CN111665581B - 光学器件、包括其的投射装置及直线投射方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种包括衍射光学元件和柱状微透镜阵列的光学器件，所述衍射光学元件具有微结构面，所述微结构面上设置有多个微结构图案单元，所述微结构图案单元配置成可将入射到所述衍射光学元件上的光束进行调制，并投射出直线状的点阵；所述柱状微透镜阵列配置成将所述点阵中的点沿点阵的延伸方向展宽以投射出连续直线。本发明还提供一种包括该光学器件的直线投射装置以及使用该装置投射直线的方法。

Description

光学器件、包括其的投射装置及直线投射方法

技术领域

本发明大致涉及光学技术领域，尤其涉及一种用于投射直线的光学器件、包括该光学器件的投射装置以及使用该装置投射直线的方法。

背景技术

激光投线仪被广泛应用于建筑施工行业，其用于投射出激光基准线从而提高施工精度。目前市面上常见的激光投线仪有一字线和十字线，实现的方法是：通常先将激光二极管出射的发散光进行准直，然后通过折射光学元件(ROE)，例如柱状透镜，形成所需光场(基准线)。但现有的利用折射光学元件实现的十字线的激光投线仪，存在两柱状透镜的难以垂直对准的问题，安装难度较大，而且抗冲击能力较差。

可替代的方案是通过衍射光学元件(DOE)来整体投射出十字线的方案。然而设计大视场十字线DOE也存在一些技术问题：设计单片DOE来投射大视场的连续十字线时，由于作为投射光源的激光的干涉效应，在连续线上会形成弥散的光斑，影响十字线的美观度。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种用于投射直线的光学器件，包括：

衍射光学元件，所述衍射光学元件具有微结构面，所述微结构面上设置有多个微结构图案单元，所述微结构图案单元配置成可将入射到所述衍射光学元件上的光束进行调制，并投射出直线状的点阵；

柱状微透镜阵列，配置成将所述点阵中的点沿点阵的延伸方向展宽以投射出连续直线。

根据本发明的一个方面，所述柱状微透镜阵列设置在所述衍射光学元件的下游。

根据本发明的一个方面，所述衍射光学元件的微结构面包括第一区域和第二区域，所述第一区域包括多个第一微结构图案单元，所述第二区域包括多个第二微结构图案单元，其中第一微结构图案单元配置成可将入射到所述衍射光学元件上的光束进行调制并投射出第一方向的第一点阵，第二微结构图案单元配置成可将入射到所述衍射光学元件上的光束进行调制并投射出第二方向的第二点阵，其中第一方向垂直于第二方向，

所述柱状微透镜阵列包括第三区域和第四区域，所述第三区域包括第一柱状微透镜阵列，所述第四区域包括第二柱状微透镜阵列，其中所述第一区域与所述第三区域相对应，所述第二区域与所述第四区域相对应，所述第一柱状微透镜阵列配置成将所述第一点阵中的点沿第一点阵的延伸方向展宽以形成连续直线，所述第二柱状微透镜阵列配置成将所述第二点阵中的点沿第二点阵的延伸方向展宽以形成连续直线。

