CN114061490A - 用于形成可以成像为小散斑线的均匀照射线的系统 - Google Patents

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Abstract

揭示一种用于形成可以成像为小散斑线的均匀照射线的系统。所述系统包含：激光器，其经配置以发射准直激光束；以及照射扇生成器，其包含一或多个线性漫射器。所述照射扇生成器经布置且经配置以：(i)接收所述准直激光束，(ii)输出漫射光平面扇，使得所述平面扇从在所述一或多个线性漫射器中的最远侧线性漫射器上形成的光线发散，以及(iii)使得在所述平面扇和物体相交处形成照射线。

Description

用于形成可以成像为小散斑线的均匀照射线的系统
分案申请的相关信息
本案是分案申请。该分案的母案是申请日为2019年1月18日、申请号为201910049286.5、发明名称为“用于形成可以成像为小散斑线的均匀照射线的系统”的发明专利申请案。
技术领域
描述用于产生照射物体的平面激光片的技术，使得在平面片与物体相交处形成的照射线是均匀的，且可以成像为去散斑线。
背景技术
从光源以片或扇的形式将激光投射到物体，激光和物体的相交形成照射线。在许多应用中，使用相机使照射线成像，以确定物体的表面相对于参考平面的水平或物体的轮廓。亮点或散斑会对照射线的图像的保真度产生不利影响。亮点是由激光从物体的刻面表面发生寄生反射造成的。散斑是由相干激光的干扰造成的，所述相干激光具有由相干光从物体的光学粗糙表面发生的反射引起的不同相位。这些影响在以下位置形成不均匀且局部失真的照射线的图像：(i)获取照射线的图像的相机，或(ii)观察照射线的观察者。因而，这些影响可能会降低对物体进行的基于激光的测量的精确度。
发明内容
本文中所描述的技术使用扇形光束生成器和线性漫射器，所述扇形光束生成器和线性漫射器安置在光源和物体之间，使得扇形光束生成器和线性扩散器中的每一个沿着预定方向扩散从中穿过透射的光。扇形光束生成器自身可为线性漫射器，或者可以是鲍威尔(Powell)透镜或柱面透镜中的一个。另外，扇形光束生成器和线性漫射器可以沿着预定方向相对于彼此移动。在这些情况中的任一种情况中，透射穿过扇形光束生成器和线性漫射器的激光以片或扇的形式投射到物体，其中物体和所述片或扇的相交形成照射线，所述照射线(i)沿着预定方向是均匀的，且(ii)具有垂直于预定方向的高斯轮廓(或与由源发射的激光相关联的另一轮廓)，不管物体在照射线的跨度上的高度如何变化都是如此。在扇形光束生成器和线性漫射器相对于彼此移动的情况下，在片或扇与物体相交处形成的均匀照射线可以成像(和/或被观察)为去散斑线。
根据所揭示的技术的一方面，一种系统包含：激光，其经配置以发射准直激光束；以及照射扇生成器，其包含一或多个线性漫射器。照射扇生成器经布置且经配置以(i)接收准直激光束，(ii)输出漫射光平面扇，使得平面扇从在一或多个线性漫射器中的最远侧线性漫射器上形成的光线发散，以及(iii)使得在平面扇和物体相交处形成照射线。
以上和其它实施例可各自任选地单独或组合地包含以下特征中的一或多个。在一些实施方案中，线性漫射器包括伪随机柱面阵列或全息光学元件中的一个。
在一些实施方案中，照射扇生成器可包含扇形光束生成器和具有一漫射方向的线性漫射器。在本文中，扇形光束生成器经布置且经配置以接收准直激光束并形成扇形光束，所述扇形光束沿着平行于漫射方向的光线与线性漫射器相交。另外，线性漫射器透射对应于光线的光以形成平面扇。在一些情况下，扇形光束生成器可包含线性漫射器。在一些情况下，扇形光束生成器可包含柱面透镜或鲍威尔透镜中的一个。在一些实施方案中，由扇形光束生成器形成的扇形光束的发散角大于目标发散角。另外，扇形光束生成器和线性漫射器之间的间隔“d”大于预定间隔，以确保由扇形光束在线性漫射器上形成的光线的长度大于目标长度“LX”。在本文中，预定间隔与目标发散角和目标长度成正比。
在一些实施方案中，系统可包含驱动器，所述驱动器经配置以使线性漫射器相对于扇形光束生成器进行循环运动。在本文中，循环运动是沿着线性漫射器的漫射方向。另外，系统可包含图像采集装置，所述图像采集装置安置成使得它的光轴相对于漫射光平面扇形成锐角，且经配置以将照射线的图像形成为去散斑图像。在本文中，去散斑图像包含在曝光时间间隔期间形成的照射线的个例的一系列图像的平均值。此外，驱动器经配置以在循环运动的速度低于预定速度时停用激光，且预定速度与曝光间隔成反比。
在一些实施方案中，照射扇生成器可包含圆柱壳形线性漫射器，所述圆柱壳形线性漫射器布置成其轴线垂直于准直激光束的传播方向，且经配置以(i)在圆柱壳形线性漫射器的输入部分处接收准直激光束，(ii)沿着平行于漫射方向的光线形成扇形光束，所述扇形光束与圆柱壳形线性漫射器的出口部分相交，以及(iii)使对应于光线的光透射穿过出口部分以形成平面扇。在一些实施方案中，由圆柱壳形线性漫射器的输入部分形成的扇形光束的发散角大于目标发散角。另外，圆柱壳形线性漫射器的直径大于预定直径，以确保由扇形光束在圆柱壳形线性漫射器的出口部分上形成的漫射光轮廓的长度大于目标长度“LX”。在本文中，预定直径与目标发散角和目标长度成正比。
