CN115268095B - 一种光源光学系统及线激光扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光源光学系统及线激光扫描方法，所述光源系统包括：电路板、阵列光源、投影镜头和消畸变线激光透镜，所述阵列光源电连接在所述电路板上，所述阵列光源和消畸变线激光透镜分别位于投影镜头的两侧，所述阵列光源发出的光通过投影镜头照射在消畸变线激光透镜上。本申请提供的光源光学系统，电路板驱动阵列光源发光，阵列光源为二维阵列光源，按照某一维，本案为Y方向，按行选通点亮光源，通过投影镜头和消畸变线激光透镜组成的光学系统，实现Y方向的无畸变线激光扫描，可以完美解决大角度线激光畸变问题，且不存在零级斑。
Description
技术领域
本发明涉及3D深度成像技术领域，尤其涉及一种光源光学系统及线激光扫描方法。
背景技术
目前3D视觉或者激光雷达行业，发射端主动照明光源方案中，要实现点或线扫描的，基本技术路线有：
1、采用边发射光源+准直系统实现点光源，然后通过振镜、旋转棱镜或转镜的方式实现点扫；
2、或者边发射光源+准直系统+扩束透镜（或鲍威尔棱镜）的方式实现线激光，然后振镜、旋转棱镜或转镜的方式实现线扫描；
3、或者用DLP投影的方式，实现照明目标的点、线编码照明；
4、边发射光源+准直+DOE的方式实现点或线照明方式；
目前的光源方案中，大角度出射线激光束中的畸变问题，存在零级斑，核心器件垄断且价格昂贵，光学实现工艺难度大。
发明内容
本申请提供一种光源光学系统及线激光扫描方法，解决了现有技术中大角度线激光畸变，存在零级斑的技术问题。
本申请提供一种光源光学系统，所述光源系统包括：电路板、阵列光源、投影镜头和消畸变线激光透镜，所述阵列光源电连接在所述电路板上，所述阵列光源和消畸变线激光透镜分别位于投影镜头的两侧，所述阵列光源发出的光经过投影镜头投射后，再经过消畸变线激光透镜进行线激光整形。
在一些实施例中，所述阵列光源为VCSEL光源。
在一些实施例中，所述阵列光源Y方向排列间距小于等于光源发光孔直径。
在一些实施例中，所述阵列光源处于所述投影镜头的焦平面位置，所述投影镜头的匹配靶面尺寸大于所述阵列光源有效发光区域。
在一些实施例中，所述消畸变线激光透镜为扇形柱状结构，所述消畸变线激光透镜为扇形凹柱面镜结构，所述消畸变线激光透镜为沿着X方向和Y方向的中心轴对称结构，所述消畸变线激光透镜的内侧面设置有第一光学曲面，所述第一光学曲面也为沿着X方向和Y方向的中心轴对称结构。
在一些实施例中，所述消畸变线激光透镜为弧形柱面镜阵列结构，所述消畸变线激光透镜为沿着X方向和Y方向的中心轴对称结构，所述消畸变线激光透镜的内侧面设置有第二光学曲面，所述第二光学曲面在X方向柱面镜阵列曲面，所述第二光学曲面在Y方向为中心轴对称结构。
一种线激光扫描方法，包括上述技术方案所述的光源光学系统，所述扫描方法包括：
（1）若选通中心行的阵列光源阵列点亮，对应线激光扫描待测视野的中心视场；
（2）若选通边缘行的阵列光源阵列点亮，此时对应线激光扫描待测视野的边缘视场；
（3）其他位置需要扫描，只需要选通对应的VCSEL行阵列即可。
本申请有益效果如下：
本申请提供的光源光学系统，电路板驱动阵列光源发光，阵列光源为二维阵列光源，阵列光源为单排，只产生一条激光线，按照某一维，本案为Y方向，按行选通点亮光源，通过投影镜头和消畸变线激光透镜组成的光学系统，实现Y方向的无畸变线激光扫描，可以完美解决大角度线激光畸变问题，且不存在零级斑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
图1为本申请提供的光源系统的整体结构示意图；
图2为本申请提供的光源系统实施例1中消畸变线激光透镜的结构示意图；
图3为本申请提供的光源系统实施例2中消畸变线激光透镜的结构示意图；
图4为本申请提供的光源系统光学拉伸整形光路效果对比图；
图5为本申请中VCSEL光源选通中心行阵列线激光整形示意图；
图6为本申请中VCSEL光源选通边缘行阵列线激光整形示意图。
其中，1-电路板；2-阵列光源；3-投影镜头；4-消畸变线激光透镜；41-第一光学曲面；42-第二光学曲面。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种光源光学系统及线激光扫描方法，解决了现有技术中核心器件垄断且价格昂贵，光学实现工艺难度大的技术问题。
本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
在附图4中上面的图为不加消畸变线激光透镜的光源系统光学拉伸整形光路效果图，图4中下面的图为加消畸变线激光透镜的光源系统光学拉伸整形光路效果图。