根据本发明的一个方面，所述衍射光学元件具有基底，所述微结构面位于所述基底的一侧上，所述柱状微透镜阵列位于所述基底的与所述微结构面相反的一侧上。

根据本发明的一个方面，其中所述柱状微透镜阵列配置成将所述点阵中相邻的点展宽为相互邻接但不重合的线段。

根据本发明的一个方面，其中所述衍射光学元件为针对准直光设计的一维光栅，所述柱状微透镜阵列的展宽方向与所述点阵的延伸方向之间的夹角小于预设值。

根据本发明的一个方面，其中所述柱状微透镜阵列的视场与所述衍射光学元件的角间距相匹配。

本发明还提供一种直线投射装置，包括：

光源，所述光源配置成可投射出光束；

如上所述的用于投射直线的光学器件，所述光学器件位于所述光源的光路下游，并接收所述光源投射出的光束，投射出连续的直线。

本发明还一种用于投射直线的方法，包括：

通过光源发射出光束；

通过衍射光学元件，接收所述光束并投射出直线状的点阵；

通过柱状微透镜阵列，接收所述点阵并展宽以投射出连续直线。

根据本发明的另一个方面，所述方法通过如上所述的直线投射装置实施。

本发明的优选实施例提供了一种包括衍射光学元件和柱状微透镜阵列的光学器件，衍射光学元件可将入射光调制成直线状的点阵，柱状微透镜阵列可将直线状的点阵展宽成为连续的直线，通过设置衍射光学元件上的多个微结构图案单元，可投射出清晰、美观的大视场十字线，便于工程应用，克服了两柱状透镜的难以垂直对准、安装难度大、抗冲击能力较差的问题。本发明还提供一种包括该光学器件的直线投射装置及使用该装置投射直线的方法。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了单个微结构图案单元投射出的十字线及其局部放大图；

图2示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的光学器件；

图3A示出了衍射光学元件调制后投射出的点阵；

图3B示出了柱状微透镜阵列展宽后形成的连续直线；

图4示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例衍射光学元件的多个微结构图案单元、柱状微透镜阵列的排布；

图5示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的光学器件；

图6A示意性地示出了理想状态下的投射线线宽；

图6B示意性地示出了柱状微透镜阵列与衍射光学元件的对准误差所造成的投射线线宽的变化；

图7示出了对准误差容忍度随柱状微透镜阵列视场角的变化图；

图8示出了5°视场角的柱状微透镜阵列示例；

图9示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的光学器件投射的大视场十字线；

图10示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的直线投射装置；

图11示出了根据本发明的一个优选实施例的投射直线的方法。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

激光具有高相干性，因此，衍射光学元件投射形成的目标图案会具有较为明显的散斑效应，对于激光投线仪的基准线的设计而言，线条会具有不规则的颗粒状的暗斑，不够美观，如图1所示。图1中左侧示出了衍射光学元件的单个微结构图案单元投射出的十字线，右侧是十字线局部放大的图形，其中可以看到大量不规则的颗粒状暗斑，基准线不够清晰美观。针对此问题，本发明的优选实施例提供了一种将衍射光学元件的多个微结构单元与柱状微透镜阵列相结合的光学器件。

如图2所示，根据本发明的一个优选实施例，本发明提供一种用于投射直线的光学器件10，包括衍射光学元件12和柱状微透镜阵列13。衍射光学元件12具有微结构面121，微结构面121上设置有多个微结构图案单元。微结构面121上的微结构图案单元可将入射到衍射光学元件12上的光束进行调制，并投射出直线状的点阵。柱状微透镜阵列13可将点阵中的点沿点阵的延伸方向展宽以投射出连续直线。

根据本发明的一个优选实施例，柱状微透镜阵列13设置在衍射光学元件12的光路下游，柱状微透镜阵列13从而可接收经衍射光学元件12调制后投射出的点阵，并将点阵中的每个点展宽，具体为沿点阵的延伸方向展宽，以投射出连续直线。图3A示出了衍射光学元件12调制后投射出的点阵，图3B示出了经过柱状微透镜阵列13展宽后形成的连续直线。

图4示出了根据本发明的一个优选实施例的衍射光学元件12的表面构造以及柱状微透镜阵列13的表面构造，可用于投射出十字线。如图4所示，衍射光学元件12具有微结构面121，微结构面121上设置有多个微结构图案单元。如图所示，微结构面121包括第一区域1211和第二区域1212，第一区域1211包括沿竖直方向周期排列的一维衍射光栅，可将入射到衍射光学元件12上的光束进行调制，并投射出竖直方向上的直线状点阵。第二区域1212包括沿水平方向周期排列的一维衍射光栅，可将入射到衍射光学元件12上的光束进行调制，并投射出水平方向上的直线状点阵。图中的圆形区域1213为激光束的入射光斑。入射光斑的区域1213同时覆盖第一区域1211和第二区域1212，这两个区域对入射光进行调制，分别投射出水平方向的点阵和竖直方向的点阵。

