CN107490930B - 具有抑制零级衍射的激光投影装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光投影装置，基底，用于固定光源，所述光源用于发射光束；衍射光学元件，用于接收及扩束所述光束，并向目标空间投射图案化光束；零级衍射抑制单元，包括起偏器和检偏器,位于所述衍射光学元件射出光束的一侧，用于遮蔽或衰减所述图案化光束中的零级衍射光束。本发明提出的激光投影装置能够消除或减弱零级衍射光束。

Description

具有抑制零级衍射的激光投影装置
技术领域
本发明涉及光学及电子技术领域，尤其涉及一种激光投影装置。
背景技术
激光投影装置被应用于各个领域。例如，基于光学的三维测量领域，激光投影装置可用于向目标空间投射编码或结构化的激光图案，实现对目标空间的标定，为后期三维测量提供准备工作。激光投影装置一般由基底、光源、衍射光学元件组成，其中衍射光学元件用于生成并向目标空间投射编码或结构化的激光图案化光束。投射于目标空间的激光图案化光束，其均匀性和高对比度会直接影响到激光投影装置对目标空间深度标定的精准度和灵敏度。
然而，用于产生激光图案的衍射光学元件往往存在着零级衍射光束。零级衍射光束是指射向衍射光学元件的光束中，存在着一部份光束没有被衍射并且继续穿过衍射光学元件进入目标空间，即没有被衍射光学元件衍射便直接进入目标空间的那一部分光束为零级衍射光束。由于衍射光学元件存在强度较大的零级衍射光束，激光投影装置投射到目标空间的激光图案，其均匀性和对比性都会出现不同程度的下降，导致其无法适用于一些特殊的应用环境。尤其是，在基于激光投影装置的人机交互的一些应用中，激光投影装置的零级衍射光束有可能会引发人眼安全的问题。如果激光投影装置的零级衍射光束的单位横截面能量通量超过了激光对人眼安全标准的最大允许值，则该激光投影装置不应当用于涉及人机交互的应用环境中。
发明内容
为了解决激光投影装置衍射光学元件中存在强度较大的零级衍射光束的技术问题，本发明提出了一种激光投影装置。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：本发明提出的激光投影装置包括基底，用于固定光源，所述光源用于发射光束；衍射光学元件，用于接收及扩束光束，并向目标空间投射图案化光束；零级衍射抑制单元，包括起偏器和检偏器，位于所述衍射光学元件射出光束的一侧，用于遮蔽或衰减所述图案化光束中的零级衍射光束。在一实施例中，还包括准直单元，位于所述光源与所述衍射光学元件之间，用于准直或聚焦所述光源发射的光束。在某些实施例中，所述起偏器和所述检偏器的横截面积不小于所述零级衍射光束的光斑面积。在又一实施例中，所述零级衍射抑制单元还包括非光学作用的透明部分，所述起偏器与所述检偏器安装在所述透明部分内，经过所述零级衍射抑制单元的高阶衍射光束能从所述透明部分透射出来。在其他实施例中，所述起偏器和所述检偏器可以为透振方向互不平行的线偏振片；所述起偏器和所述检偏器的透振方向的夹角可以为60-90度。
在上述激光投影装置中，所述光源包括边发射激光器及其阵列或垂直腔面发射激光器及其阵列。另外，所述零级衍射抑制单元优选固定在衍射光学元件射出光束的侧壁上。此外，所述激光散斑图案由均匀分布但不相关的随机光斑构成。
本发明还提出了一种用于制造激光投影装置的方法，包括提供基底与光源，将所述光源固定在基底上；提供准直单元与衍射光学元件，将所述准直单元固定在所述光源与衍射光学元件之间，用于准直或聚焦所述光源发射的光束；所述衍射光学元件，用于接受或扩束所述平行光束，并向目标空间投射图案化光束；提供零级衍射抑制单元，所述零级衍射抑制单元包括起偏器和检偏器，固定在所述衍射光学元件射出光束的一侧，用于遮蔽或衰减所述图案化光束中的零级衍射光束。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：固定在基底的光源发射的光束射向衍射光学元件，随后衍射光学元件将光束扩束为图案化光束，并射向零级衍射抑制单元，图案化光束中的零级衍射光束经过零级衍射抑制单元的起偏器和检偏器之后被遮蔽或衰减，从而消除或减弱了所述零级衍射光束。
