一種將激光束變?yōu)榫匦螔呙韫饽坏姆椒把b置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種將激光束變?yōu)榫匦螔呙韫饽坏姆椒把b置，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。其技術(shù)方案為，將激光器產(chǎn)生的散射激光光束通過(guò)匯聚透鏡進(jìn)行光束能量調(diào)制，調(diào)制為中間部分能量分布高，邊緣分布弱的平行光束，并投射在掃描振鏡上，在控制系統(tǒng)的控制下，掃描振鏡做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將光束反射為較窄的掃描光束，該掃描光束經(jīng)過(guò)散射透鏡散射為寬的矩形掃描光幕。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明提供的激光光幕投影掃描裝置，由于采用特定的光學(xué)透鏡，能夠?qū)⒓す馄靼l(fā)射的激光束整形變?yōu)榫匦螔呙韫饽?，并且輸出的掃描光幕能量均勻，避免了非垂直入射角掃描光線兩邊出現(xiàn)彎曲的情況。
【專利說(shuō)明】
一種將激光束變?yōu)榫匦螔呙韫饽坏姆椒把b置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種將激光束變?yōu)榫匦螔呙韫饽坏姆椒把b置。
【背景技術(shù)】
[0002]將特定圖案照射到待測(cè)物體上，再通過(guò)拍攝被物體表面調(diào)制的圖案計(jì)算出物體表面的距離信息，是目前常用的一種3D掃描成像技術(shù)。照射圖案是3D掃描成像中一個(gè)重要技術(shù)，是3D掃描成像質(zhì)量的制約因素?；趻呙枵耒R的激光光幕照明裝置，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量可調(diào)節(jié)的光幕，而且，可以節(jié)省大量的體積和重量。傳統(tǒng)技術(shù)中使用的單柱透鏡光掃描模組的存在兩大難題:其一是掃描光束能量分布不均勻，掃描光束呈現(xiàn)中間能量密度高，兩邊低的情況;其二是在掃描過(guò)程中光線移動(dòng)到非垂直入射角時(shí):掃描光線兩邊出現(xiàn)彎曲。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種激光光幕投影掃描方法及裝置，實(shí)現(xiàn)激光掃描和投影的功能，并擁有較小的體積和功耗。同時(shí)解決了傳統(tǒng)的單柱透鏡光掃描模組的兩大難題:其一是掃描光束能量分布不均勻，掃描光束呈現(xiàn)中間能量密度高，兩邊低的情況:其二是在掃描過(guò)程中光線移動(dòng)到非垂直入射角時(shí)，掃描光線兩邊出現(xiàn)彎曲。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案表現(xiàn)為:對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，采用了橫截面為多個(gè)疊加圓環(huán)的透鏡。此透鏡橫截面中心區(qū)域折射率高，對(duì)光線散射能力強(qiáng);外側(cè)折射率低對(duì)光線的散射能力弱，通過(guò)折射率依次漸變實(shí)現(xiàn)對(duì)高斯光束的均勻散射;對(duì)于第二問(wèn)題，本發(fā)明將原本的柱狀透鏡組改為曲面透鏡:這種設(shè)計(jì)使得光線在掃描過(guò)程中穿過(guò)透鏡時(shí)都為垂直入射，這樣掃描光束可以保持均勻的直線。從而大大提高投影掃描的實(shí)用范圍。
[0005]—種將激光束變?yōu)榫匦螔呙韫饽坏姆椒ǎ瑢⒓す馄鳟a(chǎn)生的散射激光光束通過(guò)匯聚透鏡進(jìn)行光束能量調(diào)制，調(diào)制為中間部分能量分布高，邊緣分布弱的平行光束，并投射在掃描振鏡上，在控制系統(tǒng)的控制下，掃描振鏡做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將光束反射為較窄的掃描光束，該掃描光束經(jīng)過(guò)散射透鏡散射為寬的矩形掃描光幕，通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)掃描振鏡扭轉(zhuǎn)角度和激光器功率的控制，在掃描振鏡的一個(gè)掃描周期內(nèi)，調(diào)節(jié)矩形光幕區(qū)域內(nèi)不同條形區(qū)域的明亮程度。