在一些实施方案中，系统可包含驱动器，所述驱动器经配置以使圆柱壳形线性漫射器围绕其轴线旋转，所述旋转是沿着圆柱壳形线性漫射器的漫射方向。另外，系统可包含图像采集装置，所述图像采集装置安置成使得其光轴相对于漫射光平面扇形成锐角，且经配置以将照射线的图像形成为去散斑图像。在本文中，去散斑图像包含在曝光时间间隔期间形成的照射线的个例的一系列图像的平均值。
在一些实施方案中，系统可包含图像采集装置，所述图像采集装置安置成使得其光轴相对于漫射光平面扇形成锐角，且经配置以将照射线的图像形成为均匀线。
可以实施所揭示的技术的特定方面来实现以下潜在优点中的一或多个。例如，根据所揭示的技术，沿着照射线和垂直于照射线的照射线质量比通过仅使用鲍威尔透镜而不使用伴随的线性漫射器可以实现的照射线的质量好，如所揭示的，因为由鲍威尔透镜造成的非所需衍射和折射效果可能会在照射线的图像中转移。作为另一实例，根据所揭示的技术产生的光扇在垂直于扇平面的方向上可以是有效高斯的，同时在扇平面中，照明轮廓可以设计成满足各种照射轮廓。作为又一实例，所揭示的技术有效减小了激光的相干性，而不影响在垂直于线方向的方向上的照射线的质量。作为又一实例，通过使用扇形光束生成器，然后使用线性漫射器，可以增加包含在光源中的激光的功率，但不会因为眼睛在观察扩展(潜在高强度)光源而出现激光安全问题。
在以下附图和描述中阐述所揭示的技术的一或多个实施方案的细节。其它特征、方面、描述和潜在优点将根据所述描述、图式和权利要求书而变得显而易见。
附图说明
图1A到1B示出形成均匀照射线的基于激光的成像器的实例的各方面。
图2A到2C示出形成可以成像为小散斑线的均匀照射线的基于激光的成像器的实例的各方面。
图3示出形成可以成像为小散斑线的均匀照射线的基于激光的成像器的另一实例。
图4A到4C示出可以是图1A、2A和3的基于激光的成像器的部分的线性漫射器的各方面。
所揭示的技术的某些说明性方面在本文中结合以下描述和附图加以描述。然而，这些方面指示可采用所揭示的技术的原理的各种方式中的仅几种方式，且所揭示的技术意欲包含所有此类方面和其等效物。当结合附图考虑时，根据以下详细描述将容易理解所揭示的技术的其它优点和新颖特征。
具体实施方式
图1A示出使用均匀照射线137的基于激光的成像器100的实例。成像器100包含基于激光的照射扇源102和图像采集装置140。源102具有在本文中(例如)沿着z轴定向的光轴101，且经配置以沿着光轴且平行于(x，z)平面地输出漫射光平面扇135。平面扇135投射到物体190上，并在平面扇与物体相交处形成照射线137。应注意，照射线137遵循物体190的轮廓，不管物体具有弯曲表面还是具有平坦表面都是如此，
源102包含激光器110和照射扇生成器120。激光器110经布置且经配置以沿着光轴101发射激光作为准直激光束111。由激光器110发射的激光的波长可在400到2000nm范围内。照射扇生成器120经布置且经配置以接收准直激光束111并产生漫射光平面扇135。
照射扇生成器120包含：扇形光束生成器122，其具有与光轴101相同的光轴；和一或多个线性漫射器，其具有垂直于光轴101的漫射方向，所述漫射方向在本文中(例如)是沿着x轴。扇形光束生成器122和一或多个线性漫射器沿着光轴101分布。扇形光束生成器122经布置且经配置以沿着x轴将准直激光束111扩散为扇形光束123。在图1A中所示的实例中，照射扇生成器120包含具有垂直于光轴101的漫射方向的单个线性漫射器132，所述漫射方向在本文中(例如)是沿着x轴。应注意，扇形光束生成器122自身可为具有沿着x轴的漫射方向的线性漫射器，或者可以是鲍威尔透镜或柱面透镜中的一个。在后一种情况下，鲍威尔透镜或柱面透镜中的每一个在(y-z)平面中具有光功率，且在(x，z)平面中不具有光功率。扇形光束生成器122由第一托架124支撑，且线性漫射器132由与第一托架间隔开的第二托架134支撑，使得扇形光束生成器122安置在激光器110和线性漫射器132之间。
激光器110将激光束111投射到扇形光束生成器122上作为束斑113。扇形光束生成器122透射对应于束斑113的光以形成平行于(x，z)平面的扇形光束123。应注意，当扇形光束生成器122被实施为线性漫射器时，扇形光束123由沿着x轴漫射(且沿着y轴不漫射)的透射光形成。当扇形光束生成器122被实施为鲍威尔透镜或柱面透镜时，扇形光束123由沿着x轴重新定向(且沿着y轴不重新定向)的透射光形成。因而，扇形光束生成器122沿着x轴将扇形光束123投射到线性漫射器132上作为光线127。应注意，当扇形光束生成器122被实施为线性漫射器时，漫射光的扇形光束123作为漫射光线127投射在线性漫射器132上。线性漫射器132透射对应于光线127的光以形成平行于(x，z)平面的漫射光平面扇135。应注意，所述平面扇135是扇形波束133(其平行于(x，z)平面)的叠加，每一个扇形波束由线性漫射器132漫射从光线127的对应点辐照的光而形成。因而，线性漫射器132将漫射光平面扇135投射到物体190上作为均匀照射线137。
