用于投射離散光斑的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，特別涉及用于投射離散光斑的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在例如三維光學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域中，為了便于測(cè)量，需要向測(cè)量空間投射離散光斑。
[0003]例如，將離散光斑投射到拍攝區(qū)域中的物體上，通過(guò)拍攝物體上的光斑，并對(duì)光斑的圖像進(jìn)行處理，可以構(gòu)建物體的三維圖像。
[0004]這樣，一方面，需要從通常直徑很細(xì)的光束(一般為準(zhǔn)直激光束)擴(kuò)散成大幅面的離散光斑圖案，另一方面，每一個(gè)光斑的能量應(yīng)當(dāng)足夠低，以免對(duì)拍攝區(qū)域中的人眼造成損傷。
[0005]一種容易想到的從細(xì)窄光束產(chǎn)生這樣的大幅面離散光斑圖案的方法如下:
[0006]首先，使用前置的衍射元件將入射光束按照二維陣列形式，分束為m行η列共mXn個(gè)子光束，m和η均為大于或等于3的奇數(shù)。例如，分束為3X3個(gè)子光束，5X5個(gè)子光束，或者3X5個(gè)子光束。
[0007]然后，使用后置的衍射元件對(duì)每個(gè)子光束進(jìn)行散射，以便分別形成一個(gè)較小矩形范圍內(nèi)的離散光斑圖案。每個(gè)小矩形離散光斑圖案可以基本上相同。
[0008]同時(shí)，前置和后置的衍射元件被設(shè)計(jì)為，使得由每個(gè)子光束產(chǎn)生的小矩形離散光斑圖案在行和列兩個(gè)方向上相互拼接，從而形成一個(gè)大幅離散光斑圖案。
[0009]圖1A和圖1B分別示意性地示出了采用上述方法可以產(chǎn)生的兩種離散光斑圖案。其中，圖1A示出了前置衍射元件將入射光束分束為3X3個(gè)子光束的情況，圖1B示出了前置衍射元件將入射光束分束為5X5個(gè)子光束的情況。
[0010]然而，采用這種方案，前置和后置衍射元件的設(shè)計(jì)要求比較高，難度較大。
[0011]一方面，以二維陣列形式進(jìn)行衍射的前置衍射元件的設(shè)計(jì)要求比較高，難度較大，而且不便于進(jìn)一步增大行數(shù)和列數(shù)。例如，如果要將行數(shù)和/或列數(shù)增大到7或9，設(shè)計(jì)難度將急劇增大。
[0012]另一方面，要在行和列兩個(gè)方向上拼接mXn個(gè)小矩形離散光斑圖案，對(duì)前置和后置衍射元件的設(shè)計(jì)要求也比較高，難度較大。
[0013]高的設(shè)計(jì)要求和難度使得人們不得不在成本的上升和離散光斑圖案幅面的進(jìn)一步擴(kuò)大之間尋求平衡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明要解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于投射離散光斑的裝置和方法，使得能夠使用設(shè)計(jì)相對(duì)較為簡(jiǎn)單的元件來(lái)獲得大幅離散光斑圖案。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于投射離散光斑的裝置，包括:光學(xué)分束器，被設(shè)計(jì)為將入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N個(gè)子光束，其中N為奇數(shù)；以及光學(xué)擴(kuò)散片，被設(shè)計(jì)為將N個(gè)子光束擴(kuò)散為N個(gè)帶狀光束，當(dāng)N個(gè)帶狀光束投射到垂直于光學(xué)擴(kuò)散片的光軸的平面上時(shí)，在平面上形成N個(gè)帶狀離散光斑圖案，并且光學(xué)分束器和光學(xué)擴(kuò)散片被設(shè)計(jì)為使得N個(gè)帶狀離散光斑圖案在第一方向上相互拼接，從而形成一個(gè)大幅離散光斑圖案。
[0016]優(yōu)選地，光學(xué)分束器和光學(xué)擴(kuò)散片都是光學(xué)衍射元件。
[0017]優(yōu)選地，光學(xué)分束器可以包括多個(gè)光學(xué)衍射元件，多個(gè)光學(xué)衍射元件對(duì)入射光束進(jìn)行分步分束，從而形成N個(gè)子光束。
[0018]優(yōu)選地，光學(xué)分束器可以包括:第一光學(xué)衍射元件，被設(shè)計(jì)為將入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的NI個(gè)子光束，其中NI為奇數(shù)；以及第二光學(xué)衍射元件，被設(shè)計(jì)為將NI個(gè)子光束中的每一個(gè)在第一方向上分束成能量基本上相同的N2個(gè)子光束，其中N2為奇數(shù)，并且NI X N2 = No
