CN104360485A - 线性激光光源及图像获取系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的线性激光光源，包括准直聚焦模块、线性发散模块和安装基础，准直聚焦模块包括激光器和用于将激光器所发出激光准直聚焦的透镜组，透镜组和线性发散模块顺序布置在激光器的激光光路上，且激光器和线性发散模块分别布设在透镜组的两侧，线性发散模块包括并排布置的多根平凸非球面柱透镜，多个平凸非球面柱透镜面对透镜组的入光侧表面为曲面，背离透镜组的出光侧表面为平面；激光器、透镜组和线性发散模块均设置在安装基础上。本发明还提供一种图像获取系统。上述方案能够解决线性光源能量分布均匀性与鲍威尔棱镜的制作周期长、制作成本高之间的矛盾。

Description

线性激光光源及图像获取系统

技术领域

本发明涉及光源设备技术领域，更为具体地说，涉及一种线性激光光源及图像获取系统。

背景技术

线阵相机是一种采用线阵图像传感器的相机。线阵相机通常以线性光源作为补光源以实施图像的拍摄。线性光源一般由LED(Light Emitting Diode，发光二极管)光源或激光光源整形后获得。在工作距离远、拍摄视场大、扫描速度高、抗阳光干扰等应用场合，激光光源由于其亮度较高而越来越普遍地得到应用。

目前，通常采用棒透镜(即柱透镜)或鲍威尔棱镜将激光器输出的光斑整形为线性光源。有些激光器输出光斑的能量分布大多呈高斯分布，即中心能量高，边缘能量低。采用棒透镜对此类激光器的输出光斑整形而产生的线性光源能量分布也近似于高斯分布。很显然，能量分布均匀影响线阵相机拍摄图像的均匀性。

采用鲍威尔棱镜对激光器的输出光斑整形后产生的线性光源能量分布均匀性较高，可以达到50％。但是大口径的鲍威尔棱镜目前基本还是需要手工磨制，并且为了与激光器输出的光斑能量分布相匹配，进而使得所形成的线性光源能量分布较均匀，鲍威尔棱镜需要经过反复修补后才能制成。可见，鲍威尔棱镜的制作周期较长，生产成本较高。

另外，鲍威尔棱镜对入射到鲍威尔棱镜的光斑要求很高。与入射光斑的尺寸和鲍威尔棱镜的棱宽尺寸正好匹配相比较，当入射光斑尺寸比鲍威尔棱镜的棱宽尺寸小时，入射光斑通过鲍威尔棱镜后产生的线性光源全扇角会变小，进而导致全扇角无法满足线阵相机的拍摄视场要求。鲍威尔棱镜对安装要求较高，即使入射光斑的尺寸与鲍威尔棱镜的棱宽尺寸一致，如果安装有一点偏差也会出现线性光源全扇角变小的现象发生，进而导致全扇角无法满足线阵相机的拍摄视场要求。所以，为了保证入射光斑经过鲍威尔棱镜后所形成的线性光源具有足够的全扇角以为线阵相机的拍摄视场补光。目前，通常使得入射光斑的尺寸大于鲍威尔棱镜的棱宽。但是，当入射光斑的尺寸比鲍威尔棱镜的棱宽尺寸大时，入射光斑所形成的线性光源两端会出现很亮的亮点，亮点所对应部分的光能量会被较多地浪费，进而会降低线性光源的能量利用率。举例而言，10W激光器产生的入射光斑经过鲍威尔棱镜后所形成的线性光源可以为物体补光，如果线性光源的能量利用率降低，则相机拍摄的物体图像就会变暗(即图像亮度降低)。为了达到相同的补光效果(例如亮度)以使得拍摄正常进行，则需要采用15W激光器，这不仅会增加成本，还会带来散热、电气上设计难等问题。

综上，如何解决线性光源能量分布均匀性与鲍威尔棱镜的制作周期长、制作成本高之间的矛盾，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种线性激光光源，以解决线性光源能量分布均匀性与鲍威尔棱镜的制作周期长、制作成本高之间的矛盾。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

