JP2022504127A

JP2022504127A - ３ｄ検出用光学エンジンおよび３ｄ検出デバイス

Info

Publication number: JP2022504127A
Application number: JP2021518164A
Authority: JP
Inventors: ウー，ジュン; リー，ウエンジーン; ドーン，ヨーンホーン
Original assignee: ウィンテック・デジタル・システムズ・テクノロジー・コーポレーション
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2022-01-13
Also published as: EP3882566A4; US20210385427A1; WO2020097941A1; CN112867905A; EP3882566A1

Abstract

３Ｄ検出用光学エンジンおよび３Ｄ検出デバイス。光学エンジンは、光源（１）と、照明光学システム（６）と、ＤＭＤ光変調器（７）と、投射撮像システム（８）と、投射面（９）とを備え、これらは光路に沿って順次配置されている。光源によって放出された光は、平行化、方向転換、または収束され、ＤＭＤ光変調器上に均一に照射され、ＤＭＤ光変調器によって変調されたビームは、投射撮像システムによって、投射面上に投射される。光学エンジンは、小型であり、傾斜スキャンを実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、３Ｄ検出デバイスの分野に関し、特に、３Ｄ検出用光学エンジンに関する。

製品の３Ｄ寸法を測定する技法というような３Ｄ検出は、空間形状および物体の構造をスキャンして、物体の表面の空間座標を得るために主に使用され、エンティティの３Ｄ情報を、コンピュータによって直接処理することができるディジタル信号に変換するときに非常に重要であり、したがって、エンティティのディジタル化を実現するための便利な高速手段を提供する。３Ｄ検出技法は、非接触測定を実現することができ、高速および高精度であるという利点があり、測定結果を直接異なるソフトウェア・インターフェースに入力できるので、ＣＡＤ、ＣＡＭ、およびＣＩＭＳというような技法の普及に合わせて、３Ｄ検出技法は今日非常に普及しつつある。

３Ｄ検出デバイスのような、３Ｄレーザ検出機材は、高精度、低環境要件、非接触検出等を特徴とし、近年において急速に発達した。３Ｄレーザ検出機材の重要な部品は光学エンジンであり、光学エンジンの最も肝要な部品はＤＭＤ(ディジタル・マイクロミラー・デバイス）光変調器である。ＤＭＤは、ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（ＴＩ）社が独占し、ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（ＴＩ）社によって開発され、微細電気機械構造の回路ユニットと統合し、ＣＯＭＳまたはＳＲＡＭのようなメモリ・ユニットによって形成されるディジタル撮像チップである。ＤＭＤが正常に動作するとき、光が光学コンポーネントによってＤＭＤ上に照射され、ＤＭＤの表面上に分散された複数のレンズによって反射され、最終的に、照明光学システムおよび投射撮像システムの協働によって、所望の画像を投射することができる。複数のレンズは、小さな体積を有し、回路の制御下で回転することができる。

現在の市場における３Ｄ検出用光学エンジンは、サイズが大きく、光学エンジンは投射面と空間において平行であるので、３Ｄ検出デバイスが２つ以上の光学エンジンを採用すると、これらの光学エンジンの効果的な空間配置を実現することが不可能になる。

第１の態様において、本発明は、３Ｄ検出用光学エンジンを提供する。この３Ｄ検出用光学エンジンは、ビームを放出する光源と、入射ビームのディジタル・パルス幅を変調するＤＭＤ光変調器と、ＤＭＤ光変調器上にビームを均一に照射する照明光学システムと、ＤＭＤ光変調器からの反射ビームを受光し、反射ビームを投射面上に投射する投射撮像システムとを備え、等価ＤＭＤ光変調器、投射撮像システムのレンズ配置面、および投射面によって構成される光路構造が、シャインプールの原理を満たすように、ＤＭＤ光変調器と照明光学システムの出射面との間に、小さい角度αが存在する。

一実施形態では、光源は青色ＬＥＤである。

一実施形態では、光学エンジンは、更に、光源によって放出された発散ビームを平行ビームに変換する平行化レンズ群を備える。

一実施形態では、光学エンジンは、更に、平行ビームを方向転換する方向転換デバイスを備える。方向転換デバイスは、マイクロレンズ・アレイと、反射器と、リレー・レンズとを含む。

一実施形態では、照明光学システムはＲＴＩＲプリズムを含む。

第２の態様において、本発明は、第１の態様において述べた光学エンジンを少なくとも１つ備える３Ｄ検出デバイスを提供する。

本発明の実施形態によって提供される光学エンジンは、サイズが小さく、傾斜スキャンを実現できる等の有益な効果を有する。

本願の実施形態の技術的解決策および利点の理解を深めるために、本願の例示的な実施形態について、添付図面と関連付けて以下に更に詳しく説明する。以下の説明における実施形態は、単に例示的なものであり、本願の実施形態の可能な全てではないことは明らかであろう。