[0019]優(yōu)選地，其中光學(xué)分束器可以包括:第三光學(xué)衍射元件，被設(shè)計(jì)為將入射光束在第一方向上分束成N3個(gè)子光束，N3個(gè)子光束包括I個(gè)零級(jí)子光束和N3-1個(gè)非零級(jí)子光束，N3-1個(gè)非零級(jí)子光束的能量基本上相同，零級(jí)子光束的能量高于非零級(jí)子光束的能量，其中N3為奇數(shù)；以及第四光學(xué)衍射元件，被設(shè)計(jì)為將零級(jí)子光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N4個(gè)子光束，其中N4為奇數(shù)，并且N3 - 1+N4 = N。
[0020]優(yōu)選地，帶狀離散光斑圖案在第二方向上的長(zhǎng)度是第一方向上的長(zhǎng)度的M倍，并且滿足下述條件:3/5 ( M/N ( 5/3 ο
[0021]優(yōu)選地，該裝置還可以包括:準(zhǔn)直激光發(fā)生器，用于產(chǎn)生準(zhǔn)直激光束，以作為入射光束。
[0022]優(yōu)選地，第一方向是水平方向，第二方向是豎直方向；或者第一方向是豎直方向，第二方向是水平方向。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種用于投射離散光斑的方法，包括:用光學(xué)分束器將入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N個(gè)子光束，其中N為奇數(shù)；以及用光學(xué)擴(kuò)散片將N個(gè)子光束擴(kuò)散為N個(gè)帶狀光束，當(dāng)N個(gè)帶狀光束投射到垂直于光學(xué)擴(kuò)散片的光軸的平面上時(shí)，在平面上形成N個(gè)帶狀離散光斑圖案，并且光學(xué)分束器和光學(xué)擴(kuò)散片被設(shè)計(jì)為使得N個(gè)帶狀離散光斑圖案在第一方向上相互拼接，從而形成一個(gè)大幅離散光斑圖案。
[0024]優(yōu)選地，光學(xué)分束器可以包括第一光學(xué)衍射元件和第二光學(xué)衍射元件，用光學(xué)分束器將入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N個(gè)子光束的步驟可以包括:用第一光學(xué)衍射元件將入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的NI個(gè)子光束，其中NI為奇數(shù)；以及用第二光學(xué)衍射元件將NI個(gè)子光束中的每一個(gè)在第一方向上分束成能量基本上相同的N2個(gè)子光束，其中N2為奇數(shù)，并且N1XN2 = N。
[0025]優(yōu)選地，光學(xué)分束器可以包括第三光學(xué)衍射元件和第四光學(xué)衍射元件，用光學(xué)分束器將入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N個(gè)子光束的步驟可以包括:用第三光學(xué)衍射元件將入射光束在第一方向上分束成N3個(gè)子光束，N3個(gè)子光束包括I個(gè)零級(jí)子光束和N3-1個(gè)非零級(jí)子光束，N3-1個(gè)非零級(jí)子光束的能量基本上相同，零級(jí)子光束的能量高于非零級(jí)子光束的能量，其中N3為奇數(shù)；以及用第四光學(xué)衍射元件將零級(jí)子光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N4個(gè)子光束，其中N4為奇數(shù)，并且N3 - 1+N4 = N。
[0026]優(yōu)選地，帶狀離散光斑圖案在第二方向上的長(zhǎng)度是第一方向上的長(zhǎng)度的M倍，并且滿足下述條件:3/5 ( M/N ( 5/3 ο
[0027]總地來(lái)說(shuō)，為了從細(xì)窄的準(zhǔn)直光束產(chǎn)生大幅的離散光斑圖案，按照常規(guī)思路，容易想到在通過(guò)前置衍射元件進(jìn)行分束時(shí)就按二維矩陣形式分束，以子光束陣列的形式初步形成想要形成的離散光斑圖案的大致框架；然后在此框架基礎(chǔ)上，通過(guò)后置衍射元件進(jìn)行細(xì)化，將每個(gè)子光束擴(kuò)散成一個(gè)較小的矩形光斑圖案；并將多個(gè)陣列形式的子光束產(chǎn)生的陣列形式排列的矩形光斑圖案在兩個(gè)方向上拼接。
