TWI226505B - System for generating laser structured light with sinusoidal intensity distribution - Google Patents
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Description
1226505 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種投光系統，尤指一種適用於產生正 弦光強度分布之結構光的系統。 5 【先前技術】 正弦光強度分布之干涉圖形為機械式干涉系統中最常 使用之投射圖案，係因其可用來量測物體表面之三維形 貌。然而，此種投射圖案並不容易獲得，產生此種投射圖 1〇案之投光裝置或相關之系統的體積往往過於龐大，且光使 用效率低。 目月）產生正弦光強度分布之干涉圖形的投光裝置係採 用下述幾種方式來達成·· i _利用太曼格林（Twyman Green) 干涉儀或其他形式之干涉儀，藉由傾斜一角度來投射出正 15弦光強度分布之條紋圖案。2·利用雷射、擴束器以及穿透 式維振幅正弦光栅來投射出正弦光強度分布之條紋圖 案。3·利用投影設備加上黑白光柵以及散焦投影透鏡 (Def0cus Pr〇jecti〇n Lens)來投射出正弦光強度分布之條 紋圖案。4·利用投影設備加上穿透式一維振幅正弦光柵來 20投射出正弦光強度分布之條紋圖案。 因此’如何提供一種結構簡單、光學效率高且成本低 之產生正弦光強度分布之干涉圖形的投光裝置，已成為一 亟需解決之課題。 1226505 正弦光強度分布之干涉圖形13。於本實施例中，同調光源 11可為氣體雷射、二極體雷射、面射型二極體雷射、固態 田射-極體幫浦固態雷射、及液體染料雷射等雷射果置， 較佳為氣體雷射，其種類可為倍頻或多頻雷射、單模或多 5模雷射。有關如何透過相位式繞射光學元㈣來產生正弦 光強度分布之干涉圖形13的說明，將於下述詳加說明。其 中，正弦光強度分布可由下面數學式表示： 1 = !〇(1 + YCosp(r)) I。是基本光強度項’ γ是調制★強度項，f是一空間位 10 置向量函數，可以以直角庙；^矣+ ★ , 、 ， t 一， 且月I铩表不「= r(x,y,z)、柱型座標表 示「=「(ρ,θ,ζ)或圓座標表示「=「(「,㊀,中）。 圖2係顯示設計產生上述之相位式繞射光學元件丨2的 數學模型示意圖，有關其說明敬請一併參照^，包含光束 輸入平面與光束輸出平面22，其中，繞射光學元件位於 15輸入平面。該光束輸入平面21接收同調光源"所提供之 入射光源200’經由繞射光學元件調制後，於該光束輸出平 面22產生一正弦光強度分布之干涉圖形13，其中，光束輸 入平面2丨上有一代表該平面之第一波動函數，第一波= 函數U1可表不成⑺风♦♦州哪[坳㈨，州];光束輸出平面 20 22上則有-代表該平面之第二波動函數⑴，第二波動函數 1；2可表不成£/2(成>；2)=外：2，少2)哪^^2，別]，而第一波動函數 m及第二波動函數⑴之間係存在有—轉換函數〇，轉換函 數G與第-波動函數m及第二波動函數仍之關係，係表示 如下： 1226505
U2(x29y2) = SG(x2,y2;xl9yl)U2(x2^2)dxldyl = GUI 由於上述該數學表示式為連續積分函數，因此為了簡 化卩牛低。又δ十的什异里，係在光束輸入平面2丨取N1個取樣 點，在光束輸出平面22取Ν2個取樣點，使得第一波動函數 5 m及第二波動函數112轉成以矩陣形式表示，而轉換函數〇 則成為一 NlxN2的矩陣，則數學表示式轉換如下：
NI
Un^GijUij 5 j~l 藉由上述第一波動函數lπ、第二波動函數U2#及轉換 函數G來定義一誤差函數1)(圖未示）： 10 ^ = ||c/2-GC/l| 繼而在定義誤差函數D後，係對該誤差函數D進行一優 化處理，有關該優化處理係可採用適當的優化演算法，如 S /貝t法、直接一元搜哥法、模擬退火演算法、遺傳基 口廣异法或楊-顧演算法等。於本實施例中採用揚_顧演算 15法來進行優化處理，以在相位式繞射光學元件12上設計一 具相位調制功能之浮雕表面。 圖3係一模擬結果的浮雕表面圖31，其係位於上述之 光束輸入平面，且在此所顯現之浮雕表面31係為一理想連 、、之叹°十圖4則為圖3之浮雕表面3 1在X轴上的截面圖。 20圖5則為實際製程中浮雕表面在X軸上的截面圖，其係採用 三道光罩’故量化步階數為8。圖6係顯示理想之χ軸方向 上的正弦光強度分布之干涉圖形截面圖。圖7係顯示模擬結 果在X軸方向上的正弦光強度分布之干涉圖形截面圖。圖8 1226505 則顯示本發明所投射之正弦光強度分布之干涉圖形的各種 形狀不意圖。透過相位式繞射元件12,所投射之正弦光強 度分布之干涉圖形係可呈現直線形、點狀、格子點狀、平 行線狀、虛線狀、單一圓形狀、同心圓狀、十字交又狀、 5或早-矩形狀等各種形狀，干涉圖形亦可使用下列數學式 所表不. 1 = !〇(1 + YCoS9(r)) 另外’除了使用相位式繞射元件12，亦可使用振幅式 繞射光學元件或相位與振幅混合式繞射光學元件，以達到 10 相同或類似之效果。 由以上之說明可知，本發明係以光束輸入平面所接收 之同調光源的光場分布以及欲輸出之呈正弦波變化的光場 分布來設計繞射光學元件上的浮雕結構，俾供同調光源經 由繞射光學元件而產生正弦光強度分布之干涉圖形，以提 15供輕薄短小、出光效率高且能投射出正弦光強度分布之圖 形的投光系統。 