[0006]優(yōu)選為，所述散射透鏡為曲柱型透鏡，所述散射透鏡的縱切面為圓環(huán)的一段，此圓環(huán)的中心位于掃描振鏡的掃描軸上，所述散射透鏡橫截面中心區(qū)域折射率高，對(duì)光線散射能力強(qiáng)；外側(cè)折射率低對(duì)光線的散射能力弱，通過(guò)折射率依次漸變實(shí)現(xiàn)對(duì)高斯光束的均勻散射。
[0007]—種將激光束變?yōu)榫匦螔呙韫饽坏难b置，包括依次排列的激光器、匯聚透鏡、掃描振鏡、散射透鏡，以及電源和控制系統(tǒng)，所述掃描振鏡包括能夠鏡面反射激光光束的反射鏡、使反射鏡能夠其做往復(fù)旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)軸和固定回轉(zhuǎn)軸并提供支撐的基座；
[0008]所述散射透鏡為曲柱型透鏡，所述散射透鏡的橫切面為若干個(gè)疊加的圓環(huán)，其中心區(qū)域折射率高，對(duì)光線散射能力強(qiáng);外側(cè)折射率低對(duì)光線的散射能力弱;所述散射透鏡的縱切面為圓環(huán)的一段。
[0009]優(yōu)選為，所述掃描振鏡，至少在一個(gè)方向上可扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。
[0010]優(yōu)選為，所述控制系統(tǒng)包括激光器控制與掃描振鏡控制單元，所述控制系統(tǒng)控制所述掃描振鏡運(yùn)動(dòng)和激光器的亮度。
[0011]優(yōu)選為，所述激光器為可見(jiàn)光和紅外光，具有典型的高斯激光光束，且激光器具有準(zhǔn)直系統(tǒng)。
[0012]優(yōu)選為，所述散射透鏡的縱切面為圓環(huán)的一段，此圓環(huán)的中心位于所述掃描振鏡的掃描軸上。
[0013]本發(fā)明工作時(shí)，激光器在控制系統(tǒng)控制下發(fā)射高斯光束，經(jīng)過(guò)匯聚透鏡變成平行激光線投射在振鏡上，而振鏡則在控制系統(tǒng)控制下做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成較窄的掃描光束，上述光束經(jīng)過(guò)散射透鏡形成均勻的具有一定寬度的矩形掃描光束。通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)振鏡和激光器的精確同步控制，按照一定的規(guī)律調(diào)節(jié)激光器功率，在振鏡的一個(gè)掃描周期內(nèi)，可以在矩形光幕區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)某些條形區(qū)域亮而某些條形區(qū)域暗的照明效果。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供的激光光幕投影掃描裝置，由于采用特定的漸變光學(xué)透鏡，能夠?qū)⒓す馄靼l(fā)射的激光束整形變?yōu)榫匦螔呙韫饽?，并且輸出的掃描光幕能量均勻，避免了非垂直入射角掃描光線兩邊出現(xiàn)彎曲的情況。通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)掃描振鏡和激光器的精確同步控制，按照一定的規(guī)律調(diào)節(jié)激光器功率，在掃描振鏡的一個(gè)掃描周期內(nèi)，可以在矩形光幕區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)某些條形區(qū)域亮而某些條形區(qū)域暗的照明效果。使得掃描裝置的成本、尺寸和功耗大為降低。
【附圖說(shuō)明】
[0015]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0016]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的模組簡(jiǎn)化示意圖。
[0017]圖2傳統(tǒng)透鏡問(wèn)題一示意圖俯視圖。
[0018]圖3傳統(tǒng)透鏡問(wèn)題一示意圖主視圖。
[0019]圖4傳統(tǒng)透鏡問(wèn)題二示意圖俯視圖
[0020]圖5傳統(tǒng)透鏡問(wèn)題二示意圖主視圖。
