CN206235784U - 动态激光光点分布产生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种动态激光光点分布产生装置，包括提供复数激光光束的激光产生器、衍射图案产生器、衍射图案旋转器、零阶光调节器以及主体。衍射图案产生器接收及衍射复数激光光束以形成复数第一衍射光束，其中，每一第一衍射光束包括一零阶光束。衍射图案旋转器固定并旋转衍射图案产生器以使得该复数第一衍射光束为动态的。零阶光调节器接收复数第一衍射光束、遮挡该复数零阶光束以形成复数他阶衍射光束，其中，复数零阶光束入射零阶光调节器的入射角和复数激光光束入射该衍射图案产生器的入射角相等。复数他阶衍射光束射出该主体外。藉此，本实用新型利于对动态衍射光点取像和计算处理。

Description

动态激光光点分布产生装置

技术领域

本实用新型是关于光点产生装置的领域，尤其是关于一种动态激光光点分布产生装置。

背景技术

衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)是投影图样光学系统常用的一种光学元件，运用时常面临零阶问题，即没有被衍射的零阶光束可穿过系统到达欲投影的表面而形成远高于衍射光点亮度的亮点，从而影响表面衍射光点的被取样和计算。

一般减少零阶光束的方法，常利用改变主光轴的方式，使零阶光束和衍射光束前进的方向分开。另外，中国专利申请公布号CN101984767公布一种用于使零阶光束减少的光学设计，其包括利用两片衍射光学元件的投影图像的装置，其中一片衍射光学元件包括接收零阶光束的光学作用区，以减少零阶光束到达欲投影的一个表面。此种设计可应用于光学三维绘图。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种动态激光光点分布产生装置，其具有可旋转的衍射光学元件以及遮光设计，如此可消除零阶光束并产生无零阶光束的动态衍射光点分布，利于后续对该动态衍射光点取像和计算处理。

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种动态激光光点分布产生装置，其两个激光光束各自透过可旋转的衍射光学元件产生两衍射光点分布，两衍射光点分布可在目标处动态地移动并部分重叠，藉以达到在目标处皆有激光光点分布的效果，利于利用这些激光光点测量通过目标处的物体的厚度和移动。

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种动态激光光点分布产生装置，其具有可旋转的衍射光学元件以及全息光学元件(HolographicOptical Element，HOE)，利用全息光学元件将零阶光束形成高斯分布的衍射光点分布，和可旋转的衍射光学元件形成的衍射光点分布共同构成测量用的动态光点分布。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种动态激光光点分布产生装置，包括提供复数激光光束的激光产生器、衍射图案产生器、衍射图案旋转器、零阶光调节器以及主体，该衍射图案产生器接收及衍射该复数激光光束以形成复数第一衍射光束，其中，每一该第一衍射光束包括一零阶光束；该衍射图案旋转器固定并旋转该衍射图案产生器以使得该复数第一衍射光束为动态的；该零阶光调节器接收该复数第一衍射光束、遮挡该复数零阶光束以形成复数他阶衍射光束，其中，该复数零阶光束入射该零阶光调节器的入射角和该复数激光光束入射该衍射图案产生器的入射角相等；该主体固定该激光产生器、该衍射图案产生器、该衍射图案旋转器和该零阶光调节器，其中，该复数他阶衍射光束射出该主体外。

较佳地，该激光产生器包括两个激光光源；该衍射图案产生器包括衍射光学元件；该衍射图案旋转器包括马达和由该马达驱动的旋转轴，该旋转轴的一端固定该衍射光学元件，该两个激光光源设置于该旋转轴和该马达两者至少之一的侧面；该零阶光调节器包括至少一遮片，该遮片具有遮挡该复数零阶光束的至少一暗点。

较佳地，该两个激光光源所产生的两个激光光束入射至该衍射光学元件时在该衍射光学元件上彼此之间的距离，大于或小于相应形成的两个零阶光束入射至该至少一遮片时在该至少一遮片上彼此之间的距离。

