CN102981275A - 一种产生近似无衍射线结构光的光学系统 - Google Patents

一种产生近似无衍射线结构光的光学系统 Download PDF

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吴志伟
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Abstract

本发明公开一种产生近似无衍射线结构光的光学系统,包括有光学导轨、在光学导轨沿光路依次设置的激光器、望远镜准直扩束系统、矩形光阑、柱面透镜及三角棱镜，其中，激光器发出的激光束通过望远镜准直扩束系统后形成近似平面波，该平面波通过矩形光阑再通过柱面透镜后形成一条焦线，该焦线到三角棱镜的距离大于平面波直接通过三角棱镜产生近似无衍射线结构光的最大无衍射距离；藉此，通过各光学元件的配合，形成近似无衍射线结构光，该光束的最大无衍射距离相对普通三角棱镜产生的近似无衍射线结构光大大增加，且光斑发散相对较小，有效提高了光束质量及能量利用率，同时，各光学元件易于加工制作、降低了生产成本。

Description

一种产生近似无衍射线结构光的光学系统
技术领域
本发明涉及光学系统领域技术，尤其是指一种产生近似无衍射线结构光的光学系统。
背景技术
近似无衍射线结构光的横向光强分布为具有正弦特点的栅型结构（如图1所示），并且在光束传输的过程中其横向光强的分布、光斑尺寸基本上是保持不变的。基于无衍射线结构光的三角、相位测量技术可以实现物体三维形貌的快速测量，在其他一些相关领域也有较好的应用前景，例如：机器视觉、生物医学、质量控制、逆向工程等。
目前，产生近似无衍射线结构光的方案，主要系将平面波通过三角棱镜来实现，然而，该方案存在一个问题：如果要产生大焦深的近似无衍射线结构光，则三角棱镜的底角需要加工的足够小，而小底角的三角棱镜在实际应用中不容易得到、且误差较大，另一方面加工难度大，其加工成本也较高。
因此，需要研究出一种新的技术方案来解决上述问题。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种产生近似无衍射线结构光的光学系统，其能够产生较长距离的近似无衍射线结构光，其易于加工制作、降低了生产成本，且有效提高了光束质量及能量利用率等。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
一种产生近似无衍射线结构光的光学系统，包括有光学导轨、在光学导轨沿光路依次设置的激光器、望远镜准直扩束系统、矩形光阑、柱面透镜及三角棱镜，其中，激光器发出的激光束通过望远镜准直扩束系统后形成近似平面波，该平面波通过矩形光阑再通过柱面透镜后形成一条焦线，该焦线到三角棱镜的距离大于平面波直接通过三角棱镜产生近似无衍射线结构光的最大无衍射距离。
作为一种优选方案，所述三角棱镜为等腰三角棱镜。
作为一种优选方案，所述柱面透镜外表面两侧具有相互对称的圆弧面结构。
作为一种优选方案，所述柱面透镜的截面呈椭圆形结构。
本发明采用上述技术方案后，其有益效果在于，通过各光学元件的配合，形成近似无衍射线结构光，该光束的最大无衍射距离相对普通三角棱镜产生的近似无衍射线结构光大大增加，且光斑发散相对较小，有效提高了光束质量及能量利用率，同时，各光学元件易于加工制作、降低了生产成本。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明：
附图说明
图1是近似无衍射线结构光的横向光强分布（栅型结构）示意图；
图2是普通三角棱镜产生近似无衍射线结构光示意图；
图3是本发明之较佳实施例中各光学元件的布置结构示意图；
图4是本发明之较佳实施例中柱面透镜的立体结构示意图；
图5是本发明之较佳实施例中三角棱镜的立体结构示意图；
图6是本发明之较佳实施例中产生近似无衍射线结构光的光路示意图。
附图标识说明：
10、光学导轨                20、激光器
30、望远镜准直扩束系统      40、矩形光阑
50、柱面透镜                60、三角棱镜
70、普通三角菱镜
具体实施方式
请参见图3至图6所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，包括有光学导轨10、在光学导轨上10沿光路依次设置的激光器20、望远镜准直扩束系统30、矩形光阑40、柱面透镜50及三角棱镜60，其中，该三角棱镜60为等腰三角棱镜，该柱面透镜50外表面两侧具有相互对称的圆弧面结构，于本实施例中，前述柱面透镜50的截面呈椭圆形结构。
激光器20发出的激光束通过望远镜准直扩束系统30形成近似平面波，该平面波通过矩形光阑40后入射柱面透镜50，平面波通过柱面透镜50后形成一条焦线，该线光源发出具有一定发散角的柱面波，然后用具有一定发散角的柱面波照射在三角棱镜60上，形成近似无衍射线结构光，该光束的焦深（最大无衍射距离）相对普通三角棱镜70（普通三角棱镜70产生近似无衍射线结构光如图2所示）产生的近似无衍射线结构光大大增加，而光斑发散相对较小。
图6中f为柱面透镜50的焦距，L为焦线距离三角棱镜60的距离，r为三角棱镜60的底角，a为三角棱镜60底部尺寸，Z为最大无衍射距离。
假设用平面光波照射一个底部尺寸为a，底角为r的三角棱镜60，最大无衍射距离Zm=a/[(n-1)*r]，n为三角棱镜60材料折射率。
为了保证产生较长距离近似无衍射线结构光，图6中L必须满足L>Zm。图6中焦深（最大无衍射距离）Z可以表示为
Figure BDA00002330565300041
通过调整三角棱镜60到柱面透镜50的距离、三角棱镜60的底角、三角棱镜60的底部尺寸可以达到调整焦深（最大无衍射距离）目的；理论上甚至可以将焦深扩展到无穷远处，但是考虑到激光器20的功率，以及光斑的发散，一般不这样使用。
本发明的设计重点在于，主要系通过各光学元件的配合，形成近似无衍射线结构光，该光束的最大无衍射距离相对普通三角棱镜产生的近似无衍射线结构光大大增加，且光斑发散相对较小，有效提高了光束质量及能量利用率，同时，各光学元件易于加工制作、降低了生产成本。
以上所述，仅是本发明的第一种实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种产生近似无衍射线结构光的光学系统，其特征在于：包括有光学导轨、在光学导轨沿光路依次设置的激光器、望远镜准直扩束系统、矩形光阑、柱面透镜及三角棱镜，其中，激光器发出的激光束通过望远镜准直扩束系统后形成近似平面波，该平面波通过矩形光阑再通过柱面透镜后形成一条焦线，该焦线到三角棱镜的距离大于平面波直接通过三角棱镜产生近似无衍射线结构光的最大无衍射距离。
2.根据权利要求1所述的一种产生近似无衍射线结构光的光学系统，其特征在于：所述三角棱镜为等腰三角棱镜。
3.根据权利要求1所述的一种产生近似无衍射线结构光的光学系统，其特征在于：所述柱面透镜外表面两侧具有相互对称的圆弧面结构。
4.根据权利要求3所述的一种产生近似无衍射线结构光的光学系统，其特征在于：所述柱面透镜的截面呈椭圆形结构。
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