CN105911703A - 线形激光投射装置和方法、及激光测距装置和方法 - Google Patents

Abstract

公开了线形激光投射装置，其通过两级光学元件实现线形激光的拼接，由此得到大辐射角且强度分布均匀的线形激光。上述两级光学元件可以是衍射光学元件，优选地，可以是二元光学元件。还公开了使用上述装置的线形激光投射方法，以及激光测距装置和方法。

Description

线形激光投射装置和方法、及激光测距装置和方法

技术领域

本发明涉及光学领域，特别涉及用于投射线形激光的装置和方法，以及相应的激光测距装置和方法。

背景技术

在例如深度测量等领域中，为了便于测量，需要向测量空间投射结构光。在实际应用中，可以将线形光投射到被测区域中，通过拍摄反射的光斑，并对光斑的图像进行处理，来获取被测空间的深度信息。

现有技术采用柱状透镜(参见图1A)或是菲涅尔透镜(线型菲涅尔光栅，参见图1B)来获取线形激光，并在例如自主作业的保洁机器人的应用中加以使用。柱状透镜的体积过大，不利于激光投射或测距装置的紧凑化。菲涅尔透镜虽然体积较为紧凑，但是存在辐射角度过小或是检测距离过短的问题。这是由于通过菲涅尔透镜透射得到的光强沿一字线呈高斯分布，即中心亮度高，两端亮度弱。当散射角度增大到一定程度(如90°或100)线激光两端的亮度会变得非常弱。根据安全激光的测试要求，投射部分最强的亮度也必须在安全标准以下。这样就大幅限制了激光的投射距离或是投射角度。而使用现有激光投射方案的激光测距方案也相应地受到了限制。

因此，需要一种能够解决上述至少一个问题的线形激光投射装置和方法，以及相应的激光测距装置和方法。

发明内容

为了解决上述至少一个问题，本发明提供了一种线形激光投射装置和方法，能够通过二级衍射提供大辐射角和/或远投射距离的线形激光。

根据本发明的一个方面，提供了一种线形激光投射装置，包括：第一级光学元件，被设计为将入射光束在第一方向上分束成N个子光束，相邻两个所述子光束之间的夹角α相同，其中N为奇数；以及第二级光学元件，被设计为将所述N个子光束分别衍射成N个在所述第一方向上的辐射角为α的线形光束，并且所述第一级光学元件和所述第二级光学元件被设计为使得所述N个线形光束在所述第一方向上相互拼接，从而形成一个辐射角为N×α的线形光束。

根据本发明的另一个方面，提供了一种线形激光投射装置，包括：第一级光学元件，被设计为将入射光束衍射成在第一方向上辐射角为α的线形激光；以及第二级光学元件，被设计为将所述线形激光衍射为N个在所述第一方向上的辐射角为α的线形光束，并且所述第一级光学元件和所述第二级光学元件被设计为使得所述N个线形光束在所述第一方向上相互拼接，从而形成一个辐射角为N×α的线形光束，其中N为奇数。

由此，通过二级光学元件合理拼接多个线形光束，由此实现辐射角度大且强度分布均匀的线形光。

优选地，第一级光学元件和第一级光学元件可以是光学衍射元件，更优选地，可以是二元光学元件。这样，就能实现更为紧凑的光学元件并得到强度分布更为均匀的线形光。

优选地，第一级光学元件或第二级光学元件还可以被设计为使得N个线形光束中两侧的线形光束的能量高于其他的线形光束的能量。这样，就能够根据实际情况恰当补偿成像时的暗角。

优选地，第一级光学元件还被设计为在对所述入射光束进行分束或衍射之前对所述入射光束进行准直。这样，通过并入准直功能使得本发明的投射装置进一步紧凑化。

优选地，第一级光学元件可以包括多个光学衍射元件，所述多个光学衍射元件对所述入射光束进行分步分束，从而形成所述N个子光束。

根据本发明的还一个方面，提供了一种激光测距装置，该装置包括上述线形激光投射装置或其优选方案用以向被测空间投射线形激光的；还包括与所述线形激光投射装置之间具有预定相对空间位置关系的成像装置，被所述被测空间内障碍物反射的线形激光由所述成像装置进行成像；以及根据上述成像的结果以及所述预定相对空间位置关系获取所述被测空间内障碍物的深度距离的处理器。

