CN114047637A - 点云投影系统 - Google Patents

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CN114047637A CN202111397780.4A CN202111397780A CN114047637A CN 114047637 A CN114047637 A CN 114047637A CN 202111397780 A CN202111397780 A CN 202111397780A CN 114047637 A CN114047637 A CN 114047637A
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Abstract

本申请提供了一种点云投影系统，属于光学技术领域。该系统包括光源阵列和超透镜阵列；所述光源阵列和所述超透镜阵列同光轴设置；所述光源阵列位于所述超透镜阵列的物方焦平面；所述超透镜阵列在所述光源阵列的工作波段具有正焦距。该系统通过超透镜阵列减少了点云投影系统中的透镜数量，简化了点云投影系统的结构、缩小了点云投影系统沿光轴方向的尺寸并降低了点云投影系统的成本。该系统还省略了衍射光学元件，避免了高阶衍射造成的杂散干扰，提高了点云投影系统产生点云的信噪比，增加了点云传播距离，使该系统更适用于远距离投影。

Description

点云投影系统
技术领域
本申请涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种点云投影系统。
背景技术
点云通常被用来获取测量对象的信息。点云(Point Cloud)是空间中点的数据集，点云中的点包含了丰富的信息，包括三维坐标X，Y，Z、颜色、分类值、强度值、时间等，点云可以表示三维形状或对象。例如，激光扫描通过激光点云获取扫描对象的信息。
相关技术中采用传统透镜组对激光器发出的光做准直，经过准直后的激光经过衍射光学元件(DOE，Diffraction Optical Element)后产生点云。点云阵列的排列方式等参数主要有衍射光学元件决定，准直透镜组将发散的激光器发出的光准直成平行光的作用。
在本申请的实施过程中，发明人发现相关技术存在如下技术问题：
相关技术中的点云投影系统由多片传统透镜构成，具有透镜数量多，结构复杂、光轴方向尺寸大以及采用高成本非球面透镜导致成本增加等缺点。
发明内容
为解决相关技术中点云投影系统受多片传统透镜局限而导致的结构复杂、尺寸大以及成本高的技术问题，本申请实施例提供了一种点云投影系统，所述技术方案如下。
第一方面，本申请实施例提供了一种点云投影系统，所述系统包括光源阵列和超透镜阵列；
其中，所述光源阵列和所述超透镜阵列同光轴设置；
所述光源阵列位于所述超透镜阵列的物方焦平面；
所述超透镜阵列在所述光源阵列的工作波段具有正焦距。
可选地，所述光源阵列包括至少两个激光点光源。
可选地，所述光源阵列包括线光源阵列或面光源阵列。
可选地，所述超透镜阵列包括至少一个超透镜。
可选地，所述超透镜阵列中任一超透镜包括基底和超结构单元；
其中，所述超结构单元为阵列状排布于所述基底表面的可密堆积图形；所述可密堆积图形的顶点和/或中心位置设置有纳米结构。
可选地，所述超透镜阵列中相邻的超透镜的边长至少满足：
Dn-2+Dn-1＝4h
其中，h为所述光源阵列长度的二分之一；n为所述超透镜阵列中超透镜的数量，且n≥2；D为所述超透镜的边长。
可选地，所述超透镜阵列包括第一超透镜、第二超透镜和第三超透镜；
所述第一超透镜、所述第二超透镜和所述第三超透镜阵列排布。
可选地，所述第一超透镜、所述第二超透镜和所述第三超透镜至少满足：
D0+D1＝4h
D1+D2＝4h
其中，h为所述光源阵列长度的二分之一；D0、D1、D2分别为所述第一超透镜、所述第二超透镜和所述第三超透镜的边长。
可选地，所述超透镜阵列中任一超透镜的相位至少满足以下任一公式：
Figure BDA0003370632480000021
Figure BDA0003370632480000022
Figure BDA0003370632480000023
Figure BDA0003370632480000024
Figure BDA0003370632480000031
其中，ai为相位系数，λ为波长，r为所述超透镜中纳米结构的中心到超透镜中心的距离，x，y为所述超透镜上坐标，f为所述超透镜的焦距。