线性激光光源，包括准直聚焦模块、线性发散模块和安装基础，所述准直聚焦模块包括激光器和用于将所述激光器所发出激光准直聚焦的透镜组，所述透镜组和所述线性发散模块顺序布置在所述激光器的激光光路上，且所述激光器和所述线性发散模块分别布设在所述透镜组的两侧，所述线性发散模块包括并排布置的多根平凸非球面柱透镜，多个所述平凸非球面柱透镜面对所述透镜组的入光侧表面为曲面，背离所述透镜组的出光侧表面为平面；所述激光器、所述透镜组和所述线性发散模块均设置在所述安装基础上。

优选的，上述线性激光光源中，所述安装基础包括滑轨和设置在所述滑轨上，且与之滑动配合的第一滑动部，所述第一滑动部与所述激光器固定相连；

和，设置在所述滑轨上，且与之滑动配合的第二滑动部，所述第二滑动部与所述透镜组固定相连；

或者，所述线性发散模块与所述透镜组均固定在所述第二滑动部上。

优选的，上述线性激光光源中，所述线性激光光源还包括：

用于检测拍摄目标距线阵相机距离的距离检测装置；

与所述第二滑动部相连，用于驱动所述第二滑动部滑动的驱动装置；

与所述驱动装置和所述距离检测装置相连，根据所述距离检测装置的检测结果控制所述驱动装置工作的控制器。

优选的，上述线性激光光源中，所述距离检测装置为激光测距装置或雷达测距装置。

优选的，上述线性激光光源中，所述平凸非球面柱透镜的入光侧表面为非球面或者自由曲面。

优选的，上述线性激光光源中，所述平凸非球面柱透镜的入光侧表面和出光侧表面通过侧平面衔接，所述侧平面与所述出光侧表面垂直。

优选的，上述线性激光光源中，多个所述平凸非球面柱透镜紧密排列，且通过固定架固定在所述安装基础上，所述固定架包括：

位于所述平凸非球面柱透镜一端的第一支架；和

位于所述平凸非球面柱透镜另一端的第二支架，所述第一支架和第二支架均设置有与所述平凸非球面柱透镜相对应端滑动配合的凹槽。

优选的，上述线性激光光源中，所述固定架还包括第三支架和第四支架，所述第一支架、第二支架、第三支架和第四支架形成方形框，且第三支架和第四支架面向所述方形框内的侧面上均设置有用于压紧所述平凸非球面柱透镜的侧平面的压紧弹簧。

优选的，上述线性激光光源中，所述线性激光光源还包括外壳，所述外壳具有容纳所述准直聚焦模块、线性发散模块和安装基础的容纳腔，所述容纳腔上设置有排风窗，所述排风窗设置有排风扇，所述排风扇设置在所述激光器一侧，所述外壳与所述线性发散模块的出光侧表面相对应部位设置有透视窗。

图像获取系统，包括线阵相机和为所述线阵相机补光的线性激光光源，所述线性激光光源为上述任意一项所述的线性激光光源。

本发明提供的线性激光光源中，激光器发出的激光通过透镜组后，透镜组能够决定最终形成的线性光源的宽度，经过透镜组之后的激光入射到线性发散模块的平凸非球面柱透镜之后，由于平凸非球面柱透镜在其长度方向没有曲率，而在其宽度方向有曲率，因此入射到平凸非球面柱透镜的激光被入光侧表面分散开，进而使得后续形成的线性光源的能量均匀性较好。本发明中的平凸非球面柱透镜和透镜组中的镜片均可以机器生产，相比于鲍威尔棱镜而言，生产周期短，相应的生产成本低，进而很好地解决了线性光源能量分布均匀性与鲍威尔棱镜的制作周期长、制作成本高之间的矛盾。

另外，本发明提供的线性激光光源中，每一根平凸非球面柱透镜对激光的整形作用相互独立，以阵列的形式紧密排列多根平凸非球面柱透镜而形成的线性发散模块设置在准直聚焦模块整形后的激光光路上，只要透镜组输出的光斑尺寸大于其中任何一根平凸非球面柱透镜的宽度即可。通过调节平凸非球面柱透镜的数量或者平凸非球面柱透镜的宽度就可以设计不同尺寸大小的线性发散模块，进而能够降低对线性发散模块的安装精度要求，这能够有效地解决使用鲍威尔棱镜时遇到的安装问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的准直聚焦模块的工作原理示意图；