较佳地，该复数他阶衍射光束投影至该主体外的一目标处以形成复数动态光点分布区域，该复数动态光点分布区域于该目标处上是部分重叠，任一该动态光点分布区域涵盖其他动态光点分布区域内、因该复数零阶光束被遮挡所形成的一或复数暗区。

本实用新型还提供一种动态激光光点分布产生装置，包括提供一激光光束的激光产生器、衍射图案产生器、衍射图案旋转器、零阶光调节器以及主体，该衍射图案产生器接收及衍射该激光光束以形成一第一衍射光束，其中，该第一衍射光束包括一零阶光束，该零阶光束的光强度较弱于该第一衍射光束的其他部分；该衍射图案旋转器固定并旋转该衍射图案产生器以使得该第一衍射光束为动态的；该零阶光调节器接收该第一衍射光束，其中，该零阶光调节器衍射该零阶光束以形成一零阶衍射光束，该第一衍射光束的其他部分通过该零阶光调节器以形成一他阶衍射光束，并且该零阶光束入射该零阶光调节器的入射角和该激光光束入射该衍射图案产生器的入射角相等；该主体固定该激光产生器、该衍射图案产生器、该衍射图案旋转器和该零阶光调节器，其中，该他阶衍射光束和该零阶衍射光束皆射出该主体外。

较佳地，该激光产生器包括一激光光源；该衍射图案产生器包括衍射光学元件；该衍射图案旋转器包括马达和由该马达驱动的旋转轴，该旋转轴的一端固定该衍射光学元件，该激光光源设置于该旋转轴和该马达两者至少之一的侧面；该零阶光调节器包括全息光学元件；该主体包括壳体或框体。

较佳地，该全息光学元件衍射该零阶光束，该第一衍射光束的其他部分则通过该零阶光调节器上非该全息光学元件的部分。

较佳地，该他阶衍射光束和该零阶衍射光束投影至该主体外的一目标处以形成复数光点分布区域，该复数光点分布区域于该目标处上是部分重叠。

本实用新型还提供一种动态激光光点分布产生装置，包括提供两个激光光束的两个激光光源、衍射光学元件、衍射图案旋转器、遮片及主体，该衍射光学元件接收及衍射该两个激光光束以形成两个第一衍射光束，其中，每一该第一衍射光束包括一零阶光束；该衍射图案旋转器固定并旋转该衍射光学元件以使得该两个第一衍射光束为动态的；该遮片接收该两个第一衍射光束、遮挡该两个零阶光束以形成两个他阶衍射光束，其中，该遮片具有遮挡该两个零阶光束的一暗点；该主体固定该两个激光光源、该衍射光学元件、该衍射图案旋转器和该遮片，其中，该两个他阶衍射光束射出该主体外，该遮片作为该主体的一窗口。

较佳地，该衍射光学元件和该遮片两者至少之一具有形成于其上的抗反射层。

本实用新型的动态激光光点分布产生装置，将一或二个激光光束入射旋转中的衍射光学元件，形成了包括零阶光束的第一衍射光束，在相同于激光光束入射衍射光学元件的入射角的情形下，零阶光束入射至零阶光调节器以被遮挡或吸收，第一衍射光束中的其他衍射光束则不起光学作用地通过零阶光调节器成为他阶衍射光束。复数道他阶衍射光束投影至一目标处以形成复数个动态光点分布的区域，这些动态光点分布区域是部分重叠以涵盖其他动态光点分布区域内、因零阶光束被遮挡所形成的暗区，动态光点可被撷取作为量测物体厚度和环境深度之用。