附图说明
图1是一种线偏振片的结构示意图。
图2是普通光束基于偏正片的消光过程示意图。
图3是本发明一种实施例的具有抑制零级衍射的激光投影装置。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
需要理解的是，术语“第一”、“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
图1是一种线偏振片的结构示意图。该线偏振片由保护薄膜21、TAC(三醋酸纤维)片基22、PVA(聚乙烯醇薄膜)偏振膜23层压制作而成，有黑白和彩色二类，按照应用领域又可分成透射、透反射及反透射三类。其中，PVA偏振膜23的制作过程为：首先将PVA薄膜浸入碘化钾溶液中，使碘离子扩散渗入内层的PVA，然后对PVA薄膜进行人工或机械拉伸4-5倍，使吸附在基片内的碘分子规则整齐地单向排列，最后基于碘离子长链对不同偏振态光束的吸收差异，使PVA偏振膜具有起偏或者检偏性质。其中，PVA偏振膜对某一偏振方向的光束吸收最小，则该偏振方向为PVA偏振膜的透振方向。由于高分子化合物PVA薄膜经过拉伸后，其机械性质会降低，容易碎裂，所以需要在PVA偏振膜23两侧贴上TAC片基22，这样设置的好处是，一方面用于保护PVA偏振膜，另一方面可以防止PVA偏振膜回缩导致偏振效果下降。此外，为了进一步防止PVA偏振膜23中的碘离子氧化和保护TAC片基22被腐蚀，可在TAC片基22的外层镀上耐腐蚀、耐氧化的保护薄膜21。
图2是普通光束基于偏振片的消光过程示意图。光源发射的光束，其偏振态与自然光的偏振态类似，具有对称、均匀分布的特点。假设自然光束1沿z轴方向传输，当自然光束1传输至偏振片2时，由于偏振片2的透振方向为y方向，所以只有沿y轴方向偏振的偏振光束3能顺利通过偏振片2并且继续沿z轴方向传输，而其他偏振方向的光束均被偏振片2遮蔽吸收。偏振光束3传输至偏振片4时，由于偏振片4沿x方向透振，即偏振片4的透振方向与偏振光束3的偏振方向相互垂直，因而偏振光束3被偏振片4遮蔽吸收，不能顺利到达目标平面5，最终实现对自然光束1的完全消光过程。其中，偏振片2起到起偏器的作用，偏振片4起到检偏器的作用。还存在一种特殊情况，当偏振片2与偏振片4的透振方向相互平行时，在理想情况下，偏振光束3可以无损耗的顺利通过偏振片4到达目标平面5。
图3是本发明一种实施例的具有抑制零级衍射的激光投影装置。本实施例中的激光投影装置包括基底10、光源11、准直单元12、衍射光学元件13、零级衍射抑制单元15。
其中，光源11固定在基底10面向准直单元12的一侧，并且向准直单元12发射光束；
其中，准直单元12用于准直或聚集光源11发射的光束，并且向衍射光学元件13投射平行光束；
其中，衍射光学元件13用于接受及扩束平行光束，并且向零级衍射抑制单元15投射图案化光束；这里的扩束指的是将单个光束扩展成多个光束，也可以称为分束。平行光束经扩束后形成的图案化光束可以是二维形状图案，也可以是二维斑点图案等。
其中，图案化光束包括零级衍射光束14和高阶衍射光束16；
