CN111812933A - 光栅空间成像投影光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学投影技术领域，具体涉及一种光栅空间成像投影光学系统，包括光栅、光源、前置光路、准直镜和柱状透镜，光源朝向前置光路，前置光路朝向准直镜，准直镜朝向柱状透镜，柱状透镜为凸透镜，柱状透镜的纵截面为矩形，光栅位于柱状透镜的聚焦线上。以解决光栅投影时亮度不高、放大倍率有限的问题。

Description

光栅空间成像投影光学系统
技术领域
本发明属于光学投影技术领域，具体涉及一种光栅空间成像投影光学系统。
背景技术
光学三维测量在目前的应用非常广泛，已成为三维测量的重要途径。光栅扫描仪是常用的光学三维测量设备，普通的光栅扫描仪利用光栅投射装置在被测物体上投射若干编码的结构光，利用CCD相机采集编码图像，然后在计算机中进行分析计算，利用三角测量原理得到被测物体的外形三维信息。其光路图一般为：LED投影光源发出结构光经过菲尔透镜后变为平行光束，平行光束经过投影透镜后照射到光栅，成光栅像，对于普通投影镜头，由于焦距较长，投影透镜到待检测物的距离在1倍焦距与2倍焦距之间，根据透镜成像原理，只能在投影透镜2倍到15焦距距离外获得放大的实像，这就导致无法获得高亮度的光栅像，而且放大倍率有限。
发明内容
本发明意在提供一种光栅空间成像投影光学系统，以解决光栅投影时亮度不高、放大倍率有限的问题。
为了达到上述目的，本发明的方案为：光栅空间成像投影光学系统，包括光栅、光源、前置光路、准直镜和柱状透镜，光源朝向前置光路，前置光路朝向准直镜，准直镜朝向柱状透镜，柱状透镜为凸透镜，柱状透镜的纵截面为矩形，光栅位于柱状透镜的聚焦线上。
本方案的工作原理及有益效果在于：前置光路用于将光源发出的光均匀扩散后射入准直镜中。光线进入准直镜后形成的光束具有准直性即平行光束，平行光束照射到柱状透镜上后，在远离准直镜的一侧形成三棱柱状的聚焦光区，因形似刀刃，谓之光刀，光束聚焦成线处即为聚焦线。
柱状透镜形成的聚焦线(而不是一个聚焦点)照射光栅时，相当于无数个聚焦点的叠加，光栅像的亮度能够得到极大的提高。
而且，本方案采用几何投影成像，并不用透镜成像，光栅成像放大倍率无限，而且成像不需要对焦。放大率与成像距离有关，与光刀的扩散角有关。扩散角越大，同等成像距离下，放大率越大。同等扩散角下，成像距离越大，放大率也越大。
除此之外，由于前述聚焦点叠加所带来的效应，本方案能够显著减少光栅像噪音，使得光栅像更清晰。
可选地，光源为单色光源。单色光源波长更单一，更利于叠加消除光栅像噪音。
可选地，单色光源为激光光源。激光光源单色性好，方向性强，光亮度高。
可选地，准直镜的横截面为圆形且不小于柱状透镜纵截面的外切圆。纵切面为沿柱状透镜轴线的切面，如此设置，可让整个柱状透镜的背面(远离聚焦线一侧的侧面)被平行光束照射，保证聚焦线清晰、连续。
可选地，柱状透镜为平凸透镜、双凸透镜或者凹凸透镜中的一种。
可选地，前置光路为聚焦透镜。聚焦透镜保证光源光线扩散的均匀性且避免焦距过大。
可选地，聚焦透镜为过半球透镜。能够在极短的距离内将光源光线均匀扩散。
可选地，柱状透镜远离准直镜一侧的光路上设有平面反射镜，平面反射镜动联接于调节座上，调节座上安装有驱动平面反射镜运动的驱动装置。利用驱动装置驱动平面反射镜发生转动、平动或者复合运动，以利于在光栅固定的情况下调整聚焦线，使聚焦线始终保持在光栅上并且与光栅保持平行。
可选地，准直镜与柱状透镜通过镜架固定。保证聚焦线质量稳定。
可选地，准直镜安装在安装座上，安装座下设有转轴，转轴轴线与光栅平行。通过转动转轴，即可转动准直镜和柱状透镜，以摆动式地调节聚焦线的位置，更便于让聚焦线始终保持在光栅上并且与光栅保持平行。
附图说明
图1为本发明实施例一中光栅空间成像投影光学系统的光路结构示意图；
图2为本发明实施例二中光栅空间成像投影光学系统的局部结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：激光光源1、过半球透镜2、准直镜3、凹凸透镜4、聚焦线5、光刀6、底片7、第一平面反射镜8、第二平面反射镜9、背板10、音圈电机11、调节座12、光栅13、光栅像14、镜架15、转轴16、安装座17。
实施例一
本实施例基本如图1所示：光栅13空间成像投影光学系统，包括激光光源1、过半球透镜2、准直镜3和凹凸透镜4，激光光源1朝向过半球透镜2，过半球透镜2朝向准直镜3，准直镜3朝向凹凸透镜4，凹凸透镜4的外轮廓沿光轴方向的正投影为矩形，准直镜3的横截面为大于上述矩形外切圆的圆形，凹凸透镜4完全设置在准直镜3光线的照射范围内,光栅13位于凹凸透镜4的聚焦线5上。准直镜3的端部固接有两个相互平行的镜架15，且镜架15的轴线与准直镜3的轴线平行，凹凸镜的两端卡接在两个镜架15之内。准直镜3安装在安装座17上，安装座17下设有转轴16，转轴16轴线与光栅13平行。
激光光源1单色性好，方向性强，光亮度高，经过半球透镜2后，在短距离内被均匀扩散后射入准直镜3，然后从准直镜3的另一端射出平行光束，平行光束照射到凹凸透镜4上后，形成光刀6光束，光束聚焦处聚集为细长的聚焦线5，聚焦线5相当于无数个聚焦点的叠加。聚焦线5照射到光栅13上时，该光栅像14相对于单个聚焦点成像在亮度上得到了极大地提高，而且噪音也因聚焦点的叠加得到了显著地减少，并且由于是几何投影成光栅像14，光栅13成像放大倍率无限，也不需要对焦。
当聚焦线5无法完全与光栅13表面重合时，即聚焦线5与光栅13不平行时，可通过转动转轴16，使聚焦线5发生摆动，从而调节至聚焦线5与光栅13平行的状态。
实施例二
本实施例与实施例一的区别之处在于：如附图2所示，凹凸透镜4与聚焦线5之间设有第一平面反射镜8、第二平面反射镜9，第二平面反射镜9与第一平面反射镜8分别设置在光刀6两侧且相向设置，第二平面反射镜9与第一平面反射镜8分别安装在一个背板10上，背板10分别与一个调节座12球铰连接，调节座12上还分别设有三个音圈电机11，音圈电机11的自由端与背板10连接。
通过控制音圈电机11，能够精确控制第二平面反射镜9与第一平面反射镜8的偏转角度，通过镜面反射，动态地、灵活地调整聚焦线5的位置，使得即使在光栅13固定的情况下，调整聚焦线5，使聚焦线5始终保持在光栅13上并且与光栅13保持平行。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和本发明的实用性。

