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制图装置(22)包括发射包含光脉冲的射束的发射器44和被配置为在场景上在预定的扫描范围内扫描射束(38)的扫描器(46)。接收器(48)接收从场景反射的光并且产生指示脉冲来往于场景中的点的飞行时间的输出。处理器(42)被耦合为控制扫描器以使得射束在扫描范围内的选择的窗口(32、34、36)上扫描并处理接收器的输出以产生场景的处于选择的窗口内的一部分的3D地图。

权利要求书
1.  一种制图装置，包括：
发射器，被配置为发射包含光脉冲的射束；
扫描器，被配置为在场景上在预定的扫描范围内扫描射束；
接收器，被配置为接收从场景反射的光并且产生指示脉冲来往于场景中的点的飞行时间的输出；和
处理器，被耦合为控制扫描器以使得射束在扫描范围内的选择的窗口上扫描并处理接收器的输出以便产生场景的处于选择的窗口内的一部分的3D地图。

2.  根据权利要求1的装置，其中，处理器被配置为选择不同的窗口以在射束的每个扫描中扫描。

3.  根据权利要求2的装置，其中，处理器被配置为处理在第一扫描期间接收器的输出，以产生场景的第一3D地图，并且响应第一3D地图的特征而选择在第二扫描期间优先扫描的窗口。

4.  根据权利要求3的装置，其中，第一扫描覆盖扫描器的整个扫描范围。

5.  根据权利要求3或4的装置，其中，处理器被配置为识别第一3D地图中的物体，并限定窗口以包含识别的物体。

6.  根据权利要求4的装置，其中，物体包含装置的用户的身体的至少一部分，并且其中，处理器被配置为响应在第一扫描期间用户做出的姿势而识别身体的一部分。

7.  根据权利要求3～6中的任一项的装置，其中，处理器被配置为驱动扫描器以用相对于第一扫描得到提高的分辨率扫描选择的窗口。

8.  根据权利要求3～6中的任一项的装置，其中，处理器被配置为驱动扫描器以按比第一扫描期间高的帧率扫描第二窗口。

9.  根据权利要求1～8中的任一项的装置，其中，对于至少一些扫描，选择的窗口不居中于预定的扫描范围内。

10.  根据权利要求1～9中的任一项的装置，其中，扫描器包括使 用微电气机械系统(MEMS)技术制成的微镜子，并且其中，发射器被配置为引导射束以从微镜子向场景反射。

11.  根据权利要求10的装置，其中，微镜子被配置为围绕两个轴旋转，并且其中，处理器被耦合为控制微镜子关于轴中的至少一个的旋转范围以便限定窗口。

12.  根据权利要求10或11的装置，其中，微镜子被配置为围绕两个轴旋转，并且其中，处理器被耦合为改变微镜子关于轴中的至少一个的旋转速度以便限定窗口。

13.  根据权利要求12的装置，其中，微镜子的旋转范围在第一扫描和第二扫描中相同，并且其中，处理器被耦合为在第二扫描期间改变关于轴中的至少一个的旋转速度，使得微镜子在选择的窗口上的扫描速度比在范围的其它部分上慢。

14.  根据权利要求10～13中的任一项的装置，其中，扫描器包括：
基板，该基板被蚀刻为限定微镜子和支撑件，以及沿第一轴连接微镜子与支撑件的第一锤锭和沿第二轴连接支撑件与基板的第二锤锭；和
电磁驱动器，使得微镜子和支撑件围绕第一锤锭和第二锤锭旋转。

15.  根据权利要求14的装置，其中，电磁驱动器包含：
定子组件，包含具有空气间隙的至少一个磁芯和缠绕在磁芯上的至少一个线圈；和
至少一个转子，微镜子和支撑件安装在至少一个转子上，并且至少一个转子悬在空气间隙中以响应被驱动经过至少一个线圈的电流而在空气间隙内移动。

16.  根据权利要求15的装置，其中，至少一个磁芯和至少一个转子包含两个芯部以及悬在芯部的相应的空气间隙中的两个转子，并且其中，电磁驱动器被配置为用不同的电流驱动两个芯部上的线圈，以使得微镜子和支撑件以不同的相应的速度旋转，使得微镜子以光栅图案扫描。

17.  根据权利要求14～16中的任一项的装置，其中，电磁驱动器 使得微镜子以作为旋转的共振频率的第一频率围绕第一锤锭旋转，同时使得支撑件以比第一频率低的第二频率围绕第二锤锭旋转。

18.  根据权利要求17的装置，其中，第二频率不是旋转的共振频率。

19.  根据权利要求17或18的装置，其中，支撑件包含：
通过第一锤锭与微镜子连接的第一支撑件；
通过第二锤锭与基板连接的第二支撑件；和
连接第一支撑件与第二支撑件的第三锤锭，
其中，电磁驱动器被配置为使得第一支撑件围绕第三锤锭相对于第二支撑件旋转。

20.  根据权利要求10～19中的任一项的装置，其中，接收器包含被配置为经由微镜子接收来自场景的反射光的检测器。

21.  根据权利要求20的装置，还包括被定位成向微镜子引导由发射器发射的射束同时允许反射光到达检测器的射束分裂器，其中，发射的射束和反射光具有在射束分裂器与微镜子之间平行的相应的光轴。

22.  根据权利要求21的装置，其中，射束分裂器仅在射束分裂器的表面的一部分上利用偏光反射涂层被图案化，并且射束分裂器被定位成使得表面的图案化部分拦截来自发射器的射束并向微镜子反射射束。

23.  根据权利要求22的装置，其中，射束分裂器包含在射束分裂器的反侧上的带通涂层，该带通涂层被配置为阻止发射器的发射带外的光到达接收器。

24.  根据权利要求20～23中的任一项的装置，还包括微光学基板，其中，发射器和接收器在单个集成封装中被一起安装于微光学基板上。

25.  根据权利要求1～24中的任一项的装置，其中，处理器被配置为可变地控制由发射器发射的脉冲的功率水平，这一控制是响应于响应一个或更多个的以前的脉冲而来自接收器的输出的水平的。

26.  一种光电子模块，包括：
微光学基板；
射束发射器，包含安装于微光学基板上并被配置为沿射束轴发射至少一个激光射束的激光小片；
接收器，包含安装于微光学基板上并被配置为感测沿接收器的收集轴由模块接收的光的检测器小片；和
射束组合光学器件，被配置为引导激光射束和接收光，使得在模块外面射束轴与收集轴对准。

27.  根据权利要求26的模块，其中，射束组合光学器件包含被射束轴和收集轴拦截的射束分裂器。

28.  根据权利要求27的模块，其中，射束轴和收集轴均与基板垂直，并且其中，射束组合光学器件包含反射器，该反射器被配置为向射束分裂器偏转射束轴和收集轴中的一个，使得射束轴和收集轴以不同的相应的角度入射于射束分裂器上。

29.  根据权利要求28的模块，其中，射束组合光学器件包含具有相对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.  根据权利要求29的模块，其中，板包含在表面中的一个上形成的滤光器，以排除处于射束发射器的发射带外面的接收光。

31.  根据权利要求26～30中的任一项的模块，其中，射束组合光学器件包含被配置为使至少一个激光射束准直化并将接收光聚焦于检测器小片上的至少一个透镜。

32.  根据权利要求31的模块，其中，至少一个透镜包含被配置为经过第一孔径使至少一个激光射束准直化并被配置为经过比第一孔径大的第二孔径收集接收光的双焦透镜。

33.  根据权利要求26～32中的任一项的模块，其中，激光小片是边缘发射小片，并且其中，模块包含安装于基板上并被配置为反射来自激光小片的至少一个激光射束以使激光射束远离基板的转向镜子。

34.  根据权利要求33的模块，其中，沟槽在激光小片与转向镜子之间的基板中形成，并且其中，模块包含安装于沟槽中并被配置为使 至少一个激光射束准直化的球透镜。

35.  根据权利要求34的模块，其中，射束发射器包含被配置为收集并扩展从转向镜子反射之后的至少一个激光射束的射束扩展器。

36.  根据权利要求33～35中的任一项的模块，包含安装于基板上以使从转向镜子反射之后的至少一个激光射束准直化的透镜，并且其中，该透镜具有在将激光小片组装于基板上之前测量的焦距，并且其中，激光小片到基板上的转向镜子的距离响应测量的焦距被调整。

37.  根据权利要求26～32中的任一项的模块，其中，激光小片包含垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)的第一阵列，并且其中，射束发射器包含分别与VCSEL对准以传送由VCSEL产生的相应的激光射束的微透镜的第二阵列。