在一些实施方案中，线性漫射器132可以是线性漫射随机柱面阵列(例如，半径、数值孔径(NA)和深度随机)、伪随机工程柱面阵列或全息光学元件中的一个，其中的每一个经配置以在对应于光线127的点的光从中穿过透射时提供漫射光扇形光束133。每一扇形光束133具有漫射角，在本文中漫射角在(x，z)平面中，所述漫射角由柱面阵列的特征(例如，半径、NA和深度的值)确定。扇形光束生成器122在实施为线性漫射器时可以以与线性漫射器132相同或类似的方式进行配置。应注意，线性漫射器132和扇形光束生成器122在实施为线性漫射器时的精细结构和伪随机性质使得照射线137沿着x轴的均匀性增强。同时，照射线137(以及漫射光线127)沿着y轴的轮廓保持与束斑113沿着y轴的轮廓基本上相同。
所揭示的线性漫射器132以及在一些实施方案中用作扇形光束生成器122的线性漫射器可以实施为由纽约罗契斯特的RPC光子公司制造的EDL(工程漫射器线)系列中具有适当参数的工程漫射器。例如，图4A是EDL系列中的线性漫射器422的(x-z)平面中的侧视图。在本文中，线性漫射器表面沿着x轴(在本文中，x轴在左右方向上定向)变化，但是沿着y轴(在本文中，y轴是在页面内外方向上定向)是恒定的。图4B示出由EDL-40形成的扇形光束的经测量光强度具有礼帽角形轮廓(top-hat angular profile)472。在本文中，扇形光束的光强度在相对于(y-z)平面的[-20°，+20°]的角程内是基本上恒定的，且在更大角度的情况下骤然下降(下降到基本为零)。更确切地说，对于具有5毫米直径的输入光束点，且对于0.25°的检测器角度，90％(50％)处的全宽是39.9°(42.9°)。图4B还示出线性漫射器EDL-40的散射在扇形光束内相对均匀。其它模型允许扇形光束的更小发散度(例如，对于EDL-4的总发散度4°，低至+/-2°)或扇形光束的更大发散度(例如，对于EDL-120的总发散度120°，高达+/-60°)。图4C是扇形光束轮廓474的图像，其示出对于EDL系列中的线性漫射器，漫射仅仅沿着一个方向(在本文中沿着x轴)发生，且在横向方向上(在本文中沿着y轴)几乎没有漫射发生。这确保了漫射光平面扇135不会变厚/变宽，并由此确保照射线137不会变厚/变宽。
再次参考图1A，图像采集装置140(例如，耦合到或集成到与基于激光的照射扇源102共同的装置壳体中的相机)经布置且经配置以如均匀照射线137所照射得那样使物体190成像。在本文中，图像采集装置140的光轴142布置在(y，z)平面中并与基于激光的照射扇源102的光轴101形成锐角SA(即，大于0且小于90°)。图像采集装置140包含图像传感器和光学子系统，所述光学子系统在图像传感器上形成照射线137的图像。在一些实施方案中，漫射光平面扇135、图像采集装置140的图像传感器的平面和锐角SA满足沙姆普弗鲁克条件(Scheimpflug condition)。图像采集装置140的图像传感器经配置以将照射线137的图像转换成用于产生经线照射物体190的数字图像的信息。
现参考图1B，照射扇生成器120在基于激光的照射扇源的操作期间输出漫射光平面扇135。当观察者直视生成器120时，例如，观察者的眼睛142放在光轴101上或其附近时，平面扇135沿着轮廓139与眼睛相交。在这些情况下，观察者在线性漫射器132上看到光线127，因此观察者的眼睛142在视网膜144上形成光线的图像145。如果线图像145延伸的长度lX长到足以使施加到视网膜上的光强度(∝光功率/长度)不超过安全阈值，那么观察者将不会经历不适或伤害。在本文中，安全阈值对应于高水平的激光安全性。此外，为了确保视网膜145上的光强度低于所提到的安全阈值，线性漫射器132上的光线127的长度LX必须超过束斑113处给定输入光强度的特定目标。为了使C6安全校正因子最大化，根据国际电工委员会(IEC)所阐述的激光安全标准，长度LX必须至少为10mm，且漫射角必须至少为6°。因而，长度LX可以是10、30、50或100mm。光线127的长度LX可以受以下控制：(i)扇形光束生成器122和线性漫射器132之间沿着z轴的间隔d，和(ii)扇形光束123的发散角。例如，对于给定发散角，长度LX在间隔d增加/减小时增加/减小。作为另一实例，对于给定间隔d，长度LX在发散角增加/减小时增加/减小。应注意，在图1B中，观察者的眼睛142和线性漫射器132之间的距离D及扇形光束生成器122和线性漫射器132之间的间隔d不按比例绘制，比D/d可以高达10。
应注意，对于仅具有扇形光束生成器(例如，扇形光束生成器122)的照射扇生成器，如果观察者直视照射扇生成器，那么观察者将在扇形光束生成器122上看到束斑113。因而，观察者的眼睛142将在视网膜144上形成束斑113的图像。对于上文结合照射扇生成器120所论述的束斑113处的相同的给定输入光强度，由束斑的图像施加到视网膜上的光强度将很可能超过所提到的安全阈值。因而，照射扇生成器120还可满足常规照射扇生成器所满足的高水平激光安全性，但是所揭示的照射扇生成器使用的激光功率比常规照射扇生成器的高。限于符合IEC 60825激光安全标准的3R激光类别的市场上典型的激光分析装置或其它机器视觉装置限于通过距离视在源100mm的7mm孔径提供5mW激光束来保护眼睛安全。根据前述激光安全标准，如果视在源无法成像到眼睛上的某一点上，那么可以应用C6校正因子。这个因子取决于源的夹角以及眼睛如何对其进行成像。假设光束是高斯的且在横向于扇的轴线上具有可忽略的厚度，并假设扩展源(即，光线127)为10mm长，C6将针对基于激光的照射扇源102为AEL(可接受曝光限制)提供校正因子～30。因而，基于激光的照射扇源102的激光器110可经配置以通过距离视在源100mm的7mm孔径提供多达150mW激光束(30x5)，并且仍然保护眼睛安全。
