自適應(yīng)補償由于 反射光脈沖的場景的不同部分中的物體的距離和反射率的變化出現(xiàn)的反射脈沖的強度的 變化。因此，可提高信號/噪聲比，同時避免檢測器飽和。例如，可基于響應(yīng)諸如在當(dāng)前脈 沖中由發(fā)射器發(fā)射的前一脈沖或前多個脈沖和/或前一掃描中的鏡子46的該X、Y位置處 的脈沖的一個或更多個以前的脈沖而來自接收器48的輸出的水平來調(diào)整各傳送脈沖的功 率。任選地，光學(xué)頭40的元件可出于評價返回的功率或物體距離的目的被配置為以全部或 部分功率傳送和/或接收"偵察脈沖"，并且可因此然后調(diào)整發(fā)射器44的輸出。
[0072] 光學(xué)掃描頭
[0073] 圖3是表示根據(jù)本發(fā)明的實施例的光學(xué)頭40的元件的示意性圖示。發(fā)射器44向 偏光射束分裂器60發(fā)射光脈沖。一般地，只有射束分裂器的直接處于發(fā)射器60的光路中 的較小的區(qū)域被涂敷以用于反射，而射束分裂器的剩余部分完全透明（或者甚至涂敷有抗 反射涂層）以允許返回光穿過以到達接收器48。來自發(fā)射器44的光反射離開射束分裂器 60,并然后被折疊鏡子62引向掃描微鏡子46。MEMS掃描器64以希望的掃描頻率和振幅沿 X方向和Y方向掃描微鏡子46。在以下的附圖中表不微鏡子和掃描器的細節(jié)。
[0074] 從場景返回的光脈沖入射到微鏡子46,該微鏡子46經(jīng)由轉(zhuǎn)向鏡子62反射光從而 通過射束分裂器60。接收器48感測返回的光脈沖并產(chǎn)生相應(yīng)的電脈沖。為了增強檢測的 靈敏度，射束分裂器60的總面積和接收器48的孔徑明顯大于傳送射束的面積，并且射束分 裂器因此被圖案化，即，反射涂層僅在其上面入射傳送射束的表面的部分上延伸。射束分裂 器的反向側(cè)可具有帶通涂層，以阻止發(fā)射器44的發(fā)射帶外面的光到達接收器。還希望微鏡 子46在掃描器施加的慣性約束內(nèi)盡可能地大。例如，微鏡子的面積可以為約10?15mm 2。
[0075] 這里作為例子描述圖3所示的光學(xué)頭的特定機械和光學(xué)設(shè)計，并且，實現(xiàn)類似的 原理的替代性設(shè)計被視為處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。以下描述可結(jié)合掃描微鏡子使用的光電子 模塊的其它例子。
[0076] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的MEMS掃描器46的示意性圖示。該掃描器按與在上 述的美國專利7952781中描述的原理類似的原理被制造和操作，但使得能夠?qū)崿F(xiàn)單個微鏡 子46的二維掃描。在于2012年7月26日提交的美國臨時專利申請61/675828中進一步 描述這種類型的雙軸的基于MEMS的掃描器，在這里加入該專利申請作為參考。但是，本發(fā) 明的替代性實施例可使用在本領(lǐng)域中已知的其它類型的掃描器，包括使用兩個單軸掃描器 的設(shè)計（例如，諸如在美國專利7952781中描述的那些）。
[0077] 通過適當(dāng)?shù)匚g刻半導(dǎo)體基板68以使微鏡子與支撐件72分開并使支撐件與剩余的 基板68分開，來制造微鏡子46。在蝕刻之后，微鏡子46(施加了適當(dāng)?shù)姆瓷渫繉樱┠軌蛟?錘錠70上相對于支撐件72沿Y方向旋轉(zhuǎn)，同時支撐件72在錘錠74上相對于基板68沿X 方向旋轉(zhuǎn)。
[0078] 微鏡子46和支撐件72安裝于包含永磁體的一對轉(zhuǎn)子76上。（圖中只能看到轉(zhuǎn)子 中的一個）。轉(zhuǎn)子76懸在磁芯78的相應(yīng)的空氣間隙中。芯部78被導(dǎo)線的相應(yīng)的線圈80 纏繞，由此產(chǎn)生電磁定子組件。（雖然出于簡化的目的在圖4中示出每個芯部的單個線圈， 但兩個或更多個線圈可替代性地纏繞在每個芯部上；并且，也可使用不同的芯部形狀。）驅(qū) 動電流經(jīng)過線圈80在空氣間隙中產(chǎn)生磁場，該磁場與轉(zhuǎn)子76的磁化交互作用，以使得轉(zhuǎn)子 旋轉(zhuǎn)或者另外在空氣間隙內(nèi)移動。
[0079] 特別地，線圈80可利用高頻差動電流被驅(qū)動，以使得微鏡子46高速地關(guān)于錘錠70 往復(fù)共振旋轉(zhuǎn)（如上所述，一般處于5?10kHz的范圍中，但也可使用更高或更低的頻率）。 該共振旋轉(zhuǎn)從引擎22產(chǎn)生輸出射束的高速Y方向光柵掃描。同時，線圈80 -起以低頻被 驅(qū)動，以通過使支撐件72關(guān)于錘錠74旋轉(zhuǎn)經(jīng)過希望的掃描范圍而驅(qū)動X方向掃描。X旋轉(zhuǎn) 和Y旋轉(zhuǎn)一起產(chǎn)生微鏡子46的總體光柵掃描圖案。
[0080] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的微鏡子單元82的示意性圖示?？梢园磁c以上 參照掃描器64描述的方式類似的方式使用MEMS技術(shù)制造組件82并使其操作。在本實施 例中，微鏡子46通過錘錠84與Y支撐件86連接，該Y支撐件86通過錘錠88與X支撐件 90連接。X支撐件通過錘錠92與基板（圖中未示出）連接。微鏡子46在錘錠84上以高 頻率往復(fù)共振旋轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生上述的高速Y方向掃描。Y支撐件和X支撐件86和90利用可 變的振幅和偏移低速旋轉(zhuǎn)，以限定組件82將掃描的X-Y窗口。例如，如圖1所示，該配置可 被方便地用于產(chǎn)生窗口 34和36上的掃描。
[0081] 這里作為例子描述圖4和圖5所示的特定的基于MEMS的掃描器。在替代性實施 例中，可在深度引擎22中使用其它類型的MEMS掃描器以及基于其它掃描技術(shù)的適當(dāng)?shù)膾?描器。所有這些實現(xiàn)被視為處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0082] 可通過向以上描述的類別的基于微鏡子的掃描器施加適當(dāng)?shù)尿?qū)動信號實現(xiàn)各種 掃描模式。上面已提到在特定窗口上放大的可能性。如上所述，即使當(dāng)整個視場被掃描時， X方向掃描率也可在掃描過程中改變，以通過相對較慢地在一個或更多個區(qū)域上掃描微鏡 子，同時以較快的速率掃描場景的剩余部分，而給出這些區(qū)域內(nèi)更高的分辨率。通過當(dāng)微鏡 子在場景上沿一個方向掃描（例如，從左到右掃描）時保持固定的X方向掃描率以給予低 分辨率深度地圖并且在沿相反方向掃描（在從右到左的返回掃描上）的同時在快慢之間改 變X方向掃描率，特定區(qū)域的這些高分辨率掃描可逐幀地與在整個掃描上用低分辨率掃描 交錯。可通過施加適當(dāng)?shù)尿?qū)動信號類似地實現(xiàn)其它類型的可變交錯掃描圖案。