柱状微透镜阵列13包括第四区域131和第三区域132，第四区域131包括水平方向上的柱状微透镜阵列，即多个柱状微透镜沿水平方向排列，该多个柱状微透镜的轴线为竖直方向。第三区域132包括竖直方向上的柱状微透镜阵列，即多个柱状微透镜沿竖直方向排列，该多个柱状微透镜的轴线为水平方向。柱状微透镜阵列13的第四区域131与衍射光学元件12的第二区域1212相对应，接收经第二区域1212上的衍射光栅调制后的水平方向的点阵，并将其沿水平方向展宽，即将水平方向上的直线状的点阵展宽以形成连续的直线。柱状微透镜阵列13的第三区域132与衍射光学元件12的第一区域1211相对应，接收第一区域1211上的衍射光栅调制后的竖直方向的点阵，并将其沿竖直方向展宽，即将竖直方向上的直线状的点阵展宽以形成连续的直线。圆形区域133为激光束的入射光场。

图4所示的衍射光学元件12，其中微结构面121的第一区域1211在图中的左侧，第二区域1212在图中的右侧，柱状微透镜阵列13的第四区域131在图中的左侧，第三区域132在图中的右侧，本领域技术人员容易想到，将图示的左右位置进行交换，或者将微结构面121的第一区域1211、第二区域1212、柱状微透镜阵列13的第四区域131、第三区域132设置于光学器件10的不同位置，在不改变衍射光学元件12与柱状微透镜阵列13的对应关系的情况下，可以达到相同的技术效果，属于技术手段的等同替换，都属于本发明的保护范围之内。

根据本发明的一个优选实施例，如图2所示的光学器件10，其中衍射光学元件12具有基底，微结构面121位于基底的一侧上，柱状微透镜阵列13位于基底的与微结构面121相反的一侧上。由于光路具有可逆性，如果设置激光束先经过柱状微透镜阵列13、再经过衍射光学元件12，同样可以产生连续的直线。因此，如图5所示的组合方式，柱状微透镜阵列13位于衍射光学元件12“之下”(图中所示的位置关系)，使光源发出的激光束先经过柱状微透镜阵列13，再经过衍射光学元件12，可以产生大致相同的技术效果。如图5所示的组合方式，也在本发明的保护范围之内。另外，通过将衍射光学元件12的微结构面121与柱状微透镜阵列13加工在同一个基底上，将非常有利于加工制造和安装。例如可以在加工过程中保证微结构面121与柱状微透镜阵列13之间的相对位置关系，例如沿着光轴方向的相对距离以及相互之间的角度关系。尤其是二者之间的角度关系，对于最终投射出的直线的线宽，具有重要的影响，下文将详细描述。

根据本发明的一个优选实施例，如图2所示的光学器件10，柱状微透镜阵列13配置成将点阵中相邻的点展宽为相互邻接但不重合的线段。如果线段相互重合过多的话会造成投射直线的亮度不均匀，此外重合处由于光的干涉，还会产生水波纹。

根据本发明的一个优选实施例，如图4所示的衍射光学元件12具有微结构面121，微结构面121包括第一区域1211和第二区域1212，第一区域1211包括沿竖直方向周期排列的衍射光栅，第二区域1212包括沿水平方向周期排列的的衍射光栅，即衍射光学元件12为一维光栅。但本领域技术人员容易想到，将一维光栅替换为二维光栅。例如，衍射光学元件12包括多个微结构图案单元，多个微结构图案单元成二维阵列状周期排布，其中每个微结构图案单元均具有相同的相位分布图案。衍射光学元件12上的每个微结构图案单元能够改变入射到其上的光的波面的相位分布，从而对光的传输进行调制，使得输出的光束符合预设的光强分布以及光场图案。本发明中，每个微结构图案单元的相位分布被配置成接收激光并调制激光投射出直线状的点阵。因此，衍射光学元件12为二维光栅的技术方案，也在本发明的保护范围之内。

