CN103048789A - 一种产生长距离近似无衍射栅型线结构光的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种产生长距离近似无衍射栅型线结构光的光学系统，包括光学导轨、在光学导轨上沿光路依次设置的激光器、望远镜准直扩束系统、矩形光阑、前置三角棱镜、柱面透镜及后置三角棱镜，该后置三角棱镜的底角大于前置三角棱镜的底角；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入射到前置三角棱镜并于前置三角棱镜后形成近似无衍射区域，柱面透镜位于该近似无衍射区域内，该柱面透镜到前置三角棱镜的距离小于近似无衍射区域的长度且大于柱面透镜的焦距；藉此，产生大焦深的近似无衍射栅型线结构光，且光斑发散相对较小，解决了现有技术产生的投影条纹应用时分辨率较低、对比度较差等问题。

Description

一种产生长距离近似无衍射栅型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，尤其是指一种产生长距离近似无衍射栅型线结构光的光学系统。
背景技术
近似无衍射栅型线结构光的横向光强分布为正弦分布（如图1所示），并且在传输过程中横向光强分布以及横向光斑条纹尺寸近似不变，将其应用于条纹投影相位测量技术可以实现物体三维形貌快速测量，并且在很多相关领域有很好的应用前景，例如：机器视觉、生物医学、质量控制、逆向工程等，而在条纹投影相位测量技术中用于投影的条纹特性直接影响到测量系统的分辨率、测量精度，成本、体积，系统功耗等。
目前产生投影条纹的主要方法：LCD/DMD数字投影仪，衍射光栅，投射光栅等。数字投影仪产生的投影条纹分辨率较低，且随测量距离增加光斑条纹发散较大，衍射光栅或者投射光栅产生条纹的对比度较差，且光栅的加工难度、成本较高。
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长距离近似无衍射栅型线结构光的光学系统，其有效解决了现有技术产生的投影条纹应用于条纹投影相位测量技术时分辨率较低、对比度较差等问题。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
一种产生长距离近似无衍射栅型线结构光的光学系统，包括有光学导轨、在光学导轨上沿光路依次设置的激光器、望远镜准直扩束系统、矩形光阑、前置三角棱镜、柱面透镜及后置三角棱镜，其中，该后置三角棱镜的底角大于前置三角棱镜的底角；
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入射到前置三角棱镜并于前置三角棱镜后形成近似无衍射区域，前述柱面透镜位于该近似无衍射区域内，该柱面透镜到前置三角棱镜的距离小于近似无衍射区域的长度且大于柱面透镜的焦距。
作为一种优选方案，所述前置三角棱镜和后置三角棱镜均为等腰三角棱镜。
作为一种优选方案，所述前置三角棱镜和后置三角棱镜均具有一垂直光路方向设置的入射面，所述前置三角棱镜的底角及后置三角棱镜的底角均由相应的入射面和入射面的相邻面夹设而成。
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，通过改变柱面透镜的焦距、柱面透镜和后置三角棱镜之间的距离及前置三角棱镜和后置三角棱镜的底角之差可以调节近似无衍射栅型线结构光的焦深（最大近似无衍射距离）；利用具有一定发散角的柱面波照射三角棱镜来产生大焦深的近似无衍射栅型线结构光，该光束的最大近似无衍射距离相对普通三角棱镜产生的近似无衍射栅型线结构光大大增加，且光斑发散相对较小，有效提高了光束质量及能量利用率，有效解决了现有技术产生的投影条纹应用于条纹投影相位测量技术时分辨率较低、对比度较差等问题；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是本发明之较佳实施例中各光学元件的布置结构示意图；
图3是本发明之较佳实施例中柱面透镜的立体结构示意图；
图4是本发明之较佳实施例中三角棱镜的立体结构示意图；
图5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、前置三角棱镜            51、入射面
52、相邻面                  53、相邻面
60、柱面透镜                70、后置三角棱镜
71、入射面                  72、相邻面
73、相邻面
具体实施方式
