[发明专利]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

说明书

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。