[0083] 光電子模塊
[0084] 圖3所示的光學(xué)頭40從離散的光學(xué)和機械部件的組裝需要精確的對準并且可能 是昂貴的。在替代性實施例中，可在諸如硅光學(xué)具座（SiOB)或基于諸如氧化鋁、氮化鋁或 玻璃（Pyrex? )的半導(dǎo)體或陶瓷基板的其它類型的微光學(xué)具座的微光學(xué)基板上，在單個 集成模塊封裝中組合需要精確的放置和對準的所有部分（諸如光發(fā)射器、接收器和相關(guān)的 光學(xué)器件）。這種方法可節(jié)省成本并且可使得深度引擎更容易操作。
[0085] 圖6A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的這種類型的光電子模塊100的示意性側(cè)視圖。用作 發(fā)射器的激光小片104和驅(qū)動器芯片106被放在硅光學(xué)具座（SiOB) 102上。本實施例中的 激光小片104是邊緣發(fā)射器件，但在其它的實施例中，如后面描述的那樣，可以使用表面發(fā) 射器件。來自小片104的激光輸出射束從轉(zhuǎn)向鏡子108反射并且通過透鏡110準直化。為 了使其射束軸與接收器的對準，棱鏡112可被放在激光射束中。棱鏡12可制成為透鏡110 的單片部分，并且一般覆蓋透鏡的區(qū)域的較小的部分（諸如透鏡通光孔徑的1/10)。
[0086] 激光器一般具有明顯低于透鏡110的數(shù)值孔徑（NA)。因此，透鏡處的激光射束將 遠比通過透鏡捕獲的返回射束窄。（任選地，例如，為了減小透鏡110看到的射束的數(shù)值孔 徑，如圖8A所示，球透鏡可在激光小片104與鏡子108之間位于SiOB 102上。另外，或者， 作為替代方案，與圖6B所示的透鏡元件類似，可向透鏡110添加附加的透鏡元件以使外出 的激光射束準直化。）來自模塊110的輸出激光射束入射到掃描鏡子，該掃描鏡子在關(guān)注的 場景上掃描射束。
[0087] 經(jīng)由掃描鏡子從場景返回的光被透鏡110收集，該透鏡110使光聚焦于具座102 上的雪崩光電二極管（APD)小片114上。如以上解釋的那樣，APD的輸出通過跨阻放大器 (TIA) 116被放大。作為替代方案，可在模塊110中（以及在以下描述的替代性模塊設(shè)計 中）使用其它類型的檢測器和放大器，只要它們對于手上的應(yīng)用具有足夠的靈敏度和速度 即可。由于傳送和接收使用透鏡的不同部分，因此透鏡110可向激光器和Aro呈現(xiàn)不同或 類似的準直化性能。
[0088] 例如，可通過晶片級光學(xué)器件或聚合材料或玻璃的成形制造透鏡110。這種透鏡 可具有產(chǎn)生模塊110的側(cè)壁的"腿"，由此密封模塊?？稍诰壣蠄?zhí)行模塊110的組裝， 其中，具有安裝的小片的SiOB的晶片與透鏡的晶片接合，并然后被切割。作為替代方案，具 有適當(dāng)?shù)匦纬傻目涨坏拈g隔物晶片可與SiOB晶片接合，并且透鏡晶片在其頂部上接合。并 且，作為替代方案，可使用單個化的硅光學(xué)具座和透鏡實施組裝。在任何情況下，整個模塊 110將具有中空立方的形狀，一般邊長為約5?8mm。（作為替代方案，在本實施例和以下描 述的其它實施例中，微光學(xué)具座和其上面的部件可利用透明的蓋子被密封，并然后可將具 有其它的相關(guān)光學(xué)器件的透鏡110組裝為精確的追加物（add-on))。
[0089] 圖6B是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的光電子模塊117的示意性側(cè)視圖。除了在模 塊117中反射來自激光小片104的射束的鏡子118呈約45°的角度并且激光射束沿與由透 鏡110和AH)小片114限定的接收光的光軸（這里稱為"收集軸"）平行的軸被反射以外， 模塊117與模塊110類似。（收集軸是設(shè)計選擇的事項，并且可相對于AH)小片114的面傾 斜。）在該配置中，不需要棱鏡112,但可通過使元件119與透鏡110 -起成形添加附加的 透鏡元件119,以例如使外出的激光射束準直化。只要來自激光小片104的投影射束和APD 小片114的收集軸平行，本實施例中的軸之間的偏移就不對系統(tǒng)性能具有明顯的影響。
[0090] 作為例子表示以上的附圖中的鏡子108和118的角度，并且，大于和小于45°的其 它角度均可被替代性地使用。一般希望針對包含來自由激光小片104發(fā)射的射束的向后反 射光的雜散光屏蔽Aro小片114。出于這種原因，更尖的反射角度的鏡子118 (與圖6A的實 施例中的鏡子108相比）是有利的。在替代性實施例（圖中未示出）中，甚至可以使用更 尖的反射角度，使得激光射束的相應(yīng)的投影光學(xué)器件適當(dāng)?shù)刈赃m應(yīng)。例如，SiOB 102,或者， 替代性地，位于SiOB 102的頂部的硅間隔物晶片（未示出），可包含（100)硅晶體，并且可 沿（111)面被濕蝕刻并然后被金屬或電介質(zhì)疊層涂敷以形成54. 74°的傾角的鏡子。在這 種情況下，透鏡110可傾斜或者另外被配置為將軸外聚焦到AH)小片114上。任選地，模塊 100或117也可包含用于針對激光射束的雜散反射屏蔽Aro小片的光擋板或其它手段（未 示出）。作為替代方案，或者，另外，對于大于45°的角度，Aro小片114可被放在激光小片 104后面，而不是圖示的其前面。
[0091] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的又一實施例的光電子模塊120的示意性側(cè)視圖。除了將發(fā)射 器元件（激光小片104和驅(qū)動器106)放在臺座122上且為了對準傳送射束和接收射束而 將射束分裂器124安裝在Si0B102之上外，該模塊與模塊100和117類似。射束分裂器124 可在于模塊120中斜取向的透明板126上包含較小的適當(dāng)涂敷的區(qū)域。當(dāng)激光小片104被 配置為輸出偏光射束時，射束分裂器124可是偏光依賴的，以在通過正交偏光的同時反射 激光射束的偏光方向，由此提高模塊的光學(xué)效率。
[0092] 圖8A和圖8B是根據(jù)本發(fā)明的又一實施例的光電子模塊130的示意性側(cè)視圖。圖 8B所示的示圖相對于圖8A的示圖旋轉(zhuǎn)90°，使得在圖8A的示圖的前面看到的項目處于圖 8B的左側(cè)。本實施例與前面的實施例的不同在于，傳送射束和接收射束在模塊130內(nèi)分開， 并且通過安裝在模塊的基板之上的射束組合器142在離開模塊時被對準。