图2是本发明实施例提供的线性激光光源的工作原理示意图；

图3是本发明实施例提供的线性激光光源中安装基座的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的聚焦调节机构的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种线性激光光源能量分布图，图5中位于中心部位的曲线为线性光斑4宽度方向的能量分布，位于外侧的曲线为线性光斑4长度方向的能量分布；

图6是本发明实施例提供的另一种线性激光光源能量分布图，图6中位于中心部位的曲线为线性光斑4宽度方向的能量分布，位于外侧的曲线为线性光斑4长度方向的能量分布；

图7是本发明实施例提供的再一种线性激光光源能量分布图，图7中位于中心部位的曲线为线性光斑4宽度方向的能量分布，位于外侧的曲线为线性光斑4长度方向的能量分布；

图8是本发明实施例提供的平凸非球面柱透镜的一种结构示意图，该图为平凸非球面柱透镜的横截面图；

图9是本发明实施例提供的线性发散模块的一种结构示意图；

图10是本发明实施例提供的线性发散模块的另一种结构示意图。

上图1-图10中：

准直聚焦模块1、线性发散模块2、接收屏3、线性光斑4、滑轨5、第一滑动部6、第二滑动部7、驱动装置8、控制器9、距离检测装置10、第一支架11、第二支架12、第三支架13、第四支架14、压紧弹簧15、压紧弹簧16、激光器101、透镜组102、平凸非球面柱透镜21、入光侧表面211、出光侧表面212、侧平面213、入光侧表面214、出光侧表面215。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种线性激光光源，解决了线性光源能量分布均匀性与鲍威尔棱镜的制作周期长、制作成本高之间的矛盾。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中的技术方案作进一步详细的说明。

请参考附图1或2，本发明实施例提供了一种线性激光光源。所提供的线性激光光源包括准直聚焦模块1、线性发散模块2和安装基础。

其中，准直聚焦模块1包括激光器101和透镜组102。激光器101用于发出激光。透镜组102用于将激光器101所发出的激光准直聚焦在某一设定距离处，例如透镜组102将激光器101所发出的激光聚焦在接收屏3上。透镜组102和线性发散模块2顺序地布置在激光器101的激光光路上，激光器101和线性发散模块2分别布设在透镜组102的两侧，线性发散模块2包括并排布置的多个平凸非球面柱透镜21。多个平凸非球面柱透镜21面对透镜组102的一侧为入光侧，且入光侧表面211为曲面，背离透镜组102的另一侧为出光侧，且出光侧表面212为平面。具体的，平凸非球面柱透镜21的入光侧表面211可以为非球面或自由曲面等曲面。

安装基础为准直聚焦模块1和线性发散模块2提供安装的基础，即激光器101、透镜组102和线性发散模块2均设置在安装基础上。通常，安装基础为底座式结构。

下面以本发明实施例提供的线性激光光源投射到接收屏3为例来说明其工作过程。具体工作过程如下：激光器101发出的带有发散角的激光经过透镜组102后若不经过线性发散模块2，则会在接收屏3上形成一个光斑，如图1所示，例如圆形光斑或椭圆形光斑等。所形成的圆形光斑在Y方向(以图1和2中的平面坐标系为准)的尺寸为整个线性激光光源所形成的线性光源的宽度尺寸，即准直聚焦模块1能够决定线性光源的宽度。经过透镜组102之后的激光入射到线性发散模块2的平凸非球面柱透镜21后，由于平凸非球面柱透镜21在Y方向没有曲率，只有在X方向有曲率，所以对激光入射到平凸非球面柱透镜21之后所形成的线性光斑4的宽度没有影响。由于平凸非球面柱透镜21的入光侧表面211为曲面，出光侧表面212为平面，因此入射到平凸非球面柱透镜21的激光在X方向上主要被入光侧表面211分散开，即入射到入光侧表面211的光线经过平凸非球面柱透镜之后光线更加分散，进而使得后续形成的线性光斑4的能量均匀性较好。本发明实施例中的平凸非球面柱透镜21和透镜组102中的镜片均可以机器生产，相比于鲍威尔棱镜而言，生产周期短，相应的生产成本低，进而能够很好地解决线性光源能量分布均匀性与鲍威尔棱镜的制作周期长、制作成本高之间的矛盾。而且这种线性光源在X方向分散能够决定线性光斑4的全扇角。本领域技术人员可以依据不同的应用需求，来修改柱透镜入光侧表面211的曲率面型，进而可以得到不同全扇角和能量分布的线型光条纹。