应注意，尽管是均匀的，但是照射轮廓137——在由基于激光的照射扇源102输出的平面扇135与物体190相交处形成——在通过图像采集装置140成像或由观察者以锐角(例如，SA)观察时将仍然存在散斑。下文描述的改进能够减小提到的散斑。
图2A示出基于激光的成像器200的实例，成像器200使用可以成像(和/或被观察)为小散斑线的均匀照射线237。成像器200包含基于激光的照射扇源202和图像采集装置240。在一些实施方案中，图像采集装置240可以是上文结合图1A所描述的图像采集装置140。源202具有在本文中(例如)沿着z轴定向的光轴201，且经配置以沿着光轴且平行于(x，z)平面地输出漫射光平面扇235。平面扇235投射到物体290上并在平面扇235与物体290相交处形成照射线237。
源202包含激光器210和照射扇生成器220。在一些实施方案中，激光器210可以是上文结合图1A所描述的激光器110。激光器210经布置以沿着光轴201发射激光作为准直激光束211。照射扇生成器220经布置且经配置以接收准直激光束211并产生漫射光平面扇235。
照射扇生成器220包含：扇形光束生成器222，其具有与光轴201相同的光轴；和一或多个线性漫射器，其具有垂直于光轴201的漫射方向，所述漫射方向在本文中(例如)是沿着x轴。扇形光束生成器222和一或多个线性漫射器沿着光轴201分布。扇形光束生成器222经布置且经配置以沿着x轴将准直激光束211扩散为扇形光束223。在图2A中所示的实例中，照射扇生成器220包含单个线性漫射器232，所述线性漫射器232具有同样沿着x轴的漫射方向，且沿着z轴与扇形光束生成器222间隔开，使得扇形光束生成器222安置在激光器210和线性漫射器232之间。在一些实施方案中，扇形光束生成器222和线性漫射器232可以分别是上文结合图1A所描述的扇形光束生成器122和线性漫射器132。
在图2A中所示的实例中，在源202的操作期间，扇形光束生成器222和线性漫射器232中的至少一个将沿着漫射方向循环移动，所述漫射方向在本文中(例如)是沿着x轴。因而，扇形光束生成器222由第一线性台224支撑，且线性漫射器232由第二线性台234支撑。在一些实施方案中，第一线性台224和第二线性台234可包含导引件、马达、音圈、压电等中的一或多个。第一线性台224沿着光束扩展方向布置，且包含第一线性致动器252，所述第一线性致动器252经配置以使第一线性台在光束扩展方向上循环移动扇形光束生成器222。第二线性台234沿着漫射方向布置，且包含第二线性致动器254，所述第二线性致动器254经配置以使第二线性台在漫射方向上循环移动线性漫射器232。
在图2A中所示的实例中，源202还包含驱动器250，所述驱动器250与激光器210耦合，且与第一线性致动器252或第二线性致动器254或这两者耦合。在其它实施方案中，驱动器250在源202外部，且与激光器210及第一线性致动器252和第二线性致动器254耦合。以此方式，驱动器250可以将控制信号发送到激光器210及第一线性致动器252和第二线性致动器254。
现参考源202的操作，激光器210将激光束211投射到扇形光束生成器222上作为束斑213。扇形光束生成器222透射对应于束斑213的光，以形成平行于(x，z)平面的扇形光束223。因而，扇形光束生成器222沿着x轴将扇形光束223投射到线性漫射器232上作为光线227。线性漫射器232透射对应于光线227的光，以形成平行于(x，z)平面的漫射光平面扇235。应注意，所述平面扇235是扇形光束233(其平行于(x，z)平面)的叠加，每一个扇形光束233由线性漫射器232漫射从光线227的对应点辐照的光而形成。因而，线性漫射器232将漫射光平面扇235投射到物体290上作为照射线237。
在一些实施方案中，扇形光束生成器222相对于光轴201静止，且线性漫射器232沿着x轴相对于光轴201循环地移动(例如，驱动器250停用第一线性致动器252并启用第二线性致动器254)。在这些情况下，扇形光束生成器222可以实施为(i)线性漫射器，或(ii)鲍威尔透镜或柱面透镜中的一个。在本文中，静止光线227将在移动的线性漫射器232的多个位置处形成，每一位置具有其自身的局部粗糙轮廓。图2B示出当线性漫射器232沿着x轴移动时，静止光线227将在具有长度PX的第一扫描路径231上形成，所述长度PX可以比静止光线的长度LX大2、3、5或10倍，使得第一扫描路径的一“位置”处的局部粗糙度随机不同于第一扫描路径的任何其它位置处的局部粗糙度。在本文中，第一扫描路径231的位置具有光线227的长度LX。以此方式，由移动的线性漫射器232形成的平面扇235的多个个例将随机地与彼此不同，因此在静止物体290上形成的静止照射线237的多个个例也将随机地与彼此不同。对应于静止照射线237的多个个例的随机不同的散斑图案将在图像采集装置240的曝光时间内求平均，因此静止照射线237将通过图像采集装置成像为小散斑线。应注意，在此情况下，对应于静止照射线237的多个个例的散斑图案的随机性至少部分地是由在第一扫描路径231的不同位置处线性漫射器232的表面粗糙度的随机差异所导致。