[0093] 由激光小片104發(fā)射的照射射束通過位于在SiOB 102中的溝槽中的球透鏡134 被準直化?？赏ㄟ^諸如濕蝕刻的在本領(lǐng)域中已知的技術(shù)以光刻精度在硅（和其它的半導(dǎo)體 材料）中產(chǎn)生溝槽135。作為替代方案，或者，另外，可甚至在沒有溝槽135的情況下通過精 確的取放機器將球透鏡直接固定于SiOB上。轉(zhuǎn)向鏡子136反射準直化的射束以使其遠離 SiOB 102并經(jīng)過保護模塊130中的光電子部件的覆蓋玻璃137。由于球透鏡134 -般僅實 現(xiàn)部分的準直化，因此可以使用射束擴展器138以按3?10的因子擴展激光射束，并由此 增強其準直化。雖然射束擴展器138在這里被示為單元件光學(xué)部件，但可替代性地使用多 元件射束擴展器。模塊130的設(shè)計的有利之處在于，它可在不需要主動對準的情況下被精 確組裝，即，可以在不實際上在激光小片104上通電的情況下在細微的容限內(nèi)完成組裝和 對準。
[0094] 通過射束擴展器138輸出的準直化的射束通過射束組合器142中的反射器144轉(zhuǎn) 向，并然后通過射束分裂器146向著掃描鏡子向外折回。如以上參照圖7解釋的那樣，假定 激光小片104要輸出偏光射束，射束分裂器146可有利地是偏光依賴的。從掃描鏡子返回 的收集射束穿過射束分裂器146并然后通過收集透鏡140聚焦于APD 114上。如圖8A和 圖8B所示，為了在模塊130的幾何約束內(nèi)使光收集效率最大化，收集透鏡可具有不對稱的 細長的形狀。
[0095] 雖然射束組合器142在圖8B中被示為單個棱鏡元件，但可替代性地使用其它的實 現(xiàn)。例如，可通過以下的兩個單獨的帶角度的板執(zhí)行射束組合功能：替代反射器144的反射 板和替代射束分裂器146的射束分裂板。
[0096] 圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的可替代射束組合器142使用的射束組合器150 的示意性側(cè)視圖。射束組合器150包含由例如玻璃制成的透明基板152,該透明基板152帶 有替代反射器144的反射涂層154和替代射束分裂器146的射束分裂涂層156 ( -般是偏 光依賴的）。可在基板152的前后表面的投影射束和收集射束進出組合器150的剩余區(qū)域 上施加抗反射涂層158。射束組合器150的設(shè)計有利于制造和組裝的簡化。
[0097] 圖10A和圖10B是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的光電子模塊160的示意性側(cè)視圖。 兩個示圖相對于彼此旋轉(zhuǎn)90°，使得在圖10A的前面的元件出現(xiàn)于圖10B的右側(cè)。除了在 模塊160中沒有用于準直化的球透鏡以外，模塊160的設(shè)計和操作的原理與模塊130(圖 8A/B)類似。從激光小片104傳送的射束的準直化透鏡164和從掃描鏡子接收的射束的收 集透鏡166在這種情況下被直接安裝于模塊的覆蓋玻璃162上。與圖8A/B的實施例同樣， 傳送射束和接收射束的射束軸一般通過射束組合器（這些圖未示出）對準。
[0098] 如果透鏡164和166具有嚴格制造容限，那么，在覆蓋玻璃162的頂部上，可通過 使用機器視覺技術(shù)以使它們的光學(xué)中心與模塊160的適當(dāng)?shù)妮S對準，來組裝它們。但是，特 別是當(dāng)在晶片級處理中大規(guī)模制造透鏡時，這種微型透鏡一般具有一般為1?5%的量級 的較大的制造容限。這種容限如果不被測量和考慮，將會使得來自激光小片104的射束的 較差的準直化。
[0099] 為了避免這種類型的情況，可事先測量準直化透鏡164的實際有效焦距（EFL)。例 如，當(dāng)在晶片級處理中制造透鏡164時，可在組裝模塊160之前在晶片級上精確測量各透鏡 的EFL。激光小片104到各模塊160中的基板上的轉(zhuǎn)向鏡子136的距離可然后如圖10A中 的水平箭頭所示的那樣在制造時被調(diào)整，以匹配相應(yīng)的透鏡164的測量EFL。激光小片然 后被固定（一般通過膠或焊接）于適當(dāng)?shù)奈恢蒙?。激光小片的位置的這種調(diào)整很好地處于 現(xiàn)有的取放機器的能力內(nèi)，這些取放機器可類似地被用于使透鏡164精確地居中于轉(zhuǎn)向鏡 子136上的覆蓋玻璃162上。作為結(jié)果，可在不實際通電和操作激光小片104的情況下組 裝和對準模塊的部件，即，不需要"主動對準"。
[0100] 取放機器可類似地被用于定位收集透鏡166。但是，由于收集射束的不太嚴格的 幾何約束和APD 114的相對較大的尺寸，因此收集透鏡的EFL變化不太關(guān)鍵。因此，作為圖 10A和圖10B所示的在覆蓋玻璃162上安裝收集透鏡166的替代方案，收集透鏡可在制造之 后與射束組合器一起被組裝到模塊160上。
[0101] 作為替代方案，如上所述，可在諸如陶瓷或玻璃基板的其它類型的微光學(xué)基板上 制造基于上述的實施例的原理的模塊。陶瓷材料可有利于電氣性能。
[0102] 在其它的替代性實施例（圖中未示出）中，光電子模塊的傳送部分和接收部分可 單獨地安裝于兩個不同的微光學(xué)具座上。由于對于接收器的要求是高頻信號的高帶寬、低 損失和低價格，而對于發(fā)射器主要需求是熱導(dǎo)率以及出于激光二極管的可靠性的氣密密 封，因此該方法會是有利的。
[0103] 基于表面發(fā)射器的射束發(fā)射器和模塊
[0104] 現(xiàn)在參照示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的射束發(fā)射器170的圖11A?C。圖 11A是整個射束發(fā)射器的側(cè)視圖，而圖11B和圖11C分別是在發(fā)射器170中使用的射束產(chǎn)生 器172的側(cè)視圖和后視圖。發(fā)射器170特別適用于可在上述的類型的光學(xué)掃描頭中集成的 光電子模塊中，并且，在后面進一步描述這種類型的模塊。但是，這種類型的發(fā)射器也可被 用于需要小型化源以產(chǎn)生高強度、易于控制的輸出射束的其它應(yīng)用中。
[0105] 射束產(chǎn)生器172包含諸如垂直空腔表面發(fā)射激光器（VCSEL)的表面發(fā)射器件178 的陣列。由器件178發(fā)射的射束被將射束引向準直化透鏡175的微透鏡176的相應(yīng)陣列收 集?？煞奖愕卦谥T如諸如GaAs晶片的適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體晶片的透明光學(xué)基板180的相對面上形 成器件178和微透鏡176。（GaAs具有從約900nm開始的光學(xué)通帶，S卩，它在比約900nm長 的波長處是透明的，并因此通過在基板180的后側(cè)由器件178發(fā)射的這種波長的放射線。） 基板180的厚度一般為約0. 5_，但可替代性地使用更小或更大的尺寸。如圖11C最清楚地 表示的那樣，器件178的位置相對于相應(yīng)的微透鏡176的中心向內(nèi)偏移，由此在由微透鏡傳 送的各單個射束之間引起角度分散。
