CN104765154B - 用于投射离散光斑的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于投射离散光斑的装置和方法。该装置包括：光学分束器，被设计为将入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N个子光束，其中N为奇数；光学扩散片，被设计为将N个子光束扩散为N个带状光束，当N个带状光束投射到垂直于光学扩散片的光轴的平面上时，在平面上形成N个带状离散光斑图案，并且光学分束器和光学扩散片被设计为使得N个带状离散光斑图案在第一方向上相互拼接，从而形成一个大幅离散光斑图案。由于光学分束器只在一个方向上进行分束，而光学扩散片扩散后的带状光束也只需要在一个方向上拼接，因此，使得能够使用设计相对较为简单的元件来获得大幅离散光斑图案。

Description

用于投射离散光斑的装置和方法

技术领域

本发明涉及光学领域，特别涉及用于投射离散光斑的装置和方法。

背景技术

在例如三维光学测量等领域中，为了便于测量，需要向测量空间投射离散光斑。

例如，将离散光斑投射到拍摄区域中的物体上，通过拍摄物体上的光斑，并对光斑的图像进行处理，可以构建物体的三维图像。

这样，一方面，需要从通常直径很细的光束(一般为准直激光束)扩散成大幅面的离散光斑图案，另一方面，每一个光斑的能量应当足够低，以免对拍摄区域中的人眼造成损伤。

一种容易想到的从细窄光束产生这样的大幅面离散光斑图案的方法如下：

首先，使用前置的衍射元件将入射光束按照二维阵列形式，分束为m行n列共m×n个子光束，m和n均为大于或等于3的奇数。例如，分束为3×3个子光束，5×5个子光束，或者3×5个子光束。

然后，使用后置的衍射元件对每个子光束进行散射，以便分别形成一个较小矩形范围内的离散光斑图案。每个小矩形离散光斑图案可以基本上相同。

同时，前置和后置的衍射元件被设计为，使得由每个子光束产生的小矩形离散光斑图案在行和列两个方向上相互拼接，从而形成一个大幅离散光斑图案。

图1A和图1B分别示意性地示出了采用上述方法可以产生的两种离散光斑图案。其中，图1A示出了前置衍射元件将入射光束分束为3×3个子光束的情况，图1B示出了前置衍射元件将入射光束分束为5×5个子光束的情况。

然而，采用这种方案，前置和后置衍射元件的设计要求比较高，难度较大。

一方面，以二维阵列形式进行衍射的前置衍射元件的设计要求比较高，难度较大，而且不便于进一步增大行数和列数。例如，如果要将行数和/或列数增大到7或9，设计难度将急剧增大。

另一方面，要在行和列两个方向上拼接m×n个小矩形离散光斑图案，对前置和后置衍射元件的设计要求也比较高，难度较大。

高的设计要求和难度使得人们不得不在成本的上升和离散光斑图案幅面的进一步扩大之间寻求平衡。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种用于投射离散光斑的装置和方法，使得能够使用设计相对较为简单的元件来获得大幅离散光斑图案。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于投射离散光斑的装置，包括：光学分束器，被设计为将入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N个子光束，其中N为奇数；以及光学扩散片，被设计为将N个子光束扩散为N个带状光束，当N个带状光束投射到垂直于光学扩散片的光轴的平面上时，在平面上形成N个带状离散光斑图案，并且光学分束器和光学扩散片被设计为使得N个带状离散光斑图案在第一方向上相互拼接，从而形成一个大幅离散光斑图案。

优选地，光学分束器和光学扩散片都是光学衍射元件。

优选地，光学分束器可以包括多个光学衍射元件，多个光学衍射元件对入射光束进行分步分束，从而形成N个子光束。

优选地，光学分束器可以包括：第一光学衍射元件，被设计为将入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N1个子光束，其中N1为奇数；以及第二光学衍射元件，被设计为将N1个子光束中的每一个在第一方向上分束成能量基本上相同的N2个子光束，其中N2为奇数，并且N1×N2＝N。