由此，通过投射辐射角度大且强度分布均匀的线形光，实现更为准确且覆盖范围更大的深度距离测量。

根据本发明的再一个方面，提供了一种线形激光投射方法，包括：通过第一级光学元件将入射光束在第一方向上分束成N个子光束，相邻两个子光束之间的夹角α相同，其中N为奇数；以及通过第二级光学元件将所述N个子光束衍射成N个在所述第一方向上的辐射角为α的线形光束，并且通过所述第一级光学元件和所述第二级光学元件自身和相关构造使得所述N个线形光束在所述第一方向上相互拼接以形成一个辐射角为N×α的线形光束。

根据本发明的再一个方面，提供了一种线形激光投射方法，包括：通过第一级光学元件将入射光束衍射成在第一方向上辐射角为α的线形激光；以及通过第二级光学元件将所述线形激光衍射为N个在所述第一方向上的辐射角为α的线形光束，并且过所述第一级光学元件和所述第二级光学元件自身和相关构造使得所述N个线形光束在所述第一方向上相互拼接，从而形成一个辐射角为N×α的线形光束，其中N为奇数。

根据本发明的另一个方面，提供了一种激光测距方法，该方法使用上述线形激光投射方法投射线性光束，对被所述被测空间内障碍物反射的线形激光进行成像，并根据上述成像的结果以及投射线形激光的装置与成像的装置之间的空间位置关系获取所述被测空间内障碍物的深度距离。

利用本发明的投射/测距装置和方法，能够在不显著加大光学系统制造难度或体积的情况下获取辐射角度大且强度分布均匀的线形激光，由此实现精度更高覆盖范围更广的深度测量。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1是现有技术采用柱状透镜和菲涅尔透镜。

图2示意性地示出了根据本发明的光学装置的示意性侧视图。

图3示意性地示出了根据本发明的另一个光学装置的示意性侧视图。

图4示出了可以用于本发明的线形激光投影装置的二元光学元件的侧视图。

图5示出了根据本发明原理的线形激光投影装置最终投影的实拍图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

[第一实施方式]

图2示意性地示出了根据本发明的光学装置的示意性侧视图。

光源1可以是用于产生激光束100的激光发生器。在一个实施例中，该光源可以带有准直装置，例如，该光源可以是能够直接产生准直激光束100的准直激光器。

光束100入射到线形激光投射装置2。

装置2包括第一级光学元件10和第二级光学元件20。

第一级光学元件10对入射光束100进行分束。在一个实施例中，第一级光学元件10可以被设计为将入射光束在第一方向上分束成N个子光束200，相邻两个所述子光束之间的夹角α相同，其中N为奇数。N个子光束200可以是N个点状激光。虽然图中示出了3个子光束200(即，N为3)，但是在实际应用中N可以取5、7、9，甚至更多。

第一方向可以是水平方向，也可以是竖直方向。相应地，下面描述的第二方向可以是竖直方向，也可以是水平方向。一些情况下，第一方向和第二方向也可以是相互垂直但与水平方向成一夹角的方向。该夹角是锐角。

第二级光学元件20对N个子光束200进行衍射。在一个实施例中，第二级光学元件20可以被设计为将N个子光束衍射成N个在第一方向上的辐射角为α的线形光束300。第一级光学元件10和第二级光学元件20被设计为将这N个线形光束300在所述第一方向上相互拼接，从而形成一个辐射角为N×α的线形光束400。

第一级光学元件10和第二级光学元件20可以是光学衍射元件。在本发明中，光学衍射元件是利用光波的衍射原理对光波传播方向进行偏折的光学元件。第一级光学元件10和第二级光学元件20的光轴可以重合，如图中虚线500所示。

在N取3的情况下，三束点状激光仅存在两个夹角。由于衍射光学具有中心对称的属性，因此两个夹角一定相同。在一个优选实施例中，可以取α＝40°。在另一个实施例中，取N＝5，即五束点状激光存在四个夹角，则可以取例如α＝30°。

在一个实施例中，第一级光学元件10可以包括多个光学衍射元件。多个光学衍射元件对入射光束进行分步分束，从而形成N个子光束。例如，第一级光学元件10可以包括第三光学衍射元件和第四光学衍射元件(图中未示出)。第三光学衍射元件被设计为将入射光束在第一方向上分束成N3个子光束，N3个子光束包括1个零级子光束和N3-1个非零级子光束。N3-1个非零级子光束的能量基本上相同，零级子光束的能量高于非零级子光束的能量，其中N3为奇数。例如，N3＝3，中间的零级子光束能量较大，而两边各1个一级子光束能量相同，且低于零级子光束的能量。