本发明实施例提供的线性激光光源中，每一根平凸非球面柱透镜21对激光的整形作用相互独立，以阵列的形式紧密排列多根平凸非球面柱透镜21而形成的线性发散模块2设置在准直聚焦模块1整形后的激光光路上，只要透镜组102输出的光斑尺寸大于其中任何一根平凸非球面柱透镜21的宽度即可，进而能够降低对入射光斑尺寸的要求。通过调节平凸非球面柱透镜21的数量或者平凸非球面柱透镜21的宽度就可以设计不同尺寸大小的线性发散模块2，进而能够降低对线性发散模块2的安装精度要求，可以适应各种尺寸和形状的光斑，这能够有效地解决使用鲍威尔棱镜时遇到的安装问题。

如上文所述，安装基础是准直聚焦模块1和线性发散模块2的安装基础，可以为底座式结构。本发明实施不限制安装基础的具体种类及结构。在实际应用过程中，本发明实施例提供的线性激光光源可能需要为线阵相机在不同距离处实施补光。为此，本发明实施例提供一种优选结构的安装基础。安装基础包括滑轨5和设置在滑轨上的第一滑动部6，激光器101与第一滑动部6固定相连，能够随第一滑动部6的滑动改变激光器101与透镜组102之间的距离，进而使得激光器101发出的激光能够聚焦在不同距离处。由于准直聚焦模块1能够决定线性光源的线性光斑4的宽度，所以调节第一滑动部6可以保证在不同工作距离处都可以得到较窄的线性光源，进而能够提高线性光源的能量利用率。同样，请参考附图3，本发明实施例还提供了另一种优选结构的安装基础。安装基础包括滑轨5、第一滑动部6和第二滑动部7，其中，第一滑动部6设置在滑轨5上，且与滑轨5滑动配合，第一滑动部6与激光器101固定相连。第二滑动部7也设置在滑轨5上，且与滑轨5滑动配合，透镜组102固定在第二滑动部7上。图3所示的安装基础可以调节第一滑动部6或第二滑动部7或者同时调节第一滑动部6和第二滑动部7以改变激光器101和透镜组102之间的距离，进而使得激光器101发出的激光被透镜组102聚焦在不同的工作距离处。图3所示的安装基础调节操作更加灵活、方便。由于有的激光器101为光纤输出激光器，因此在调节激光器101和透镜组102之间的距离时，经常移动激光器101会损坏光纤，为此，优选的方案中，可以通过移动第二滑动部7来调节激光器101和透镜组102之间的距离。本发明实施例提供的线性激光光源能够为线阵相机在不同距离处实施补光，对激光器101具有一定的通用性。

更为优选的，线性发散模块2与透镜组102均固定在第二滑动部7上，进而使得线性发散模块2能够随透镜组102一起滑动。具体的，线性发散模块2与透镜组102固定一起后再固定在第二滑动部7上，也可以各自固定在第二滑动部7上。对此，本发明实施例不作限制。