优选地，其中光学分束器可以包括：第三光学衍射元件，被设计为将入射光束在第一方向上分束成N3个子光束，N3个子光束包括1个零级子光束和N3-1个非零级子光束，N3-1个非零级子光束的能量基本上相同，零级子光束的能量高于非零级子光束的能量，其中N3为奇数；以及第四光学衍射元件，被设计为将零级子光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N4个子光束，其中N4为奇数，并且N3–1+N4＝N。

优选地，带状离散光斑图案在第二方向上的长度是第一方向上的长度的M倍，并且满足下述条件：3/5≤M/N≤5/3。

优选地，该装置还可以包括：准直激光发生器，用于产生准直激光束，以作为入射光束。

优选地，第一方向是水平方向，第二方向是竖直方向；或者第一方向是竖直方向，第二方向是水平方向。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于投射离散光斑的方法，包括：用光学分束器将入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N个子光束，其中N为奇数；以及用光学扩散片将N个子光束扩散为N个带状光束，当N个带状光束投射到垂直于光学扩散片的光轴的平面上时，在平面上形成N个带状离散光斑图案，并且光学分束器和光学扩散片被设计为使得N个带状离散光斑图案在第一方向上相互拼接，从而形成一个大幅离散光斑图案。

优选地，光学分束器可以包括第一光学衍射元件和第二光学衍射元件，用光学分束器将入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N个子光束的步骤可以包括：用第一光学衍射元件将入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N1个子光束，其中N1为奇数；以及用第二光学衍射元件将N1个子光束中的每一个在第一方向上分束成能量基本上相同的N2个子光束，其中N2为奇数，并且N1×N2＝N。

优选地，光学分束器可以包括第三光学衍射元件和第四光学衍射元件，用光学分束器将入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N个子光束的步骤可以包括：用第三光学衍射元件将入射光束在第一方向上分束成N3个子光束，N3个子光束包括1个零级子光束和N3-1个非零级子光束，N3-1个非零级子光束的能量基本上相同，零级子光束的能量高于非零级子光束的能量，其中N3为奇数；以及用第四光学衍射元件将零级子光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N4个子光束，其中N4为奇数，并且N3–1+N4＝N。

优选地，带状离散光斑图案在第二方向上的长度是第一方向上的长度的M倍，并且满足下述条件：3/5≤M/N≤5/3。

总地来说，为了从细窄的准直光束产生大幅的离散光斑图案，按照常规思路，容易想到在通过前置衍射元件进行分束时就按二维矩阵形式分束，以子光束阵列的形式初步形成想要形成的离散光斑图案的大致框架；然后在此框架基础上，通过后置衍射元件进行细化，将每个子光束扩散成一个较小的矩形光斑图案；并将多个阵列形式的子光束产生的阵列形式排列的矩形光斑图案在两个方向上拼接。

然而，根据本发明，脱离了上述常规思路，光学分束器只在一个方向上分束，而由光学扩散器来实现在另一个方向上的扩展，并且只需要在一个方向上进行带状离散光斑图案的拼接。降低了光学元件的设计难度。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1A和图1B分别示意性地示出了采用上述方法可以产生的两种离散光斑图案。

图2是根据本发明的光学装置的示意性侧视图。

图3是图2中的虚平面400上形成的示意性光点图案。

图4A和图4B示意性地示出了在虚平面600上形成的离散光斑图案。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图2示意性地示出了根据本发明的光学装置的示意性侧视图。

光源1一般可以是准直激光发生器，用于产生光束(准直激光束)100。

光束100入射到用于投射离散光斑的装置2。

装置2包括光学分束器10和光学扩散片20。光学分束器10和光学扩散片20都可以是光学衍射元件。设计光学衍射元件以实现光学分束器10和光学扩散片20的效果是本领域所公知的，在此不再详细描述光学分束器10和光学扩散片20的具体光学设计。

光学分束器10被设计为将入射光束100在第一方向上分束成能量基本上相同的N个子光束200，其中N为奇数。例如，N可以是5，7，9，甚至更多。

第一方向可以是水平方向，也可以是竖直方向。相应地，下面描述的第二方向可以是竖直方向，也可以是水平方向。

一些情况下，第一方向和第二方向也可以是相互垂直但与水平方向成一夹角的方向。该夹角是锐角。

图3示意性地示出了N个子光束200在光学分束器10和光学扩散片20之间的虚平面400上将产生的光点210。其中示出5个光点210在竖直方向上排成一条线。即入射光束100被分成5个子光束200之后，5个子光束200在虚平面400上将产生的光点210。