[0021]圖6散射透鏡光路不意圖俯視圖。
[0022]圖7散射透鏡光路示意圖主意圖
[0023]圖8漸變光路追跡示意圖。
[0024]圖9散射透鏡模型示意圖主視圖。
[0025]圖10散射透鏡模型示意圖俯視圖。
[0026]圖11散射透鏡模型示意圖左視圖。
[0027]圖12為本發(fā)明所述漸變透鏡模組結(jié)構(gòu)示意圖主視圖。
[0028]圖13為本發(fā)明所述漸變透鏡模組結(jié)構(gòu)示意圖仰視圖。
[0029]圖14為本發(fā)明所述激光光幕投影掃描裝置原理示意圖。
[0030]附圖標(biāo)記為:102、激光器；104、匯聚透鏡；106、掃描振鏡；108、散射透鏡；110、控制系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0031]為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0032]實(shí)施例1:
[0033]—種將激光束變?yōu)榫匦螔呙韫饽坏姆椒?，將激光器產(chǎn)生的散射激光光束通過(guò)匯聚透鏡進(jìn)行光束能量調(diào)制，調(diào)制為中間部分能量分布高，邊緣分布弱的平行光束，并投射在掃描振鏡上，在控制系統(tǒng)的控制下，掃描振鏡做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將光束反射為較窄的掃描光束，該掃描光束經(jīng)過(guò)散射透鏡散射為寬的矩形掃描光幕，通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)掃描振鏡扭轉(zhuǎn)角度和激光器功率的控制，在掃描振鏡的一個(gè)掃描周期內(nèi)，調(diào)節(jié)矩形光幕區(qū)域內(nèi)不同條形區(qū)域的明亮程度。
[0034]散射透鏡為曲柱型透鏡，散射透鏡的縱切面為圓環(huán)的一段，此圓環(huán)的中心位于掃描振鏡的掃描軸上，散射透鏡橫截面中心區(qū)域折射率高，對(duì)光線散射能力強(qiáng);外側(cè)折射率低對(duì)光線的散射能力弱，通過(guò)折射率依次漸變實(shí)現(xiàn)對(duì)高斯光束的均勻散射。
[0035]本發(fā)明提供一種將激光束變?yōu)榫匦螔呙韫饽坏难b置，實(shí)現(xiàn)激光掃描和投影的功能，并擁有較小的體積和功耗。同時(shí)解決了傳統(tǒng)的單柱透鏡光掃描模組的兩大難題:其一是掃描光束能量分布不均勻如圖2，圖3所示，掃描光束呈現(xiàn)中間能量密度高，兩邊低的情況；其二是在掃描過(guò)程中光線移動(dòng)到非垂直入射角時(shí)如圖4，圖5所示:掃描光線兩邊出現(xiàn)彎曲。
[0036]對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明采用了透鏡組的設(shè)計(jì)如圖6，圖7所示，此透鏡橫截面中心區(qū)域折射率高，對(duì)光線散射能力強(qiáng);外側(cè)折射率低對(duì)光線的散射能力弱，通過(guò)折射率依次漸變實(shí)現(xiàn)對(duì)高斯光束的均勻散射。
[0037]光線追跡確定漸變函數(shù)g
[0038]如圖8，所示柱鏡沿半徑r等分成η層，每層的厚度為Ar，每一層的柱體(圓環(huán))可以看作是均有均勻，取值為該層表面處的折射率。
[0039]由于整個(gè)光路沿ζ軸對(duì)稱，我們只需要計(jì)算ζ軸以下的部分。在圖5中激光器發(fā)出的高斯光束經(jīng)過(guò)匯聚透鏡準(zhǔn)直之后，成為平行光入射到漸變柱鏡。每條入射光線的高度y對(duì)應(yīng)漸變柱鏡的半徑r，每條入射光高度分為yn。平行光入射時(shí)，每條高度y已知的平行光入射到漸變柱鏡某層時(shí)，根據(jù)其y坐標(biāo)就可以確定其ζ坐標(biāo)，在根據(jù)界面兩側(cè)的折射率分布，可以得到該點(diǎn)與ζ軸的夾角。不斷循環(huán)這個(gè)追跡過(guò)程，并記錄入射光和經(jīng)過(guò)漸變柱鏡交點(diǎn)的坐標(biāo)。最終用出射光線和ζ軸的交點(diǎn)計(jì)算焦距。
[0040]根據(jù)交點(diǎn)處的光線和ζ軸的夾角繼續(xù)追跡在像平面在20cm，50cm均度超過(guò)85%的漸變折射率分布函數(shù)。在另一些實(shí)例中像平面可以是在任意位置的均勻分布。