其中，零级衍射抑制单元15放置于沿光束投射方向与衍射光学元件13距离为d1的位置上，由起偏器152、检偏器153构成，用于遮蔽或衰减所述图案化光束中的零级衍射光束。所述零级衍射抑制单元15还包括非光学作用的透明部分151，所述透明部分151用于固定、支撑所述起偏器152、检偏器153，以确保所述起偏器152、检偏器153与零级衍射光束14光斑处于同一水平方向上，此外，部分所述图案化光束中除零级衍射光束以外的光束能够从所述非光学作用的透明部分透射过去，不用受到透明部分的影响。
其中，起偏器152与检偏器153是透振方向互不平行的线偏振片。一种实施方案中，起偏器152与检偏器153的透振方向相互垂直，起偏器152、检偏器153的横截面积不小于零级衍射光束的光斑面积，优选地，起偏器152、检偏器153的横截面积与零级衍射光束的光斑面积的大小相等；
零级衍射光束14垂直入射到零级衍射抑制单元15中先后经过起偏器152和检偏器153，由于起偏器152和检偏器153的透振方向垂直，基于偏振片的消光机制，零级衍射光束14被零级衍射抑制单元15遮蔽、吸收，因而无法顺利进入目标空间到达目标平面18，最终导致目标平面18的182区域出现消光的现象。
高阶衍射光束16入射到零级衍射抑制单元15中，并且从零级衍射抑制单元15的非光学作用的透明部分151透过零级衍射抑制单元15，所述透明部分151用于透射至少部分所述图案化光束中除零级衍射光束以外的光束(高阶衍射光束)，最后以激光散斑图案的形式投影于目标平面18的181区域。需要强调的是，该激光散斑图案由均匀分布但不相关的随机光斑构成。
可选的，光源11可以是边发射激光器及其阵列或垂直腔面发射激光器及其阵列。
可选的，光源11的波长为850nm、950nm的红外激光束或者其他波段的激光束。
参阅图3，本实施例中，零级衍射抑制单元15与衍射光学元件13之间的物理距离为d1，此处d1的取值与光束的波长、图案化光束的立体张角以及其他的几何因素有关，不作特殊限定。
可选的，d1的取值也可以为0，在一些实施方案中，起偏器152和检偏器153可通过镶嵌、粘贴或者其他可行方式固定在衍射光学元件射出光束的侧壁上，其具体大小及位置应该与衍射光学元件的零级衍射光束区域决定，优选地，起偏器152和检偏器153的大小及位置与零级衍射光束的大小及位置完全重合。
参阅图3，本实施例中，零级衍射抑制单元15的起偏器152和检偏器153的透振方向相互垂直，零级衍射光束垂直入射起偏器152与检偏器153。
可选的，起偏器152的透振方向在起偏平面内可以以任意角度起偏，需要强调的是，起偏器152的透振方向某一角度起偏时，检偏器153的透振方向应该与该起偏器的透振方向垂直。在一些实施例中，起偏器152与检偏器153的透振方向成α角度。
零级衍射光束14经起偏器152与检偏器153后，衰减程度由夹角α决定，如果夹角α取值恰当，衰减后的零级衍射光束17,其能量强度可以与高阶衍射光束16的能量强度相当，并且投影于目标平面18的182区域。这种设计方案的好处是，该激光投影装置投影于目标平面18的激光散斑图案不会出现消光区域，确保了激光散斑图案的完整性、均匀性。
为了便于理解，此处假设图案化光束的零级衍射光束14，其光场强度为I0。理想情况下，零级衍射光束经起偏器后其光强衰减为0.5I0，实际情况要远小于0.5I0。一种实施方案中，如果起偏器与检偏器二者的透振方向成α＝60°夹角，根据马吕斯定律可知，经零级衍射抑制单元15衰减后的零级衍射光束17，其光场强度E＝0.5I0*(cosα)2＝0.125I0，因此，选用合适的夹角α，一般夹角α选择60-90度，零级衍射抑制单元可以大幅度降低零级衍射光束的能量。应该强调的是，夹角α＝60°仅仅用于举例说明，并不用于限定本发明对α的取值。
区别于现有技术，传统的激光投影装置，存在着强度较大的零级衍射光束。本发明设计的激光投影装置增加了零级衍射抑制单元，在确保激光散斑图案完整性的同时，进一步改善了激光散斑图案的整体品质，该激光投影装置投射的激光散斑图案具有均匀度更高、对比度更强的特征，并且更符合人眼安全标准，一定程度上可以避免激光对人眼的损伤。