[0106] 圖11D是根據(jù)本發(fā)明的替代性實施例的射束產(chǎn)生器182的示意性側(cè)視圖。在本實 施例中，表面發(fā)射器件178在可通過導(dǎo)線接合185與下層的基板連接的基板183的前側(cè)形 成。微透鏡176在諸如玻璃坯件的單獨的透明坯件184上形成，該透明坯件184然后與基 板183上的器件178對準并且粘在其上面。射束產(chǎn)生器182的設(shè)計因此在器件178被設(shè)計 為發(fā)射對基板不透明的短波長時是合適的。出于光學(xué)設(shè)計和散熱的原因，基板183和坯件 184 -般分別為約0. 25mm厚，但可類似地使用其它的尺寸。
[0107] 圖12A?C示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的射束發(fā)射器186。同樣，圖 12A是整個射束發(fā)射器的示意性側(cè)視圖，而圖12B和圖12C分別是在發(fā)射器186中使用的射 束產(chǎn)生器188的示意性側(cè)視圖和后視圖。射束產(chǎn)生器188與射束產(chǎn)生器172的不同在于， 如圖12C所示，射束產(chǎn)生器188中的器件178的位置相對于相應(yīng)的微透鏡176的中心向外 偏移。作為結(jié)果，如圖12A所示，由微透鏡1876傳送的各單個射束在重新分散開之前會聚 于焦點腰。
[0108] 為了改變由透鏡175輸出的射束的特性，射束發(fā)射器170和186中的表面發(fā)射器 件178可單獨地或者在預(yù)定的組中被驅(qū)動。例如，所有器件178可一起被驅(qū)動，以給予大直 徑、強射束，或者，可以只驅(qū)動中心器件或者一起驅(qū)動7個器件的中心組以給予小直徑、不 太強射束。雖然圖11C和圖12C表示表面發(fā)射器件的陣列的特定的六角配置，但是，可替代 性地使用六角或其它類型的幾何配置中的具有更多或更少的器件的其它配置。
[0109] 圖13是根據(jù)本發(fā)明的實施例的加入射束產(chǎn)生器172(圖11B/C)的光電子模塊190 的示意性側(cè)視圖。可在制造上述的類型的光學(xué)掃描頭時，與掃描鏡子和其它的部件結(jié)合使 用該模塊以及圖14和圖15所示的替代性模塊?？商娲缘卦谛枰哂泄草S的傳送射束和 接收射束的小型化光學(xué)發(fā)射器和接收器的其它應(yīng)用中使用圖13?15的模塊。
[0110] 在模塊190中，射束產(chǎn)生器172(如圖11B/C所示）連同包含諸如例如上述的APD 的適當(dāng)?shù)臋z測器的接收器194 一起被安裝于諸如SiOB的微光學(xué)基板192上。射束組合器 196組合向著掃描鏡子（圖13?15未示出）穿過透鏡175的傳送射束和接收射束。本實 施例中的射束組合器196包含在其傳送射束和接收射束進出板的位置以外的大部分的表 面上具有外部反射涂層198的玻璃板。由射束產(chǎn)生器712傳送的射束經(jīng)過可如上面解釋的 那樣具有偏光依賴性的射束分裂器涂層200入射到射束組合器，并經(jīng)過可具有抗反射涂層 的前窗口 202射出。
[0111] 通過透鏡175收集的接收射束經(jīng)過窗口 202進入射束組合器196,從射束分裂器 涂層200和反射涂層198在內(nèi)部反射，并然后經(jīng)過后窗口 204向接收器194射出。射束組 合器板的厚度被選擇以給出希望的光路長度（比透鏡175的后焦距長）。為了減少到達接 收器的雜散光的量，窗口 204可位于透鏡175的焦點上，并由此可使得盡可能地小。窗口 204 (以及窗口 202)可具有窄帶過濾涂層，使得處于射束產(chǎn)生器172的發(fā)射帶外面的環(huán)境光 被排除。
[0112] 圖14是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的加入射束產(chǎn)生器188(圖12B/C)的光電子模 塊210的示意性側(cè)視圖。這種情況下的射束組合器212包含玻璃板，該玻璃板具有折疊由 射束產(chǎn)生器188傳送的射束的反射涂層214,以及射束分裂器涂層16,這里，傳送射束和接 收射束在玻璃板的后表面上組合。與前面的實施例同樣，射束分裂器涂層16也可被覆蓋或 者另外與通向接收器194的路徑上的窄帶濾光器組合。本實施例中的射束組合器212的厚 度被選擇以給出由在射束組合器內(nèi)具有焦點腰的射束產(chǎn)生器188傳送的射束的希望的光 路長度。
[0113] 雖然在圖14中傳送射束和接收射束具有大致相同的孔徑，但可替代性地使得傳 送射束的孔徑比接收射束小。在后一種情況下，射束分裂器涂層216的直徑不需要比傳送 射束孔徑大。在該孔徑外面，玻璃板可具有反射涂層，使得接收射束可在不由于射束分裂器 損失能量的情況下到達接收器194。
[0114] 圖15是根據(jù)本發(fā)明的又一實施例的加入射束產(chǎn)生器188的光電子模塊220的不 意性側(cè)視圖。在本實施例中，雙焦透鏡220具有以相對較小的孔徑和較短的焦距收集和準 直化通過射束產(chǎn)生器188傳送的射束230的中心區(qū)域。透鏡220的周邊區(qū)域以較大的孔徑 和較長的焦距收集射束232并將其聚焦于接收器194上。因此，透鏡220的區(qū)域以及隨之 而來的掃描鏡子的區(qū)域分成較小的中心傳送區(qū)域和較大的周邊接收區(qū)域。
[0115] 在本實施例中使用的射束組合器224具有足夠大以容納射束232的前窗口 226，但 在后側(cè)的反射涂層198中具有小得多的窗口 228。窗口 228只需要足夠大以容納由射束產(chǎn) 生器188產(chǎn)生的較窄的射束。因此，射束232中的大部分能量通過反射涂層198在射束組 合器內(nèi)被反射并且經(jīng)由后窗口 204 (如上所述，可使得較小并涂敷有窄帶涂層）到達接收器 194。在本實施例中不需要射束分裂器涂層，并且射束產(chǎn)生器188因此可包含未偏光的多模 式表面發(fā)射器件。
[0116] 替代性實施例
[0117] 雖然上述的實施例使用單個檢測器元件（諸如APD)以檢測從場景返回的掃描光， 但可替代性地使用其它類型的檢測器配置。例如，可出于這種目的使用光電檢測器的線性 陣列，在這種情況下，在從場景收集光時使用的鏡子需要僅沿與陣列的軸垂直的單個方向 掃描。可以使用該相同的一維掃描鏡子以將激光放射線的線投影到檢測器陣列的瞬時的視 場上。這種系統(tǒng)也能夠具有縮放功能，可通過沿一維掃描改變掃描圖案和振幅在一個軸上 實現(xiàn)這種縮放功能。