[0041 ]以上實(shí)例使用matlab模擬光線追跡最終確定均勻漸變時(shí)，漸變因子g的數(shù)值。而在另一些實(shí)例中漸變因子g也可以是非線性并且是入射高度y的函數(shù)。
[0042]對(duì)于第二問(wèn)題，本發(fā)明在解決該問(wèn)題時(shí)做如下設(shè)計(jì):將原本的柱狀透鏡組改為曲柱形透鏡，這種設(shè)計(jì)使得光線在掃描過(guò)程中穿過(guò)透鏡時(shí)總為垂直入射，這樣掃描光束可以保持均勻的直線。從而大大提高投影掃描的實(shí)用范圍。
[0043]圖，9，圖1O，圖11為散射透鏡108模型示意圖。此散射透鏡108縱切面為圓環(huán)的一段，由漸變折射率材料制成，在另一些實(shí)例中也可以是長(zhǎng)方體透鏡。
[0044]本發(fā)明提出一種將激光束變?yōu)榫匦螔呙韫饽坏难b置，包括半導(dǎo)體激光器102，匯聚透鏡104，掃描振鏡106，散射透鏡108和控制系統(tǒng)110。徹底解決了傳統(tǒng)光幕掃描裝置能耗高，精度差的難題。
[0045]其結(jié)構(gòu)如圖12，圖13所示，激光器102在控制系統(tǒng)控制下發(fā)射高斯光束，經(jīng)過(guò)匯聚透鏡104變成平行激光線投射在掃描振鏡106上，而掃描振鏡106則在控制系統(tǒng)110控制下做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成較窄的掃描光束，上述光束經(jīng)過(guò)散射透鏡108形成均勻的具有一定寬度的矩形掃描光束。通過(guò)控制系統(tǒng)110對(duì)掃描振鏡106和激光器102的精確同步控制，按照一定的規(guī)律調(diào)節(jié)激光器102的功率，在掃描振鏡106的一個(gè)掃描周期內(nèi)，可以在矩形光幕區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)某些條形區(qū)域亮而某些條形區(qū)域暗的照明效果。
[0046]對(duì)于該實(shí)施例，裝置100的擺放順序如圖14所示。包括激光器102，匯聚透鏡104，掃描振鏡106，散射透鏡108和控制系統(tǒng)110。
[0047]裝置100內(nèi)各組件位置關(guān)系是，激光器102出光后投射在匯聚透鏡104上，匯聚透鏡104出光后投射在掃描振鏡106上，掃描振鏡106出光后光線進(jìn)入散射透鏡108上，其出光投射在目標(biāo)區(qū)域，控制系統(tǒng)110是用于控制激光器102和掃描振鏡106。
[0048]激光器102，其波長(zhǎng)可以是所有激光器波長(zhǎng)，紅外，可見(jiàn)光，或者是紫外，根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境選擇激光器102的功率，該激光器102具有準(zhǔn)直系統(tǒng)，其出光光束為高斯光束，大小滿足匯聚透鏡104和散射透鏡108入射光斑要求。
[0049]匯聚透鏡104，將光束能量調(diào)制，使得中間部分能量分布高，邊緣分布弱，匯聚透鏡104也可以是柱面鏡。
[0050]掃描振鏡106，至少在一個(gè)方向上可扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，其出光范圍內(nèi)不應(yīng)有物體遮擋。
[0051 ]散射透鏡108，將入射激光束變成線激光束。其材質(zhì)為漸變折射率光學(xué)材料。
[0052]基本特征1:此散射透鏡108橫截面中心區(qū)域折射率高，對(duì)光線散射能力強(qiáng);外側(cè)折射率低對(duì)光線的散射能力弱，通過(guò)折射率依次漸變實(shí)現(xiàn)對(duì)高斯光束的均勻散射。
[0053]基本特征2:散射透鏡108的縱切面為圓環(huán)的一段，此圓環(huán)的中心位于掃描振鏡106的掃描軸上。
[0054]控制系統(tǒng)110，應(yīng)該當(dāng)具備激光器102能量調(diào)制功能，掃描振鏡106振動(dòng)的控制功能和掃描振鏡106扭轉(zhuǎn)角度信息提取功能，可以在外部指令或內(nèi)部指令的控制下控制掃描振鏡106運(yùn)動(dòng)和激光器的亮度，使得實(shí)現(xiàn)特定的光幕圖案。
[0055]實(shí)施例2:
[0056]包含實(shí)施例1中的宗旨，為了確保裝置的外積形狀，可以在一些組件中間增加反射鏡來(lái)改變光束前進(jìn)方向，以改變組件的位置。
[0057]實(shí)施例3:
[0058]包含實(shí)施例2中的宗旨，控制系統(tǒng)110可以在裝置外部，與最終產(chǎn)品結(jié)合在一起。
[0059]最后應(yīng)說(shuō)明的是:以上各實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制;盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種將激光束變?yōu)榫匦螔呙韫饽坏姆椒ǎ涮卣髟谟?，將激光器產(chǎn)生的散射激光光束通過(guò)匯聚透鏡進(jìn)行光束能量調(diào)制，調(diào)制為中間部分能量分布高，邊緣分布弱的平行光束，并投射在掃描振鏡上，在控制系統(tǒng)的控制下，掃描振鏡做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將光束反射為較窄的掃描光束，該掃描光束經(jīng)過(guò)散射透鏡散射為寬的矩形掃描光幕，通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)掃描振鏡扭轉(zhuǎn)角度和激光器功率的控制，在掃描振鏡的一個(gè)掃描周期內(nèi)，調(diào)節(jié)矩形光幕區(qū)域內(nèi)不同條形區(qū)域的明亮程度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光幕投影掃描方法，其特征在于，所述散射透鏡為曲柱型透鏡，所述散射透鏡的縱切面為圓環(huán)的一段，此圓環(huán)的中心位于掃描振鏡的掃描軸上，所述散射透鏡橫截面中心區(qū)域折射率高，對(duì)光線散射能力強(qiáng);外側(cè)折射率低對(duì)光線的散射能力弱，通過(guò)折射率依次漸變實(shí)現(xiàn)對(duì)高斯光束的均勻散射。3.—種將激光束變?yōu)榫匦螔呙韫饽坏难b置，其特征在于，包括依次排列的激光器(102)、匯聚透鏡(104)、掃描振鏡(106)、散射透鏡(108)，以及電源和控制系統(tǒng)(110)，所述掃描振鏡(106)包括能夠鏡面反射激光光束的反射鏡、使反射鏡能夠其做往復(fù)旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)軸和固定回轉(zhuǎn)軸并提供支撐的基座； 所述散射透鏡(108)為曲柱型透鏡，所述散射透鏡(108)的橫切面為若干個(gè)疊加的圓環(huán)，其中心區(qū)域折射率高，對(duì)光線散射能力強(qiáng);外側(cè)折射率低對(duì)光線的散射能力弱;所述散射透鏡(108)的縱切面為圓環(huán)的一段。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的將激光束變?yōu)榫匦螔呙韫饽坏难b置，其特征在于，所述掃描振鏡(106)，至少在一個(gè)方向上可扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的將激光束變?yōu)榫匦螔呙韫饽坏难b置，其特征在于，所述控制系統(tǒng)(110)包括激光器控制與掃描振鏡控制單元，所述控制系統(tǒng)(110)控制所述掃描振鏡(106)運(yùn)動(dòng)和激光器(102)的亮度。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的將激光束變?yōu)榫匦螔呙韫饽坏难b置，其特征在于，所述激光器(102)為可見(jiàn)光和紅外光，具有典型的高斯激光光束，且激光器(102)具有準(zhǔn)直系統(tǒng)。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的將激光束變?yōu)榫匦螔呙韫饽坏难b置，其特征在于，所述散射透鏡(108)的縱切面為圓環(huán)的一段，此圓環(huán)的中心位于所述掃描振鏡(106)的掃描軸上。
【文檔編號(hào)】G02B26/10GK106019582SQ201610505205
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月30日
【發(fā)明人】杜先鵬, 丁大海, 郭俊興, 代啟強(qiáng)
【申請(qǐng)人】青島小優(yōu)智能科技有限公司