可选地，所述点云投影系统还包括像差校正装置；
所述像差校正装置设置于所述光源阵列和所述超透镜阵列之间；
所述像差校正装置用于对所述超透镜阵列的像差进行校正。
可选地，所述像差校正装置包括超透镜。
可选地，所述超表面阵列中任一超透镜还包括增透膜；
所述增透膜位于所述基底与所述纳米结构相反的一侧。
可选地，所述超透镜阵列中的超透镜与所述光源阵列的光源一一对应。
可选地，所述超透镜阵列中相邻超透镜对应的相邻出射辐射平行。
可选地，所述光源阵列的工作波段包括红外波段。
本申请实施例还提供了一种激光装置，所述激光装置包括如上述任一实施例所述的点云投影系统。
本申请实施例所提供的技术方案至少取得如下有益效果：
通过超透镜阵列与光源阵列同光轴配置，且该超透镜阵列在光源阵列的工作波段具有正焦距，实现了减少点云投影系统中的透镜数量，从而简化了该系统的结构，缩小了点云投影系统的尺寸，并抑制了该系统因采用高成本非球面透镜导致的成本增加。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
图1示出了本申请实施例提供的点云投影系统的一种可选的结构示意图；
图2示出了本申请实施例提供的点云投影系统的物像关系图；
图3示出了本申请实施例提供的点云投影系统的投影示意图；
图4示出了本申请实施例提供的点云投影系统工作波长940nm下纳米结构直径与相位和透过率的关系；
图5示出了本申请实施例提供的点云投影系统的实景测试图；
图6示出了本申请实施例提供的点云投影系统的一种可选的点云阵列的示意图；
图7示出了本申请实施例提供的超结构单元的一种可选的结构示意图；
图8示出了本申请实施例提供的超结构单元的又一种可选的结构示意图。
图中附图标记分别表示：
100-光源阵列；200-超透镜阵列；300-像差校正装置；201-基底；202-超结构单元；203-纳米结构；210-第一超透镜；220-第二超透镜；230-第三超透镜。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。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，也可以是拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
应当理解，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分，不代表顺序、优先级或数量。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
由多片传统透镜构成的点云投影系统透镜数量多、结构复杂、尺寸大，且因采用非球面透镜具有成本高的缺点。并且，由多片传统透镜构成的点云投影系统需要通过衍射光学元件实现点云产生。衍射光学元件通过衍射产生点云时存在其他阶数的衍射，从而产生了杂散干扰，导致点云投影系统的光能利用率下降，产生点云的信噪比降低，从而导致点云传播距离的下降等缺点。本申请实施例提供了一种点云投影系统以克服上述缺点。
下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。
本申请实施例提供的点云投影系统，如图1所示，该系统包括光源阵列100和超透透镜阵列200。其中，光源阵列100和超透镜阵列200同光轴设置，光源阵列100位于超透镜阵列200的物方焦平面；超透镜阵列200在光源阵列100的工作波段具有正焦距。
需要说明的是，本申请实施例中的超透镜阵列200包括1x1阵列、1xN阵列和MxN阵列。也就是说，超透镜阵列200包括至少一个超透镜。优选地，超透镜阵列200包括至少两个超透镜。超透镜是表面具有亚波长尺寸纳米结构的光学器件。可选地，超透镜阵列200中任一超透镜包括级联的纳米结构203。
具体而言，如图1所示，辐射由光源阵列100的出射面射出后，经过超透镜阵列200的调制，在远场形成点云阵列。图6示出了该点云投影系统生成的点云阵列，如图6所示，该点云阵列包括多个阵列排布的点云单元。图6所示的点云阵列中相邻两个点云单元彼此独立。
图2示出了该点云投影系统的物像关系，由于光源阵列100的出射面位于超透镜阵列200的物方，光源阵列100的出射面和点云阵列所在的平面之间至少满足：
Figure BDA0003370632480000051