附图说明

图1为本实用新型动态激光光点分布产生装置的系统方块示意图。

图2为本实用新型动态激光光点分布产生装置于第一较佳实施例中的系统架构的侧视示意图。

图3为本实用新型动态激光光点分布产生装置于第二较佳实施例中的系统架构的侧视示意图。

图4为本实用新型动态激光光点分布产生装置于第三较佳实施例中的系统架构的侧视示意图。

具体实施方式

首先于此说明的是，本实用新型以下所述的目标处，其可以是动态激光光点分布投影的一平面上，此平面将于后续的实施例中说明。然本实用新型的目标处并不限于一平面，其亦可为一弧面、曲面或凹凸不一的轮廓。本实用新型的动态激光光点分布投影于目标处，其主要的目的是要让其他的摄像装置取像后，可萃取出此些动态激光光点以进行测量运算之用。又，由于普及的摄像装置配以CMOS摄像元件，故被取像的动态激光光点的光点之间的亮度差异必须缩小，以免亮度过亮的光点造成CMOS摄像元件的饱和，进而使得动态激光光点分布无法发挥测量的作用。

其次，为符合现代电子装置轻薄短小的设计，本实用新型以下所称的动态激光光点分布产生装置，基本上包括一壳体或一框架(frame)以将元件整合一起，被整合的元件主要有激光产生器、衍射光学元件和遮光器或调光器。但不限地，旋转衍射光学元件的马达和旋转架亦可被整合固定于壳体中、壳体上或框架上。如此设计的优点之一，在于整个动态激光光点分布产生装置可以藉由插拔(push and plug)的方式，轻易地与其他结构或装置结合或脱离。

再者，本实用新型以下所称的激光产生器，其产生特定波长的激光光束，例如波长为808nm或830nm。其次，由激光产生器产生的激光光束可以具有椭圆或圆形截面，其以准直光束为优选。

图1为本实用新型动态激光光点分布产生装置的系统方块示意图。请参考图1，动态激光光点分布产生装置2包括激光产生器10、衍射图案产生器20、零阶光调节器30和衍射图案旋转器40。于第一实施例中，动态激光光点分布产生装置2更包括一主体(main body)50，激光产生器10、衍射图案产生器20、零阶光调节器30和衍射图案旋转器40可被安装、固定或包覆于主体50上或其中。其次，若干端口52可设置于主体50上，用以接收外界导线传递的电力或更包括控制信号等，藉以提供激光产生器10和衍射图案旋转器40运作所需的电力或更包括受控于外界指令。

其次，在此系统的后续实施例中，举例但不限地，激光产生器10可包括一或多支激光光源；衍射图案产生器20包括衍射光学元件(DOE)，主要为穿透式衍射光学元件，其可衍射来自激光产生器10的激光，并且藉由设计来控制通过衍射图案产生器20的激光光量和光点分布的图样；零阶光调节器30可以是同时可让衍射光穿透以及遮挡零阶光的遮片(blocker)，或是将零阶光产生衍射的全息光学元件(HOE)，上述的衍射光学元件、遮片和全像光学元件皆可有抗反射层(AR)形成于其上；以及，衍射图案旋转器40包括伺服马达以及旋转轴，其旋转衍射图案产生器20以产生动态的衍射光点。又，主体50可以是一壳体或一封闭体或框架，其可为封闭式或开放式，其中，零阶光调节器30可以是主体50的一窗口(window)，动态激光光点分布通过窗口后投影至前方的目标处，主体50的窗口亦可以仅是对应零阶光调节器30的一开口。

图2为本实用新型动态激光光点分布产生装置于第一实施例中的系统架构的部分元件侧视示意图。请参考图2，一衍射光学元件22设置于两个激光光源12、14的前方，两个激光光源12、14的两激光光束121、141入射衍射光学元件22并被衍射形成穿透衍射光学元件22的第一衍射光束123、143。第一衍射光束123、143于空间中为锥状分布并包括零阶光束122、142。于本实用新型中，零阶光束122、142的行进方向大致上和激光光束121、141入射衍射光学元件22前的行进方向平行，且通过衍射光学元件22的微小偏移(offset)可以忽略，故零阶光束122、142的行进方向可视为与激光光束121、141的行进方向相同。又，本实用新型采用穿透式的衍射光学元件22接收并衍射激光光束121、141，可于输出第一衍射光束123、143的出光面上形成一抗反射层(AR coating)，但本实用新型不限于此，衍射光学元件22接收激光光束121、141的受光面上亦可形成抗反射层。