第四光学衍射元件被设计为将零级子光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N4个子光束，其中N4为奇数。另一方面，第四光学衍射元件对非零级子光束则不进行衍射。例如，第四光学衍射元件的作用区可以较小，只对零级子光束通过的区域施加衍射效应，而非零级子光束直接通过而不被进一步衍射。

由此，N3–1+N4＝N。

例如，N4＝3。即，第三光学衍射元件将入射光束分束为3个子光束。第四光学衍射元件将中间能量较强(例如是1级子光束能量的三倍)的零级子光束分束为三个能量基本上相同的子光束。由此，产生3-1+3＝5个能量基本上相同的子光束。

通过第一级光学元件10得到的N个子光束随后入射到第二级光学元件20上。第二级光学元件20可以将入射的N个子光束衍射成N个辐射角为α的线形光束300。进一步地，这N个线形光束300可以通过对第一级光学元件10和第一级光学元件20的恰当设计而在第一方向上相互拼接，从而形成一个辐射角为N×α的线形光束400。在上述N＝3且α＝40°的例子中，最终能够得到在第一方向上辐射角为120°的线形激光。而在上述N＝5且α＝30°的例子中，最终能够得到在第一方向上辐射角为150°的线形激光。

由于投射出的线形激光300其两端的亮度会略低，因此可以允许相邻线形光束300有一定程度的交叠，如图2中亮线301和302所示。在实际应用中，可以允许100个像素以内的交叠。

当两级光学元件之间的距离很近时(例如，接近为零时)，可以视作N个子光束从一个入射点入射。如果两级光学元件之间的距离拉开，可以视作N个子光束从N个入射点入射。随着两级光学元件之间的距离的增大，拼接的线(即，从第二级光学元件出射的N条线形光)之间的距离会增大。因此，可以恰当设计两级光学元件之间的距离，以保证这N个线形光束的恰当拼接。

通常情况下，为了得到强度均匀的线形激光，希望经过第二级光学元件得到的N个线性光束的能量相同。但考虑到透镜设计及成像中通常会遇到的图像暗角问题(即，图像两侧成像亮度略低于中心亮度)，所以可以将第一级光学元件和第二级光学元件设计为使得N个线形光束中两侧的线形光束的能量高于其他的线形光束的能量。这可以通过将第一级光学元件设计为使得N个点状激光中两侧的点状激光的能量要高于其他的点状激光的能量来实现。在N＝3，即三束点状激光的情况下，可以采取两侧激光能量略高于中心激光约5％左右的数值。另外，还可以通过调整第二级光学元件的设计来实现。

如上根据示出了根据本发明一个实施例的线形激光投影装置。由此，通过二级光学元件对光束的拼接，就能够获得大辐射角且辐角范围内强度均匀的线形激光。

虽然图中将激光器1示出为与线形激光投影装置2分开的部件，但是在一个实施例中，也可以将激光发生器1并入作为线形激光投影装置2的一部分。另外，虽然图中示出了从激光器1中出射的准直光束，但在一个实施例中，激光器1的准直功能也可由第一级光学元件10实现。换句话说，还可以将第一级光学元件10设计为在对入射光束进行分束之前对入射光束进行准直。

[第二实施方式]

图3示意性地示出了根据本发明的另一个光学装置的示意性侧视图。

与图2类似，光源1可以是用于产生激光束100的激光发生器，例如准直激光器。

光束100入射到线形激光投射装置2’。

装置2’包括第一级光学元件10和第二级光学元件20’。

第一级光学元件10’对入射光束100进行衍射。在一个实施例中，第一级光学元件10’可以被设计为将入射光束衍射成在第一方向上辐射角为α的线形激光。

第二级光学元件20’对辐射角为α的线形激光进行复制和拼接。在一个实施例中，第二级光学元件20’可以被设计为将线形激光衍射为N个在第一方向上的辐射角为α的线形光束。第一级光学元件10’和第二级光学元件20’被设计为使得N个线形光束在所述第一方向上相互拼接，从而形成一个辐射角为N×α的线形光束，其中N为奇数。虽然图中示出了3个子光束200(即，N为3)，但是在实际应用中N可以取5、7、9，甚至更多。

类似地，第一级光学元件10’和第二级光学元件20’同样可以是光学衍射元件，并且两者的光轴可以重合，如图中虚线500所示。

通过第一级光学元件10’得到的辐射角为α的线形激光随后入射到第二级光学元件20’上。第二级光学元件20’可以将入射的线形光束复制成N个辐射角为α的线形光束300。进一步地，这N个线形光束300可以通过对第一级光学元件10’和第一级光学元件20’的恰当设计而在第一方向上相互拼接，从而形成一个辐射角为N×α的线形光束400。