其中，u是超透镜阵列200的物距，v是超透镜阵列200的像距，f是超透镜阵列200的焦距。为了缩小本申请实施例提供的点云投影系统的尺寸，超透镜阵列200的焦距较小。优选地，超透镜阵列200的焦距满足1mm≤f≤3mm。一般地，点云阵列与超透镜阵列200的距离(即像距)大于10厘米。因此，结合公式(1)可得，u≈f，即光源阵列100的出射面位于超透镜阵列200的物方焦平面上。
本申请示例性的实施例中，优选地，光源阵列100包括垂直腔面发射激光器(VCSEL，Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)和边缘发射激光器(EEL，EdgeEmitting Laser)。可选地，光源阵列100的工作波段包括可见光波段、红外波段和紫外线波段，优选近红外波段。
在一种可选的实施方式中，光源阵列100包括至少一个光源单元，该至少一个光源单元包括至少两个点光源。示例性地，光源阵列100可以是线光源阵列，也可以是面光源阵列。即光源阵列100可以是1xN阵列，也可以是MxN阵列。优选地，光源阵列100中光源单元的数量为奇数，例如光源阵列100为3x3阵列或5x5阵列。
应理解，在本申请实施例中，超透镜阵列200中任一超透镜包括基底201和超结构单元202。其中，超结构单元202为阵列状排布于基底201表面的可密堆积图形；该可密堆积图形的顶点和/或中心位置设置有纳米结构203。
一般地，基底201的材质包括熔融石英、有机玻璃和其他透明材料。需要说明的是，本申请实施例中透明是指对光源阵列100工作波段的辐射的消光系数小于0.1。优选地，基底201对光源阵列100工作波段的辐射的消光系数小于0.01。
在一种可选的实施方式中，超结构单元202位于基底201的至少一侧。如图7和图8所示，超结构单元202的形状包括正六边形和正方形。超结构单元202的形状还包括扇形和其他可密堆积图形。进一步地，本申请实施例中任一超透镜包含的超结构单元202的形状可以全部相同，也可以部分相同，还可以互不相同。更进一步地，超结构单元202的周期可以全部相同，也可以部分相同，还可以互不相同。优选地，超结构单元202的排列周期即超结构单元202的周期大于300nm，并且小于1500nm。根据超透镜的相位可以调制超结构单元202的形状和周期。
更进一步地，还可以根据超透镜的相位对纳米结构203的特征尺寸进行调制。纳米结构203为亚波长结构，也就是说纳米结构203小于或等于该超透镜的工作波长。可选地，纳米结构203的特征尺寸可以略大于该超透镜的工作波长。纳米结构203的特征尺寸包括高度、横截面直径、横截面周期、相邻纳米结构之间的距离等等。
示例性地，纳米结构203的最大深宽比，即纳米结构203的高度与纳米结构203最小直径的比值，小于或等于20，如此才能在保证纳米结构203光学性能的同时确保纳米结构203的机械性能。纳米结构203在不同位置处的横截面直径相同，或部分相同，或互不相同。示例性地，超结构单元202不同位置处的纳米结构203周期可以相同、也可以不同。纳米结构203的光相位与纳米结构203横截面直径相关。可以理解的，纳米结构203的几何形状和尺寸可以为其他满足探测需求和加工条件的选择。示例性地，纳米结构203的形状包括纳米圆柱、纳米方柱、纳米鳍、纳米环柱和空心纳米柱等结构中的至少一种或多种结构的组合。
在一种可选的实施方式中，超透镜阵列200中任一超透镜还包括填充在纳米结构203之间的填充材料。根据该超透镜的相位，可以选择纳米结构203的形状、尺寸以及填充材料。可选地，本申请实施例提供的点云投影系统中纳米结构203的直径与超透镜的相位和透过率的关系如图4所示。
为了使该点云投影系统生成的点云阵列中的点云单元均匀度以及每个点云单元中的点云均匀度更高，超透镜阵列200中任一超透镜的相位至少满足：
Figure BDA0003370632480000071
Figure BDA0003370632480000072
Figure BDA0003370632480000073
Figure BDA0003370632480000074
Figure BDA0003370632480000075
其中，ai为相位系数，λ为波长，r为所述超透镜中纳米结构(203)的中心到超透镜中心的距离，x，y为所述超透镜上坐标，f为所述超透镜的焦距。