本発明の実施形態による３Ｄ検出用光学エンジンの模式図であるシャインプルーフの原理を満たす３Ｄ検出用光学エンジンの等価模式図である。

本発明の技術的解決策について、添付図面および実施形態を参照しながら、以下に更に詳しく説明する。

図１は、本発明の実施形態による３Ｄ検出用光学エンジンの模式図である。図１に示すように、光学エンジンは、青色ＬＥＤ１、平行化レンズ群２、マイクロレンズ・アレイ３、反射器４、リレー・レンズ５、ＲＴＩＲプリズム６、ＤＭＤ光変調器７、および投射撮像システム８を備えている。

青色ＬＥＤ１によって放出されるビームの中心波長は、例えば４６０nm程度であり、青色ＬＥＤ１の光量は、５.５ｗ程度である。平行化レンズ群２を通過した後、青色発散ビームは青色平行ビームに変換される。青色ＬＥＤは、光学エンジンに高いパワーを供給することができる。勿論、青色ＬＥＤを、白色ＬＥＤのような、他の光源と置き換えることもできる。

次いで、青色平行ビームは、マイクロレンズ・アレイ３を通過し、マイクロレンズ・アレイ３によって収束される。

マイクロレンズ・アレイ３によって収束されたビームは、反射器４に達し、反射４によって方向転換させられる。反射器４は、光路の方向を変化させることができ、したがって、光学エンジンの空間を圧縮し、光学エンジンを小型化することができる。

反射器４によって方向転換させられた後、ビームはリレー・レンズ５に達し、リレー・レンズ５によって収束される。

勿論、マイクロレンズ・アレイ３、反射器４、およびリレー・レンズ５に加えて、他の光均質化および／または方向転換デバイスも、ビームを平行化、収束、および／または方向転換するために使用することができる。

更に収束された後、ビームはＲＴＩＲ（反射全内反射）プリズム６を通って、ＤＭＤ光変調器７上に均一に照射され、ビームはＤＭＤ光変調器によって反射され、ＲＴＩＲプリズムに再度入射する。ＲＴＩＲプリズムは、全反射の臨界角に近い表面を有し、特定の角度をなすビームは、この表面上で完全に内反射し、他の角度のビームはこの表面を通過する。具体的には、直角プリズム、即ち、ＲＴＩＲプリズム６の斜辺に達すると、レンズ５からＲＴＩＲプリズム６に入射するビームは、直角プリズムの斜辺を完全に貫通し、次いでＤＭＤ光変調器７に入射する。次いで、ビームはＤＭＤ光変調器７によって反射され、直角プリズムの斜辺を再度通過するときに、全反射される。ＲＴＩＲプリズムによって、入射照射ビームは出射撮像ビームから分離される。ＲＴＩＲプリズム６からのビームは、投射撮像システム８に入射する。

勿論、ＲＴＩＲプリズムを、ＴＩＲプリズムのような、他のプリズムと置き換えることができる。ＲＴＩＲプリズムは、２つのプリズムの貼り付け面間の空隙が投射面９上の画像の品質に及ぼす影響を排除できるという利点を有する。

ＤＭＤ光変調器７の動作は、主に、バックエンド回路によってＣＭＯＳチップに送信される異なる信号に応じて、マイクロレンズ上に照射される光を異なる方向に選択的に反射することができるように、チップ上における各マイクロレンズの回転位置を制御し、こうしてビームのディジタル・パルス幅を変調する。

光路構造にシャインプルーフの原理を満たさせる目的で、ＤＭＤ光変調器７とＲＴＩＲプリズム６との間に、小さい角度αを確保する。

最後に、ＤＭＤ光変調器７上の画像を、投射撮像システム８によって、投射面10上に投射する。投射撮像システム８は、複数の光学レンズを含むことができ、特定の倍率にしたがって、投射面９上に、ＤＭＤ光変調器７上の画像を投射するために使用され、傾斜スキャンを実現できるように、投射撮像システム８の光軸と、投射面９の法線との間に形成される角度がβとなっている。

ＤＭＤ光変調器７’から投射撮像システム８の主面までの距離をｔに設定し、投射面９から投射撮像システム８の主面までの距離をｄに設定し、投射撮像システム８の焦点距離をｆに設定する。