在一些实施方案中，扇形光束生成器222沿着x轴相对于光轴201循环地移动，且线性漫射器232相对于光轴201静止(例如，驱动器250启用第一线性致动器252并停用第二线性致动器254)。在这些情况下，扇形光束生成器222被实施为线性漫射器，且它被称为第一线性漫射器222。在相同上下文中，线性漫射器232被称为第二线性漫射器232。在本文中，静止束斑213将在移动的第一线性漫射器222的多个点处形成，每个点具有其自身的局部粗糙度轮廓。图2C示出当第一线性漫射器222沿着x轴移动时，静止束斑213将在具有长度pX的第二扫描路径221上形成，所述长度pX可以比束斑的直径大10、20、30、50或100倍，使得第二扫描路径的一“点”处的局部粗糙度随机不同于第二扫描路径的任何其它点处的局部粗糙度。在本文中，第二扫描路径221的点具有束斑213的大小。以此方式，由移动的扇形光束生成器222形成的漫射光扇形光束223的多个个例将随机地与彼此不同，因此在静止第二线性漫射器232上形成的静止漫射光线227的多个个例也将随机地与彼此不同。因而，由静止第二线性漫射器232形成的平面扇235的多个个例将随机地与彼此不同，因此在物体290上形成的静止照射线237的多个个例也将随机地与彼此不同。对应于静止照射线237的多个个例的随机不同的散斑图案将在图像采集装置240的曝光时间内求平均，因此静止照射线237将通过图像采集装置成像为小散斑线。应注意，在此情况下，对应于静止照射线237的多个个例的散斑图案的随机性至少部分地是由在第二扫描路径221的不同点处第一线性漫射器222的表面粗糙度的随机差异所导致。
在后一种实施方案的一些情况下，第一线性漫射器222和第二线性漫射器232均沿着x轴相对于光轴201循环地移动(例如，驱动器250启用第一线性致动器252和第二线性致动器254两者)。在本文中，第一线性漫射器222和第二线性漫射器232之间的相对运动的相位由驱动器250控制为不同于零，使得这两个线性漫射器相对于彼此处于运动中。在此情况下，对应于静止照射线237的多个个例的散斑图案的随机性至少部分地是由以下各者的组合所导致：(i)在第二扫描路径221的不同点处第一线性漫射器222的表面粗糙度的随机差异，和(ii)在第一扫描路径231的不同位置处第二线性漫射器232的表面粗糙度的随机差异。
再次参考图2A，为了确保照射线237可以成像为小散斑线，驱动器250使第一线性台224将扇形光束生成器222保持为相对于光轴201静止，并使第二线性台234相对于光轴201沿着x轴以预定频率循环地移动线性漫射器232。当扇形光束生成器222被实施为第一线性漫射器222时，为了确保照射线237可以成像为小散斑线，驱动器250使第一线性台224或第二线性台234或这两者以预定频率使第一线性漫射器222和第二线性漫射器232相对于彼此并沿着x轴循环地移动。在这些情况中的任一种情况中，相对运动的预定频率可在0.5到500Hz范围内。相对运动频率f的特定值可以基于所需曝光时间Δt以及减小散斑对比度C所需的行进距离ΔX(例如，沿着第一扫描路径231或第二扫描路径221)来选择。例如在照射扇生成器220中使用的结构化线性漫射器的类型具有大小约为10到50μm的特征。为了实现具有C＝10％散斑对比度的Δt＝5ms(200Hz)曝光，图像采集装置240每5ms或每秒20000次地对
Figure BDA0003379564340000101
个独立随机的散斑图案取平均。在散斑图案针对沿着第一扫描路径231和/或第二扫描路径221行进的每一微米大致改变时，即，δx＝1μm。应注意，以上参数满足以下等式：
Figure BDA0003379564340000102
根据EQ.(1)，例如，大致为1mm的行程ΔX在相对运动频率f＝20Hz下将是足够的。使用EQ.1确定的这些和其它实例，如每图案行程(travel-per-pattern)δx、相对运动频率和行进距离的各种值在表1中概述。
表1
N Δt(ms) δx(μm) f(Hz) ΔX(mm)
100 5 1 20 1
100 5 1 2 10
100 5 1 1 20
100 5 10 20 10
100 5 10 2 100
100 5 10 1 200
在一些实施方案中，除了启用第一线性致动器252或第二线性致动器254或这两者之外，驱动器250还可通过以以下方式启用/停用激光器来选通激光器210。为简单起见，将针对驱动器250停用第一线性致动器252并启用第二线性致动器254的情形解释选通，因此扇形光束生成器222相对于光轴201静止，且线性漫射器232相对于光轴201处于运动中。在本文中，驱动器250可在线性漫射器232的速度超过预定速度时启用激光器210，并在线性漫射器具有小于预定速度的速度时停用激光器。此类减速条件在线性漫射器232作为运动循环的部分而改变方向时进行。以此方式来选通激光器210确保了即使曝光时间极短，也有足够多的随机散斑图案进行平均化。