[0118] 作為另一替代方案，可以使用具有靜止收集透鏡的光電檢測器的2D矩陣，以從場 景收集掃描光，從而覆蓋整個視場，使得不需要接收器的機械掃描。例如，傳送激光仍使用 MEMS鏡子被二維掃描。得到的深度地圖中的像素位置由高精度的掃描而不是相對較低分辨 率的檢測器矩陣確定。該方法具有容易對準的優(yōu)點（由于檢測器矩陣是靜止的）；掃描鏡 子可較小，原因是不需要它收集光，只是用于投影激光；收集孔徑可較大。例如，當(dāng)使用6_ 焦距的收集透鏡和0.1mm的間距的檢測器時，每個檢測器的視場為約Γ。因此，對于60° 視場，需要60X60個檢測器。但是，由掃描精度確定的分辨率可達到1000X 1000點。
[0119] 該方案的另一變更例可使用多個射束（例如，在從MEMS鏡子反射之后通過傳送射 束的光路中的射束分裂器產(chǎn)生）。這些射束在矩陣中的不同的檢測器上產(chǎn)生同時的讀數(shù)，由 此使得能夠同時獲取幾個深度區(qū)域和點。出于這種目的，希望射束自身不重疊且在角度空 間上分開足夠遠，以不在矩陣的任何單個元件上重疊。
[0120] 更一般地，雖然不同的光電子模塊和上述的其它的系統(tǒng)部件中的每一個具有某些 特定的特征，但這種描述不意味著將特定的特征限于描述特征的特定實施例。本領(lǐng)域技術(shù) 人員能夠為了用上述特征的不同組合產(chǎn)生其它的系統(tǒng)和模塊從以上的實施例中的兩個或 更多個組合特征。所有這些組合被視為處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0121] 因此，可以理解，上述的實施例是作為例子陳述的，并且，本發(fā)明不限于以上所特 別表示和描述的。而是，本發(fā)明的范圍包括上述的各種特征的組合和再組合以及本領(lǐng)域技 術(shù)人員在閱讀以上的描述時會想到且在現(xiàn)有技術(shù)中沒有被公開的其變更方式和修改。
【權(quán)利要求】
1. 一種制圖裝置，包括： 發(fā)射器，被配置為發(fā)射包含光脈沖的射束； 掃描器，被配置為在場景上在預(yù)定的掃描范圍內(nèi)掃描射束； 接收器，被配置為接收從場景反射的光并且產(chǎn)生指示脈沖來往于場景中的點的飛行時 間的輸出；和 處理器，被f禹合為控制掃描器以使得射束在掃描范圍內(nèi)的選擇的窗口上掃描并處理接 收器的輸出以便產(chǎn)生場景的處于選擇的窗口內(nèi)的一部分的3D地圖。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，處理器被配置為選擇不同的窗口以在射束的每個掃 描中掃描。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中，處理器被配置為處理在第一掃描期間接收器的輸出， 以產(chǎn)生場景的第一 3D地圖，并且響應(yīng)第一 3D地圖的特征而選擇在第二掃描期間優(yōu)先掃描 的窗口。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中，第一掃描覆蓋掃描器的整個掃描范圍。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4的裝置，其中，處理器被配置為識別第一 3D地圖中的物體，并限 定窗口以包含識別的物體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其中，物體包含裝置的用戶的身體的至少一部分，并且其 中，處理器被配置為響應(yīng)在第一掃描期間用戶做出的姿勢而識別身體的一部分。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3?6中的任一項的裝置，其中，處理器被配置為驅(qū)動掃描器以用相對 于第一掃描得到提高的分辨率掃描選擇的窗口。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3?6中的任一項的裝置，其中，處理器被配置為驅(qū)動掃描器以按比第 一掃描期間高的巾貞率掃描第二窗口。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1?8中的任一項的裝置，其中，對于至少一些掃描，選擇的窗口不居 中于預(yù)定的掃描范圍內(nèi)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1?9中的任一項的裝置，其中，掃描器包括使用微電氣機械系統(tǒng) (MEMS)技術(shù)制成的微鏡子，并且其中，發(fā)射器被配置為引導(dǎo)射束以從微鏡子向場景反射。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中，微鏡子被配置為圍繞兩個軸旋轉(zhuǎn)，并且其中，處理 器被稱合為控制微鏡子關(guān)于軸中的至少一個的旋轉(zhuǎn)范圍以便限定窗口。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11的裝置，其中，微鏡子被配置為圍繞兩個軸旋轉(zhuǎn)，并且其中， 處理器被耦合為改變微鏡子關(guān)于軸中的至少一個的旋轉(zhuǎn)速度以便限定窗口。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中，微鏡子的旋轉(zhuǎn)范圍在第一掃描和第二掃描中相同， 并且其中，處理器被耦合為在第二掃描期間改變關(guān)于軸中的至少一個的旋轉(zhuǎn)速度，使得微 鏡子在選擇的窗口上的掃描速度比在范圍的其它部分上慢。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10?13中的任一項的裝置，其中，掃描器包括： 基板，該基板被蝕刻為限定微鏡子和支撐件，以及沿第一軸連接微鏡子與支撐件的第 一錘錠和沿第二軸連接支撐件與基板的第二錘錠；和 電磁驅(qū)動器，使得微鏡子和支撐件圍繞第一錘錠和第二錘錠旋轉(zhuǎn)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中，電磁驅(qū)動器包含： 定子組件，包含具有空氣間隙的至少一個磁芯和纏繞在磁芯上的至少一個線圈；和 至少一個轉(zhuǎn)子，微鏡子和支撐件安裝在至少一個轉(zhuǎn)子上，并且至少一個轉(zhuǎn)子懸在空氣 間隙中以響應(yīng)被驅(qū)動經(jīng)過至少一個線圈的電流而在空氣間隙內(nèi)移動。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其中，至少一個磁芯和至少一個轉(zhuǎn)子包含兩個芯部以及 懸在芯部的相應(yīng)的空氣間隙中的兩個轉(zhuǎn)子，并且其中，電磁驅(qū)動器被配置為用不同的電流 驅(qū)動兩個芯部上的線圈，以使得微鏡子和支撐件以不同的相應(yīng)的速度旋轉(zhuǎn)，使得微鏡子以 光柵圖案掃描。