物像関係は、次のようになる。
１／ｔ＋１／ｄ＝１／ｆ（１）

模式図における幾何学的関係によって得られる関係は、次のようになる。
ｔ／ｔａｎα ＝ｄ／ｔａｎβ （２）

関係（１）および関係（２）を組み合わせることにより、ｔが打ち消され、αとβとの関係が得られる。
α ＝ａｔａｎ［ｆ＊ｔａｎβ／（ｄ－ｆ）］

一例では、図２に示すように、投射撮像システムの光軸と投射面の法線との間に形成される角度はβ＝３０°であり、投射撮像システム８の焦点距離は、ｆ＝１７．９４ｍｍであり、投射面９から投射撮像システム８の主面までの距離はｄ＝１３３．０９ｍｍであり、対応して、ＤＭＤ光変調器とＲＴＩＲプリズムとの間の角度はα＝５．１４°となる。最終的に、ＲＴＩＲプリズムによって反射されるビームによって形成される等価ＤＭＤ光変調器７‘によって定められる平面、レンズ配置面１０、および投射面９は線Ｌにおいて交差し、等価ＤＭＤ光変調器７’、レンズ配置面１０、および投射面９によって構成される光路構造は、シャインプルーフの原理を満たす。等価ＤＭＤ光変調器７’からのビームは投射面上に合焦されるので、投射面に基づいて得られる画像は、包括的で明確である。

方向転換デバイスの採用により、本発明の実施形態における光学エンジンのサイズは、大幅に減少する。一例では、光学エンジンのサイズは、１０５ｍｍ×８０ｍｍ×５５ｍｍ程度である。

この光学エンジンを３Ｄ検出デバイスに応用することによって、物体の表面の明確な空間画像を得ることができる。

一実施形態では、物体表面の３Ｄ画像を得ることができるように、投射面と光路の延長線との交点において物体が回転することを可能にするために、３Ｄ検出デバイス内に回転デバイスを配置する。

他の実施形態では、３Ｄ検出デバイス内に２つの光学エンジンを配置し、物体の表面の相当な部分の３Ｄ画像を直接得ることができるように、投射面の法線に関して左右対称にする。勿論、物体の表面全体の３Ｄ画像も、回転デバイスによって得ることができる。光学エンジンと投射面との間に角度が存在するので、３Ｄ検出デバイスにおける光学エンジンの効果的な空間配置を実現することができる。

以上では、物体の回転に基づく３Ｄ検出について説明した。物体の実際の形状が得られるように、光学エンジンを回転させることによって、物体の異なる側面をスキャンすることもできる。

尚、以上の実施形態は、本発明の技術的解決策を説明するために使用されたに過ぎず、本発明を限定することは意図していないことは、最後に注記してしかるべきである。好ましい実施形態を参照しながら本発明について詳細に説明したが、本発明の技術的解決策の主旨および範囲から逸脱することなく、本発明の技術的解決策に対して変更または等価な交換も行えることは、当業者には認められよう。

Claims

３Ｄ検出用光学エンジンであって、
ビームを放出する光源（１）と、
入射ビームのディジタル・パルス幅を変調するＤＭＤ光変調器（７）と、
前記ＤＭＤ光変調器（７）上にビームを均一に照射する照明光学システム（６）と、
前記ＤＭＤ光変調器（７）からの出射ビームを受光し、前記出射ビームを投射面（９）上に投射する投射撮像システム（８）と、
を備え、
等価ＤＭＤ光変調器（７’）、前記投射撮像システムのレンズ配置面（１０）、および投射面（９）によって構成される光路構造が、シャインプールの原理を満たすように、前記ＤＭＤ光変調器（７）と前記照明光学システムの出射面との間に、小さい角度（α）が存在する、３Ｄ検出用光学エンジン。
請求項１記載の３Ｄ検出用光学エンジンにおいて、前記光源（１）が青色ＬＥＤである、３Ｄ検出用光学エンジン。
請求項１記載の３Ｄ検出用光学エンジンであって、更に、前記光源（１）によって放出された発散ビームを平行ビームに変換する平行化レンズ群（２）を備える、３Ｄ検出用光学エンジン。
請求項１記載の３Ｄ検出用光学エンジンであって、更に、前記ビームを方向転換する方向転換デバイス（３、４、５）を備える、３Ｄ検出用光学エンジン。
請求項４記載の３Ｄ検出用光学エンジンにおいて、前記方向転換デバイスがマイクロレンズ・アレイ（３）と、反射器（４）と、リレー・レンズ（５）とを含み、前記マイクロレンズ・アレイが、前記ビームを前記反射器上に収束するために使用され、前記リレー・レンズが、前記反射器からのビームを収束するために使用される、３Ｄ検出用光学エンジン。
請求項１記載の３Ｄ検出用光学エンジンにおいて、前記照明光学システムが、前記ＤＭＤ光変調器上に照射するために前記ビームを通過させ、前記ＤＭＤ光変調器からの出射ビームを前記入射ビームから分離することを可能にするＲＴＩＲプリズム（６）を含む、３Ｄ検出用光学エンジン。
請求項１～６のいずれか１項記載の光学エンジンを少なくとも１つ備える３Ｄ検出デバイス。