一种线性光源光学系统以及线激光扫描方法

摘要

本发明公开一种线性光源光学系统，光源系统包括：电路板、阵列光源、直线移动机构、投影镜头和消畸变线激光透镜，阵列光源电连接在电路板上，投影镜头和消畸变线激光透镜相对固定设置；阵列光源发出的光可操作地射入投影镜头的光线入口。本申请提供的线性光源光学系统，阵列光源为单排，经过光学系统后，只产生一条激光线，可实现单线激光扫描，通过直线移动机构使阵列光源和投影镜头与消畸变线激光透镜的整体结构之间发生相对位移，使得一条激光线实现多视场激光线扫描，同时，光学系统中的消畸变线激光透镜，可以对大视场激光线进行畸变矫正，使得所有视场下均为无畸变激光线扫描。

权利要求

1.一种线性光源光学系统，其特征在于，所述光源系统包括：电路板、阵列光源、直线移动机构、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，所述投影镜头和消畸变线激光透镜相对固定设置，所述投影镜头的光线出口射入所述消畸变线激光透镜，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；

所述阵列光源为沿X方向设置的单行点光源，安装有所述阵列光源的所述电路板固定设置在所述直线移动机构上，在所述直线移动机构的作用下沿Y方向移动，所述投影镜头和消畸变线激光透镜固定设置在所述直线移动机构的一侧，所述阵列光源发出的光可操作地射入所述投影镜头的光线入口；

或，

所述投影镜头固定设置在所述直线移动机构上，所述消畸变线激光透镜固定设置在所述投影镜头上，所述电路板和阵列光源固定设置在所述直线移动机构的一侧，所述阵列光源包括多行沿X方向设置的点光源，多行点光源沿Y方向设置，所述阵列光源在所述电路板的驱动下，点亮其中一行或多行沿X方向排列的点光源，所述投影镜头和所述消畸变线激光透镜在所述直线移动机构的作用下沿Y方向移动，可操作地接收所述阵列光源发出的光。

2.如权利要求1所述的线性光源光学系统，其特征在于，所述阵列光源为VCSEL光源。

3.如权利要求1所述的线性光源光学系统，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。

4.如权利要求1所述的线性光源光学系统，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。

5.如权利要求1所述的线性光源光学系统，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。

6.如权利要求1所述的线性光源光学系统，其特征在于，所述直线移动机构为滚珠丝杠副或直线滑轨。

7.一种线性光源光学系统扫描方法，其特征在于，使用权利要求1‑6任意一项所述的线性光源光学系统，所述扫描方法包括：线激光沿着Y方向进行扫描，依靠直线移动机构对电路板在Y方向按照既定程式控制位移，阵列光源焊接在电路板上，即实现光源的Y方向按照既定程式运动位移；通过光学系统功能，实现不同视场角的扫描。

说明书

一种线性光源光学系统以及线激光扫描方法

技术领域

[0001] 本发明涉及3D深度成像技术领域，尤其涉及一种线性光源光学系统以及线激光扫描方法。

背景技术

[0002] 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：

[0003] 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；

[0004] 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；

[0005] 3、或者用DLP投影的方式，实现照明目标的点、线编码照明；

[0006] 4、边发射光源+准直+DOE的方式实现点或线照明方式；

[0007] 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

[0008] 本申请提供一种线性光源光学系统以及线激光扫描方法，解决了现有技术中大角度出射线激光束中的畸变，存在零级斑的技术问题。

[0009] 本申请提供一种线性光源光学系统，所述光源系统包括：电路板、阵列光源、直线移动机构、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，所述投影镜头和消畸变线激光透镜相对固定设置，所述投影镜头的光线出口射入所述消畸变线激光透镜；

[0010] 安装有所述阵列光源的所述电路板固定设置在所述直线移动机构上，所述投影镜头和消畸变线激光透镜固定设置在所述直线移动机构的一侧，所述阵列光源发出的光可操作地射入所述投影镜头的光线入口；

[0011] 或，

[0012] 所述投影镜头固定设置在所述直线移动机构上，所述消畸变线激光透镜固定设置在所述投影镜头上，所述电路板和阵列光源固定设置在所述直线移动机构的一侧，所述投影镜头可操作地接收所述阵列光源发出的光。

[0013] 在一些实施例中，所述阵列光源为VCSEL光源。

[0014] 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。

[0015] 在一些实施例中，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。

[0016] 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。

[0017] 在一些实施例中，所述直线移动机构为滚珠丝杠副或直线滑轨。

[0018] 一种线性光源光学系统扫描方法，使用上述技术方案所述的线性光源光学系统，所述扫描方法包括：

[0019] 线激光沿着Y方向进行扫描，依靠直线移动机构对电路板在Y方向按照既定程式控制位移，阵列光源焊接在电路板上，即实现光源的Y方向按照既定程式运动位移；通过光学系统功能，实现不同视场角的扫描。

