CN107589622B - 零级衍射可调的激光投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种零级衍射可调的激光投影装置，包括：光源，向外发射光束；基底，用于固定所述光源；准直单元，汇聚所述光源发射的光束，并向外投射平行光束；衍射光学元件，接收及扩束所述平行光束，并向外投射图案化光束，所述图案化光束包括零级衍射光束和高阶衍射光束；可调零级抑制单元，用于接收并衰减所述零级衍生光束，并向外投射出强度可调的零级衍射光束。可调的零级抑制单元包括起偏器、半波片装置及检偏器，或者至少一个可旋的起偏器和可旋检偏器。本发明的零级衍射可调的激光投影装置能够根据需求对激光投影装置的零级衍射进行精确衰减或遮蔽。

Description

零级衍射可调的激光投影装置

技术领域

本发明涉及光学及电子技术领域，尤其涉及一种零级衍射可调的激光投影装置。

技术背景

激光投影装置被应用于各个领域。例如，基于光学的三维测量领域，激光投影装置可用于向目标空间投射编码或结构化的激光图案，实现对目标空间的标定，为后期三维测量提供准备工作。激光投影装置一般由基底、光源、准直单元、衍射光学元件组成，其中衍射光学元件用于生成并向目标空间投射编码或结构化的激光图案。投射于目标空间的图案化光束，其均匀性和高对比性会直接影响到激光投影装置对目标空间深度标定的精准度和灵敏度。

然而，用于产生激光图案的衍射光学元件往往存在着零级衍射光束。零级衍射光束是指射向衍射光学元件的光束中，存在着一部份光束没有被衍射并且继续穿过衍射光学元件进入目标空间，即没有被衍射光学元件衍射便直接进入目标空间的那一部分光束为零级衍射光束。由于衍射光学元件的零级衍射问题，激光投影装置投射到目标空间的激光图案，其均匀性和对比性都会出现不同程度的下降，导致其无法适用于一些特殊的应用环境。尤其是，在基于激光投影装置的人机交互的一些应用中，激光投影装置的零级衍射光束有可能会引发人眼安全的问题。如果激光投影装置的零级衍射光束的单位横截面能量超过了激光对人眼安全标准的最大允许值，则该激光投影装置不应当用于涉及人机交互的应用环境中。

现有技术中，通过在衍射光学元件前面或后面放置一块表面垂直于光束传输方向的散射片，可以减少零级衍射光束。尽管有了上述现有技术，但是该技术方案提及的散射片并不适用于应用在深度相机的激光投影装置中，因为散射片散射的零级衍射光束会干扰高阶衍射光束的分布，从而导致深度相机的精准度下降，因此该技术手段并不适用于投射编码或结构化光束的激光投影装置。

发明内容

为了解决激光投影装置衍射光学元件中存在强度较大的零级衍射光束的技术问题，本发明提出了一种零级衍射可调的激光投影装置。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：

一种零级衍射可调的激光投影装置，包括：光源，向外发射光束；基底，用于固定所述光源；准直单元，汇聚所述光源发射的光束，并向外投射平行光束；衍射光学元件，接收及扩束所述平行光束，并向外投射图案化光束，所述图案化光束包括零级衍射光束和高阶衍射光束；可调零级抑制单元，用于接收并衰减所述零级衍生光束，并向外投射出强度可调的零级衍射光束。

可调零级抑制单元包括起偏器和检偏器，所述起偏器和/或所述检偏器可以旋转；起偏器的透振方向和所述检偏器的透振方向的夹角为0-90°；起偏器的横截面积和所述检偏器的横截面积均不小于零级衍射光束的光斑横截面积，起偏器和检偏器包括线偏振片。

可调零级抑制单元还包括半波片装置，所述半波片装置位于所述起偏器与所述检偏器之间；半波片装置包括旋转镜架和半波片，所述旋转镜架包括外圈、旋转体和含凹槽的内圈，所述外圈和内圈通过旋转体连接；所述内圈的凹槽用于固定所述半波片；半波片光轴的方位角通过转动所述可旋转镜架实现精确控制。