续参考图2，其次，衍射光学元件22是可旋转地固定于一旋转轴42上，通过马达44旋转旋转轴42，进而带动旋转衍射光学元件22。本实用新型中，以旋转轴42的长轴作为旋转轴心，旋转轴42的长轴大致上垂直于片状的衍射光学元件22，故衍射光学元件22是以自转的方式旋转。再者，透过安排，于衍射光学元件22的旋转过程中，本实用新型的激光光束121、141的激光光束皆可入射至衍射光学元件22，激光光束121、141入射至衍射光学元件22的入射角可相同或不同。上述安排的方式，例如但不限地，将激光光束121、141配置于旋转轴42的侧面，旋转轴42的一末端固定衍射光学元件22，即激光光束121、141的出光面前方为衍射光学元件22。又一种安排方式是，旋转轴42的一末端连接马达44，马达44的侧面或后方放置激光光束121、141，旋转轴42的另一端(较远离马达44的一端)固定衍射光学元件22，激光光束121、141的出光面前方仍为衍射光学元件22。

续参考图2，一遮片32配置于衍射光学元件22的前方并大致上平行衍射光学元件22。零阶光束122、142以原本的行进方向入射至遮片32上，并且被遮片32阻挡而不穿透遮片32。而第一衍射光束123、143的光束亦以原本的行进方向入射至遮片32上，并且穿透遮片32后继续行进至前方的目标处60。其次，遮片32的受光面和出光面亦可有抗反射层形成于其上。于第一实施例中，零阶光束122、142自衍射光学元件22处逐渐彼此接近，到达遮片32时重合一起而为遮片32上的一暗点或一处所阻挡，然本实用新型不限于此种方式，待后再述。又，遮片32可以利用包括若干黑色或深色点的透明片来实现遮挡零阶光并让衍射光束通过的作用，遮片32不会再进一步衍射或处理第一衍射光束123、143。是以，第一衍射光束123通过遮片32后形成没有零阶光束的他阶衍射光束125(zero-order-free diffractive lightbeam)，他阶衍射光束125亦为锥状，且他阶衍射光束125投影至目标处60呈现复数光点分布的区域602。同理，第一衍射光束143通过遮片32后形成没有零阶光束的他阶衍射光束145，他阶衍射光束145亦为锥状，且他阶衍射光束145投影至目标处60呈现复数光点分布的区域604。

续参考图2，要说明的是，由于衍射光学元件22的旋转，故他阶衍射光束125和他阶衍射光束145投影于目标处60的光点是可动的而非仅静止于目标处60。如此移动的光点分布可用来测量通过目标处60的一物件的厚度和物件的静止、移动或行进情况。本实用新型中，可调整激光光源12、14的出光面角度，使得投影于目标处60的区域602和区域604重叠。其次，遮片32的遮挡零阶光束作用会造成他阶衍射光束125和他阶衍射光束145投影于目标处60时产生若干暗区于区域602和区域604中，暗区位置如图2中分别由零阶光束122、142延伸的虚线至目标处60所示。本实用新型的区域602和区域604部分重叠并涵盖彼此的暗区，各区域的投影光点的持续移动可以弱化该些暗区的影响。是以，透过上述设计，可以阻挡零阶光束到达目标处60而造成过亮点或过亮区域的缺点，进而避免后续摄像装置因取样过亮点饱和而无法进行运算。

续参考图2，本实用新型的动态激光光点分布产生装置可整合于一壳体或框架上，举例但不限地，实现时可以采用15×10mm大小的激光二极管(laser diode，LD)作为激光光源，选用可衍射出20000～30000个光点的衍射光学元件22，投影至目标处60的区域602或区域604的大小则直径约为150mm，衍射光学元件22和遮片32之间的间隔约30mm，遮片32至目标处60之间的距离则约75cm～150cm。此外，遮片32可仅为黑色的遮挡片，或包括遮挡用的暗点322，暗点322的尺寸大致上与入射的零阶光束的截面积相当，例如相等或略大。