如图1-图6所示，本申请提供一种光源光学系统，所述光源系统包括：电路板1、阵列光源2、投影镜头3和消畸变线激光透镜4，具体地，阵列光源2为VCSEL光源，所述阵列光源2电连接在所述电路板1上，所述阵列光源2和消畸变线激光透镜4分别位于投影镜头3的两侧，所述阵列光源2发出的光经过投影镜头3投射后，再经过消畸变线激光透镜4进行线激光整形。
电路板1驱动阵列光源2发光，阵列光源2为二维阵列光源，阵列光源2为单排，只产生一条激光线，按照某一维，本案为Y方向，按行选通点亮光源，通过投影镜头3和消畸变线激光透镜4组成的光学系统，实现Y方向的无畸变线激光扫描，可以完美解决大角度线激光畸变问题，且不存在零级斑。
光学系统使用全固态方案，结构稳定性更好，光路中不存在反射，光路搭建工艺简单，且扫描精度控制相对容易，光学实现工艺难度低。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
优选地，阵列光源2分为X方向和Y方向，阵列光源2的Y方向排列间距小于等于光源发光孔直径，实现无空隙扫描，即扫描激光线要覆盖待扫描目标面的所有位置。
优选地，阵列光源2处于所述投影镜头3的焦平面位置，所述投影镜头3的匹配靶面尺寸大于所述阵列光源2有效发光区域，保证VCSEL光源发光区能全部投影成像，光圈越大，光效越大，投影效果更好。
实施例1
如图2所示，所述消畸变线激光透镜4为扇形凹柱面镜结构，所述消畸变线激光透镜4为沿着X方向和Y方向的中心轴对称结构，所述消畸变线激光透镜4的内侧面设置有第一光学曲面，所述第一光学曲面41也为沿着X方向和Y方向的中心轴对称结构。
实施例2
如图3所示，所述消畸变线激光透镜4为弧形柱面镜阵列结构，所述消畸变线激光透镜4为沿着X方向和Y方向的中心轴对称结构，所述消畸变线激光透镜4的内侧面设置有第二光学曲面42，所述第二光学曲面42在X方向柱面镜阵列曲面，所述第二光学曲面42在Y方向为中心轴对称结构。
通过以上两种消畸变线激光透镜4的加工，结构上，作为优选的，消畸变线激光透镜4的最小控制尺寸大于50微米，且面型公差为±0.05mm，由于核心器件垄断且价格昂贵，本设计采用国内成熟的塑料光学透镜注塑工艺，节约成本。
两种方案中Y方向的消畸变曲率相同，消畸变线激光透镜4的X方向曲率主要作用是将投影镜头3投影出来的点阵激光拉伸整形为线激光，消畸变线激光透镜4的Y方向曲率主要作用是消除线激光畸变，防止激光畸变弯曲，使激光消畸变效果更好。
一种线激光扫描方法，包括上述技术方案所述的光源光学系统，所述扫描方法包括：
（1）若选通中心行的阵列光源阵列点亮，如图5所示，对应线激光扫描待测视野的中心视场；
（2）若选通边缘行的阵列光源阵列点亮，如图6所示，此时对应线激光扫描待测视野的边缘视场；
（3）其他位置需要扫描，只需要选通对应的VCSEL行阵列即可。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种光源光学系统，其特征在于，所述光源系统包括：电路板、阵列光源、投影镜头和消畸变线激光透镜，所述阵列光源电连接在所述电路板上，所述阵列光源和消畸变线激光透镜分别位于投影镜头的两侧，
所述阵列光源包括二维阵列光源，分为X方向和Y方向，所述阵列光源在所述电路板的驱动下，点亮其中一行沿X方向排列的点光源；X方向上的单行点光源点亮，发出的光经过所述投影镜头投射放大后，再经过所述消畸变线激光透镜整形成线激光，所述消畸变线激光透镜具有X方向曲率和Y方向曲率，X方向曲率用于将所述投影镜头投影出来的单行点阵激光拉伸整形为线激光，Y方向曲率用于消除线激光Y方向上的畸变弯曲。
2.如权利要求1所述的光源光学系统，其特征在于，所述阵列光源为VCSEL光源。
3.如权利要求1所述的光源光学系统，其特征在于，所述阵列光源Y方向排列间距小于等于光源发光孔直径。
4.如权利要求1所述的光源光学系统，其特征在于，所述阵列光源处于所述投影镜头的焦平面位置，所述投影镜头的匹配靶面尺寸大于所述阵列光源有效发光区域。
5.如权利要求1所述的光源光学系统，其特征在于，所述消畸变线激光透镜为扇形凹柱面镜结构，所述消畸变线激光透镜为沿着X方向和Y方向的中心轴对称结构，所述消畸变线激光透镜的内侧面设置有第一光学曲面，所述第一光学曲面也为沿着X方向和Y方向的中心轴对称结构。
6.如权利要求1所述的光源光学系统，其特征在于，所述消畸变线激光透镜为弧形柱面镜阵列结构，所述消畸变线激光透镜为沿着X方向和Y方向的中心轴对称结构，所述消畸变线激光透镜的内侧面设置有第二光学曲面，所述第二光学曲面在X方向柱面镜阵列曲面，所述第二光学曲面在Y方向为中心轴对称结构。
7.一种线激光扫描方法，其特征在于，包括权利要求1-6任意一项所述的光源光学系统，所述扫描方法包括：
（1）若选通中心行的阵列光源阵列点亮，对应线激光扫描待测视野的中心视场；
（2）若选通边缘行的阵列光源阵列点亮，对应线激光扫描待测视野的边缘视场；
（3）其他位置需要扫描，选通对应的VCSEL行阵列。
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