38.  根据权利要求37的模块，其中，VCSEL相对于微透镜向内偏移，以使得相应的激光射束分散开。

39.  根据权利要求37的模块，其中，VCSEL相对于微透镜向外偏移，以使得相应的激光射束一起会聚于焦点腰。

40.  根据权利要求37～39中的任一项的模块，其中，VCSEL和微透镜在光学基板的相对侧上形成。

41.  根据权利要求40的模块，其中，光学基板包含在VCSEL的发射波长处透明的半导体晶片。

42.  根据权利要求26～41中的任一项的模块，其中，至少一个激光射束和接收光被引导以入射于模块外面的扫描镜子上，其中，该镜子在场景上扫描至少一个激光射束和接收器的视场。

43.  一种用于制图的方法，包括：
操作扫描器以在场景上在预定的扫描范围内扫描包含光脉冲的射束；
接收从场景反射的光并且产生指示脉冲来往于场景中的点的飞行时间的输出；和
控制扫描器以使得射束在扫描范围内的选择的窗口上扫描；和
处理接收器的输出以产生场景的处于选择的窗口内的一部分的 3D地图。

44.  根据权利要求43的方法，其中，控制扫描器包含选择不同的窗口以在射束的每个扫描中扫描。

45.  根据权利要求44的方法，其中，处理输出包含处理在射束的第一扫描期间接收的第一输出，以产生场景的第一3D地图，并且
其中，控制扫描器包含响应第一3D地图的特征而选择在第二扫描期间优先扫描的窗口。

46.  根据权利要求45的方法，其中，第一扫描覆盖整个扫描范围。

47.  根据权利要求45或46的方法，其中，选择窗口包含识别第一3D地图中的物体，并限定窗口以包含识别的物体。

48.  根据权利要求47的方法，其中，物体包含该方法的用户的身体的至少一部分，并且其中，识别物体包含响应在第一扫描期间用户做出的姿势而识别身体的一部分。

49.  根据权利要求45～48中的任一项的方法，其中，控制扫描器包含驱动扫描器以用相对于第一扫描得到提高的分辨率扫描选择的窗口。

50.  根据权利要求45～48中的任一项的方法，其中，控制扫描器包含驱动扫描器以按比第一扫描期间高的帧率扫描第二窗口。

51.  根据权利要求43～50中的任一项的方法，其中，对于至少一些扫描，选择的窗口不居中于预定的扫描范围内。

52.  根据权利要求43～51中的任一项的方法，其中，扫描器包括使用微电气机械系统(MEMS)技术制成的微镜子，并且其中，操作扫描器包含引导射束以从微镜子向场景反射。

53.  根据权利要求52的方法，其中，操作扫描器包含围绕两个轴旋转微镜子，并且其中，控制扫描器包含控制微镜子关于轴中的至少一个的旋转范围以限定窗口。

54.  根据权利要求52或53的方法，其中，操作扫描器包含围绕两个轴旋转微镜子，并且其中，控制扫描器包含改变微镜子关于轴中的至少一个的旋转速度以限定窗口。

55.  根据权利要求54的方法，其中，微镜子的旋转范围在第一扫描和第二扫描中相同，并且其中，改变关于轴中的至少一个的旋转速度包含控制在第二扫描期间的旋转速度，使得微镜子在选择的窗口上的扫描速度比在范围的其它部分上慢。

56.  根据权利要求52～55中的任一项的方法，其中，扫描器包括基板，该基板被蚀刻为限定微镜子和支撑件，以及沿第一轴连接微镜子与支撑件的第一锤锭和沿第二轴连接支撑件与基板的第二锤锭，并且
其中，操作扫描器包含驱动电磁驱动器以使得微镜子和支撑件围绕第一锤锭和第二锤锭旋转。

57.  根据权利要求56的方法，其中，电磁驱动器包含定子组件和至少一个转子，定子组件包含具有空气间隙的至少一个磁芯和缠绕在磁芯上的至少一个线圈，在至少一个转子上面安装微镜子和支撑件，并且
其中，操作扫描器包含使转子悬在空气间隙中以响应被驱动经过至少一个线圈的电流使转子在空气间隙内移动。

58.  根据权利要求57的方法，其中，至少一个磁芯和至少一个转子包含两个芯部以及悬在芯部的相应的空气间隙中的两个转子，并且
其中，驱动电磁驱动器包含用不同的电流驱动两个芯部上的线圈，以使得微镜子和支撑件以不同的相应的速度旋转，使得微镜子以光栅图案扫描。

59.  根据权利要求56～58中的任一项的方法，其中，驱动电磁驱动器包含以作为旋转的共振频率的第一频率围绕第一锤锭旋转微镜子，同时以比第一频率低的第二频率围绕第二锤锭旋转支撑件。

60.  根据权利要求59的方法，其中，第二频率不是旋转的共振频率。

61.  根据权利要求59或60的方法，其中，支撑件包含：
通过第一锤锭与微镜子连接的第一支撑件；
通过第二锤锭与基板连接的第二支撑件；和
连接第一支撑件与第二支撑件的第三锤锭，
其中，驱动电磁驱动器使得第一支撑件围绕第三锤锭相对于第二支撑件旋转。

62.  根据权利要求52～61中的任一项的方法，其中，接收光包含定位检测器，以经由微镜子接收来自场景的反射光。

63.  根据权利要求62的方法，其中，接收光包含定位射束分裂器以向微镜子引导光脉冲的射束，同时允许反射光到达检测器，其中，发射的射束和反射光具有在射束分裂器与微镜子之间平行的相应的光轴。

64.  根据权利要求63的方法，其中，射束的发射器和检测器在单一集成封装中一起安装于微光学基板上。

65.  根据权利要求43～64中的任一项的方法，其中，操作扫描器包含可变地控制由发射器发射的脉冲的功率水平，这一控制是响应于响应一个或更多个以前的脉冲而来自接收器的输出的水平的。

66.  一种用于制造光电子模块的方法，该方法包括：
在微光学基板上安装包含被配置为沿射束轴发射至少一个激光射束的激光小片的射束发射器；
在微光学基板上安装包含被配置为沿接收器的收集轴感测由模块接收光的检测器小片的接收器；和
关于微光学基板定位射束组合光学器件，以引导激光射束和接收光，使得在模块外面射束轴与收集轴对准。

67.  根据权利要求66的方法，其中，定位射束组合光学器件包含安装射束分裂器，使得射束轴和收集轴均拦截射束分裂器。

68.  根据权利要求67的方法，其中，射束轴和收集轴均与基板垂直，并且其中，定位射束组合光学器件包含安装反射器以向射束分裂器偏转射束轴和收集轴中的一个，使得射束轴和收集轴以不同的相应的角度入射于射束分裂器上。

69.  根据权利要求68的方法，其中，定位射束组合光学器件包含在基板上安装具有相对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.  根据权利要求69的方法，其中，定位射束组合光学器件包含使用在板的表面中的一个上形成的滤光器过滤接收光，以排除处于射束发射器的发射带外面的接收光。

71.  根据权利要求66～70中的任一项的方法，其中，定位射束组合光学器件包含在基板上安装至少一个透镜以使至少一个激光射束准直化并将接收光聚焦于检测器小片上。

72.  根据权利要求71的方法，其中，至少一个透镜包含经过第一孔径使至少一个激光射束准直化并经过比第一孔径大的第二孔径收集接收光的双焦透镜。

73.  根据权利要求66～72中的任一项的方法，其中，激光小片是边缘发射小片，并且其中，该方法包括在基板上安装转向镜子，以反射来自激光小片的至少一个激光射束以使激光射束远离基板。

74.  根据权利要求73的方法，还包括在激光小片与转向镜子之间的基板中形成沟槽，以及在沟槽中安装球透镜以使至少一个激光射束准直化。

75.  根据权利要求74的方法，其中，射束发射器包含被配置为收集并扩展从转向镜子反射之后的至少一个激光射束的射束扩展器。

76.  根据权利要求73～75中的任一项的方法，还包括：
在基板上安装透镜以使从转向镜子反射之后的至少一个激光射束准直化；和
在将激光小片组装于基板上之前测量该透镜的焦距，
其中，安装射束发射器包含响应测量的焦距调整激光小片到基板上的转向镜子的距离。

77.  根据权利要求66～72中的任一项的方法，其中，激光小片包含垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)的第一阵列，并且其中，安装射束发射器包含使微透镜的第二阵列与VCSEL对准，使得微透镜传送由VCSEL产生的相应的激光射束。