光点210的数量也可以是7个、9个或更多。

光点210也可以沿水平方向排成一条线。或者，光点210也可以沿倾斜的方向排成一条线。

由于只在一个方向上进行分束，光学分束器10的设计难度相对较小。

在一个改进实施例中，光学分束器10可以包括多个光学衍射元件(图中未示出)。多个光学衍射元件对入射光束进行分步分束，从而形成N个子光束。

例如，光学分束器10可以包括两个光学衍射元件，即第一光学衍射元件和第二光学衍射元件(图中未示出)。

第一光学衍射元件被设计为将入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N1个子光束，其中N1为奇数。

第二光学衍射元件被设计为将N1个子光束中的每一个在第一方向上分束成能量基本上相同的N2个子光束，其中N2为奇数，并且N1×N2＝N。

例如，N1＝3，N2＝3，N＝3×3＝9。

第一光学衍射元件和第二光学衍射元件分两步将入射光束分束为9个光束。每个光学衍射元件则只需要将一束光分为三束光。

在另一个改进实施例中，光学分束器10可以包括不同设计的两个光学衍射元件，即第三光学衍射元件和第四光学衍射元件(图中未示出)。

第三光学衍射元件被设计为将入射光束在第一方向上分束成N3个子光束，N3个子光束包括1个零级子光束和N3-1个非零级子光束。N3-1个非零级子光束的能量基本上相同，零级子光束的能量高于非零级子光束的能量，其中N3为奇数。例如，N3＝3，中间的零级子光束能量较大，而两边各1个一级子光束能量相同，且低于零级子光束的能量。

第四光学衍射元件被设计为将零级子光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N4个子光束，其中N4为奇数。

另一方面，第四光学衍射元件对非零级子光束则不进行衍射。例如，第四光学衍射元件的作用区可以较小，只对零级子光束通过的区域施加衍射效应，而非零级子光束直接通过而不被进一步衍射。

由此，N3–1+N4＝N。

例如，N4＝3。即，第三光学衍射元件将入射光束分束为3个子光束。第四光学衍射元件将中间能量较强(例如是1级子光束能量的三倍)的零级子光束分束为三个能量基本上相同的子光束。由此，产生3-1+3＝5个能量基本上相同的子光束。

如上所述，通过进一步将光学分束器设计为包括多个光学衍射元件，使得进一步减小了每个光学衍射元件的设计难度。另一方面，还可以进一步拓展最终得到的大幅离散光斑图案的幅面尺寸。而且，还可以进一步减小最终得到的离散光斑图案中每个光斑的能量。

接下来，描述光学扩散片20。

光学扩散片20被设计为将来自光学分束器10的N个子光束200扩散为N个带状光束300。即，在将一个子光束分散为多个离散光斑的同时，实现了在一个方向上的进一步扩展。

当这N个带状光束300投射到垂直于光学扩散片20的光轴500的平面600上时，在平面600上形成N个带状离散光斑图案。每个带状离散光斑图案在第二方向上的尺寸大于第一方向上的尺寸，从而形成长条或带状图案。这N个带状离散光斑图案可以具有基本上相同的光斑图案和分布。

并且，光学分束器10和光学扩散片20被设计为使得这N个带状离散光斑图案在第一方向上相互拼接，从而形成一个大幅离散光斑图案。

图4A和图4B是在虚平面600上形成的离散光斑图案。

图4A示意性地示出了第一方向为水平方向的情况。入射光束100被光学分束器10分为沿水平方向排列的5个子光束200，然后光学扩散片20将每个子光束200扩散为竖直方向尺寸大于水平方向尺寸的带状离散光斑图案。并且所形成的5个带状离散光斑图案在水平方向上相互拼接，从而形成一个大幅离散光斑图案。