上文提到将用于优化照射线237的去散斑质量的参数是漫射器232相对于扇形光束生成器222运动的频率；以及以下各者的随机差异的量度：(i)在第一扫描路径231的不同位置处(第二)线性漫射器232的表面粗糙度，和/或(ii)在第二扫描路径221的不同点处第一线性漫射器222的表面粗糙度。将用于优化照射线237的去散斑质量的另一参数是对应于扇形光束生成器222的发散角(例如，对应于第一线性漫射器222的第一漫射角)和对应于(第二)线性漫射器232的第二漫射角之间的差。例如，发散度(第一漫射)角是5°，且(第二)漫射角是40°。一般来说，扇形光束生成器(第一线性漫射器)222的发散(第一漫射)角和(第二)线性漫射器232的(第二)漫射角之间的差可以是1％、5％、10％、50％、100％、500％或1000％。这是因为(第二)线性漫射器232的主要功能是为了显著增加由扇形光束生成器(第一线性漫射器)222投射到(第二)线性漫射器上的光线127的均匀性并减小所述光线127的散斑。应注意，是线性漫射器222、232的精细结构和伪随机性质使得均匀性增强并使得散斑对比度降低。将用于优化照射线237的去散斑质量的又一参数是扇形光束生成器222和线性漫射器232之间的间距d。例如，扇形光束生成器222和线性漫射器232之间的间距d可以是1、2、3、5、20、50或100mm。应注意，举例来说，扇形光束生成器222和第二线性漫射器232之间的间距d指定成不仅优化照射线237的去散斑质量，而且还优化用于包封生成器220的封装的体积和/或视在大小。
图像采集装置240的布置和功能性类似于上文结合图1A所描述的图像采集装置140的布置和功能性。在本文中，图像采集装置240经布置且经配置以如照射线237所照射得那样使物体290成像。图像采集装置240的光轴242布置在(y，z)平面中并与基于激光的照射扇源202的光轴201形成锐角SA。图像采集装置240包含图像传感器和光学子系统，所述光学子系统在图像传感器上形成照射线237的图像。应注意，由于源202产生照射线237的方式，在曝光时间内形成的照射线237的图像是均匀的且没有散斑。图像采集装置240的图像传感器经配置以将照射线237的图像转换成用于产生经线照射物体290的数字图像的信息。
随后描述优化基于激光的照射扇源(例如，102或202)的复杂度，例如简化它的组件(例如，照射扇生成器(例如，120或220)和驱动器(例如，250))的方式。
图3示出基于激光的成像器300的另一实例，成像器300使用可以成像(和/或被观察)为小散斑线的均匀照射线337。成像器300包含基于激光的照射扇源302和图像采集装置340。在一些实施方案中，图像采集装置340可以是上文结合图1A或2A所描述的图像采集装置140或240中的任一者。源302具有在本文中(例如)沿着z轴定向的光轴301，且经配置以沿着光轴且平行于(x，z)平面地输出漫射光平面扇335。平面扇335投射到物体390上并在平面扇与物体相交处形成照射线337。
源302包含激光器310和照射扇生成器320。在一些实施方案中，激光器310可以是上文结合图1A或2A所描述的激光器110或210中的任一者。激光器310经布置以沿着光轴301发射激光作为准直激光束311。生成器320经布置且经配置以接收准直激光束311并产生漫射光平面扇335。
生成器320包含由圆柱形旋转台324支撑的线性漫射器322。在本文中，圆柱形旋转台324具有垂直于光轴301的旋转轴线351和平行于(y，z)平面的形状像是圆圈的横截面。在图3中所示的实例中，旋转台324的旋转轴线351平行于y轴。线性漫射器322附接在旋转台324的侧表面的整个圆周上方，并因此形成具有与圆柱壳相切的漫射方向的圆柱壳形线性漫射器。
在图3中所示的实例中，在源302的操作期间，圆柱壳形线性漫射器322将围绕y轴旋转，即，圆柱壳形线性漫射器将在漫射方向上旋转。因而，旋转台324包含旋转致动器352，所述旋转致动器352经配置以使旋转台在漫射方向上旋转圆柱壳形线性漫射器322。在本文中，源302还包含驱动器350，所述驱动器350经配置以与旋转致动器352通信。在其它实施方案中，驱动器350在源302外部，且通过对应的通信信道与旋转致动器352通信。
在一些实施方案中，圆柱壳形线性漫射器322的漫射特性可以与以下各者中的一个的漫射特性相同或类似：(i)上文结合图1A所描述的线性漫射器122和132，和(ii)上文结合图2A所描述的线性漫射器222和232。并且，圆柱形旋转台324经配置以透射由激光器310发射的光。例如，圆柱形旋转台324可包含对激光透明的材料，例如，玻璃或塑料。作为另一实例，圆柱形旋转台324可具有平行于平面(x-z)的槽，且填充有可以透射穿过旋转台的激光的介质(例如，空气、玻璃、塑料等)。
现参考源302的操作，激光器310将激光束311投射到圆柱壳形线性漫射器322的输入部分322A上作为束斑313。应注意，圆柱壳形线性漫射器322的输入部分322A的漫射方向是沿着x轴。出于此原因，输入部分322A透射对应于束斑313的光，以形成平行于(x，z)平面的扇形光束323A。因而，输入部分322A沿着x轴将扇形光束323A投射到圆柱壳形线性漫射器322的输出(在直径上相对)部分322B上作为漫射光轮廓327。应注意，圆柱壳形线性漫射器322的输出部分322B的漫射方向还是沿着x轴，因为输出部分322B与输入部分322A在直径上相对。出于此原因，输出部分322B透射对应于漫射光轮廓327的光，以形成平行于(x，z)平面的漫射光平面扇335。应注意，平面扇335是扇形光束323B(其平行于(x，z)平面)的叠加，这些扇形光束中的每一个由输出部分322B漫射从漫射光轮廓327的对应点辐照的光而形成。因而，输出部分322B将漫射光平面扇335投射到物体390上作为照射线337。