78.  根据权利要求77的方法，其中，安装射束发射器包含相对于 微透镜向内偏移VCSEL，以使得相应的激光射束分散开。

79.  根据权利要求77的方法，其中，安装射束发射器包含相对于微透镜向外偏移VCSEL，以使得相应的激光射束一起会聚于焦点腰。

80.  根据权利要求77～79中的任一项的方法，其中，对准第二阵列包含在光学基板的相对侧上形成VCSEL和微透镜。

81.  根据权利要求80的方法，其中，光学基板包含在VCSEL的发射波长处透明的半导体晶片。

82.  根据权利要求66～81中的任一项的方法，还包括将至少一个激光射束和接收光引导为入射于模块外面的扫描镜子上，其中，该镜子在场景上扫描至少一个激光射束和接收器的视场。

83.  一种射束产生装置，包括：
具有光学通带的半导体基板；
在半导体基板的第一面上形成并被配置为以处于通带内的波长经过基板发射相应的激光射束的垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)的第一阵列；和
以分别与VCSEL对准的方式在半导体基板的第二面上形成以传送通过VCSEL产生的激光射束的微透镜的第二阵列。

84.  根据权利要求83的装置，其中，VCSEL相对于微透镜向内偏移，以使得相应的激光射束分散开。

85.  根据权利要求83的装置，其中，VCSEL相对于微透镜向外偏移，以使得相应的激光射束一起会聚于焦点腰。

86.  根据权利要求83～85中的任一项的装置，其中，基板包含GaAs。

87.  一种光电子模块，包括：
具有在其中形成的沟槽的微光学基板；
安装在与沟槽相邻的微光学基板上并被配置为沿与基板平行的射束轴发射激光射束的包含边缘发射激光小片的射束发射器；
安装于沟槽中并被配置为使激光射束准直化的球透镜；
安装于基板上并被配置为反射从球透镜出射的准直化的激光射束 以使激光射束远离基板的转向镜子；和
被配置为收集和扩展从转向镜子反射之后的激光射束的射束扩展器。

88.  一种用于制造光电子模块的方法，该方法包括：
在微光学基板中形成沟槽；
在与沟槽相邻的微光学基板上安装包含被配置为沿射束轴发射激光射束的边缘发射激光小片的射束发射器，使得射束轴与基板平行；
在沟槽中安装球透镜以使激光射束准直化；
在基板上安装转向镜子，以使从球透镜出射的准直化的激光射束离开基板；和
在转向镜子上安装射束扩展器，以收集和扩展从转向镜子反射之后的激光射束。

89.  根据权利要求88的方法，其中，射束发射器、球透镜、转向镜子和射束扩展器在不在激光小片上通电的情况下被对准并被紧固于模块中的适当的位置中。

90.  一种制图装置，包括：
被配置为发射包含光脉冲的射束的发射器；
被配置为在场景上扫描射束的扫描器；
被配置为接收从场景反射的光并且产生指示脉冲来往于场景中的点的飞行时间的输出的接收器；和
被耦合为处理在射束的第一扫描期间接收器的输出以产生场景的3D地图，同时控制由发射器发射的脉冲的功率水平的处理器，这一控制是响应于响应一个或更多个以前的脉冲而来自接收器的输出的水平的。