在图3所示安装基础的基础上，为了进一步优化上述技术方案，请参考附图4，本发明实施例提供的线性激光光源还可以包括聚焦调节机构，所述的聚焦调节机构可以包括距离检测装置10、驱动装置8和控制器9。其中，距离检测装置10用于检测拍摄目标距线阵相机的距离，驱动装置8与第二滑动部7或第一滑动部6相连，用于驱动第一滑动部6和/或第二滑动部7滑动，进而改变激光器101与透镜组102之间的距离，进而改变线性光斑4的聚焦距离，最终保证线性光源的能量利用率。控制器9与距离检测装置10相连，用于根据距离检测装置10的检测结果控制驱动装置8工作。距离检测装置10可以为激光测距装置，也可以为雷达测距装置，本发明实施例不限制距离检测装置10的具体种类。本发明实施例提供的聚焦调节机构能够实现聚焦的自动控制，能够进一步提高本发明实施例提供的线性激光光源的智能化程度。

本发明实施例提供的平凸非球面柱透镜21的入光侧表面横截面轮廓可以为多种，例如抛物线。请参考附图5，图5为平凸非球面柱透镜21的入光侧表面横截面轮廓为抛物线y^2＝Cx的线性光源能量分布图，C＝2.8125±0.001，经过检测该种形状的平凸非球面柱透镜的全扇角为101°，通过图5可以计算线性激光光源的能量分布均匀性达到80％。

请参考附图6，图6为平凸非球面柱透镜21的入光侧表面横截面轮廓为抛物线y^2＝Cx的线性光源能量分布图，C＝14.0625±0.001。经过检测该种形状的平凸非球面柱透镜21的全扇角为54°，通过图6可以计算出线性激光光源的能量分布均匀性达到80％。

摄影系统的像面照度主要取决于相对口径，对于大视场物镜，其视场边缘的像面照度要比中心小的多，要想提高大视场物镜拍摄图像的均匀性，线性光源的能量分布中，应该是越到边缘能量越高。为此，请参考附图7，图7为平凸非球面柱透镜21的入光侧表面横截面轮廓为y＝0.641525*x^2-0.0055276*x^4的线性光源能量分布图。经过检测该种形状的平凸非球面柱透镜21的全扇角为118.5°，同时能够较好地满足大视场物镜拍摄的要求。

本发明实施例中线性发散模块2包括由多根平凸非球面柱透镜21所形成的阵列。为了便于多根平凸非球面柱透镜21的紧密排列，请参考附图8，图8示出了一平凸非球面柱透镜21的具体结构。图8所示的平凸非球面柱透镜21的入光侧表面214和出光侧表面215通过侧平面213衔接，侧平面213与出光侧表面215所在平面相垂直。相邻的两根平凸非球面柱透镜21通过侧平面213贴紧以便于形成阵列。

线性发散模块2可以通过多种方式组装。本发明实施例还提供一种组装方式。具体如下：多个平凸非球面柱透镜21通过固定架固定在安装基础上。请参考附图9，图9示出的固定架包括相对分布的第一支架11和第二支架12，第一支架11和第二支架均设置有分别与平凸非球面柱透镜21的相对应端滑动配合的凹槽，即第一支架11位于多根并排布置的平凸非球面柱透镜21的一端，第二支架12位于多根并排布置的平凸非球面柱透镜21的另一端。在安装的过程中可以将多根平凸非球面柱透镜21逐个安装在第一支架11和第二支架12之间，然后通过推动平凸非球面柱透镜21使得相邻的两根平凸非球面柱透镜21处于紧贴状态。为了进一步优化上述技术方案，请参考附图10，本发明实施例提供的线性激光光源还包括第三支架13和第四支架14，第一支架11、第二支架12、第三支架13和第四支架14形成方形框，第三支架13上设置有压紧弹簧16，第四支架14上设置有压紧弹簧15，压紧弹簧16和压紧弹簧15用于压紧平凸非球面柱透镜21的侧部，以保证多根平凸非球面柱透镜21处于压紧状态。

更为优选的方案中，本发明实施例提供的线性激光光源还可以包括外壳，外壳具有容纳准直聚焦模块1、线性发散模块2和安装基础的容纳腔，容纳腔上设置有排风窗，排风窗设置有排风扇，排风扇设置在激光器101一侧，外壳与线性发散模块2的出光侧表面相对应部位设置有透视窗，以便于光线穿出。