一种用于制造零级衍射可调的激光投影装置的方法，包括提供基底与光源，将所述光源固定在基底上；提供准直单元与衍射光学元件，将所述准直单元固定在所述光源与衍射光学元件之间，用于准直或聚焦所述光源发射的光束，并向所述衍射光学元件投射平行光束；所述衍射光学元件，用于接受及扩束所述平行光束，并向目标空间投射图案化光束；提供可调零级衍射抑制单元，所述可调零级衍射抑制单元包括起偏器、检偏器，或者还包括半波片装置，所述可调零级衍射抑制单元设置在所述衍射光学元件射出光束的一侧，用于精确可调地遮蔽或衰减所述图案化光束中的零级衍射光束。

本发明的有益效果为：光源发射的激光经准直单元汇聚后，以平行光束的方式射向衍射光学元件，随后衍射光学元件将平行光束扩束为第一激光图案，并射向可调零级抑制单元，基于可调零级抑制单元的旋光效应与消光机制，可以有效的针对第一激光图案中的零级衍射光束进行精确的衰减处理，从而在确保激光散斑图案完整性的同时，进一步改善投射于目标空间的激光散斑图案品质；该激光投影装置投射的激光散斑图案具有均匀度更高、对比度更强的特征，并且更符合人眼安全标准。

附图说明

图1是本发明实施例的半波片对线偏振光的旋光作用示意图。

图2是本发明实施例的旋转镜架的俯视图结构示意图。

图3是本发明实施例的旋转镜架的剖面图结构示意图。

图4是本发明一种实施例的零级衍射可调的激光投影装置示意图。

图5是本发明另一种实施例的零级衍射可调的激光投影装置示意图。

其中，1-自然光，2-偏振片，3-线偏振光束，4-半波片，5-出射的偏振光束，6-旋转镜架，61-外圈，62-旋转体，63-内圈，64-光作用物体，10-基底，11-光源，12-准直单元，13-衍射光学元件，100-可调零级抑制单元，101-又一可调零级抑制单元，14-零级衍射光束，141-第二零级衍射光束，142-第三零级衍射光束，143-第四零级衍射光束，144-又一第三零级衍射光束，15-起偏器，151-起偏器的线偏振片，152-起偏器的透明部分，16-半波片装置，161-半波片装置的旋转镜架，162-半波片，17-检偏器，171-检偏器的线偏振片，172-检偏器的透明部分，18-高阶衍射光束，19-目标平面，191-高阶衍射光束投射区域，192-零级衍射光速投射区域，20-可旋检偏器，201-可旋检偏器的线偏振片，201-可旋检偏器的透明部分，203-可旋检偏器的旋转镜架。

具体实施方案

下面结合附图通过具体实施例对本发明进行详细的介绍，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。另外，需要说明的是，下述实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构思，附图中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形状、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

图1是半波片对线偏振光的旋光作用示意图。半波片由一定厚度的双折射晶体加工而成，可致使入射的偏振光，其寻常光与非寻常光分量产生半波长的光程差或者180°相位延迟。此外，半波片可用于旋转线偏振光的偏振方向。垂直于半波片主截面入射的线偏振光束，当其偏振方向与半波片光轴的夹角为α时，出射的线偏振光束，其偏振方向相对于入射光束的偏振方向发生了角度为2α的旋转。如图1所示，光源发射的光束，其偏振态与自然光的偏振态类似，具有对称、均匀分布的特点。自然光1沿z轴方向传输，当自然光1传输至偏振片2时，由于偏振片2的透振方向为y方向，所以只有沿y轴方向偏振的线偏振光束3能顺利通过偏振片2并且继续沿z轴方向传输，而其他偏振方向的光束均被偏振片2遮蔽吸收。偏振光束3入射到半波片4时，由于线偏振光束3的偏振方向与半波片4的光轴41之间的夹角为