根据本发明的一个优选实施例，衍射光学元件12针对准直光设计，因而在激光光源与光学器件10之间需要设置准直透镜，从而将激光光源发出的激光整形为准直光。本领域技术人员容易理解，本发明的保护范围不限于此。例如，所述激光光源可以为发散光源，衍射光学元件12为针对发散光源进行设计的，例如可以设计功能类似于准直透镜的菲涅尔衍射透镜并得到相位分布图案，再设计针对准直光的衍射光学元件并得到相应的相位分布图案，再将两个相位图进行叠加。

图6A中示出了在理想情况下通过光学器件10投射出的直线，即当衍射光学元件12与柱状微透镜阵列13完全对准时(二者之间的角度偏差为0o)投射出的直线。在此情况下，投射出直线的线宽可以非常小。但是在实际情况中，由于柱状微透镜存在对准问题，柱状微透镜阵列13对于经衍射光学元件12调制后的光束，通常无法沿着严格的水平方向、竖直方向展宽，展宽的方向与点阵的延伸方向存在一定夹角，如图6B中所示的角度θ。在这种情况下，对准误差所造成的夹角，呈现出来的是直线将具有一定的宽度，如图6B中所示的w。因此，在光学器件10的设计和制造过程中，根据实际使用场景中所允许的直线的线宽值，可以反推出柱状微透镜阵列13与衍射光学元件12的对准误差容忍度，即角度θ，在设计制造过程中确保柱状微透镜阵列13的展宽方向与所述点阵的延伸方向之间的夹角小于该角度θ。

当柱状微透镜阵列13的视场角β较小时，经柱状微透镜阵列展宽的线段长度可以近似地表示为L*β,其中L为工作距离，β以弧度值表示，进一步地上述的对准误差容忍度，即角度θ可以近似地等于w/(L*β)。图7示出了对准误差容忍度与微透镜阵列13的视场角FOV之间的仿真结果。如图7所示，当工作距离在7m时，以w＝1mm为最大的十字线线宽值，可以计算得出对于对准误差的容忍度。在柱状微透镜阵列13的视场角为3°时，对准误差需要控制在0.15°以内。

衍射光学元件12所投射出的直线状的点阵的角间距由微结构面121上的多个微结构单元的周期大小以及光源的波长所决定，由于在设计本发明所涉及的光学器件时衍射光学元件12的角间距与微透镜阵列13的视场角相匹配，因此都用β来表示，根据光栅方程，β可以近似等于λ/d，其中λ为波长，d为微结构单元的周期，例如：一维光栅的周期为6.1um，光源的波长为532nm时，所投射出的直线状的点阵的角间距约为5°。柱状微透镜阵列13的视场角应与直线状的点阵的角间距相匹配，才能一一展宽，并连接成直线，且最大程度上减少水波纹效应。如图8所示，以5°视场角为例，柱状微透镜的曲面形状决定了柱状微透镜的视场角大小。

图9示出了如图2所示的光学器件10投射形成的大视场十字线。其中可见，经过本发明的光学器件10投射出的十字线清晰美观，连续性较好，可以克服或者减轻水波纹效果。

如图10所示，根据本发明的一个优选实施例，本发明还提供一种直线投射装置20，包括：光源11和光学器件10。光源11被驱动时发射出激光束，入射到光学器件10上。光学器件10位于光源11的光路下游，并接收光源11投射出的光束，投射出连续的直线。