在本申请实施例中，考虑到超透镜阵列200的对称性，超透镜阵列200中超透镜的数量为奇数。图3示出了本申请实施例提供的点云投影系统的投影示意图。图3中，A和B分别代表两个点光源，A’和B’分别为A和B对应的像。可选地，如图3所示，超透镜阵列200包括至少两个超透镜。
进一步地，为了保证超透镜阵列200的像空间中，与超透镜阵列200距离不同的位置上的点云阵列为相似图形，且不同距离上的点云单元也为相似图形。并且，当点云阵列与超透镜阵列200的距离发生变化时，点云阵列中相邻点云单元不发生重叠且相邻点云单元的边界的夹角不变。也就是说，随着投影距离的变化，相邻的点云单元不发生重叠或发散。为此，超透镜阵列200中相邻超透镜对应的相邻出射辐射平行，例如图3中所示，θ0＝θ1且θ2＝θ3。或者，超透镜阵列200中相邻的超透镜的边长至少满足：
Dn-2+Dn-1＝4h (7)
其中，h为光源阵列100长度的二分之一；n为超透镜阵列200中超透镜的数量，且n≥2；D为所述超透镜的边长。
例如，如图3所示，超透镜阵列200包括第一超透镜210、第二超透镜220和第三超透镜230。
其中，第一超透镜210、第二超透镜220和第三超透镜230至少满足：
D0+D1＝4h (8)
D1+D2＝4h (9)
其中，h为光源阵列100长度的二分之一；D0、D1、D2分别为第一超透镜210、第二超透镜220和第三超透镜230的边长。
可选地，当超透镜阵列200中任一超透镜还包括增透膜，增透膜位于基底201与纳米结构203相反的一侧。增透膜用于增加光源阵列100发出的辐射的透过率。
在一种可选的实施方式中，本申请实施例提供的点云投影系统还包括像差校正装置300。该像差校正装置设置于光源阵列100和超透镜阵列200之间，用于超透镜阵列200的像差进行校正。辐射从光源阵列100的出射面射出后，经过像差校正装置300的做像差预校正后，射向超表面阵列200，最终经超表面阵列200投影在远场形成点云。可选地，像差校正装置300为传统相位矫正板。优选地，像差校正装置300为超透镜。更有利的，当像差校正装置300为超透镜时，可以将像差校正装置300作为单层纳米结构集成到超透镜阵列200上。
实施例1
在实施例1中，本申请实施例提供的点云投影系统的工作波长为940nm。光源阵列100选用28x20的VCSEL阵列，光源阵列100的尺寸为506μmx870μm。超透镜阵列200为3x3超透镜阵列。超透镜阵列200中纳米结构203的直径与相位和透过率的关系如图5所示，且超透镜阵列200的相位满足公式(2)。超透镜阵列200的焦距为3mm。该超透镜阵列200在H、V、D方向的视场角分别为9.6°、16.5°、19.1°。H方向和V方向分别为点云阵列上垂直于超透镜阵列200光轴的方向，以H方向和V方向为边建立矩形，则D方向为该矩形的对角线方向。
实施例1所提供的点云投影实景测试图如图5所示，图5中的手掌为用作参考的扫描对象。手掌的厚度有助于观察投影到手掌上的点云阵列与投影到远场的点云阵列距离超透镜阵列200的距离不同，并区分不同距离上的点云阵列。手掌上的点云阵列距离超透镜阵列200近，远场背景中的点云阵列距离超透镜阵列200远。由图5可知，超透镜阵列200像方不同距离的点云阵列为相似图形且分布均匀。由图5可知，相邻的点云单元的轮廓边界之间的夹角没有随点云投影距离改变。例如，图5中走向相同的点组成点云单元，相邻点云单元的边界夹角不随点云阵列与超透镜阵列200的距离变化而发生改变。
实施例2
在实施例2中，本申请实施例提供的点云投影系统的工作波长为940nm。光源阵列100选用28x20的VCSEL阵列，光源阵列100的尺寸为506μmx870μm。超透镜阵列200为3x3超透镜阵列。超透镜阵列200中纳米结构203的直径与相位和透过率的关系如图5所示，且超透镜阵列200的相位满足公式(6)。超透镜阵列200的焦距为6mm。该超透镜阵列200在H、V、D方向的视场角分别为28.4°、47.0°、53.1°。H方向和V方向分别为点云阵列垂直于超透镜阵列200光轴的方向，以H方向和V方向为边建立矩形，则D方向为该矩形的对角线方向。实施例2所提供的点云投影的点云阵列如图7所示。如图7所示，点云阵列与超透镜阵列200对应，即点云阵列中的点云单元与超透镜阵列200中的超透镜一一对应。