所以出射的偏振光束5相对于入射的线偏振光束3而言，其偏振方向出现了

的旋转。

如图2是本发明一种实施例的旋转镜架的俯视图结构示意图，图3是本发明一种实施例的旋转镜架的剖面图结构示意图。如图所示，旋转镜架6由外圈61、旋转体62以及含凹槽的内圈63构成；其中，内圈63的凹槽用于内嵌并且固定需要转动的光作用物体64。外圈61与内圈63之间通过旋转体62连接，实现联动功能。一种实施方案中，旋转体62由上下咬合的螺纹构成，内圈63与外圈61分别通过胶粘、焊接或其他可行方式固定在旋转体62内外两侧，旋转外圈61致使旋转体62的上螺纹产生扭力迫使下螺纹反向转动，从而间接实现内圈63的旋转，最终达到精确改变光作用物体64旋转角度的目的。需要强调的是，为了满足光作用物体64高精准度的可调旋转，要求旋转体62的上下咬合螺纹应该匀称且等间距分布。

在本发明的变通实施例中，光作用物体64可以是半波片，还可以是起偏器或检偏器。

如图4所示，是本发明一种实施例的零级衍射可调的激光投影装置示意图。本实施例中的激光投影装置包括，基底10、光源11、准直单元12、衍射光学元件13以及可调零级抑制单元100。

光源11固定在基底10面向准直单元12的一侧，并向准直单元12发射光束；准直单元12用于汇聚光源11发射的光束，并且向衍射光学元件13投射平行光束；衍射光学元件13用于接收并扩束所述准直单元12投射的平行光束，并且向可调零级抑制单元100投射图案化光束；图案化光束包括零级衍射光束14和高阶衍射光束18；可调零级抑制单元：接收所述图案化光束，精确衰减或遮蔽所述图案化光束中的零级衍射光束，并向外投射所述图案化光束中高阶衍射光束以及衰减或遮蔽后的零级衍射光束。需要强调的是，这里的扩束指的是将单个光束扩展成多个光束，也可以称为分束。平行光束经扩束后形成的图案化光束可以是二维形状图案，也可以是二维斑点图案等。

可调零级抑制单元100由起偏器15、半波片装置16以及检偏器17构成，用于灵活遮蔽、衰减零级衍射光束14的强度以及透射除零级衍射光束14以外的高阶衍射光束18。

起偏器15包括线偏振片151、非光学作用的透明部分152，线偏振片151通过内嵌、粘贴的方式安装在透明部分152内，具***置及大小由零级衍射光束14的实际光斑位置及尺寸决定。

半波片装置16由旋转镜架161及半波片162构成；其中，半波片162处，转动旋转镜架161可以精确地改变半波片162光轴的方位角；

检偏器17的构造与起偏器15的构造基本类似，包括线偏振片171、非光学作用的透明部分172。

在本发明的一种实施方案中，起偏器15与检偏器17的透振方向相互平行，即线偏振片151与线偏振片171的透振方向一致，并且其横截面积不小于零级衍射光束14的光斑横截面积，优选地，线偏振片151与线偏振片171的横截面积与零级衍射光束14的光斑横截面积大小相等。

高阶衍射光束18从起偏器15的透明部分152区域射入可调零级抑制单元100，由于高阶衍射光束18为自然光，因而高阶衍射光束18可以无损耗的穿过半波片162，并且由检偏器17的透明部分172区域射出可调零级抑制单元100，最终投射于目标平面19的高阶衍射光束投射区域191。