另外，当光学器件10的衍射光学元件12是针对准直光而设计时，可以在光源11与光学器件10之间设置准直透镜(未示出)，从而将光源发出的激光整形为准直光后再入射到光学器件10。

如图11所示，根据本发明的一个优选实施例，本发明还提供一种投射直线的方法30，包括：

在步骤S301中，通过光源发射出光束；

在步骤S302中，通过衍射光学元件，接收光束并投射出直线状的点阵；

在步骤S303中，通过柱状微透镜阵列，接收点阵并展宽以投射出连续直线。

如图11所示的方法30，通过上述优选实施例中的直线投射装置20实施。

本发明的优选实施例提供了一种包括衍射光学元件和柱状微透镜阵列的光学器件，衍射光学元件可将入射光调制成直线状的点阵，柱状微透镜阵列可将直线状的点阵展宽成为连续的直线，通过设置衍射光学元件上的多个微结构图案单元，可投射出清晰、美观的大视场十字线，便于工程应用，克服了两柱状透镜的难以垂直对准、安装难度大、抗冲击能力较差的问题。本发明还提供一种包括该光学器件的直线投射装置及使用该装置投射直线的方法。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于投射十字线的光学器件，其特征在于，包括：

衍射光学元件，所述衍射光学元件具有微结构面，所述微结构面上设置有多个微结构图案单元，所述微结构图案单元配置成可将入射到所述衍射光学元件上的光束进行调制，并投射出十字线状的点阵；

柱状微透镜阵列，配置成将所述点阵中的点沿点阵的延伸方向展宽以投射出十字线；

其中，所述衍射光学元件的微结构面包括第一区域，所述第一区域包括多个第一微结构图案单元，配置成可将入射到所述衍射光学元件上的光束进行调制并投射出第一方向的第一点阵；所述柱状微透镜阵列包括第三区域，所述第三区域包括第一柱状微透镜阵列，所述第三区域与所述第一区域相对应，所述第一柱状微透镜阵列配置成将所述第一点阵中的点沿第一点阵的延伸方向展宽以形成连续直线；

其中，所述衍射光学元件的微结构面还包括第二区域，所述第二区域包括多个第二微结构图案单元，配置成可将入射到所述衍射光学元件上的光束进行调制并投射出第二方向的第二点阵，其中所述第一方向垂直于所述第二方向；所述柱状微透镜阵列还包括第四区域，所述第四区域包括第二柱状微透镜阵列，所述第二区域与所述第四区域相对应，所述第二柱状微透镜阵列配置成将所述第二点阵中的点沿第二点阵的延伸方向展宽以形成连续直线；

其中，所述衍射光学元件具有基底，所述微结构面位于所述基底的一侧上，所述柱状微透镜阵列位于所述基底的与所述微结构面相反的一侧上。

2.如权利要求1所述的光学器件，其中所述柱状微透镜阵列设置在所述衍射光学元件的光路下游。

3.如权利要求1或2所述的光学器件，其中所述柱状微透镜阵列配置成将所述点阵中相邻的点展宽为相互邻接但不重合的线段。

4.如权利要求1或2所述的光学器件，其中所述衍射光学元件为针对准直光设计的一维光栅，所述柱状微透镜阵列的展宽方向与所述点阵的延伸方向之间的夹角小于预设值。

5.如权利要求1或2所述的光学器件，其中所述柱状微透镜阵列的视场与所述衍射光学元件的角间距相匹配。

6.一种十字线投射装置，其特征在于，包括：

光源，所述光源配置成可投射出光束；

如权利要求1-5中任一项所述的光学器件，所述光学器件位于所述光源的光路下游，并接收所述光源投射出的光束，投射出十字线。

7.一种使用如权利要求1-5中任一项所述的光学器件投射十字线的方法，其特征在于，包括：

通过光源发射出光束；

通过所述衍射光学元件，接收所述光束并投射出十字线状的点阵；

通过所述柱状微透镜阵列，接收所述点阵并展宽以投射出十字线。

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