CN106019582B - 一种将激光束变为矩形扫描光幕的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种将激光束变为矩形扫描光幕的方法及装置，属于光电技术领域。其技术方案为，将激光器产生的散射激光光束通过汇聚透镜进行光束能量调制，调制为中间部分能量分布高，边缘分布弱的平行光束，并投射在扫描振镜上，在控制系统的控制下，扫描振镜做扭转运动，将光束反射为较窄的扫描光束，该扫描光束经过散射透镜散射为宽的矩形扫描光幕。本发明的有益效果是，本发明提供的激光光幕投影扫描装置，由于采用特定的光学透镜，能够将激光器发射的激光束整形变为矩形扫描光幕，并且输出的扫描光幕能量均匀，避免了非垂直入射角扫描光线两边出现弯曲的情况。

Description

一种将激光束变为矩形扫描光幕的方法及装置

技术领域

本发明属于光电技术领域，尤其涉及一种将激光束变为矩形扫描光幕的方法及装置。

背景技术

将特定图案照射到待测物体上，再通过拍摄被物体表面调制的图案计算出物体表面的距离信息，是目前常用的一种3D扫描成像技术。照射图案是3D扫描成像中一个重要技术，是3D扫描成像质量的制约因素。基于扫描振镜的激光光幕照明装置，可实现高质量可调节的光幕，而且，可以节省大量的体积和重量。传统技术中使用的单柱透镜光扫描模组的存在两大难题：其一是扫描光束能量分布不均匀，扫描光束呈现中间能量密度高，两边低的情况；其二是在扫描过程中光线移动到非垂直入射角时：扫描光线两边出现弯曲。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种激光光幕投影扫描方法及装置，实现激光扫描和投影的功能，并拥有较小的体积和功耗。同时解决了传统的单柱透镜光扫描模组的两大难题：其一是扫描光束能量分布不均匀，扫描光束呈现中间能量密度高，两边低的情况：其二是在扫描过程中光线移动到非垂直入射角时，扫描光线两边出现弯曲。

本发明的技术方案表现为：对于第一个问题，采用了横截面为多个叠加圆环的透镜。此透镜横截面中心区域折射率高，对光线散射能力强；外侧折射率低对光线的散射能力弱，通过折射率依次渐变实现对高斯光束的均匀散射；对于第二问题，本发明将原本的柱状透镜组改为曲面透镜：这种设计使得光线在扫描过程中穿过透镜时都为垂直入射，这样扫描光束可以保持均匀的直线。从而大大提高投影扫描的实用范围。

一种将激光束变为矩形扫描光幕的方法，将激光器产生的散射激光光束通过汇聚透镜进行光束能量调制，调制为中间部分能量分布高，边缘分布弱的平行光束，并投射在扫描振镜上，在控制系统的控制下，扫描振镜做扭转运动，将光束反射为较窄的扫描光束，该扫描光束经过散射透镜散射为宽的矩形扫描光幕，通过控制系统对扫描振镜扭转角度和激光器功率的控制，在扫描振镜的一个扫描周期内，调节矩形光幕区域内不同条形区域的明亮程度。

优选为，所述散射透镜为曲柱型透镜，所述散射透镜的纵切面为圆环的一段，此圆环的中心位于扫描振镜的扫描轴上，所述散射透镜横截面中心区域折射率高，对光线散射能力强；外侧折射率低对光线的散射能力弱，通过折射率依次渐变实现对高斯光束的均匀散射。

一种将激光束变为矩形扫描光幕的装置，包括依次排列的激光器、汇聚透镜、扫描振镜、散射透镜，以及电源和控制系统，所述扫描振镜包括能够镜面反射激光光束的反射镜、使反射镜能够其做往复旋转的回转轴和固定回转轴并提供支撑的基座；

所述散射透镜为曲柱型透镜，所述散射透镜的横切面为若干个叠加的圆环，其中心区域折射率高，对光线散射能力强；外侧折射率低对光线的散射能力弱；所述散射透镜的纵切面为圆环的一段。

优选为，所述扫描振镜，至少在一个方向上可扭转振动。

优选为，所述控制系统包括激光器控制与扫描振镜控制单元，所述控制系统控制所述扫描振镜运动和激光器的亮度。

优选为，所述激光器为可见光和红外光，具有典型的高斯激光光束，且激光器具有准直系统。

优选为，所述散射透镜的纵切面为圆环的一段，此圆环的中心位于所述扫描振镜的扫描轴上。

本发明工作时，激光器在控制系统控制下发射高斯光束，经过汇聚透镜变成平行激光线投射在振镜上，而振镜则在控制系统控制下做扭转运动，形成较窄的扫描光束，上述光束经过散射透镜形成均匀的具有一定宽度的矩形扫描光束。通过控制系统对振镜和激光器的精确同步控制，按照一定的规律调节激光器功率，在振镜的一个扫描周期内，可以在矩形光幕区域内实现某些条形区域亮而某些条形区域暗的照明效果。