[0020] 本申请有益效果如下：

[0021] 本申请提供的线性光源光学系统，阵列光源为单排，经过光学系统后，只产生一条激光线，也可以是多排，可实现单线激光扫描或多线激光扫描，通过直线移动机构使阵列光源和投影镜头与消畸变线激光透镜的整体结构之间发生相对位移，使得一条激光线或多条激光线实现多视场激光线扫描，同时，光学系统中的消畸变线激光透镜，可以对大视场激光线进行畸变矫正，使得所有视场下均为无畸变激光线扫描。

附图说明

[0022] 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。

[0023] 图1为本申请提供的一种光源系统的整体结构示意图之一；

[0024] 图2为本申请提供的一种光源系统的整体结构示意图之二；

[0025] 图3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；

[0026] 图4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；

[0027] 图5为本申请提供的光源系统中心视野扫描光学整形示意图；

[0028] 图6为本申请提供的光源系统未经过消畸变激光透镜和经过消畸变激光透镜所形成的激光线条原理示意图；

[0029] 图7为本申请提供的光源系统多排阵列光源经过消畸变激光透镜所形成的激光线条原理示意图；

[0030] 图8为本申请提供的光源系统光学拉伸整形光路效果对比图。

[0031] 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；5‑直线移动机构。

具体实施方式

[0032] 本申请实施例通过提供一种线性光源光学系统，解决了现有技术中大角度出射的线激光束中有畸变，零级斑的技术问题。

[0033] 其中，图5左侧为单排VCSEL光源图像，中间为经过投影镜头后将VCSEL光源投影出来的效果图像，右侧为经过消畸变线激光透镜后的效果图像。

[0034] 图6左侧为VCSEL光源图像，中间为经过投影镜头后将VCSEL光源投影出来的效果图像，右侧上边为经过普通柱透镜或者鲍威尔棱镜出现的线激光畸变弯曲图像，右侧下边为经过消畸变线激光透镜后的效果图像。

[0035] 图7左侧为多行VCSEL光源图像，中间为经过投影镜头后将VCSEL光源投影出来的效果图像，右侧为经过消畸变线激光透镜后的效果图像。

[0036] 图8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8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。

[0037] 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：

[0038] 如图1‑图8所示，本申请提供一种线性光源光学系统，所述光源系统包括：电路板1、阵列光源2、直线移动机构5、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，所述投影镜头3和消畸变线激光透镜4相对固定设置，所述投影镜头3的光线出口射入所述消畸变线激光透镜4；

[0039] 安装有所述阵列光源2的所述电路板1固定设置在所述直线移动机构5上，所述投影镜头3和消畸变线激光透镜4固定设置在所述直线移动机构5的一侧，所述阵列光源2发出的光可操作地射入所述投影镜头3的光线入口；

[0040] 或，

[0041] 所述投影镜头3固定设置在所述直线移动机构5上，所述消畸变线激光透镜4固定设置在所述投影镜头3上，所述电路板1和阵列光源2固定设置在所述直线移动机构5的一侧，所述投影镜头3可操作地接收所述阵列光源2发出的光。

[0042] 阵列光源2为单排，经过光学系统后，只产生一条激光线，阵列光源2也可以是多排，可实现单线激光扫描或多线激光扫描，通过直线移动机构5使阵列光源2和投影镜头3与消畸变线激光透镜4的整体结构之间发生相对位移，使得一条激光线或多条激光线实现多视场激光线扫描，同时，光学系统中的消畸变线激光透镜，可以对大视场激光线进行畸变矫正，使得所有视场下均为无畸变激光线扫描。

[0043] 位移为线性的，只需要关注位移精度即可实现将弯曲的畸变线激光矫正，省去了旋转方式的转角与目标视野的转换，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。

[0044] 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。

[0045] 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。

[0046] 实施例1

[0047] 如图3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。

[0048] 实施例2

[0049] 如图4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。

[0050] 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。

[0051] 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所需光分布的线激光，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。

[0052] 具体地，所述直线移动机构5为滚珠丝杠副或直线滑轨，滚珠丝杠副或直线滑轨为现有技术，其如何驱动及驱动结构在此处和附图中省略，将电路板1固定在滚珠丝杠副或直线滑轨的滑块上，或者将投影镜头固定在滚珠丝杠副或直线滑轨的滑块上。一维直线移动机构5，且位移为线性的，只需要关注位移精度，一般位移精度在一个VCSEL发光孔直径，如10 30um左右的位移精度控制，省去了旋转方式的转角与目标视野的转换，线激光矫正矫正~
效果更好，难度更低。

[0053] 一种线性光源光学系统扫描方法，使用上述技术方案所述的线性光源光学系统，所述扫描方法包括：

[0054] 线激光沿着Y方向进行扫描，依靠直线移动机构对电路板在Y方向按照既定程式控制位移，阵列光源焊接在电路板上，即实现光源的Y方向按照既定程式运动位移；通过光学系统功能，实现不同视场角的扫描。

[0055] 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。

[0056] 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。