图3为本实用新型动态激光光点分布产生装置于第二实施例中的系统架构的部分元件的侧视示意图。第一实施例和第二实施例相同之处不赘述，差异处如下说明。于第二实施例中，激光光源16、18分设于马达44的侧边，激光光源16、18倾斜的方式使得通过衍射光学元件22的零阶光束162、182彼此逐渐远离，进而入射至单一遮片34的二个分开配置的暗点342上，或是入射至二片分开的遮片34的暗点342上。是以，第一实施例中，零阶光束122、142在遮片32上彼此之间的距离小于第一衍射光束123、143在衍射光学元件22上彼此之间的距离；第一衍射光束123、143在衍射光学元件22上的距离则小于激光光束121、141从激光光源12、14发出时的距离。而在第二实施例中，则是零阶光束162、182在遮片34上两者相距的距离大于第一衍射光束123、143在衍射光学元件22上的距离；第一衍射光束123、143在衍射光学元件22上的距离则大于激光光束121、141从激光光源16、18发出时的距离。但基本上，在本实用新型动态激光光点分布产生装置中，零阶光束的行进方向和自激光光源发出的激光光束相同，零阶光束并没有被折射而改变光行进的方向。

图4为本实用新型动态激光光点分布产生装置于第三实施例中的系统架构的部分元件的侧视示意图。第三实施例采用单一激光光源19，激光光源19发出激光光束191入射至可旋转的衍射光学元件24，衍射光学元件24衍射激光光束191以产生包括零阶光束192的第一衍射光束193。第一衍射光束193中的零阶光束192入射至一包括全息光学元件的遮片36被衍射后形成零阶衍射光束195，第一衍射光束193的其他部分则通过包括全息光学元件的遮片36旁不处理光束的区域(非全息光学元件的部分)而形成他阶衍射光束175。

续参考图4，他阶衍射光束175到达目标处60并涵盖目标处60的区域607，零阶衍射光束195到达目标处60则涵盖目标处60的区域609，其中，区域607为一环状区块，区域609则位于区域607的环状区块的中心区块且和区域607部分重叠。于第三实施例中，透过衍射光学元件24的设计，可使得零阶衍射光束195分布于呈现环状区块的区域607中的区域609中，而旋转的衍射光学元件24使得他阶衍射光束175呈现动态的光点移动。其次，透过衍射光学元件24的设计，使得零阶光束192的光强度少于第一衍射光束193中的其他部分。透过包括全息光学元件的遮片36的设计，可将光强度较弱的零阶光束192衍射为光点数目较少的零阶衍射光束195，如此可避免通过包括全息光学元件的遮片36的零阶光束192的光强度过亮，同时填补环状区块的区域607的较暗中心部分(区域609)。

以上所述的实施例仅是为说明本实用新型的技术思想及特点，其目的在使本技术领域普通技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，当不能以之限定本实用新型的专利权保护范围，即大凡依本实用新型所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本实用新型的专利权保护范围内。

Claims (10)

1.一种动态激光光点分布产生装置，其特征在于，包括：

提供复数激光光束的激光产生器；

衍射图案产生器，其接收及衍射该复数激光光束以形成复数第一衍射光束，其中，每一该第一衍射光束包括一零阶光束；

衍射图案旋转器，其固定并旋转该衍射图案产生器以使得该复数第一衍射光束为动态的；

零阶光调节器，其接收该复数第一衍射光束、遮挡该复数零阶光束以形成复数他阶衍射光束，其中，该复数零阶光束入射该零阶光调节器的入射角和该复数激光光束入射该衍射图案产生器的入射角相等；及