本发明的有益效果是：本发明提供的激光光幕投影扫描装置，由于采用特定的渐变光学透镜，能够将激光器发射的激光束整形变为矩形扫描光幕，并且输出的扫描光幕能量均匀，避免了非垂直入射角扫描光线两边出现弯曲的情况。通过控制系统对扫描振镜和激光器的精确同步控制，按照一定的规律调节激光器功率，在扫描振镜的一个扫描周期内，可以在矩形光幕区域内实现某些条形区域亮而某些条形区域暗的照明效果。使得扫描装置的成本、尺寸和功耗大为降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的模组简化示意图。

图2传统透镜问题一示意图俯视图。

图3传统透镜问题一示意图主视图。

图4传统透镜问题二示意图俯视图

图5传统透镜问题二示意图主视图。

图6散射透镜光路示意图俯视图。

图7散射透镜光路示意图主意图

图8渐变光路追迹示意图。

图9散射透镜模型示意图主视图。

图10散射透镜模型示意图俯视图。

图11散射透镜模型示意图左视图。

图12为本发明所述渐变透镜模组结构示意图主视图。

图13为本发明所述渐变透镜模组结构示意图仰视图。

图14为本发明所述激光光幕投影扫描装置原理示意图。

附图标记为：102、激光器；104、汇聚透镜；106、扫描振镜；108、散射透镜；110、控制系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种将激光束变为矩形扫描光幕的方法，将激光器产生的散射激光光束通过汇聚透镜进行光束能量调制，调制为中间部分能量分布高，边缘分布弱的平行光束，并投射在扫描振镜上，在控制系统的控制下，扫描振镜做扭转运动，将光束反射为较窄的扫描光束，该扫描光束经过散射透镜散射为宽的矩形扫描光幕，通过控制系统对扫描振镜扭转角度和激光器功率的控制，在扫描振镜的一个扫描周期内，调节矩形光幕区域内不同条形区域的明亮程度。

散射透镜为曲柱型透镜，散射透镜的纵切面为圆环的一段，此圆环的中心位于扫描振镜的扫描轴上，散射透镜横截面中心区域折射率高，对光线散射能力强；外侧折射率低对光线的散射能力弱，通过折射率依次渐变实现对高斯光束的均匀散射。

本发明提供一种将激光束变为矩形扫描光幕的装置，实现激光扫描和投影的功能，并拥有较小的体积和功耗。同时解决了传统的单柱透镜光扫描模组的两大难题：其一是扫描光束能量分布不均匀如图2，图3所示，扫描光束呈现中间能量密度高，两边低的情况；其二是在扫描过程中光线移动到非垂直入射角时如图4，图5所示：扫描光线两边出现弯曲。

对于第一个问题，本发明采用了透镜组的设计如图6，图7所示,此透镜横截面中心区域折射率高，对光线散射能力强；外侧折射率低对光线的散射能力弱，通过折射率依次渐变实现对高斯光束的均匀散射。

光线追迹确定渐变函数g

如图8，所示柱镜沿半径r等分成n层，每层的厚度为Δr，每一层的柱体(圆环)可以看作是均有均匀，取值为该层表面处的折射率。

由于整个光路沿z轴对称，我们只需要计算z轴以下的部分。在图5中激光器发出的高斯光束经过汇聚透镜准直之后，成为平行光入射到渐变柱镜。每条入射光线的高度y对应渐变柱镜的半径r，每条入射光高度分为yn。平行光入射时，每条高度y已知的平行光入射到渐变柱镜某层时，根据其y坐标就可以确定其z坐标，在根据界面两侧的折射率分布，可以得到该点与z轴的夹角。不断循环这个追迹过程，并记录入射光和经过渐变柱镜交点的坐标。最终用出射光线和z轴的交点计算焦距。

根据交点处的光线和z轴的夹角继续追迹在像平面在20cm，50cm均度超过85％的渐变折射率分布函数。在另一些实例中像平面可以是在任意位置的均匀分布。

以上实例使用matlab模拟光线追迹最终确定均匀渐变时，渐变因子g的数值。而在另一些实例中渐变因子g也可以是非线性并且是入射高度y的函数。

对于第二问题，本发明在解决该问题时做如下设计：将原本的柱状透镜组改为曲柱形透镜，这种设计使得光线在扫描过程中穿过透镜时总为垂直入射，这样扫描光束可以保持均匀的直线。从而大大提高投影扫描的实用范围。

图,9，图10，图11为散射透镜108模型示意图。此散射透镜108纵切面为圆环的一段，由渐变折射率材料制成，在另一些实例中也可以是长方体透镜。

本发明提出一种将激光束变为矩形扫描光幕的装置，包括半导体激光器102，汇聚透镜104，扫描振镜106，散射透镜108和控制系统110。彻底解决了传统光幕扫描装置能耗高，精度差的难题。