上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所 主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限 於上述實施例。 又 【圖式簡單說明】 圖1係本發明一實施例之架構示意圖。 圖2係本發明一實施例之相位式繞射元件的數學模型 示意圖。 20 1226505 圖3係本發明一實施例之模擬結果的浮雕表面圖。 圖4係本發明一實施例之模擬結果的浮雕表面在X軸 上的截面圖。 圖5係本發明一實施例之實際浮雕表面的X軸上截面 5圖。 圖6係本發明一實施例之理想連續X軸方向上的正弦 光強度刀布之干涉圖形截面圖。 圖7係本發明一實施例之示實際模擬X軸方向上的正 弦光強度分布之干涉圖形截面圖。 〇 圖8係本發明一較佳實施例之各種正弦光強度分布之 干涉圖形的形狀示意圖。 【圖號說明】 同調光源 11 相位式繞射光學元件 12 正弦光強度分布之干涉圖 13 入射光源 200 形 光束輸入平面 21 光束輸出平面 22 第一波動函數 211 弟—波動函數 212 線性轉換函數 23 浮雕表面 31
Claims (1)
1226505 申請案號·· 092130458修正頁 ] v:；^ U:i 拾、申請專利範圍： 一― ι· 一種產生正弦光強度分布之結構光的系統，包括·· @调㈣，係』以提供-具同調性的人射光源； 以及 5 至少一繞射光學元件，係調制該同調光源使其光強 度變化轉換成一正弦波強度變化，其中达 元件係依據-優化數學模型製作，該廣化數學模 具有相位調制功能的相位式繞射光學元件之一浮雕表面、 一光束輸入平面以及一光束輸出平面，該光束輸入平面係 ω存在一第一波動函數，該光束輸出平面存在一第二波動函 數，該第一波動函數與該第二波動函數之間並存在一轉換 函數，且該第一波動函數和該轉換函數相乘積結果與該第 二波動函數之間存在-誤差函數的關係，俾供透過對該誤 差函數來進行優化處理，以產生該浮雕表面，使得該同調 15光源透過該浮雕表面調制於光束輸出平面產生該正弦光強 度分布之一干涉圖形。 2.如申請專利範圍第丨項所述之系統，其中，該正弦 光強度分布可由下面數學式表示 20 I = 1。(1 + yCoscpf)) 其中，I。是基本光強度項，γ是調制光強度項，卩是一空間 位置向量函數，可以以直角座標表示f = r(x,y,z)、柱型座標 表示F =「(ρ,θ,ζ)或圓座標表示^ =吵,θ,φ)。 1226505 申請案號·· 092130458修正頁 5 10 3 •如申請專利範圍第丨項所述之系統，其 先源係可為氣體雷射。 、 4.如申請專利範圍第1項所述之系統，其中 九源可為二極體雷射（Laserdiode)。 、 一、5·如申請專利範圍第1項所述之系、4 光源可為面射型二極體雷射（VCSEL)。 一、6·如申請專利範圍第丨項所述之系統 光源可為固態雷射（Solid state laser;。 ♦ 7·如申請專利範圍第1項所述之系統ν、· 、…原可為_極體幫浦固態雷射（Di〇de pumping⑽似state laser) 〇 該同調 該同調 其中，該同調 其中，該同調 其中，該同調 8·如申請專利範圍第丨項所述之系統，其中，該同調 光源可為倍頻或多頻雷射。 9 ·如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該同調 15光源可為液體染料雷射（Dye laser )。 1 〇 ·如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該同 5周光源可為早模或多模雷射。 1 1 ·如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該繞 射光學元件可為相位式繞射光學元件。 20 1 2 ·如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該繞 射光學元件可為振幅式繞射光學元件。 1 3 ·如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該繞 射光學元件可為相位與振幅混合式繞射光學元件。 12 J226505 申請案號：092130458修正頁 1 4 .如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該干 涉圖形可為直線型正弦光強度分布。 1 5 .如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該干 涉圖形可為圓形正弦光強度分布。 5 1 6 .如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該干 涉圖形可為點狀正弦光強度分布。 1 7 .如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該干 涉圖形可為格子點狀正弦光強度分布\ 1 8 .如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該干 10 涉圖形可為符合公式I = 1。(1 + yCoscpi))。
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