91.  根据权利要求90的装置，其中，处理器被配置为控制脉冲的功率水平，以减少从场景的不同部分接收的反射光的强度的变化。

92.  根据权利要求90或91的装置，其中，为了评估和调整功率水平，一个或更多个以前的脉冲包含由发射器发射的侦察脉冲。

说明书扫描深度引擎
技术领域
本发明一般涉及用于投影和捕获光学放射线的方法和装置，特别涉及光学3D制图。
背景技术
在光学3D制图即通过处理物体的光学图像产生物体的表面的3D轮廓的领域中，各种方法是已知的。这种类型的3D轮廓也被称为3D地图、深度地图或深度图像，并且，3D制图也被称为深度制图。
美国专利申请公开2011/0279648描述了用于构建主体的3D表示的方法，该方法包括用照相机捕获主体的2D图像。该方法还包括在主体上扫描调制的照射射束以一次一个地照射主体的多个目标区域并且从于目标区域中的每一个反射的照射射束测量光的调制方面。使用移动镜子射束扫描器以扫描照射射束，并且，使用光电检测器以测量调制方面。该方法还包括基于对于目标区域中的每一个测量的调制方面来计算深度方面，并且使深度方面与2D图像的相应的像素相关联。
美国专利8018579描述了通过测量振幅调制扫描射束随其相移的路径长度而在成像容积中光学检测用户输入的三维成像和显示系统。呈现了关于检测的用户输入的视觉图像用户反馈。
美国专利7952781描述了扫描光射束的方法和可在扫描装置中加入的微电气机械系统(MEMS)的制造方法，在这里加入其公开作为参考。
美国专利申请公开2012/0236379描述了使用MEMS扫描的LADAR系统。扫描镜子包括被图案化为包含镜子区域、镜子区域周围的框架和框架周围的基座的基板。一组致动器操作以使镜子区域相对于框架围绕第一轴旋转，并且，第二组致动器使框架相对于基座围 绕第二轴旋转。可使用半导体处理技术制造扫描镜子。用于扫描镜子的驱动器可使用对于三角移动使镜子操作的反馈回路。可在用于计算系统的Natural User Interface的LADAR系统中使用扫描镜子的一些实施例。
由SICK AG(Hamburg,德国)协调的“MiniFaros”财团已支持关于用于汽车应用的新激光扫描器的工作。在minifaros.eu网站上可得到其它的细节。
发明内容
以下描述的本发明的一些实施例提供使用扫描射束的深度制图的改善的装置和方法。
因此，根据本发明的实施例，提供一种制图装置，该制图装置包括：被配置为发射包含光脉冲的射束的发射器；和被配置为在场景上在预定的扫描范围内扫描射束的扫描器。接收器被配置为接收从场景反射的光并且产生指示脉冲来往于场景中的点的飞行时间的输出。处理器被耦合为控制扫描器以使得射束在扫描范围内的选择的窗口上扫描并处理接收器的输出以产生场景的处于选择的窗口内的一部分的3D地图。
在一些实施例中，处理器被配置为选择不同的窗口以在射束的每个扫描中扫描。处理器可被配置为在可覆盖扫描器的整个扫描范围的第一扫描期间处理接收器的输出，以产生场景的第一3D地图，并且响应第一3D地图的特征而选择在第二扫描期间优先扫描的窗口。
处理器可被配置为识别第一3D地图中的物体，并限定窗口以包含识别的物体。在公开的实施例中，物体包含装置的用户的身体的至少一部分，并且，处理器被配置为响应在第一扫描期间用户做出的姿势而识别身体的一部分。
在一个实施例中，处理器被配置为驱动扫描器以用相对于第一扫描得到提高的分辨率扫描选择的窗口。作为替代方案，或者，另外，处理器被配置为驱动扫描器以按比第一扫描期间高的帧率扫描第二窗 口。对于至少一些扫描，选择的窗口不需要居中于预定的扫描范围内。
在一些实施例中，扫描器包括使用微电气机械系统(MEMS)技术制成的微镜子，并且，发射器被配置为引导射束以从微镜子向场景反射。微镜子可被配置为围绕两个轴旋转，其中，处理器被耦合为控制微镜子关于轴中的至少一个的旋转范围以限定窗口。
另外，或者，作为替代方案，处理器可被耦合为改变微镜子关于轴中的至少一个的旋转速度以限定窗口。在一个这种实施例中，微镜子的旋转范围在第一扫描和第二扫描中相同，并且，处理器被耦合为在第二扫描期间改变关于轴中的至少一个的旋转速度，使得微镜子在选择的窗口上的扫描速度比在范围的其它部分上慢。
在一些实施例中，扫描器包括基板，该基板被蚀刻以限定微镜子和支撑件，以及沿第一轴连接微镜子与支撑件的第一锤锭和沿第二轴连接支撑件与基板的第二锤锭。电磁驱动器使得微镜子和支撑件围绕第一锤锭和第二锤锭旋转。电磁驱动器可包含：包含具有空气间隙的至少一个磁芯和缠绕在磁芯上的至少一个线圈的定子组件；和上面安装微镜子和支撑件并且悬在空气间隙中以响应被驱动经过至少一个线圈的电流而在空气间隙内移动的至少一个转子。在公开的实施例中，至少一个磁芯和至少一个转子包含两个芯部且悬在芯部的相应的空气间隙中的两个转子，并且，电磁驱动器被配置为用不同的电流驱动两个芯部上的线圈，以使得微镜子和支撑件以不同的相应的速度旋转，使得微镜子以光栅图案扫描。
在一些实施例中，电磁驱动器使得微镜子以作为旋转的共振频率的第一频率围绕第一锤锭旋转，同时使得支撑件以比第一频率低且可以不是共振频率的第二频率围绕第二锤锭旋转。在公开的实施例中，支撑件包含：通过第一锤锭与微镜子连接的第一支撑件；通过第二锤锭与基板连接的第二支撑件；和连接第一支撑件与第二支撑件的第三锤锭，其中，电磁驱动器被配置为使得第一支撑件围绕第三锤锭相对于第二支撑件旋转。
一般地，接收器包含被配置为经由微镜子接收来自场景的反射光 的检测器。在公开的实施例中，该装置包括被定位成向微镜子引导由发射器发射的射束，同时允许反射光到达检测器的射束分裂器，其中，发射的射束和反射光具有在射束分裂器与微镜子之间平行的相应的光轴。射束分裂器可仅在射束分裂器的表面的一部分上利用偏光反射涂层被图案化，并且可被定位成使得表面的图案化部分拦截来自发射器的射束并向微镜子反射射束。任选地，射束分裂器可包含射束分裂器的反侧上的带通涂层，该带通涂层被配置为阻止发射器的发射带外的光到达接收器。发射器和接收器可在单个集成封装中一起安装于微光学基板上。
在公开的实施例中，处理器被配置为可变地控制由发射器发射的脉冲的功率水平，这一控制是响应于响应一个或更多个以前的脉冲而来自接收器的输出的水平的。
根据本发明的实施例，还提供一种光电子模块，该光电子模块包括：微光学基板；和包含安装于微光学基板上并被配置为沿射束轴发射至少一个激光射束的激光小片的射束发射器。接收器包含安装于微光学基板上并被配置为感测沿接收器的收集轴由模块接收的光的检测器小片。射束组合光学器件被配置为引导激光射束和接收光，使得在模块外面射束轴与收集轴对准。
在一些实施例中，射束组合光学器件包含被射束轴和收集轴拦截的射束分裂器。在这些实施例中的某个实施例中，射束轴和收集轴均与基板垂直，并且，射束组合光学器件包含被配置为向射束分裂器偏转射束轴和收集轴中的一个，使得射束轴和收集轴以不同的相应的角度入射于射束分裂器上的反射器。射束组合光学器件可包含具有相对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个上形成的滤光器，以排除处于射束发射器的发射带外面的接收光。
另外，或者，作为替代方案，射束组合光学器件包含被配置为使至少一个激光射束准直化并将接收光聚焦于检测器小片上的至少一个透镜。在一个实施例中，至少一个透镜包含被配置为经过第一孔径使 至少一个激光射束准直化并被配置为经过比第一孔径大的第二孔径收集接收光的双焦透镜。
在一些实施例中，激光小片是边缘发射小片，并且，模块包含安装于基板上并被配置为反射来自激光小片的至少一个激光射束以使激光射束远离基板的转向镜子。沟槽可在激光小片与转向镜子之间的基板中形成，其中，模块包含安装于沟槽中并被配置为使至少一个激光射束准直化的球透镜。在另一实施例中，模块包含安装于基板上以使从转向镜子反射之后的至少一个激光射束准直化的透镜，其中，透镜具有在将激光小片组装于基板上之前测量的焦距，并且，激光小片到基板上的转向镜子的距离响应测量的焦距被调整。
在其它的实施例中，激光小片包含垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)的第一阵列，并且，射束发射器包含分别与VCSEL对准以传送由VCSEL产生的相应的激光射束的微透镜的第二阵列。
在公开的实施例中，至少一个激光射束和接收光被引导以入射于模块外面的扫描镜子上，其中，该镜子在场景上扫描至少一个激光射束和接收器的视场。
另外，根据本发明的实施例，提供一种用于制图的方法，该方法包括：操作扫描器以在场景上在预定的扫描范围内扫描包含光脉冲的射束。接收从场景反射的光并且产生指示脉冲来往于场景中的点的飞行时间的输出。在扫描器的操作中，控制扫描器以使得射束优先在扫描范围内的选择的窗口上扫描。处理接收器的输出以产生场景的处于选择的窗口内的一部分的3D地图。
根据本发明的实施例，还提供一种用于制造光电子模块的方法。该方法包括在微光学基板上安装包含被配置为沿射束轴发射至少一个激光射束的激光小片的射束发射器。在微光学基板上安装包含被配置为沿接收器的收集轴感测由模块接收的光的检测器小片的接收器。关于微光学基板定位射束组合光学器件，以引导激光射束和接收光，使得在模块外面射束轴与收集轴对准。