Claims (10)

1.光栅空间成像投影光学系统，其特征在于：包括光栅、光源、前置光路、准直镜和柱状透镜，光源朝向前置光路，前置光路朝向准直镜，准直镜朝向柱状透镜，柱状透镜为凸透镜，柱状透镜的纵截面为矩形，光栅位于柱状透镜的聚焦线上。
2.根据权利要求1所述的光栅空间成像投影光学系统，其特征在于：光源为单色光源。
3.根据权利要求2所述的光栅空间成像投影光学系统，其特征在于：单色光源为激光光源。
4.根据权利要求3所述的光栅空间成像投影光学系统，其特征在于：准直镜的横截面为圆形且不小于柱状透镜纵截面的外切圆。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的光栅空间成像投影光学系统，其特征在于：柱状透镜为平凸透镜、双凸透镜或者凹凸透镜中的一种。
6.根据权利要求6所述的光栅空间成像投影光学系统，其特征在于：前置光路为聚焦透镜。
7.根据权利要求7所述的光栅空间成像投影光学系统，其特征在于：聚焦透镜为过半球透镜。
8.根据权利要求1所述的光栅空间成像投影光学系统，其特征在于：柱状透镜远离准直镜一侧的光路上设有平面反射镜，平面反射镜动联接于调节座上，调节座上安装有驱动平面反射镜运动的驱动装置。
9.根据权利要求1所述的光栅空间成像投影光学系统，其特征在于：准直镜与柱状透镜通过镜架固定。
10.根据权利要求9所述的光栅空间成像投影光学系统，其特征在于：准直镜安装在安装座上，安装座下设有转轴，转轴轴线与光栅平行。
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