请参见图3至图5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10上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、前置三角棱镜50、柱面透镜60及后置三角棱镜70，其中，前置三角棱镜50和后置三角棱镜70均为等腰三角棱镜，且该后置三角棱镜70的底角大于前置三角棱镜50的底角（即r2>r1），从图5可以看出，前述前置三角棱镜50和后置三角棱镜70均具有一垂直光路方向设置的入射面（51和71），所述前置三角棱镜50的底角r1系由相应的入射面51和入射面51的相邻面52或53夹设而成，所述后置三角棱镜70的底角r2由相应的入射面71和入射面71的相邻面72或73夹设而成；该柱面透镜60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60的截面呈椭圆形结构。
激光器20产生的激光束通过望远镜准直扩束系统30形成近似平面波，通过一个矩形光阑40入射到前置三角棱镜50，在前置三角棱镜50后形成长度大约为z=a/[(n-1)r1]的近似无衍射区域，其中a为前置三角棱镜50底部尺寸，n为前置三角棱镜50材料折射率，r1为前置三角棱镜50底角。
沿着激光光路在ｚ的范围内放置一个焦距为ｆ的柱面透镜60，柱面透镜60距离前置三角棱镜50的距离d1满足f<d1<Z，此时在柱面透镜60焦平面的位置上会形成两条平行的焦线。这两个线光源发出具有一定发散角θ的柱面波。然后这两束具有一定发散角的柱面波照射在后置三角棱镜70上，形成近似无衍射栅型线结构光，该光束的焦深（最大近似无衍射距离）相对普通三角棱镜产生的近似无衍射栅型线结构光大大增加,而光斑发散相对较小。
该项技术主要是利用具有一定发散角的柱面波照射三角棱镜来产生大焦深的近似无衍射栅型线结构光,具体系利用柱面透镜聚焦前置三角棱镜产生的近似无衍射栅型线结构光来形成两条具有发散角的线光源，然后用这两条具有发散角的线光源照射后置三角棱镜，在后置三角棱镜后将形成大焦深的近似无衍射栅型线结构光。通过改变柱面透镜的焦距ｆ，柱面透镜60和后置三角棱镜70之间的距离ｄ，前置三角棱镜50和后置三角棱镜70的底角之差（r2-r1）来调节近似无衍射栅型线结构光的焦深（最大近似无衍射距离）。改变柱面透镜60焦距ｆ可以调节焦线1和焦线2产生柱面波的发散角θ，改变柱面透镜60和后置三角棱镜70之间的距离ｄ可以调节焦线1、焦线2照射在后置三角棱镜70上的宽度ｓ，改变前置三角棱镜50和后置三角棱镜70的底角之差（r2-r1）可以调节后置三角棱镜70之后光束的发散角。
本发明的设计重点在于，主要系通过改变柱面透镜的焦距、柱面透镜和后置三角棱镜之间的距离及前置三角棱镜和后置三角棱镜的底角之差来调节近似无衍射栅型线结构光的焦深（最大近似无衍射距离），利用具有一定发散角的柱面波照射三角棱镜来产生大焦深的近似无衍射栅型线结构光，该光束的最大近似无衍射距离相对普通三角棱镜产生的近似无衍射栅型线结构光大大增加，且光斑发散相对较小，有效提高了光束质量及能量利用率，有效解决了现有技术产生的投影条纹应用于条纹投影相位测量技术时分辨率较低、对比度较差等问题；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 (5)

1.一种产生长距离近似无衍射栅型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、前置三角棱镜、柱面透镜及后置三角棱镜，其中，该后置三角棱镜的底角大于前置三角棱镜的底角；
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入射到前置三角棱镜并于前置三角棱镜后形成近似无衍射区域，前述柱面透镜位于该近似无衍射区域内，该柱面透镜到前置三角棱镜的距离小于近似无衍射区域的长度且大于柱面透镜的焦距。
2.根据权利要求1所述的一种产生长距离近似无衍射栅型线结构光的光学系统，其特征在于：所述前置三角棱镜和后置三角棱镜均为等腰三角棱镜。
3.根据权利要求1所述的一种产生长距离近似无衍射栅型线结构光的光学系统，其特征在于：所述前置三角棱镜和后置三角棱镜均具有一垂直光路方向设置的入射面，所述前置三角棱镜的底角及后置三角棱镜的底角均由相应的入射面和入射面的相邻面夹设而成。
4.根据权利要求1所述的一种产生长距离近似无衍射栅型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。
5.根据权利要求4所述的一种产生长距离近似无衍射栅型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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