类似地，可以允许相邻线形光束300有一定程度的交叠，如图3中亮线301和302所示，并且线形激光投射装置2’可以包括激光器1，和/或可以由第一级光学元件10’进行光束100的准直。另外，也可以将第二级光学元件设计为使得N个线形光束中两侧的线形光束的能量高于其他的线形光束的能量来对暗角效应进行补偿。

由此，同样通过二级光学元件对光束的拼接，能够获得大辐射角且辐角范围内强度均匀的线形激光。

[第三实施方式]

线形激光投影装置的第一级光学元件和/或第二级光学元件可以是衍射光学元件(DOE)。例如，准直光束在第一级光学元件分束之后，可由第二级的菲涅尔透镜进行衍射。由于经过菲涅尔透镜衍射得到的线形光在第一方向上呈高斯分布，因此可以使得相邻的多个线性光进行交叠，以得到强度分布更为均匀的拼接线形光。在使用菲涅尔透镜作为第二级光学元件的情况下，选择N＝7、9或以上，以优化拼接线形光的强度分布。

在本发明中，线形激光投影装置(例如，图中2和2’)优选由二元光学元件实现。在这里，可以认为二元光学元件是指基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并用超大规模集成(VLSI)电路制作工艺，在片基上(或传统光学器件表面)刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。

在一个实施例中，第一级光学元件和第二级光学元件之一(优选第二级光学元件)可以是二元光学元件。例如，第一级光学元件是常规光学衍射元件，第二级光学元件是二元光学元件。在一个实施例中，第一级光学元件和第二级光学元件可以都是二元光学元件。而在另一个实施例中，可以将第一级光学元件和第二级光学元件并入一个二元光学元件。

由于二元光学元件是一种纯相位衍射光学元件，为得到高衍射效率，可做成多相位阶数的浮雕结构。一般使用N块模版可得到L(＝2N)个相位阶数，其衍射效率为：η＝|sin(π/L)/(π/L)|2。由此计算，当L＝2、4、8和16时，分别有V＝40.5％、81％、94.9％和98.6％。利用亚波长微结构及连续相位面形，可达到接近100％的效率。

由于随着L的增大，加工难度和成本也相应增加。因此在实际应用中会在选择适当的阶数来对效率和成本加以平衡。图4示出了可以用于本发明的线形激光投影装置的二元光学元件的侧视图。由此，根据本发明的线形激光投影装置最终能够得到强度分布相当均匀的大辐射角线形激光。图5示出了根据本发明原理的线形激光投影装置最终投影的实拍图。在此例中，两侧与中央的强度比可达9:10。

由于现有技术的限制，二元光学元件虽然能够衍射出强度分布均匀的线形光，但对单束光的衍射角度很少能超过90度。通过根据本发明的上述二级衍射设置，就能够在保证强度均匀分布的情况下实现衍射角度的扩展，从而满足实际应用中的各种需要。

[第四实施方式]

如上已经结合图2-5说明了根据本发明的线形激光投影装置的优选实施例。可以使用上述装置来实现新颖的线形激光投射方法。

在一个实施例中，一种线形激光投射方法可以包括：通过第一级光学元件将入射光束在第一方向上分束成N个子光束，相邻两个子光束之间的夹角α相同，其中N为奇数；以及通过第二级光学元件将所述N个子光束衍射成N个在第一方向上的辐射角为α的线形光束，并且通过所述第一级光学元件和所述第二级光学元件自身和相关构造使得N个线形光束在所述第一方向上相互拼接以形成一个辐射角为N×α的线形光束。

在另一个实施例中，一种线形激光投射方法可以包括：通过第一级光学元件将入射光束衍射成在第一方向上辐射角为α的线形激光；以及通过第二级光学元件将所述线形激光衍射为N个在第一方向上的辐射角为α的线形光束，并且过所述第一级光学元件和所述第二级光学元件自身和相关构造使得所述N个线形光束在所述第一方向上相互拼接，从而形成一个辐射角为N×α的线形光束，其中N为奇数。

同样地，上述第一级光学元件和第二级光学元件可以是衍射元件或是二元光学元件。由此，通过简单的二级衍射，实现投射大辐射角且强度相对均匀的线形激光的有益效果。

[第五实施方式]

根据上述线形激光投射装置和方法，本发明可以得到一种新颖的激光测距装置和方法。

在一个实施例中，一种激光测距装置可以包括如上各实施例中所述的线形激光投射装置、成像装置和处理器。

线形激光投射装置(例如，线形激光投射装置2或2’可以向被测空间投射大辐射角且强度均匀的线形激光。成像装置与线形激光投射装置之间具有预定相对空间位置关系，并对所述被测空间内障碍物反射的线形激光进行成像。处理器根据上述成像的结果以及所述预定相对空间位置关系获取被测空间内障碍物的深度距离。