在源302的操作期间，驱动器350启用旋转致动器352，旋转致动器352继而使旋转台324围绕y轴旋转圆柱壳形线性漫射器322，使得它的输入部分322A和输出部分322B在相对方向上持续移动。以此方式，静止(相对于光轴301)束斑313将在移动(相对于光轴301)的输入部分322A的多个点处形成，每个点具有其自身的局部粗糙度轮廓。因而，由移动的输入部分322A形成的一体式平面扇323A的多个个例将随机地与彼此不同，因此在移动(相对于光轴301)的输出部分322B上形成的静止(相对于光轴301)漫射光轮廓327的多个个例也将随机地与彼此不同。此外，静止漫射光轮廓327的多个个例中的每一个将在移动的输出部分322B的不同位置处形成，每一位置具有其自身的局部粗糙度轮廓。因而，由移动的输出部分322B形成的平面扇335的多个个例将随机地与彼此不同，因此在静止物体390上形成的静止照射线337的多个个例也将随机地与彼此不同。对应于静止照射线337的多个个例的随机不同的散斑图案将在图像采集装置340的曝光时间内求平均，因此静止照射线337将通过图像采集装置成像为无散斑线。应注意，在此情况下，对应于静止照射线337的多个个例的散斑图案的随机性至少部分地是由以下各者的组合所导致：(i)在输入部分322A的不同点处表面粗糙度的随机差异，和(ii)在输出部分322B的不同位置处表面粗糙度的随机差异。
为了确保照射线337可以成像为小散斑线，驱动器350使旋转台324以预定旋转频率旋转圆柱壳形线性漫射器322。以此方式，圆柱壳形线性漫射器的输入部分322A和输出部分沿着x轴以预定速度相对于彼此持续移动。预定旋转频率与预定速度和圆柱壳形线性漫射器322的直径(即，输入部分322A和输出部分322B之间沿着z轴的距离)的比成正比。对于在5到25mm的范围内的直径，预定旋转频率可在50到500Hz范围内。圆柱壳形线性漫射器322的直径的特定值和旋转频率可以基于所选择的漫射器材料、所需眼睛安全水平和场中所要的(漫射光平面扇235)扇形角度的一种平衡来选择。例如，30°(+/-15°)线性漫射材料可以缠绕在由玻璃(例如，N-SF8材料)制成的直径为20mm的条形透镜周围。到基于条形透镜的照射扇生成器320的输入光束313在它到达所述条的出口面322B时将扩散大致+/-5mm(对应于10mm漫射光轮廓327)。所述条的出口面322B的光功率“拉直”扇形光束323A，使其趋近准直状态。接着，穿过的最终表面是出口面322B上的30°线性漫射材料，以出于激光防护目的，在出口面上提供扩展源条件并使漫射光平面扇235均匀化。圆柱壳形线性漫射器322进行旋转以将散斑对比度减小到预定水平的旋转频率可以如上文结合图2A所描述的那样确定。
图像采集装置340的布置和功能性类似于上文结合图1A或2A所描述的图像采集装置140或240的布置和功能性。在本文中，图像采集装置340经布置且经配置以如照射线337所照射得那样使物体390成像。图像采集装置340的光轴342布置在(y，z)平面中并与基于激光的照射扇源302的光轴301形成锐角SA。图像采集装置340包含图像传感器和光学子系统，所述光学子系统在图像传感器上形成照射线337的图像。应注意，由于源302产生照射线337的方式，在曝光时间内形成的照射线337的图像是均匀的且没有散斑。图像采集装置340的图像传感器经配置以将照射线337的图像转换成用于产生经线照射物体390的数字图像的信息。
总之，所揭示的技术使用之间不具有或具有相对运动的发射激光的激光器、扇形光束生成器和一或多个线性漫射器，以便用激光线照射物体。在本文中，扇形光束生成器自身可为线性漫射器，或可以是鲍威尔透镜或柱面透镜。出于以下原因，根据所揭示的技术产生的照射线是均匀的，且可以成像(和/或观察)为小散斑线。由一或多个线性漫射器提供的角分集使得激光沿着它们的共同漫射方向均匀化，从而避免衍射疵点并减小用均匀照射线照射的物体上的亮点。线性漫射器的相对运动使得照射线的散斑图案在曝光时间期间改变，而不影响照射线沿着横向方向(垂直于漫射方向)的宽度。此外，照射线沿着横向方向的空间轮廓仍然是经发射激光的高斯轮廓。以此方式，在沿着垂直于漫射方向和横向方向的传播方向截得的任何片层处，照射线沿着横向方向都将具有原始高斯轮廓，并且在漫射方向上将是均匀的，并且将具有受两个或更多个线性漫射器的漫射角控制的可预测线长度。
上文已经详细地描述几个实施例，且各种修改是可能的。包含在本说明书中描述的功能操作的所揭示主题可以实施为电子电路、计算机硬件、固件或其组合，例如本说明书中揭示的结构构件和其结构等效物。