图4B示意性地示出了第一方向为竖直方向的情况。入射光束100被光学分束器10分为沿竖直方向排列的5个子光束200，然后光学扩散片20将每个子光束200扩散为水平方向尺寸大于竖直方向尺寸的带状离散光斑图案。并且所形成的5个带状离散光斑图案在竖直方向上相互拼接，从而形成一个大幅离散光斑图案。

例如，带状离散光斑图案在第二方向上的长度可以是第一方向上的长度的M倍，并且满足下述条件：3/5≤M/N≤5/3。

由此，最终形成的大幅离散光斑图案的纵横比大致在3/5到5/3之间。

上文中已经参考附图详细描述了根据本发明的用于投射离散光斑的装置和方法。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统和方法的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标记的功能也可以以不同于附图中所标记的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种用于投射离散光斑的装置，包括：

光学分束器，被设计为将入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N个子光束，其中N为奇数；以及

光学扩散片，所述光学扩散片是光学衍射元件并且被设计为将所述N个子光束扩散为N个带状光束，当所述N个带状光束投射到垂直于所述光学扩散片的光轴的平面上时，在所述平面上形成N个带状离散光斑图案，并且所述光学分束器和所述光学扩散片被设计为使得所述N个带状离散光斑图案在所述第一方向上相互拼接，从而形成一个大幅离散光斑图案，

其中，所述带状离散光斑图案在第二方向上的长度是第一方向上的长度的M倍，并且满足下述条件：

3/5≤M/N≤5/3。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述光学分束器是光学衍射元件。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，

所述光学分束器包括多个光学衍射元件，所述多个光学衍射元件对所述入射光束进行分步分束，从而形成所述N个子光束。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述光学分束器包括：

第一光学衍射元件，被设计为将入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N1个子光束，其中N1为奇数；以及

第二光学衍射元件，被设计为将所述N1个子光束中的每一个在第一方向上分束成能量基本上相同的N2个子光束，其中N2为奇数，并且

N1×N2＝N。

5.根据权利要求3所述的装置，其中所述光学分束器包括：

第三光学衍射元件，被设计为将入射光束在第一方向上分束成N3个子光束，所述N3个子光束包括1个零级子光束和N3-1个非零级子光束，所述N3-1个非零级子光束的能量基本上相同，所述零级子光束的能量高于所述非零级子光束的能量，其中N3为奇数；以及

第四光学衍射元件，被设计为将所述零级子光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N4个子光束，其中N4为奇数，并且

N3–1+N4＝N。

6.一种用于投射离散光斑的方法，包括：

用光学分束器将入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N个子光束，其中N为奇数；以及

用光学扩散片将所述N个子光束扩散为N个带状光束，当所述N个带状光束投射到垂直于所述光学扩散片的光轴的平面上时，在所述平面上形成N个带状离散光斑图案，并且所述光学分束器和所述光学扩散片被设计为使得所述N个带状离散光斑图案在所述第一方向上相互拼接，从而形成一个大幅离散光斑图案，其中所述光学扩散片是光学衍射元件，

并且，其中，所述带状离散光斑图案在第二方向上的长度是第一方向上的长度的M倍，并且满足下述条件：

3/5≤M/N≤5/3。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述光学分束器包括第一光学衍射元件和第二光学衍射元件，所述用光学分束器将入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N个子光束的步骤包括：

用第一光学衍射元件将入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N1个子光束，其中N1为奇数；以及

用第二光学衍射元件将所述N1个子光束中的每一个在第一方向上分束成能量基本上相同的N2个子光束，其中N2为奇数，并且

N1×N2＝N。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述光学分束器包括第三光学衍射元件和第四光学衍射元件，所述用光学分束器将入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N个子光束的步骤包括：

用第三光学衍射元件将入射光束在第一方向上分束成N3个子光束，所述N3个子光束包括1个零级子光束和N3-1个非零级子光束，所述N3-1个非零级子光束的能量基本上相同，所述零级子光束的能量高于所述非零级子光束的能量，其中N3为奇数；以及

用第四光学衍射元件将所述零级子光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N4个子光束，其中N4为奇数，并且

N3–1+N4＝N。