并且，根据本发明的实施例，提供一种射束产生装置，该射束产 生装置包括具有光学通带的诸如GaAs的半导体基板。在半导体基板的第一面上形成垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)的第一阵列，并且VCSEL被配置为以处于通带内的波长经过基板发射相应的激光射束。以分别与VCSEL对准的方式在半导体基板的第二面上形成微透镜的第二阵列以传送通过VCSEL产生的激光射束。
VCSEL可相对于微透镜向内偏移，以使得相应的激光射束分散开。作为替代方案，VCSEL可相对于微透镜向外偏移，以使得相应的激光射束一起会聚于焦点腰。
根据本发明的实施例，还提供一种光电子模块，该光电子模块包括具有在其中形成的沟槽的微光学基板。包含边缘发射激光小片的射束发射器被安装在与沟槽相邻的微光学基板上并被配置为沿与基板平行的射束轴发射激光射束。球透镜被安装于沟槽中并被配置为使激光射束准直化。转向镜子被安装于基板上并被配置为反射从球透镜出射的准直化的激光射束以使激光射束远离基板。射束扩展器被配置为收集和扩展从转向镜子反射之后的激光射束。
另外，根据本发明的实施例，提供一种用于制造光电子模块的方法。该方法包括：在微光学基板中形成沟槽和在与沟槽相邻的微光学基板上安装包含被配置为沿射束轴发射激光射束的边缘发射激光小片的射束发射器，使得射束轴与基板平行。球透镜被安装于沟槽中以使激光射束准直化。在基板上安装转向镜子，以使从球透镜出射的准直化的激光射束离开基板。在转向镜子上安装射束扩展器，以收集和扩展从转向镜子反射之后的激光射束。
在公开的实施例中，射束发射器、球透镜、转向镜子和射束扩展器被对准并在不在激光小片上通电的情况下被紧固于模块中的适当的位置中。
根据本发明的实施例，还提供一种制图装置，该制图装置包括被配置为发射包含光脉冲的射束的发射器和被配置为在场景上扫描射束的扫描器。接收器被配置为接收从场景反射的光并且产生指示脉冲来往于场景中的点的飞行时间的输出。处理器被耦合为处理在射束的第 一扫描期间接收器的输出以产生场景的3D地图，同时控制由发射器发射的脉冲的功率水平，这一控制是响应于响应一个或更多个以前的脉冲而来自接收器的输出的水平的。
一般地，处理器被配置为控制脉冲的功率水平，以减少从场景的不同部分接收的反射光的强度的变化。为了评估和调整功率水平，一个或更多个以前的脉冲可包含由发射器发射的侦察脉冲。
结合附图阅读本发明的实施例的以下详细描述，将更完整地理解本发明。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的深度制图系统的示意性图示；
图2是示意性地表示根据本发明的实施例的深度引擎的功能部件的框图；
图3是根据本发明的实施例的光学扫描头的示意性图示；
图4是根据本发明的实施例的MEMS扫描器的示意性图示；
图5是根据本发明的另一实施例的微镜子单元的示意性图示；
图6A和图6B是根据本发明的实施例的光电子模块的示意性侧视图；
图7是根据本发明的另一实施例的光电子模块的示意性侧视图；
图8A和图8B是根据本发明的又一实施例的光电子模块的示意性侧视图；
图9是根据本发明的实施例的射束组合器的示意性侧视图；
图10A和图10B是根据本发明的又一实施例的光电子模块的示意性侧视图；
图11A是根据本发明的实施例的射束发射器的示意性侧视图；
图11B和图11C分别是根据本发明的实施例的射束产生器的示意性侧视图和后视图；
图11D是根据本发明的替代性实施例的射束产生器的示意性侧视图；
图12A是根据本发明的另一实施例的射束发射器的示意性侧视图；
图12B和图12C分别是根据本发明的另一实施例的射束产生器的示意性侧视图和后视图；
图13～15是根据本发明的其它实施例的光电子模块的示意性侧视图。
具体实施方式
受让给本专利申请的受让人的PCT国际公开WO 2012/020380描述了包括照射模块的用于制图的装置，在这里加入其公开作为参考。该模块包括被配置为发射放射线射束的放射线源和被配置为接收射束并在选择的角度范围上扫描射束的扫描器。照射光学器件投影扫描的射束以产生在关注的区域上扩展的斑点图案。成像模块捕获在关注区域中投影到物体上的图案的图像。为了构建物体的三维(3D)图像，处理器处理图像。
与这种基于图像的制图系统相反，以下描述的本发明的一些实施例提供通过测量扫描射束的飞行时间产生3D制图数据的深度引擎。诸如激光器的光发射器将光的短脉冲引向扫描镜子，该扫描镜子在一定扫描范围内在关注场景上扫描光射束。诸如灵敏、高速光电二极管(例如，雪崩光电二极管)的接收器经由同一扫描镜子接收从场景返回的光。处理电路测量扫描中的各点处的传送光脉冲与接收光脉冲之间的时间延迟。该延迟指示光射束行进的距离，并由此指示该点处的物体的深度。处理电路在产生场景的3D地图时使用由此提取的深度数据。
基于这种类型的深度引擎的系统能够提供动态、交互式的缩放功能。扫描器可被控制，以使得射束在扫描范围内的选择的窗口上扫描，并由此产生场景的处于选择的窗口内的一部分的3D地图。可在射束的每个扫描中选择不同的窗口。例如，在首先扫描宽角度范围并创建关注场景的广角、低分辨率3D地图(可能扫描整个范围)之后，深 度引擎可被控制以在于场景内识别的特定窗口或物体上放大。以这种方式放大使得深度引擎能够以更高的分辨率在选择的窗口内提供数据，或者，作为替代方案，或者，另外，增加其扫描的帧率。
系统描述
图1是根据本发明的实施例的深度制图系统20的示意性图示。该系统基于捕获包含一个或更多个物体的关注体积(VOI)30中的3D场景信息的扫描深度引擎22。在本例子中，物体包含用户28的身体的至少一部分。引擎22将包含深度数据的一系列的帧输出到计算机24，该计算机24处理并从地图数据提取高级信息。该高级信息可例如被提供给在计算机24上运行的应用，该应用因此驱动显示画面26。
为了重构包含用户28的VOI 30的深度地图，计算机24处理由引擎22产生的数据。在一个实施例中，引擎22在扫描场景的同时发射光脉冲，并测量从场景反射回的脉冲的相对延迟。引擎22或计算机24中的处理器然后基于场景中的各测量点(X，Y)处的光脉冲的飞行时间计算场景中的点(包含用户的身体的表面上的点)的3D坐标。该方法的有利之处在于，它不要求用户保持或者配戴任何类型的信标、传感器或其它的标记。它给出场景中的点相对于引擎22的位置的深度(Z)坐标，并且允许在场景内扫描的区域的动态缩放和偏移。以下更详细地描述深度引擎的实现和操作。
虽然计算机24作为例子在图1中被示为与深度引擎22分开的单元，但可通过适当的微处理器和软件或者通过处于深度引擎的外壳内或者另外与深度引擎相关的专用电路执行计算机的处理功能中的一些或全部。作为另一替代方案，可通过与显示屏26一体化(例如，在电视机中)的适当的处理器或者用诸如游戏控制台或媒体播放器的任何其它适当的类型的计算装置实施这些处理功能中的至少一些。引擎22的感测功能可类似地集成到计算机24或要由深度输出控制的其它计算装置中。
出于简化和阐明的目的，在以下的描述中，在图1中标记一组的Cartesian轴。Z轴取为与深度引擎22的光轴平行。深度引擎的前面 取为X-Y面，X轴是水平的。但是，限定这些轴只是为了方便。可替代性地使用深度引擎及其关注体积的其它几何配置，并将其视为处于本发明的范围内。
图1示出深度引擎22的缩放能力。首先，由引擎22发射的射束38扫描整个VOI 30，并产生整个场景的低分辨率深度地图。场景范围可以较大，例如，如图所示，为120°(X)×80°(Y)。(在本说明书中提到的“扫描范围”意味着制图系统要操作的整个范围，它可能小于深度引擎22中的扫描器在物理上能够扫描的整个范围。)计算机24识别用户28并指示引擎22将其扫描范围变窄到包含用户的窗口32，并由此产生在窗口中的物体的高分辨率深度地图。任选地，如窗口34和36例示的那样，计算机24可指示引擎22进一步在用户的面部或身体的特定部位或特征上放大。引擎22的指示以及它们的执行可以是动态的，即，计算机24可指示引擎22在扫描器的操作期间修改扫描窗口。因此，例如，响应用户的移动或者场景中的其它变化或者应用要求，窗口的位置可在帧与帧之间改变。如图所示，窗口不需要居中于扫描范围内并且实际上可位于范围内的任何位置上。
通过控制引擎22的扫描范围实现这些动态缩放功能。一般地，引擎22以光栅图案扫描VOI 30。例如，为了产生窗口32，减小光栅扫描的X范围，而Y范围保持不变。当深度引擎在具有固定的振幅和频率(诸如5～10kHz)的共振扫描中迅速地沿Y方向扫描同时以希望的帧率(诸如30Hz)沿X方向更慢地扫描时，可方便地实现这种类型的窗口。X方向扫描不是旋转的共振频率。因此，X方向扫描的速度可在扫描范围上改变，使得各帧包含多个垂直窗口，诸如在用户28中的每一个上扫描相应的窗口，同时在他们之间的空间上跳过。作为另一替代方案，可减小扫描的Y范围，由此减小整个垂直视野。