例如，驱动器(例如，150、250、350)可至少包含数据处理设备和媒体。数据处理设备可以是一或多个硬件处理器，例如，中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或其组合，它们可各自包含多个处理器核心。媒体是计算机可读媒体，其可包含易失性和非易失性存储器两者，例如随机存取存储器(RAM)和闪存RAM。举例来说，媒体对在由数据处理设备执行时使驱动器实施本文中所揭示的方法的各方面的指令。连接器(在图1A、2A和3中以短划线示出)可以是USB连接器、以太网连接器或其它网络连接器中的一或多个。一般来说，连接器可表示通过物理电缆或以无线方式实施的任何数据通信链路和电力传递链路或其组合。
尽管本说明书含有许多细节，但这些细节不应理解为限制可能主张的内容的范围，而是应理解为对特定于具体实施例的特征的描述。在本说明书中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可在单个实施例中组合地实施。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可在多个实施例中单独地或以任何合适的子组合形式实施。此外，尽管上文可将特征描述为以某些组合起作用且甚至最初按此主张，但在一些情况下，可将来自所主张的组合的一或多个特征从组合中删除，且所主张的组合可涉及子组合或子组合的变化。
类似地，虽然在附图中按特定次序描绘操作，但这不应被理解为要求按所展示的特定次序或按循序次序执行此类操作，或执行所有所说明的操作，来实现所要结果。在某些情况下，多任务处理和并行处理可为有利的。此外，上述实施例中的各种系统组件的分开不应理解成要求在所有实施例中都这样分开。
其它实施例处于所附权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种光学系统，其包括：
激光器，其经配置以发射准直激光束；
第一线性漫射器，其包括在半径、数值孔径和深度上随机的线性漫射随机柱面阵列；以及
第二线性漫射器，
其中所述第一线性漫射器和所述第二线性漫射器经安置和配置以
在所述第一线性漫射器处接收所述准直激光束，
投射来自所述第一线性漫射器的经漫射光，以使得在所述第二线性漫射器上形成光线，
输出从所述光线发散的漫射光平面扇，以及
使得在所述平面扇和物体的相交处形成照射线。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光线的长度为至少10mm。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述平面扇的漫射角为至少6°。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中来自所述第一线性漫射器的所述经漫射光是来自所述线性漫射随机柱面阵列的相应多个柱面的多个扇形光束的叠加，以及其中针对所述多个柱面的每个柱面的所述半径、数值孔径和深度的值确定所述多个扇形光束的所述相应扇形光束的漫射角。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中来自所述第一线性漫射器的所述经漫射光是扇形的且沿着所述第二线性漫射器的漫射方向与所述第二线性漫射器相交。
6.根据权利要求1所述的光学系统,
其中由来自所述第一线性漫射器的所述经漫射光形成的扇形光束的发散角大于目标发散角，
其中所述第一线性漫射器和所述第二线性漫射器之间的间隔大于预定间隔，以使得所述光线的长度大于目标长度，所述预定间隔与所述目标发散角和所述目标长度成正比，以及
其中当所述物体包括眼睛的视网膜时，所述光线的所述目标长度对应于所述眼睛的所述视网膜上的所述照射线的强度。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第一线性漫射器和所述第二线性漫射器经配置以使得所述照射线均匀。
8.一种光学系统，其包括：
激光器，其经配置以发射准直激光束；
扇形光束生成器；以及
线性漫射器，其中所述线性漫射器包括在半径、数值孔径和深度上随机的线性漫射随机柱面阵列，以及
其中所述扇形光束生成器和所述线性漫射器经安置和配置以
在所述扇形光束生成器处接收所述准直激光束，
投射来自所述扇形光束生成器的扇形光束，以使得在所述线性漫射器上形成光线，
输出从所述光线发散的漫射光平面扇，以及
使得在所述平面扇和物体的相交处形成照射线。
9.一种光学系统，其包括：
激光器，其经配置以发射准直激光束；
第一线性漫射器，其包括在半径、数值孔径和深度上随机的伪随机工程柱面阵列；以及
第二线性漫射器，
其中所述第一线性漫射器和所述第二线性漫射器经安置和配置以
在所述第一线性漫射器处接收所述准直激光束，
投射来自所述第一线性漫射器的经漫射光，以使得在所述第二线性漫射器上形成光线，
输出从所述光线发散的漫射光平面扇，以及
使得在所述平面扇和物体的相交处形成照射线。
10.一种光学系统，其包括：
激光器，其经配置以发射准直激光束；
扇形光束生成器；以及
线性漫射器，其包括在半径、数值孔径和深度上随机的伪随机工程柱面阵列，以及
其中所述扇形光束生成器和所述线性漫射器经安置和配置以
在所述扇形光束生成器处接收所述准直激光束，
投射来自所述扇形光束生成器的扇形光束，以使得在所述线性漫射器上形成光线，
输出从所述光线发散的漫射光平面扇，以及
使得在所述平面扇和物体的相交处形成照射线。
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