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14?16中的任一項的裝置，其中，電磁驅(qū)動器使得微鏡子以作為旋 轉(zhuǎn)的共振頻率的第一頻率圍繞第一錘錠旋轉(zhuǎn)，同時使得支撐件以比第一頻率低的第二頻率 圍繞第二錘錠旋轉(zhuǎn)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的裝置，其中，第二頻率不是旋轉(zhuǎn)的共振頻率。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17或18的裝置，其中，支撐件包含： 通過第一錘錠與微鏡子連接的第一支撐件； 通過第二錘錠與基板連接的第二支撐件；和 連接第一支撐件與第二支撐件的第三錘錠， 其中，電磁驅(qū)動器被配置為使得第一支撐件圍繞第三錘錠相對于第二支撐件旋轉(zhuǎn)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求10?19中的任一項的裝置，其中，接收器包含被配置為經(jīng)由微鏡子 接收來自場景的反射光的檢測器。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20的裝置，還包括被定位成向微鏡子引導(dǎo)由發(fā)射器發(fā)射的射束同時 允許反射光到達檢測器的射束分裂器，其中，發(fā)射的射束和反射光具有在射束分裂器與微 鏡子之間平行的相應(yīng)的光軸。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21的裝置，其中，射束分裂器僅在射束分裂器的表面的一部分上利 用偏光反射涂層被圖案化，并且射束分裂器被定位成使得表面的圖案化部分攔截來自發(fā)射 器的射束并向微鏡子反射射束。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其中，射束分裂器包含在射束分裂器的反側(cè)上的帶通涂 層，該帶通涂層被配置為阻止發(fā)射器的發(fā)射帶外的光到達接收器。
24. 根據(jù)權(quán)利要求20?23中的任一項的裝置，還包括微光學(xué)基板，其中，發(fā)射器和接收 器在單個集成封裝中被一起安裝于微光學(xué)基板上。
25. 根據(jù)權(quán)利要求1?24中的任一項的裝置，其中，處理器被配置為可變地控制由發(fā)射 器發(fā)射的脈沖的功率水平，這一控制是響應(yīng)于響應(yīng)一個或更多個的以前的脈沖而來自接收 器的輸出的水平的。
26. -種光電子模塊，包括： 微光學(xué)基板； 射束發(fā)射器，包含安裝于微光學(xué)基板上并被配置為沿射束軸發(fā)射至少一個激光射束的 激光小片； 接收器，包含安裝于微光學(xué)基板上并被配置為感測沿接收器的收集軸由模塊接收的光 的檢測器小片；和 射束組合光學(xué)器件，被配置為引導(dǎo)激光射束和接收光，使得在模塊外面射束軸與收集 軸對準。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26的模塊，其中，射束組合光學(xué)器件包含被射束軸和收集軸攔截的 射束分裂器。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27的模塊，其中，射束軸和收集軸均與基板垂直，并且其中，射束組 合光學(xué)器件包含反射器，該反射器被配置為向射束分裂器偏轉(zhuǎn)射束軸和收集軸中的一個， 使得射束軸和收集軸以不同的相應(yīng)的角度入射于射束分裂器上。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28的模塊，其中，射束組合光學(xué)器件包含具有相對的第一表面和第 二表面的透明板，并且其中，射束分裂器在第一表面上形成，而反射器在第二表面上形成。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29的模塊，其中，板包含在表面中的一個上形成的濾光器，以排除處 于射束發(fā)射器的發(fā)射帶外面的接收光。
31. 根據(jù)權(quán)利要求26?30中的任一項的模塊，其中，射束組合光學(xué)器件包含被配置為 使至少一個激光射束準直化并將接收光聚焦于檢測器小片上的至少一個透鏡。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31的模塊，其中，至少一個透鏡包含被配置為經(jīng)過第一孔徑使至少 一個激光射束準直化并被配置為經(jīng)過比第一孔徑大的第二孔徑收集接收光的雙焦透鏡。
33. 根據(jù)權(quán)利要求26?32中的任一項的模塊，其中，激光小片是邊緣發(fā)射小片，并且其 中，模塊包含安裝于基板上并被配置為反射來自激光小片的至少一個激光射束以使激光射 束遠離基板的轉(zhuǎn)向鏡子。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33的模塊，其中，溝槽在激光小片與轉(zhuǎn)向鏡子之間的基板中形成，并 且其中，模塊包含安裝于溝槽中并被配置為使至少一個激光射束準直化的球透鏡。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34的模塊，其中，射束發(fā)射器包含被配置為收集并擴展從轉(zhuǎn)向鏡子 反射之后的至少一個激光射束的射束擴展器。
36. 根據(jù)權(quán)利要求33?35中的任一項的模塊，包含安裝于基板上以使從轉(zhuǎn)向鏡子反射 之后的至少一個激光射束準直化的透鏡，并且其中，該透鏡具有在將激光小片組裝于基板 上之前測量的焦距，并且其中，激光小片到基板上的轉(zhuǎn)向鏡子的距離響應(yīng)測量的焦距被調(diào) 整。
37. 根據(jù)權(quán)利要求26?32中的任一項的模塊，其中，激光小片包含垂直空腔表面發(fā)射 激光器（VCSEL)的第一陣列，并且其中，射束發(fā)射器包含分別與VCSEL對準以傳送由VCSEL 產(chǎn)生的相應(yīng)的激光射束的微透鏡的第二陣列。
38. 根據(jù)權(quán)利要求37的模塊，其中，VCSEL相對于微透鏡向內(nèi)偏移，以使得相應(yīng)的激光 射束分散開。
39. 根據(jù)權(quán)利要求37的模塊，其中，VCSEL相對于微透鏡向外偏移，以使得相應(yīng)的激光 射束一起會聚于焦點腰。
40. 根據(jù)權(quán)利要求37?39中的任一項的模塊，其中，VCSEL和微透鏡在光學(xué)基板的相 對側(cè)上形成。
41. 根據(jù)權(quán)利要求40的模塊，其中，光學(xué)基板包含在VCSEL的發(fā)射波長處透明的半導(dǎo)體 晶片。