另外，或者，作为替代方案，也可以控制扫描的Y范围，由此给出在X和Y上具有不同的范围的扫描窗口34和36。并且，可在每个帧期间调制扫描的Y范围和/或X范围和X偏移，使得可以扫描非矩形的窗口。
计算机24可经由通过深度引擎提供的命令界面指示深度引擎22改变缩放(即，改变缩放窗口的尺寸和/或位置)。计算机可运行应用程序界面(API)和/或适当的中间件，使得在计算机上运行的应用程序可调用命令界面。
可通过计算机或者替代性地或者另外通过深度引擎22中的嵌入软件实现各种缩放控制模型。如上所述，计算机或深度引擎可基于深度地图的分析实时(on the fly)改变缩放。首先，深度引擎和计算机可在广角、低分辨率搜索模式中操作，并且然后当在场景中识别用户时可缩放到高分辨率跟踪模式。例如，当用户进入场景时，计算机可检测用户的有无和位置，并指示深度引擎在其位置上放大。当用户然后摆出一定的姿势时，计算机可检测该姿势并指示深度引擎进一步在用户的手上放大。
参照以下的附图描述支持以上的类型的方案的扫描镜子设计和深度引擎的其它细节。
图2是示意性地表示根据本发明的实施例的深度引擎22的功能部件的框图。如图所示，引擎22包含光学头40和可实现为专用集成电路(ASIC)的控制器42(也称为处理器)。
光学头40包含诸如激光二极管的发射器44，该发射器44的输出通过适当的透镜被准直化。发射器44输出可包含可见、红外和/或紫外放射线(在本说明书和权利要求的上下文中，均称为“光”)的光射束。可类似地在ASIC 53中实现的激光驱动器调制激光输出，使得它发射一般具有亚纳秒上升时间的短脉冲。如后面描述的那样，激光射束被引向可使用MEMS技术制造和驱动的扫描微镜子46。微镜子一般经由诸如适当的透镜(在后面的示图中表示)的投影/收集光学器件在场景上扫描射束38。
从场景反射回的光脉冲被光学器件收集并且从扫描镜子46反射到接收器48上。(作为替代方案，作为被发射器和接收器共享的单个镜子的替代，可以使用一对同步的镜子，一个用于发射器，另一个用于接收器，同时仍支持引擎22的交互缩放能力)。接收器一般包括诸 如雪崩光电二极管(APD)的灵敏、高速光电检测器连同放大通过光电检测器输出的电脉冲的诸如跨阻放大器(TIA)的灵敏放大器。这些脉冲指示相应光脉冲的飞行时间。
为了提取作为扫描位置(X，Y)的函数的深度(Z)值，通过控制器42处理通过接收器48输出的脉冲。出于这种目的，脉冲可通过高速模拟/数字转换器(A2D)56被数字化，并且可通过深度处理逻辑50处理得到的数字值。相应的深度值可经由USB端口58或其它的适当的接口被输出到计算机24。
在一些情况下，特别是在场景中的物体的边缘附近，给定的投影光脉冲可导致被接收器48检测的两个反射光脉冲－在前景中从物体自身反射的第一脉冲，后跟从物体后面的背景反射的第二脉冲。逻辑50可被配置为处理两个脉冲，从而给出相应像素处的两个深度值(前景和背景)。计算机24可在产生场景的更精确的深度地图时使用这两值。
控制器42还包括用于向引擎22的部件提供电力的功率转换器57，并控制光学头40的传送、接收和扫描功能。例如，控制器42中的MEMS控制电路52可将命令引向光学头以修改以上解释的镜子46的扫描范围。诸如适当的电感或电容传感器(未示出)的与扫描镜子相关的位置传感器可向MEMS控制功能提供位置反馈。激光控制电路54和接收器控制电路55类似地控制发射器44和接收器48的操作的多个方面，诸如振幅、增益、偏移和偏压。
为了使入射于接收器48上的脉冲的光学功率的水平均衡化，ASIC 53中的激光驱动器和/或激光控制电路54可自适应地控制发射器44的输出功率。该自适应补偿由于反射光脉冲的场景的不同部分中的物体的距离和反射率的变化出现的反射脉冲的强度的变化。因此，可提高信号/噪声比，同时避免检测器饱和。例如，可基于响应诸如在当前脉冲中由发射器发射的前一脉冲或前多个脉冲和/或前一扫描中的镜子46的该X、Y位置处的脉冲的一个或更多个以前的脉冲而来自接收器48的输出的水平来调整各传送脉冲的功率。任选地，光学头 40的元件可出于评价返回的功率或物体距离的目的被配置为以全部或部分功率传送和/或接收“侦察脉冲”，并且可因此然后调整发射器44的输出。
光学扫描头
图3是表示根据本发明的实施例的光学头40的元件的示意性图示。发射器44向偏光射束分裂器60发射光脉冲。一般地，只有射束分裂器的直接处于发射器60的光路中的较小的区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层)以允许返回光穿过以到达接收器48。来自发射器44的光反射离开射束分裂器60，并然后被折叠镜子62引向扫描微镜子46。MEMS扫描器64以希望的扫描频率和振幅沿X方向和Y方向扫描微镜子46。在以下的附图中表示微镜子和扫描器的细节。
从场景返回的光脉冲入射到微镜子46，该微镜子46经由转向镜子62反射光从而通过射束分裂器60。接收器48感测返回的光脉冲并产生相应的电脉冲。为了增强检测的灵敏度，射束分裂器60的总面积和接收器48的孔径明显大于传送射束的面积，并且射束分裂器因此被图案化，即，反射涂层仅在其上面入射传送射束的表面的部分上延伸。射束分裂器的反向侧可具有带通涂层，以阻止发射器44的发射带外面的光到达接收器。还希望微镜子46在扫描器施加的惯性约束内尽可能地大。例如，微镜子的面积可以为约10～15mm2。
这里作为例子描述图3所示的光学头的特定机械和光学设计，并且，实现类似的原理的替代性设计被视为处于本发明的范围内。以下描述可结合扫描微镜子使用的光电子模块的其它例子。
图4是根据本发明的实施例的MEMS扫描器46的示意性图示。该扫描器按与在上述的美国专利7952781中描述的原理类似的原理被制造和操作，但使得能够实现单个微镜子46的二维扫描。在于2012年7月26日提交的美国临时专利申请61/675828中进一步描述这种类型的双轴的基于MEMS的扫描器，在这里加入该专利申请作为参考。但是，本发明的替代性实施例可使用在本领域中已知的其它类型的扫 描器，包括使用两个单轴扫描器的设计(例如，诸如在美国专利7952781中描述的那些)。
通过适当地蚀刻半导体基板68以使微镜子与支撑件72分开并使支撑件与剩余的基板68分开，来制造微镜子46。在蚀刻之后，微镜子46(施加了适当的反射涂层)能够在锤锭70上相对于支撑件72沿Y方向旋转，同时支撑件72在锤锭74上相对于基板68沿X方向旋转。
微镜子46和支撑件72安装于包含永磁体的一对转子76上。(图中只能看到转子中的一个)。转子76悬在磁芯78的相应的空气间隙中。芯部78被导线的相应的线圈80缠绕，由此产生电磁定子组件。(虽然出于简化的目的在图4中示出每个芯部的单个线圈，但两个或更多个线圈可替代性地缠绕在每个芯部上；并且，也可使用不同的芯部形状。)驱动电流经过线圈80在空气间隙中产生磁场，该磁场与转子76的磁化交互作用，以使得转子旋转或者另外在空气间隙内移动。
特别地，线圈80可利用高频差动电流被驱动，以使得微镜子46高速地关于锤锭70往复共振旋转(如上所述，一般处于5～10kHz的范围中，但也可使用更高或更低的频率)。该共振旋转从引擎22产生输出射束的高速Y方向光栅扫描。同时，线圈80一起以低频被驱动，以通过使支撑件72关于锤锭74旋转经过希望的扫描范围而驱动X方向扫描。X旋转和Y旋转一起产生微镜子46的总体光栅扫描图案。
图5是根据本发明的另一实施例的微镜子单元82的示意性图示。可以按与以上参照扫描器64描述的方式类似的方式使用MEMS技术制造组件82并使其操作。在本实施例中，微镜子46通过锤锭84与Y支撑件86连接，该Y支撑件86通过锤锭88与X支撑件90连接。X支撑件通过锤锭92与基板(图中未示出)连接。微镜子46在锤锭84上以高频率往复共振旋转，由此产生上述的高速Y方向扫描。Y支撑件和X支撑件86和90利用可变的振幅和偏移低速旋转，以限定组件82将扫描的X-Y窗口。例如，如图1所示，该配置可被方便地用于产生窗口34和36上的扫描。
这里作为例子描述图4和图5所示的特定的基于MEMS的扫描器。在替代性实施例中，可在深度引擎22中使用其它类型的MEMS扫描器以及基于其它扫描技术的适当的扫描器。所有这些实现被视为处于本发明的范围内。
可通过向以上描述的类别的基于微镜子的扫描器施加适当的驱动信号实现各种扫描模式。上面已提到在特定窗口上放大的可能性。如上所述，即使当整个视场被扫描时，X方向扫描率也可在扫描过程中改变，以通过相对较慢地在一个或更多个区域上扫描微镜子，同时以较快的速率扫描场景的剩余部分，而给出这些区域内更高的分辨率。通过当微镜子在场景上沿一个方向扫描(例如，从左到右扫描)时保持固定的X方向扫描率以给予低分辨率深度地图并且在沿相反方向扫描(在从右到左的返回扫描上)的同时在快慢之间改变X方向扫描率，特定区域的这些高分辨率扫描可逐帧地与在整个扫描上用低分辨率扫描交错。可通过施加适当的驱动信号类似地实现其它类型的可变交错扫描图案。
光电子模块