综上所述，本申请实施例提供的点云投影系统通过超透镜阵列与光源阵列同光轴配置，且该超透镜阵列在光源阵列的工作波段具有正焦距，实现了减少点云投影系统中的透镜数量，从而简化了该系统的结构，缩小了该系统的尺寸，抑制了点云投影系统因采用高成本非球面透镜导致的成本增加。另外，本申请实施例提供的点云投影系统省略了衍射光学元件，避免了衍射光学元件引发的高阶衍射以及高阶衍射引起的杂散干扰，从而提高了点云投影系统的光能利用率以及该系统产生点云的信噪比。该系统产生点云的信噪比提高，进而增加了远场点云的传播距离，比传统点云投影系统更适用于远距离投影。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种点云投影系统，其特征在于，所述系统包括光源阵列(100)和超透镜阵列(200)；
其中，所述光源阵列(100)和所述超透镜阵列(200)同光轴设置；
所述光源阵列(100)位于所述超透镜阵列(200)的物方焦平面；
所述超透镜阵列(200)在所述光源阵列(100)的工作波段具有正焦距。
2.如权利要求1所述的点云投影系统，其特征在于，所述光源阵列(100)包括至少两个激光点光源。
3.如权利要求2所述的点云投影系统，其特征在于，所述光源阵列(100)包括线光源阵列或面光源阵列。
4.如权利要求1所述的点云投影系统，其特征在于，所述超透镜阵列(200)包括至少一个超透镜。
5.如权利要求4所述的点云投影系统，其特征在于，所述超透镜阵列(200)中任一超透镜包括基底(201)和超结构单元(202)；
其中，所述超结构单元(202)为阵列状排布于所述基底(201)表面的可密堆积图形；所述可密堆积图形的顶点和/或中心位置设置有纳米结构(203)。
6.如权利要求5所述的点云投影系统，其特征在于，所述超透镜阵列(200)中相邻的超透镜的边长至少满足：
Dn-2+Dn-1＝4h
其中，h为所述光源阵列(100)长度的二分之一；n为所述超透镜阵列(200)中超透镜的数量，且n≥2；D为所述超透镜的边长。
7.如权利要求6所述的点云投影系统，其特征在于，所述超透镜阵列(200)包括第一超透镜(210)、第二超透镜(220)和第三超透镜(230)；
所述第一超透镜(210)、所述第二超透镜(220)和所述第三超透镜(230)阵列排布。
8.如权利要求7所述的点云投影系统，其特征在于，所述第一超透镜(210)、所述第二超透镜(220)和所述第三超透镜(230)至少满足：
D0+D1＝4h
D1+D2＝4h
其中，h为所述光源阵列(100)长度的二分之一；D0、D1、D2分别为所述第一超透镜(210)、所述第二超透镜(220)和所述第三超透镜(230)的边长。
9.如权利要求1-8任一所述的点云投影系统，其特征在于，所述超透镜阵列(200)中任一超透镜的相位至少满足以下任一公式：
Figure FDA0003370632470000021
Figure FDA0003370632470000022
Figure FDA0003370632470000023
Figure FDA0003370632470000024
Figure FDA0003370632470000025
其中，ai为相位系数，λ为波长，r为所述超透镜中纳米结构(203)的中心到超透镜中心的距离，x，y为所述超透镜上坐标，f为所述超透镜的焦距。
10.如权利要求1-8任一所述的点云投影系统，其特征在于，所述点云投影系统还包括像差校正装置(300)；
所述像差校正装置(300)设置于所述光源阵列(100)和所述超透镜阵列(200)之间；
所述像差校正装置(300)用于对所述超透镜阵列(200)的像差进行校正。
11.如权利要求10所述的点云投影系统，其特征在于，所述像差校正装置(300)包括超透镜。
12.如权利要求1-8任一所述的点云投影系统，其特征在于，所述超表面阵列(200)中任一超透镜还包括增透膜；
所述增透膜位于所述基底(201)与所述纳米结构(203)相反的一侧。
13.如权利要求1所述的点云投影系统，其特征在于，所述超透镜阵列(200)中的超透镜与所述光源阵列(100)的光源一一对应。
14.如权利要求1所述的点云投影系统，其特征在于，所述超透镜阵列(200)中相邻超透镜对应的相邻出射辐射平行。
15.如权利要求1所述的点云投影系统，其特征在于，所述光源阵列(100)的工作波段包括红外波段。
16.一种激光装置，其特征在于，所述激光装置包括如权利要求1-15任一所述的点云投影系统。
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