42. 根據(jù)權(quán)利要求26?41中的任一項的模塊，其中，至少一個激光射束和接收光被引 導(dǎo)以入射于模塊外面的掃描鏡子上，其中，該鏡子在場景上掃描至少一個激光射束和接收 器的視場。
43. -種用于制圖的方法，包括： 操作掃描器以在場景上在預(yù)定的掃描范圍內(nèi)掃描包含光脈沖的射束； 接收從場景反射的光并且產(chǎn)生指示脈沖來往于場景中的點的飛行時間的輸出；和 控制掃描器以使得射束在掃描范圍內(nèi)的選擇的窗口上掃描；和 處理接收器的輸出以產(chǎn)生場景的處于選擇的窗口內(nèi)的一部分的3D地圖。
44. 根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中，控制掃描器包含選擇不同的窗口以在射束的每個 掃描中掃描。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44的方法，其中，處理輸出包含處理在射束的第一掃描期間接收的 第一輸出，以產(chǎn)生場景的第一 3D地圖，并且 其中，控制掃描器包含響應(yīng)第一 3D地圖的特征而選擇在第二掃描期間優(yōu)先掃描的窗 □。
46. 根據(jù)權(quán)利要求45的方法，其中，第一掃描覆蓋整個掃描范圍。
47. 根據(jù)權(quán)利要求45或46的方法，其中，選擇窗口包含識別第一 3D地圖中的物體，并 限定窗口以包含識別的物體。
48. 根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中，物體包含該方法的用戶的身體的至少一部分，并且 其中，識別物體包含響應(yīng)在第一掃描期間用戶做出的姿勢而識別身體的一部分。
49. 根據(jù)權(quán)利要求45?48中的任一項的方法，其中，控制掃描器包含驅(qū)動掃描器以用 相對于第一掃描得到提高的分辨率掃描選擇的窗口。
50. 根據(jù)權(quán)利要求45?48中的任一項的方法，其中，控制掃描器包含驅(qū)動掃描器以按 比第一掃描期間高的幀率掃描第二窗口。
51. 根據(jù)權(quán)利要求43?50中的任一項的方法，其中，對于至少一些掃描，選擇的窗口不 居中于預(yù)定的掃描范圍內(nèi)。
52. 根據(jù)權(quán)利要求43?51中的任一項的方法，其中，掃描器包括使用微電氣機械系統(tǒng) (MEMS)技術(shù)制成的微鏡子，并且其中，操作掃描器包含引導(dǎo)射束以從微鏡子向場景反射。
53. 根據(jù)權(quán)利要求52的方法，其中，操作掃描器包含圍繞兩個軸旋轉(zhuǎn)微鏡子，并且其 中，控制掃描器包含控制微鏡子關(guān)于軸中的至少一個的旋轉(zhuǎn)范圍以限定窗口。
54. 根據(jù)權(quán)利要求52或53的方法，其中，操作掃描器包含圍繞兩個軸旋轉(zhuǎn)微鏡子，并且 其中，控制掃描器包含改變微鏡子關(guān)于軸中的至少一個的旋轉(zhuǎn)速度以限定窗口。
55. 根據(jù)權(quán)利要求54的方法，其中，微鏡子的旋轉(zhuǎn)范圍在第一掃描和第二掃描中相同， 并且其中，改變關(guān)于軸中的至少一個的旋轉(zhuǎn)速度包含控制在第二掃描期間的旋轉(zhuǎn)速度，使 得微鏡子在選擇的窗口上的掃描速度比在范圍的其它部分上慢。
56. 根據(jù)權(quán)利要求52?55中的任一項的方法，其中，掃描器包括基板，該基板被蝕刻為 限定微鏡子和支撐件，以及沿第一軸連接微鏡子與支撐件的第一錘錠和沿第二軸連接支撐 件與基板的第二錘錠，并且 其中，操作掃描器包含驅(qū)動電磁驅(qū)動器以使得微鏡子和支撐件圍繞第一錘錠和第二錘 錠旋轉(zhuǎn)。
57. 根據(jù)權(quán)利要求56的方法，其中，電磁驅(qū)動器包含定子組件和至少一個轉(zhuǎn)子，定子組 件包含具有空氣間隙的至少一個磁芯和纏繞在磁芯上的至少一個線圈，在至少一個轉(zhuǎn)子上 面安裝微鏡子和支撐件，并且 其中，操作掃描器包含使轉(zhuǎn)子懸在空氣間隙中以響應(yīng)被驅(qū)動經(jīng)過至少一個線圈的電流 使轉(zhuǎn)子在空氣間隙內(nèi)移動。
58. 根據(jù)權(quán)利要求57的方法，其中，至少一個磁芯和至少一個轉(zhuǎn)子包含兩個芯部以及 懸在芯部的相應(yīng)的空氣間隙中的兩個轉(zhuǎn)子，并且 其中，驅(qū)動電磁驅(qū)動器包含用不同的電流驅(qū)動兩個芯部上的線圈，以使得微鏡子和支 撐件以不同的相應(yīng)的速度旋轉(zhuǎn)，使得微鏡子以光柵圖案掃描。
59. 根據(jù)權(quán)利要求56?58中的任一項的方法，其中，驅(qū)動電磁驅(qū)動器包含以作為旋轉(zhuǎn) 的共振頻率的第一頻率圍繞第一錘錠旋轉(zhuǎn)微鏡子，同時以比第一頻率低的第二頻率圍繞第 二錘錠旋轉(zhuǎn)支撐件。
60. 根據(jù)權(quán)利要求59的方法，其中，第二頻率不是旋轉(zhuǎn)的共振頻率。
61. 根據(jù)權(quán)利要求59或60的方法，其中，支撐件包含： 通過第一錘錠與微鏡子連接的第一支撐件； 通過第二錘錠與基板連接的第二支撐件；和 連接第一支撐件與第二支撐件的第三錘錠， 其中，驅(qū)動電磁驅(qū)動器使得第一支撐件圍繞第三錘錠相對于第二支撐件旋轉(zhuǎn)。
62. 根據(jù)權(quán)利要求52?61中的任一項的方法，其中，接收光包含定位檢測器，以經(jīng)由微 鏡子接收來自場景的反射光。
63. 根據(jù)權(quán)利要求62的方法，其中，接收光包含定位射束分裂器以向微鏡子引導(dǎo)光脈 沖的射束，同時允許反射光到達檢測器，其中，發(fā)射的射束和反射光具有在射束分裂器與微 鏡子之間平行的相應(yīng)的光軸。
64. 根據(jù)權(quán)利要求63的方法，其中，射束的發(fā)射器和檢測器在單一集成封裝中一起安 裝于微光學(xué)基板上。
65. 根據(jù)權(quán)利要求43?64中的任一項的方法，其中，操作掃描器包含可變地控制由發(fā) 射器發(fā)射的脈沖的功率水平，這一控制是響應(yīng)于響應(yīng)一個或更多個以前的脈沖而來自接收 器的輸出的水平的。
66. -種用于制造光電子模塊的方法，該方法包括： 在微光學(xué)基板上安裝包含被配置為沿射束軸發(fā)射至少一個激光射束的激光小片的射 束發(fā)射器； 在微光學(xué)基板上安裝包含被配置為沿接收器的收集軸感測由模塊接收光的檢測器小 片的接收器；和 關(guān)于微光學(xué)基板定位射束組合光學(xué)器件，以引導(dǎo)激光射束和接收光，使得在模塊外面 射束軸與收集軸對準。
67. 根據(jù)權(quán)利要求66的方法，其中，定位射束組合光學(xué)器件包含安裝射束分裂器，使得 射束軸和收集軸均攔截射束分裂器。