图3所示的光学头40从离散的光学和机械部件的组装需要精确的对准并且可能是昂贵的。在替代性实施例中，可在诸如硅光学具座(SiOB)或基于诸如氧化铝、氮化铝或玻璃的半导体或陶瓷基板的其它类型的微光学具座的微光学基板上，在单个集成模块封装中组合需要精确的放置和对准的所有部分(诸如光发射器、接收器和相关的光学器件)。这种方法可节省成本并且可使得深度引擎更容易操作。
图6A是根据本发明的实施例的这种类型的光电子模块100的示意性侧视图。用作发射器的激光小片104和驱动器芯片106被放在硅光学具座(SiOB)102上。本实施例中的激光小片104是边缘发射器件，但在其它的实施例中，如后面描述的那样，可以使用表面发射器件。来自小片104的激光输出射束从转向镜子108反射并且通过透镜110准直化。为了使其射束轴与接收器的对准，棱镜112可被放在激 光射束中。棱镜12可制成为透镜110的单片部分，并且一般覆盖透镜的区域的较小的部分(诸如透镜通光孔径的1/10)。
激光器一般具有明显低于透镜110的数值孔径(NA)。因此，透镜处的激光射束将远比通过透镜捕获的返回射束窄。(任选地，例如，为了减小透镜110看到的射束的数值孔径，如图8A所示，球透镜可在激光小片104与镜子108之间位于SiOB 102上。另外，或者，作为替代方案，与图6B所示的透镜元件类似，可向透镜110添加附加的透镜元件以使外出的激光射束准直化。)来自模块110的输出激光射束入射到扫描镜子，该扫描镜子在关注的场景上扫描射束。
经由扫描镜子从场景返回的光被透镜110收集，该透镜110使光聚焦于具座102上的雪崩光电二极管(APD)小片114上。如以上解释的那样，APD的输出通过跨阻放大器(TIA)116被放大。作为替代方案，可在模块110中(以及在以下描述的替代性模块设计中)使用其它类型的检测器和放大器，只要它们对于手上的应用具有足够的灵敏度和速度即可。由于传送和接收使用透镜的不同部分，因此透镜110可向激光器和APD呈现不同或类似的准直化性能。
例如，可通过晶片级光学器件或聚合材料或玻璃的成形制造透镜110。这种透镜可具有产生模块110的侧壁的“腿”，由此密封模块。可在晶片级上执行模块110的组装，其中，具有安装的小片的SiOB的晶片与透镜的晶片接合，并然后被切割。作为替代方案，具有适当地形成的空腔的间隔物晶片可与SiOB晶片接合，并且透镜晶片在其顶部上接合。并且，作为替代方案，可使用单个化的硅光学具座和透镜实施组装。在任何情况下，整个模块110将具有中空立方的形状，一般边长为约5～8mm。(作为替代方案，在本实施例和以下描述的其它实施例中，微光学具座和其上面的部件可利用透明的盖子被密封，并然后可将具有其它的相关光学器件的透镜110组装为精确的追加物(add-on))。
图6B是根据本发明的另一实施例的光电子模块117的示意性侧视图。除了在模块117中反射来自激光小片104的射束的镜子118呈 约45°的角度并且激光射束沿与由透镜110和APD小片114限定的接收光的光轴(这里称为“收集轴”)平行的轴被反射以外，模块117与模块110类似。(收集轴是设计选择的事项，并且可相对于APD小片114的面倾斜。)在该配置中，不需要棱镜112，但可通过使元件119与透镜110一起成形添加附加的透镜元件119，以例如使外出的激光射束准直化。只要来自激光小片104的投影射束和APD小片114的收集轴平行，本实施例中的轴之间的偏移就不对系统性能具有明显的影响。
作为例子表示以上的附图中的镜子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。一般希望针对包含来自由激光小片104发射的射束的向后反射光的杂散光屏蔽APD小片114。出于这种原因，更尖的反射角度的镜子118(与图6A的实施例中的镜子108相比)是有利的。在替代性实施例(图中未示出)中，甚至可以使用更尖的反射角度，使得激光射束的相应的投影光学器件适当地自适应。例如，SiOB 102，或者，替代性地，位于SiOB 102的顶部的硅间隔物晶片(未示出)，可包含(100)硅晶体，并且可沿(111)面被湿蚀刻并然后被金属或电介质叠层涂敷以形成54.74°的倾角的镜子。在这种情况下，透镜110可倾斜或者另外被配置为将轴外聚焦到APD小片114上。任选地，模块100或117也可包含用于针对激光射束的杂散反射屏蔽APD小片的光挡板或其它手段(未示出)。作为替代方案，或者，另外，对于大于45°的角度，APD小片114可被放在激光小片104后面，而不是图示的其前面。
图7是根据本发明的又一实施例的光电子模块120的示意性侧视图。除了将发射器元件(激光小片104和驱动器106)放在台座122上且为了对准传送射束和接收射束而将射束分裂器124安装在SiOB102之上外，该模块与模块100和117类似。射束分裂器124可在于模块120中斜取向的透明板126上包含较小的适当涂敷的区域。当激光小片104被配置为输出偏光射束时，射束分裂器124可是偏光依赖的，以在通过正交偏光的同时反射激光射束的偏光方向，由此提高模 块的光学效率。
图8A和图8B是根据本发明的又一实施例的光电子模块130的示意性侧视图。图8B所示的示图相对于图8A的示图旋转90°，使得在图8A的示图的前面看到的项目处于图8B的左侧。本实施例与前面的实施例的不同在于，传送射束和接收射束在模块130内分开，并且通过安装在模块的基板之上的射束组合器142在离开模块时被对准。
由激光小片104发射的照射射束通过位于在SiOB 102中的沟槽中的球透镜134被准直化。可通过诸如湿蚀刻的在本领域中已知的技术以光刻精度在硅(和其它的半导体材料)中产生沟槽135。作为替代方案，或者，另外，可甚至在没有沟槽135的情况下通过精确的取放机器将球透镜直接固定于SiOB上。转向镜子136反射准直化的射束以使其远离SiOB 102并经过保护模块130中的光电子部件的覆盖玻璃137。由于球透镜134一般仅实现部分的准直化，因此可以使用射束扩展器138以按3～10的因子扩展激光射束，并由此增强其准直化。虽然射束扩展器138在这里被示为单元件光学部件，但可替代性地使用多元件射束扩展器。模块130的设计的有利之处在于，它可在不需要主动对准的情况下被精确组装，即，可以在不实际上在激光小片104上通电的情况下在细微的容限内完成组装和对准。
通过射束扩展器138输出的准直化的射束通过射束组合器142中的反射器144转向，并然后通过射束分裂器146向着扫描镜子向外折回。如以上参照图7解释的那样，假定激光小片104要输出偏光射束，射束分裂器146可有利地是偏光依赖的。从扫描镜子返回的收集射束穿过射束分裂器146并然后通过收集透镜140聚焦于APD 114上。如图8A和图8B所示，为了在模块130的几何约束内使光收集效率最大化，收集透镜可具有不对称的细长的形状。
虽然射束组合器142在图8B中被示为单个棱镜元件，但可替代性地使用其它的实现。例如，可通过以下的两个单独的带角度的板执行射束组合功能：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。
图9是根据本发明的另一实施例的可替代射束组合器142使用的射束组合器150的示意性侧视图。射束组合器150包含由例如玻璃制成的透明基板152，该透明基板152带有替代反射器144的反射涂层154和替代射束分裂器146的射束分裂涂层156(一般是偏光依赖的)。可在基板152的前后表面的投影射束和收集射束进出组合器150的剩余区域上施加抗反射涂层158。射束组合器150的设计有利于制造和组装的简化。
图10A和图10B是根据本发明的另一实施例的光电子模块160的示意性侧视图。两个示图相对于彼此旋转90°，使得在图10A的前面的元件出现于图10B的右侧。除了在模块160中没有用于准直化的球透镜以外，模块160的设计和操作的原理与模块130(图8A/B)类似。从激光小片104传送的射束的准直化透镜164和从扫描镜子接收的射束的收集透镜166在这种情况下被直接安装于模块的覆盖玻璃162上。与图8A/B的实施例同样，传送射束和接收射束的射束轴一般通过射束组合器(这些图未示出)对准。
如果透镜164和166具有严格制造容限，那么，在覆盖玻璃162的顶部上，可通过使用机器视觉技术以使它们的光学中心与模块160的适当的轴对准，来组装它们。但是，特别是当在晶片级处理中大规模制造透镜时，这种微型透镜一般具有一般为1～5％的量级的较大的制造容限。这种容限如果不被测量和考虑，将会使得来自激光小片104的射束的较差的准直化。
为了避免这种类型的情况，可事先测量准直化透镜164的实际有效焦距(EFL)。例如，当在晶片级处理中制造透镜164时，可在组装模块160之前在晶片级上精确测量各透镜的EFL。激光小片104到各模块160中的基板上的转向镜子136的距离可然后如图10A中的水平箭头所示的那样在制造时被调整，以匹配相应的透镜164的测量EFL。激光小片然后被固定(一般通过胶或焊接)于适当的位置上。激光小片的位置的这种调整很好地处于现有的取放机器的能力内，这些取放机器可类似地被用于使透镜164精确地居中于转向镜子136上 的覆盖玻璃162上。作为结果，可在不实际通电和操作激光小片104的情况下组装和对准模块的部件，即，不需要“主动对准”。