主体，其固定该激光产生器、该衍射图案产生器、该衍射图案旋转器和该零阶光调节器，其中，该复数他阶衍射光束射出该主体外。

2.如权利要求1所述的动态激光光点分布产生装置，其特征在于，

该激光产生器包括两个激光光源；

该衍射图案产生器包括衍射光学元件；

该衍射图案旋转器包括马达和由该马达驱动的旋转轴，该旋转轴的一端固定该衍射光学元件，该两个激光光源设置于该旋转轴和该马达两者至少之一的侧面；及

该零阶光调节器包括至少一遮片，该遮片具有遮挡该复数零阶光束的至少一暗点。

3.如权利要求2所述的动态激光光点分布产生装置，其特征在于，该两个激光光源所产生的两个激光光束入射至该衍射光学元件时在该衍射光学元件上彼此之间的距离，大于或小于相应形成的两个零阶光束入射至该至少一遮片时在该至少一遮片上彼此之间的距离。

4.如权利要求1、2或3所述的动态激光光点分布产生装置，其特征在于，该复数他阶衍射光束投影至该主体外的一目标处以形成复数动态光点分布区域，该复数动态光点分布区域于该目标处上是部分重叠，任一该动态光点分布区域涵盖其他动态光点分布区域内、因该复数零阶光束被遮挡所形成的一或复数暗区。

5.一种动态激光光点分布产生装置，其特征在于，包括：

提供一激光光束的激光产生器；

衍射图案产生器，其接收及衍射该激光光束以形成一第一衍射光束，其中，该第一衍射光束包括一零阶光束，该零阶光束的光强度较弱于该第一衍射光束的其他部分；

衍射图案旋转器，其固定并旋转该衍射图案产生器以使得该第一衍射光束为动态的；

零阶光调节器，其接收该第一衍射光束，其中，该零阶光调节器衍射该零阶光束以形成一零阶衍射光束，该第一衍射光束的其他部分通过该零阶光调节器以形成一他阶衍射光束，并且该零阶光束入射该零阶光调节器的入射角和该激光光束入射该衍射图案产生器的入射角相等；及

主体，其固定该激光产生器、该衍射图案产生器、该衍射图案旋转器和该零阶光调节器，其中，该他阶衍射光束和该零阶衍射光束皆射出该主体外。

6.如权利要求5所述的动态激光光点分布产生装置，其特征在于，

该激光产生器包括一激光光源；

该衍射图案产生器包括衍射光学元件；

该衍射图案旋转器包括马达和由该马达驱动的旋转轴，该旋转轴的一端固定该衍射光学元件，该激光光源设置于该旋转轴和该马达两者至少之一的侧面；

该零阶光调节器包括全息光学元件；及

该主体包括壳体或框体。

7.如权利要求6所述的动态激光光点分布产生装置，其特征在于，该全息光学元件衍射该零阶光束，该第一衍射光束的其他部分则通过该零阶光调节器上非该全息光学元件的部分。

8.如权利要求7所述的动态激光光点分布产生装置，其特征在于，该他阶衍射光束和该零阶衍射光束投影至该主体外的一目标处以形成复数光点分布区域，该复数光点分布区域于该目标处上是部分重叠。

9.一种动态激光光点分布产生装置，其特征在于，包括：

提供两个激光光束的两个激光光源；

衍射光学元件，其接收及衍射该两个激光光束以形成两个第一衍射光束，其中，每一该第一衍射光束包括一零阶光束；

衍射图案旋转器，其固定并旋转该衍射光学元件以使得该两个第一衍射光束为动态的；

遮片，其接收该两个第一衍射光束、遮挡该两个零阶光束以形成两个他阶衍射光束，其中，该遮片具有遮挡该两个零阶光束的一暗点；及

主体，其固定该两个激光光源、该衍射光学元件、该衍射图案旋转器和该遮片，其中，该两个他阶衍射光束射出该主体外，该遮片作为该主体的一窗口。

10.如权利要求9所述的动态激光光点分布产生装置，其特征在于，该衍射光学元件和该遮片两者至少之一具有形成于其上的抗反射层。