其结构如图12,图13所示，激光器102在控制系统控制下发射高斯光束，经过汇聚透镜104变成平行激光线投射在扫描振镜106上，而扫描振镜106则在控制系统110控制下做扭转运动，形成较窄的扫描光束，上述光束经过散射透镜108形成均匀的具有一定宽度的矩形扫描光束。通过控制系统110对扫描振镜106和激光器102的精确同步控制，按照一定的规律调节激光器102的功率，在扫描振镜106的一个扫描周期内，可以在矩形光幕区域内实现某些条形区域亮而某些条形区域暗的照明效果。

对于该实施例，装置100的摆放顺序如图14所示。包括激光器102，汇聚透镜104，扫描振镜106，散射透镜108和控制系统110。

装置100内各组件位置关系是，激光器102出光后投射在汇聚透镜104上，汇聚透镜104出光后投射在扫描振镜106上，扫描振镜106出光后光线进入散射透镜108上，其出光投射在目标区域，控制系统110是用于控制激光器102和扫描振镜106。

激光器102，其波长可以是所有激光器波长，红外，可见光，或者是紫外，根据实际使用环境选择激光器102的功率，该激光器102具有准直系统，其出光光束为高斯光束，大小满足汇聚透镜104和散射透镜108入射光斑要求。

汇聚透镜104，将光束能量调制，使得中间部分能量分布高，边缘分布弱，汇聚透镜104也可以是柱面镜。

扫描振镜106，至少在一个方向上可扭转振动，其出光范围内不应有物体遮挡。

散射透镜108，将入射激光束变成线激光束。其材质为渐变折射率光学材料。

基本特征1：此散射透镜108横截面中心区域折射率高，对光线散射能力强；外侧折射率低对光线的散射能力弱，通过折射率依次渐变实现对高斯光束的均匀散射。

基本特征2：散射透镜108的纵切面为圆环的一段，此圆环的中心位于扫描振镜106的扫描轴上。

控制系统110，应该当具备激光器102能量调制功能，扫描振镜106振动的控制功能和扫描振镜106扭转角度信息提取功能，可以在外部指令或内部指令的控制下控制扫描振镜106运动和激光器的亮度，使得实现特定的光幕图案。

实施例2：

包含实施例1中的宗旨，为了确保装置的外积形状，可以在一些组件中间增加反射镜来改变光束前进方向，以改变组件的位置。

实施例3：

包含实施例2中的宗旨，控制系统110可以在装置外部，与最终产品结合在一起。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种将激光束变为矩形扫描光幕的方法，其特征在于，将激光器产生的散射激光光束通过汇聚透镜进行光束能量调制，调制为中间部分能量分布高，边缘分布弱的平行光束，并投射在扫描振镜上，在控制系统的控制下，扫描振镜做扭转运动，将光束反射为较窄的扫描光束，该扫描光束经过散射透镜散射为宽的矩形扫描光幕，通过控制系统对扫描振镜扭转角度和激光器功率的控制，在扫描振镜的一个扫描周期内，调节矩形光幕区域内不同条形区域的明亮程度；

所述散射透镜为曲柱型透镜，所述散射透镜的纵切面为圆环的一段，此圆环的中心位于扫描振镜的扫描轴上，所述散射透镜横截面中心区域折射率高，对光线散射能力强；外侧折射率低对光线的散射能力弱，通过折射率依次渐变实现对高斯光束的均匀散射。

2.一种将激光束变为矩形扫描光幕的装置，其特征在于，包括依次排列的激光器(102)、汇聚透镜(104)、扫描振镜(106)、散射透镜(108)，以及电源和控制系统(110)，所述扫描振镜(106)包括能够镜面反射激光光束的反射镜、使反射镜能够做往复旋转的回转轴和固定回转轴并提供支撑的基座；

所述散射透镜(108)为曲柱型透镜，所述散射透镜(108)的横切面为若干个叠加的圆环，其中心区域折射率高，对光线散射能力强；外侧折射率低对光线的散射能力弱；所述散射透镜(108)的纵切面为圆环的一段。

3.根据权利要求2所述的将激光束变为矩形扫描光幕的装置，其特征在于，所述扫描振镜(106)，至少在一个方向上可扭转振动。

4.根据权利要求2所述的将激光束变为矩形扫描光幕的装置，其特征在于，所述控制系统(110)包括激光器控制与扫描振镜控制单元，所述控制系统(110)控制所述扫描振镜(106)运动和激光器(102)的亮度。

5.根据权利要求2所述的将激光束变为矩形扫描光幕的装置，其特征在于，所述激光器(102)为可见光和红外光，具有典型的高斯激光光束，且激光器(102)具有准直系统。

6.根据权利要求2所述的将激光束变为矩形扫描光幕的装置，其特征在于，所述散射透镜(108)的纵切面为圆环的一段，此圆环的中心位于所述扫描振镜(106)的扫描轴上。