[0028]然而，根據(jù)本發(fā)明，脫離了上述常規(guī)思路，光學(xué)分束器只在一個(gè)方向上分束，而由光學(xué)擴(kuò)散器來(lái)實(shí)現(xiàn)在另一個(gè)方向上的擴(kuò)展，并且只需要在一個(gè)方向上進(jìn)行帶狀離散光斑圖案的拼接。降低了光學(xué)元件的設(shè)計(jì)難度。
【附圖說(shuō)明】
[0029]通過(guò)結(jié)合附圖對(duì)本公開(kāi)示例性實(shí)施方式進(jìn)行更詳細(xì)的描述，本公開(kāi)的上述以及其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)將變得更加明顯，其中，在本公開(kāi)示例性實(shí)施方式中，相同的參考標(biāo)號(hào)通常代表相同部件。
[0030]圖1A和圖1B分別示意性地示出了采用上述方法可以產(chǎn)生的兩種離散光斑圖案。
[0031]圖2是根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的示意性側(cè)視圖。
[0032]圖3是圖2中的虛平面400上形成的示意性光點(diǎn)圖案。
[0033]圖4A和圖4B示意性地示出了在虛平面600上形成的離散光斑圖案。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本公開(kāi)的優(yōu)選實(shí)施方式。雖然附圖中顯示了本公開(kāi)的優(yōu)選實(shí)施方式，然而應(yīng)該理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本公開(kāi)而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施方式所限制。相反，提供這些實(shí)施方式是為了使本公開(kāi)更加透徹和完整，并且能夠?qū)⒈竟_(kāi)的范圍完整地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。
[0035]圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的示意性側(cè)視圖。
[0036]光源I 一般可以是準(zhǔn)直激光發(fā)生器，用于產(chǎn)生光束(準(zhǔn)直激光束)100。
[0037]光束100入射到用于投射離散光斑的裝置2。
[0038]裝置2包括光學(xué)分束器10和光學(xué)擴(kuò)散片20。光學(xué)分束器10和光學(xué)擴(kuò)散片20都可以是光學(xué)衍射元件。設(shè)計(jì)光學(xué)衍射元件以實(shí)現(xiàn)光學(xué)分束器10和光學(xué)擴(kuò)散片20的效果是本領(lǐng)域所公知的，在此不再詳細(xì)描述光學(xué)分束器10和光學(xué)擴(kuò)散片20的具體光學(xué)設(shè)計(jì)。
[0039]光學(xué)分束器10被設(shè)計(jì)為將入射光束100在第一方向上分束成能量基本上相同的N個(gè)子光束200，其中N為奇數(shù)。例如，N可以是5，7，9，甚至更多。
[0040]第一方向可以是水平方向，也可以是豎直方向。相應(yīng)地，下面描述的第二方向可以是豎直方向，也可以是水平方向。
[0041]一些情況下，第一方向和第二方向也可以是相互垂直但與水平方向成一夾角的方向。該夾角是銳角。
[0042]圖3示意性地示出了 N個(gè)子光束200在光學(xué)分束器10和光學(xué)擴(kuò)散片20之間的虛平面400上將產(chǎn)生的光點(diǎn)210。其中示出5個(gè)光點(diǎn)210在豎直方向上排成一條線。即入射光束100被分成5個(gè)子光束200之后，5個(gè)子光束200在虛平面400上將產(chǎn)生的光點(diǎn)210。
[0043]光點(diǎn)210的數(shù)量也可以是7個(gè)、9個(gè)或更多。
[0044]光點(diǎn)210也可以沿水平方向排成一條線?；蛘撸恻c(diǎn)210也可以沿傾斜的方向排成一條線。
[0045]由于只在一個(gè)方向上進(jìn)行分束，光學(xué)分束器10的設(shè)計(jì)難度相對(duì)較小。
[0046]在一個(gè)改進(jìn)實(shí)施例中，光學(xué)分束器10可以包括多個(gè)光學(xué)衍射元件(圖中未示出)。多個(gè)光學(xué)衍射元件對(duì)入射光束進(jìn)行分步分束，從而形成N個(gè)子光束。
[0047]例如，光學(xué)分束器10可以包括兩個(gè)光學(xué)衍射元件，即第一光學(xué)衍射元件和第二光學(xué)衍射元件(圖中未示出)。
[0048]第一光學(xué)衍射元件被設(shè)計(jì)為將入射光束在第一方向上分束成能量基本上相同的NI個(gè)子光束，其中NI為奇數(shù)。
[0049]第二光學(xué)衍射元件被設(shè)計(jì)為將NI個(gè)