基于本发明实施例提供的线性激光光源，本发明实施例还提供一种图像获取系统，所提供的图像获取系统包括线阵相机以及为线阵相机实施补光的线性激光光源。其中，线性激光光源为本发明实施例中任意一项所述的线性激光光源。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.线性激光光源，其特征在于，包括准直聚焦模块(1)、线性发散模块(2)和安装基础，所述准直聚焦模块(1)包括激光器(101)和用于将所述激光器(101)所发出激光准直聚焦的透镜组(102)，所述透镜组(102)和所述线性发散模块(2)顺序布置在所述激光器(101)的激光光路上，且所述激光器(101)和所述线性发散模块(2)分别布设在所述透镜组(102)的两侧，所述线性发散模块(2)包括并排布置的多根平凸非球面柱透镜(21)，多个所述平凸非球面柱透镜(21)面对所述透镜组(102)的入光侧表面(211)为曲面，背离所述透镜组(102)的出光侧表面(212)为平面；所述激光器(101)、所述透镜组(102)和所述线性发散模块(2)均设置在所述安装基础上。

2.根据权利要求1所述的线性激光光源，其特征在于，所述安装基础包括滑轨(5)和设置在所述滑轨(5)上，且与之滑动配合的第一滑动部(6)，所述第一滑动部(6)与所述激光器(101)固定相连；

和，设置在所述滑轨(5)上，且与之滑动配合的第二滑动部(7)，所述第二滑动部(7)与所述透镜组(102)固定相连；

或者，所述线性发散模块(2)与所述透镜组(102)均固定在所述第二滑动部(7)上。

3.根据权利要求2所述的线性激光光源，其特征在于，所述线性激光光源还包括：

用于检测拍摄目标距线阵相机距离的距离检测装置(10)；

与所述第二滑动部(7)相连，用于驱动所述第二滑动部(7)滑动的驱动装置(8)；

与所述驱动装置(8)和所述距离检测装置(10)相连，根据所述距离检测装置(10)的检测结果控制所述驱动装置(8)工作的控制器(9)。

4.根据权利要求3所述的线性激光光源，其特征在于，所述距离检测装置(10)为激光测距装置或雷达测距装置。

5.根据权利要求1所述的线性激光光源，其特征在于，所述平凸非球面柱透镜(21)的入光侧表面(211)为非球面或者自由曲面。

6.根据权利要求1所述的线性激光光源，其特征在于，所述平凸非球面柱透镜(21)的入光侧表面(214)和出光侧表面(215)通过侧平面(213)衔接，所述侧平面(213)与所述出光侧表面(215)垂直。

7.根据权利要求6所述的线性激光光源，其特征在于，多个所述平凸非球面柱透镜(21)紧密排列，且通过固定架固定在所述安装基础上，所述固定架包括：

位于所述平凸非球面柱透镜(21)一端的第一支架(11)；和

位于所述平凸非球面柱透镜(21)另一端的第二支架(12)，所述第一支架(11)和第二支架(12)均设置有与所述平凸非球面柱透镜(21)相对应端滑动配合的凹槽。

8.根据权利要求7所述的线性激光光源，其特征在于，所述固定架还包括第三支架(13)和第四支架(14)，所述第一支架(11)、第二支架(12)、第三支架(13)和第四支架(14)形成方形框，且第三支架(13)和第四支架(14)面向所述方形框内的侧面上均设置有用于压紧所述平凸非球面柱透镜(21)侧平面(213)的压紧弹簧(15、16)。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的线性激光光源，其特征在于，所述线性激光光源还包括外壳，所述外壳具有容纳所述准直聚焦模块(1)、线性发散模块(2)和安装基础的容纳腔，所述容纳腔上设置有排风窗，所述排风窗设置有排风扇，所述排风扇设置在所述激光器(101)一侧，所述外壳与所述线性发散模块(2)的出光侧表面(212)相对应部位设置有透视窗。

10.图像获取系统，包括线阵相机和为所述线阵相机补光的线性激光光源，其特征在于，所述线性激光光源为上述权利要求1-9中任意一项所述的线性激光光源。