由于包含有根据本发明的线形激光投射装置，因此该激光测距装置能够投射大辐射角且强度均匀的线形激光，由此，大辐射角保证了能够在功率不变的情况下尽可能地测量到更大的区域。而强度均匀则提升整体的测量精度。

另外，在一个实施例中，本发明还涉及一种激光测距方法，其能够使用上述线形激光投影装置投射大辐射角且强度均匀的线形激光，对被所述被测空间内障碍物反射的线形激光进行成像；以及根据上述成像的结果以及投射线形激光的装置与成像的装置之间的空间位置关系获取所述被测空间内障碍物的深度距离。

上文中已经参考附图详细描述了根据本发明的线形激光投射装置和方法，以及激光测距装置和方法。

此外，根据本发明的方法还可以实现为一种计算机程序，该计算机程序包括用于执行本发明的上述方法中限定的上述各步骤的计算机程序代码指令。或者，根据本发明的方法还可以实现为一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机可读介质，在该计算机可读介质上存储有用于执行本发明的上述方法中限定的上述功能的计算机程序。本领域技术人员还将明白的是，结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统和方法的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标记的功能也可以以不同于附图中所标记的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种线形激光投射装置，包括：

第一级光学元件，被设计为将入射光束在第一方向上分束成N个子光束，相邻两个所述子光束之间的夹角α相同，其中N为奇数；以及

第二级光学元件，被设计为将所述N个子光束分别衍射成N个在所述第一方向上的辐射角为α的线形光束，并且所述第一级光学元件和所述第二级光学元件被设计为使得所述N个线形光束在所述第一方向上相互拼接，从而形成一个辐射角为N×α的线形光束。

2.一种线形激光投射装置，包括：

第一级光学元件，被设计为将入射光束衍射成在第一方向上辐射角为α的线形激光；以及

第二级光学元件，被设计为将所述线形激光衍射为N个在所述第一方向上的辐射角为α的线形光束，并且所述第一级光学元件和所述第二级光学元件被设计为使得所述N个线形光束在所述第一方向上相互拼接，从而形成一个辐射角为N×α的线形光束，其中N为奇数。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，

所述第一级光学元件和所述第二级光学元件是二元光学元件。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述第一级光学元件或所述第二级光学元件还被设计为使得所述N个线形光束中两侧的线形光束的能量高于其他的线形光束的能量。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其中，

所述第一级光学元件还被设计为在对所述入射光束进行分束或衍射之前对所述入射光束进行准直。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其中，

所述第一级光学元件包括多个光学衍射元件，所述多个光学衍射元件对所述入射光束进行分步分束，从而形成所述N个子光束。

7.一种激光测距装置，包括：

向被测空间投射线形激光的如权利要求1-6中任一项所述的线形激光投射装置；

与所述线形激光投射装置之间具有预定相对空间位置关系的成像装置，被所述被测空间内障碍物反射的线形激光由所述成像装置进行成像；以及

根据上述成像的结果以及所述预定相对空间位置关系获取所述被测空间内障碍物的深度距离的处理器。

8.一种线形激光投射方法，包括：

通过第一级光学元件将入射光束在第一方向上分束成N个子光束，相邻两个子光束之间的夹角α相同，其中N为奇数；以及

通过第二级光学元件将所述N个子光束分别衍射成N个在所述第一方向上的辐射角为α的线形光束，并且通过所述第一级光学元件和所述第二级光学元件自身和相关构造使得所述N个线形光束在所述第一方向上相互拼接以形成一个辐射角为N×α的线形光束。

9.一种线形激光投射方法，包括：

通过第一级光学元件将入射光束衍射成在第一方向上辐射角为α的线形激光；以及

通过第二级光学元件将所述线形激光衍射为N个在所述第一方向上的辐射角为α的线形光束，并且过所述第一级光学元件和所述第二级光学元件自身和相关构造使得所述N个线形光束在所述第一方向上相互拼接，从而形成一个辐射角为N×α的线形光束，其中N为奇数。

10.一种激光测距方法，包括：

如权利要求8-9中任一项所述投射线形激光；

对被所述被测空间内障碍物反射的线形激光进行成像；以及

根据上述成像的结果以及投射线形激光的装置与成像的装置之间的空间位置关系获取所述被测空间内障碍物的深度距离。