此外，本发明还提出了上述激光投影装置的制造方法，包括提供基底与光源，将所述光源固定在基底上；提供准直单元与衍射光学元件，将所述准直单元固定在所述光源与衍射光学元件之间，用于准直或聚焦所述光源发射的光束；所述衍射光学元件，用于接受及扩束所述光束，并向目标空间投射图案化光束；提供零级衍射抑制单元，所述零级衍射抑制单元包括起偏器和检偏器，所述零级衍射抑制单元设置在所述衍射光学元件射出光束的一侧，用于遮蔽或衰减所述图案化光束中的零级衍射光束。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种激光投影装置，其特征在于，包括
基底，用于固定光源，所述光源用于发射光束；
衍射光学元件，用于接收及扩束所述光束，并向目标空间投射图案化光束；
零级衍射抑制单元，包括起偏器和检偏器,位于所述衍射光学元件射出光束的一侧，所述起偏器和所述检偏器为透振方向互不平行的线偏振片，用于衰减所述图案化光束中的零级衍射光束；
其中，所述起偏器与所述检偏器的透振方向所成的夹角使得所述零级衍射光束经所述起偏器与所述检偏器后衰减，且衰减后的零级衍射光束的能量强度与高阶衍射光束的能量强度相当并且将零级衍射光束与高阶衍射光束共同投影于目标平面的区域而形成具有完整性、均匀性的二维形状图案或二维斑点图案，从而避免因所述零级衍射光束被遮蔽、吸收而导致所述目标平面出现图案的消光区域。
2.如权利要求1所述的激光投影装置，其特征在于，还包括准直单元，位于所述光源与所述衍射光学元件之间，用于准直或聚焦所述光源发射的光束。
3.如权利要求1或2所述的激光投影装置，其特征在于，所述起偏器和所述检偏器的横截面积不小于所述零级衍射光束的光斑面积。
4.如权利要求1所述的激光投影装置，其特征在于，所述零级衍射抑制单元还包括非光学作用的透明部分，所述起偏器与所述检偏器安装在所述透明部分内，经过所述零级衍射抑制单元的高阶衍射光束能从所述透明部分透射出来。
5.如权利要求1所述的激光投影装置，其特征在于，所述起偏器和所述检偏器的透振方向的夹角为60-90度。
6.如权利要求1所述的激光投影装置，其特征在于，所述光源包括边发射激光器及其阵列或垂直腔面发射激光器及其阵列。
7.如权利要求1所述的激光投影装置，其特征在于，所述零级衍射抑制单元固定在所述衍射光学元件射出光束的侧壁上。
8.如权利要求1所述的激光投影装置，其特征在于，所述图案化光束由均匀分布但不相关的随机光斑构成。
9.一种用于制造激光投影装置的方法，其特征在于，所述方法包括提供基底与光源，将所述光源固定在基底上；提供准直单元与衍射光学元件，将所述准直单元固定在所述光源与衍射光学元件之间，用于准直或聚焦所述光源发射的光束，并向所述衍射光学元件投射平行光束；所述衍射光学元件，用于接受及扩束所述平行光束，并向目标空间投射图案化光束；提供零级衍射抑制单元，所述零级衍射抑制单元包括起偏器和检偏器，所述零级衍射抑制单元设置在所述衍射光学元件射出光束的一侧，所述起偏器和所述检偏器为透振方向互不平行的线偏振片，用于衰减所述图案化光束中的零级衍射光束；其中，所述起偏器与所述检偏器的透振方向所成的夹角使得所述零级衍射光束经所述起偏器与所述检偏器衰减，且衰减后的零级衍射光束的能量强度与高阶衍射光束的能量强度相当并且将零级衍射光束与高阶衍射光束共同投影于目标平面的区域而形成具有完整性、均匀性的二维形状图案或二维斑点图案，从而避免因所述零级衍射光束被遮蔽、吸收而导致所述目标平面出现图案的消光区域。
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