取放机器可类似地被用于定位收集透镜166。但是，由于收集射束的不太严格的几何约束和APD 114的相对较大的尺寸，因此收集透镜的EFL变化不太关键。因此，作为图10A和图10B所示的在覆盖玻璃162上安装收集透镜166的替代方案，收集透镜可在制造之后与射束组合器一起被组装到模块160上。
作为替代方案，如上所述，可在诸如陶瓷或玻璃基板的其它类型的微光学基板上制造基于上述的实施例的原理的模块。陶瓷材料可有利于电气性能。
在其它的替代性实施例(图中未示出)中，光电子模块的传送部分和接收部分可单独地安装于两个不同的微光学具座上。由于对于接收器的要求是高频信号的高带宽、低损失和低价格，而对于发射器主要需求是热导率以及出于激光二极管的可靠性的气密密封，因此该方法会是有利的。
基于表面发射器的射束发射器和模块
现在参照示意性地示出根据本发明的实施例的射束发射器170的图11A～C。图11A是整个射束发射器的侧视图，而图11B和图11C分别是在发射器170中使用的射束产生器172的侧视图和后视图。发射器170特别适用于可在上述的类型的光学扫描头中集成的光电子模块中，并且，在后面进一步描述这种类型的模块。但是，这种类型的发射器也可被用于需要小型化源以产生高强度、易于控制的输出射束的其它应用中。
射束产生器172包含诸如垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)的表面发射器件178的阵列。由器件178发射的射束被将射束引向准直化透镜175的微透镜176的相应阵列收集。可方便地在诸如诸如GaAs晶片的适当的半导体晶片的透明光学基板180的相对面上形成器件178和微透镜176。(GaAs具有从约900nm开始的光学通带，即，它在比约900nm长的波长处是透明的，并因此通过在基板180的后侧由 器件178发射的这种波长的放射线。)基板180的厚度一般为约0.5mm，但可替代性地使用更小或更大的尺寸。如图11C最清楚地表示的那样，器件178的位置相对于相应的微透镜176的中心向内偏移，由此在由微透镜传送的各单个射束之间引起角度分散。
图11D是根据本发明的替代性实施例的射束产生器182的示意性侧视图。在本实施例中，表面发射器件178在可通过导线接合185与下层的基板连接的基板183的前侧形成。微透镜176在诸如玻璃坯件的单独的透明坯件184上形成，该透明坯件184然后与基板183上的器件178对准并且粘在其上面。射束产生器182的设计因此在器件178被设计为发射对基板不透明的短波长时是合适的。出于光学设计和散热的原因，基板183和坯件184一般分别为约0.25mm厚，但可类似地使用其它的尺寸。
图12A～C示意性地示出根据本发明的另一实施例的射束发射器186。同样，图12A是整个射束发射器的示意性侧视图，而图12B和图12C分别是在发射器186中使用的射束产生器188的示意性侧视图和后视图。射束产生器188与射束产生器172的不同在于，如图12C所示，射束产生器188中的器件178的位置相对于相应的微透镜176的中心向外偏移。作为结果，如图12A所示，由微透镜1876传送的各单个射束在重新分散开之前会聚于焦点腰。
为了改变由透镜175输出的射束的特性，射束发射器170和186中的表面发射器件178可单独地或者在预定的组中被驱动。例如，所有器件178可一起被驱动，以给予大直径、强射束，或者，可以只驱动中心器件或者一起驱动7个器件的中心组以给予小直径、不太强射束。虽然图11C和图12C表示表面发射器件的阵列的特定的六角配置，但是，可替代性地使用六角或其它类型的几何配置中的具有更多或更少的器件的其它配置。
图13是根据本发明的实施例的加入射束产生器172(图11B/C)的光电子模块190的示意性侧视图。可在制造上述的类型的光学扫描头时，与扫描镜子和其它的部件结合使用该模块以及图14和图15所 示的替代性模块。可替代性地在需要具有共轴的传送射束和接收射束的小型化光学发射器和接收器的其它应用中使用图13～15的模块。
在模块190中，射束产生器172(如图11B/C所示)连同包含诸如例如上述的APD的适当的检测器的接收器194一起被安装于诸如SiOB的微光学基板192上。射束组合器196组合向着扫描镜子(图13～15未示出)穿过透镜175的传送射束和接收射束。本实施例中的射束组合器196包含在其传送射束和接收射束进出板的位置以外的大部分的表面上具有外部反射涂层198的玻璃板。由射束产生器712传送的射束经过可如上面解释的那样具有偏光依赖性的射束分裂器涂层200入射到射束组合器，并经过可具有抗反射涂层的前窗口202射出。
通过透镜175收集的接收射束经过窗口202进入射束组合器196，从射束分裂器涂层200和反射涂层198在内部反射，并然后经过后窗口204向接收器194射出。射束组合器板的厚度被选择以给出希望的光路长度(比透镜175的后焦距长)。为了减少到达接收器的杂散光的量，窗口204可位于透镜175的焦点上，并由此可使得尽可能地小。窗口204(以及窗口202)可具有窄带过滤涂层，使得处于射束产生器172的发射带外面的环境光被排除。
图14是根据本发明的另一实施例的加入射束产生器188(图12B/C)的光电子模块210的示意性侧视图。这种情况下的射束组合器212包含玻璃板，该玻璃板具有折叠由射束产生器188传送的射束的反射涂层214，以及射束分裂器涂层16，这里，传送射束和接收射束在玻璃板的后表面上组合。与前面的实施例同样，射束分裂器涂层16也可被覆盖或者另外与通向接收器194的路径上的窄带滤光器组合。本实施例中的射束组合器212的厚度被选择以给出由在射束组合器内具有焦点腰的射束产生器188传送的射束的希望的光路长度。
虽然在图14中传送射束和接收射束具有大致相同的孔径，但可替代性地使得传送射束的孔径比接收射束小。在后一种情况下，射束分裂器涂层216的直径不需要比传送射束孔径大。在该孔径外面，玻璃板可具有反射涂层，使得接收射束可在不由于射束分裂器损失能量的 情况下到达接收器194。
图15是根据本发明的又一实施例的加入射束产生器188的光电子模块220的示意性侧视图。在本实施例中，双焦透镜220具有以相对较小的孔径和较短的焦距收集和准直化通过射束产生器188传送的射束230的中心区域。透镜220的周边区域以较大的孔径和较长的焦距收集射束232并将其聚焦于接收器194上。因此，透镜220的区域以及随之而来的扫描镜子的区域分成较小的中心传送区域和较大的周边接收区域。
在本实施例中使用的射束组合器224具有足够大以容纳射束232的前窗口226，但在后侧的反射涂层198中具有小得多的窗口228。窗口228只需要足够大以容纳由射束产生器188产生的较窄的射束。因此，射束232中的大部分能量通过反射涂层198在射束组合器内被反射并且经由后窗口204(如上所述，可使得较小并涂敷有窄带涂层)到达接收器194。在本实施例中不需要射束分裂器涂层，并且射束产生器188因此可包含未偏光的多模式表面发射器件。
替代性实施例
虽然上述的实施例使用单个检测器元件(诸如APD)以检测从场景返回的扫描光，但可替代性地使用其它类型的检测器配置。例如，可出于这种目的使用光电检测器的线性阵列，在这种情况下，在从场景收集光时使用的镜子需要仅沿与阵列的轴垂直的单个方向扫描。可以使用该相同的一维扫描镜子以将激光放射线的线投影到检测器阵列的瞬时的视场上。这种系统也能够具有缩放功能，可通过沿一维扫描改变扫描图案和振幅在一个轴上实现这种缩放功能。
作为另一替代方案，可以使用具有静止收集透镜的光电检测器的2D矩阵，以从场景收集扫描光，从而覆盖整个视场，使得不需要接收器的机械扫描。例如，传送激光仍使用MEMS镜子被二维扫描。得到的深度地图中的像素位置由高精度的扫描而不是相对较低分辨率的检测器矩阵确定。该方法具有容易对准的优点(由于检测器矩阵是静止的)；扫描镜子可较小，原因是不需要它收集光，只是用于投影激 光；收集孔径可较大。例如，当使用6mm焦距的收集透镜和0.1mm的间距的检测器时，每个检测器的视场为约1°。因此，对于60°视场，需要60×60个检测器。但是，由扫描精度确定的分辨率可达到1000×1000点。
该方案的另一变更例可使用多个射束(例如，在从MEMS镜子反射之后通过传送射束的光路中的射束分裂器产生)。这些射束在矩阵中的不同的检测器上产生同时的读数，由此使得能够同时获取几个深度区域和点。出于这种目的，希望射束自身不重叠且在角度空间上分开足够远，以不在矩阵的任何单个元件上重叠。
更一般地，虽然不同的光电子模块和上述的其它的系统部件中的每一个具有某些特定的特征，但这种描述不意味着将特定的特征限于描述特征的特定实施例。本领域技术人员能够为了用上述特征的不同组合产生其它的系统和模块从以上的实施例中的两个或更多个组合特征。所有这些组合被视为处于本发明的范围内。
因此，可以理解，上述的实施例是作为例子陈述的，并且，本发明不限于以上所特别表示和描述的。而是，本发明的范围包括上述的各种特征的组合和再组合以及本领域技术人员在阅读以上的描述时会想到且在现有技术中没有被公开的其变更方式和修改。