68. 根據(jù)權(quán)利要求67的方法，其中，射束軸和收集軸均與基板垂直，并且其中，定位射 束組合光學(xué)器件包含安裝反射器以向射束分裂器偏轉(zhuǎn)射束軸和收集軸中的一個，使得射束 軸和收集軸以不同的相應(yīng)的角度入射于射束分裂器上。
69. 根據(jù)權(quán)利要求68的方法，其中，定位射束組合光學(xué)器件包含在基板上安裝具有相 對的第一表面和第二表面的透明板，射束分裂器在第一表面上形成，而反射器在第二表面 上形成。
70. 根據(jù)權(quán)利要求69的方法，其中，定位射束組合光學(xué)器件包含使用在板的表面中的 一個上形成的濾光器過濾接收光，以排除處于射束發(fā)射器的發(fā)射帶外面的接收光。
71. 根據(jù)權(quán)利要求66?70中的任一項的方法，其中，定位射束組合光學(xué)器件包含在基 板上安裝至少一個透鏡以使至少一個激光射束準直化并將接收光聚焦于檢測器小片上。
72. 根據(jù)權(quán)利要求71的方法，其中，至少一個透鏡包含經(jīng)過第一孔徑使至少一個激光 射束準直化并經(jīng)過比第一孔徑大的第二孔徑收集接收光的雙焦透鏡。
73. 根據(jù)權(quán)利要求66?72中的任一項的方法，其中，激光小片是邊緣發(fā)射小片，并且其 中，該方法包括在基板上安裝轉(zhuǎn)向鏡子，以反射來自激光小片的至少一個激光射束以使激 光射束遠離基板。
74. 根據(jù)權(quán)利要求73的方法，還包括在激光小片與轉(zhuǎn)向鏡子之間的基板中形成溝槽， 以及在溝槽中安裝球透鏡以使至少一個激光射束準直化。
75. 根據(jù)權(quán)利要求74的方法，其中，射束發(fā)射器包含被配置為收集并擴展從轉(zhuǎn)向鏡子 反射之后的至少一個激光射束的射束擴展器。
76. 根據(jù)權(quán)利要求73?75中的任一項的方法，還包括： 在基板上安裝透鏡以使從轉(zhuǎn)向鏡子反射之后的至少一個激光射束準直化；和 在將激光小片組裝于基板上之前測量該透鏡的焦距， 其中，安裝射束發(fā)射器包含響應(yīng)測量的焦距調(diào)整激光小片到基板上的轉(zhuǎn)向鏡子的距 離。
77. 根據(jù)權(quán)利要求66?72中的任一項的方法，其中，激光小片包含垂直空腔表面發(fā)射 激光器（VCSEL)的第一陣列，并且其中，安裝射束發(fā)射器包含使微透鏡的第二陣列與VCSEL 對準，使得微透鏡傳送由VCSEL產(chǎn)生的相應(yīng)的激光射束。
78. 根據(jù)權(quán)利要求77的方法，其中，安裝射束發(fā)射器包含相對于微透鏡向內(nèi)偏移 VCSEL，以使得相應(yīng)的激光射束分散開。
79. 根據(jù)權(quán)利要求77的方法，其中，安裝射束發(fā)射器包含相對于微透鏡向外偏移 VCSEL，以使得相應(yīng)的激光射束一起會聚于焦點腰。
80. 根據(jù)權(quán)利要求77?79中的任一項的方法，其中，對準第二陣列包含在光學(xué)基板的 相對側(cè)上形成VCSEL和微透鏡。
81. 根據(jù)權(quán)利要求80的方法，其中，光學(xué)基板包含在VCSEL的發(fā)射波長處透明的半導(dǎo)體 晶片。
82. 根據(jù)權(quán)利要求66?81中的任一項的方法，還包括將至少一個激光射束和接收光引 導(dǎo)為入射于模塊外面的掃描鏡子上，其中，該鏡子在場景上掃描至少一個激光射束和接收 器的視場。
83. -種射束產(chǎn)生裝置，包括： 具有光學(xué)通帶的半導(dǎo)體基板； 在半導(dǎo)體基板的第一面上形成并被配置為以處于通帶內(nèi)的波長經(jīng)過基板發(fā)射相應(yīng)的 激光射束的垂直空腔表面發(fā)射激光器（VCSEL)的第一陣列；和 以分別與VCSEL對準的方式在半導(dǎo)體基板的第二面上形成以傳送通過VCSEL產(chǎn)生的激 光射束的微透鏡的第二陣列。
84. 根據(jù)權(quán)利要求83的裝置，其中，VCSEL相對于微透鏡向內(nèi)偏移，以使得相應(yīng)的激光 射束分散開。
85. 根據(jù)權(quán)利要求83的裝置，其中，VCSEL相對于微透鏡向外偏移，以使得相應(yīng)的激光 射束一起會聚于焦點腰。
86. 根據(jù)權(quán)利要求83?85中的任一項的裝置，其中，基板包含GaAs。
87. -種光電子模塊，包括： 具有在其中形成的溝槽的微光學(xué)基板； 安裝在與溝槽相鄰的微光學(xué)基板上并被配置為沿與基板平行的射束軸發(fā)射激光射束 的包含邊緣發(fā)射激光小片的射束發(fā)射器； 安裝于溝槽中并被配置為使激光射束準直化的球透鏡； 安裝于基板上并被配置為反射從球透鏡出射的準直化的激光射束以使激光射束遠離 基板的轉(zhuǎn)向鏡子；和 被配置為收集和擴展從轉(zhuǎn)向鏡子反射之后的激光射束的射束擴展器。
88. -種用于制造光電子模塊的方法，該方法包括： 在微光學(xué)基板中形成溝槽； 在與溝槽相鄰的微光學(xué)基板上安裝包含被配置為沿射束軸發(fā)射激光射束的邊緣發(fā)射 激光小片的射束發(fā)射器，使得射束軸與基板平行； 在溝槽中安裝球透鏡以使激光射束準直化； 在基板上安裝轉(zhuǎn)向鏡子，以使從球透鏡出射的準直化的激光射束離開基板；和 在轉(zhuǎn)向鏡子上安裝射束擴展器，以收集和擴展從轉(zhuǎn)向鏡子反射之后的激光射束。
89. 根據(jù)權(quán)利要求88的方法，其中，射束發(fā)射器、球透鏡、轉(zhuǎn)向鏡子和射束擴展器在不 在激光小片上通電的情況下被對準并被緊固于模塊中的適當(dāng)?shù)奈恢弥小?br> 90. -種制圖裝置，包括： 被配置為發(fā)射包含光脈沖的射束的發(fā)射器； 被配置為在場景上掃描射束的掃描器； 被配置為接收從場景反射的光并且產(chǎn)生指示脈沖來往于場景中的點的飛行時間的輸 出的接收器；和 被耦合為處理在射束的第一掃描期間接收器的輸出以產(chǎn)生場景的3D地圖，同時控制 由發(fā)射器發(fā)射的脈沖的功率水平的處理器，這一控制是響應(yīng)于響應(yīng)一個或更多個以前的脈 沖而來自接收器的輸出的水平的。
91. 根據(jù)權(quán)利要求90的裝置，其中，處理器被配置為控制脈沖的功率水平，以減少從場 景的不同部分接收的反射光的強度的變化。
92. 根據(jù)權(quán)利要求90或91的裝置，其中，為了評估和調(diào)整功率水平，一個或更多個以前 的脈沖包含由發(fā)射器發(fā)射的偵察脈沖。
【文檔編號】G01B11/22GK104160240SQ201380007623
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月15日
【發(fā)明者】A·什彭特, R·厄利馳, Z·莫 申請人:普萊姆森斯有限公司