零级衍射光束14由起偏器15的线偏振片151区域射入可调零级抑制单元100，零级衍射光束14经线偏振片151起偏后，以第二零级衍射光束141射向半波片装置16；随后第二零级衍射光束141经半波片162旋光作用后，其偏振方向会发生一定程度偏转，并以第三零级衍射光束142射向检偏器17；由于线偏振片171的透振方向与线偏振片151的透振方向一致，因此第三零级衍射光束142的部分能量会被线偏振片171吸收，最后以第四零级衍射光束143射出可调零级抑制单元100，并投射于目标平面19的零级衍射光束投射区域192。

基于半波片162的旋光效应以及起偏器15、检偏器17的消光机制，转动旋转镜架161改变半波片162光轴与第二零级衍射光束141的偏振方向夹角α，可以精准地偏转第三零级衍射光束142的偏振方向，从而实现精确衰减或调控零级衍射光束14的光强度。

为了便于理解，具体地，假设零级衍射光束14的光强度为I₀，经线偏振片151起偏后，第二零级衍射光束141的光强度衰减为0.5I₀，由于半波片164的光轴与第二零级衍射光束141的偏振方向夹角为α，因此第三零级衍射光束142的偏振方向与线偏振片151及线偏振片171的夹角为2α，结合马吕斯定律，投射于目标平面192区域的第四零级衍射光束143，其光强度为I＝0.5I₀*(cos2α)²，即第四零级衍射光束143的强度由夹角α决定，并且夹角α的取值调节范围为0-45°。这样设置的有益效果是，根据高阶衍射光束18的光强度，通过调节半波片装置16的光轴方位角，可以对零级衍射光束14可以进行精确衰减，从而确保投射于目标空间的图案化激光束均匀分布。

在本发明的变通实施例中，光源11可以是边发射激光器及其阵列或垂直腔面发射激光器及其阵列；光源11的波长为850nm、950nm的红外激光束或其他波段的激光束；起偏器15也可以仅由线偏振片151构成，并且通过镶嵌、粘贴或其他可行方式固定在衍射光学元件13的出光一侧；检偏器17也可以仅由线偏振片171构成，并且通过镶嵌、粘贴或其他可行方式固定在半波片装置16出光一侧。此时，起偏器15与检偏器17的横截面积应该不小于零级衍射光束14的光斑面积。此外，需要注意的是，投射于目标平面192区域的第四零级衍射光束143，其光强度为I＝0.5I₀*(cosα)²，其中夹角α的取值调节范围为0-90°。

在本发明的又一变通实施例中，起偏器15与检偏器17的透振方向的夹角为β，即线偏振片171与线偏振片151的夹角为β。其中，β的取值范围为0-90°。需要注意的是，投射于目标平面192区域的第四零级衍射光束143，其光强度为I＝0.5I₀*(cos(β-2α))²或者I＝0.5I₀*(cos(2α-β))²，即第四零级衍射光束143的光强度由夹角α与β共同决定。

图5是本发明另一种实施例的零级衍射可调的激光投影装置示意图。该实施例中的激光投影装置与图4实施例中的激光投影装置大致相同，不同之处在于该激光投影装置的又一可调零级抑制单元101包括：起偏器15以及可旋检偏器20。

起偏器15与图4实施例的结构类似，此处不再重复叙述。

可旋检偏器20包括线偏振片201、非光学作用透明部分202及旋转镜架203；其中，线偏振片201通过镶嵌、粘贴或其他可行方式固定在透明部分202内，具***置及大小由零级衍射光束14光斑的位置及大小决定；透明部分202通过内嵌的方式固定在旋转镜架203内侧的凹槽处，通过转动旋转镜架203，可以精确改变线偏振片201的透振方向。

在本发明的一种实施方式中，线偏振片151、线偏振片201的中心与零级衍射光束14的中心设置在同一水平线上，并且线偏振片151与线偏振片201的横截面积不小于零级衍射光束14的光斑横截面积，优选地，线偏振片151、线偏振片201的横截面积等于零级衍射光束14的光斑横截面积。

高阶衍射光束18由起偏器15及可旋检偏器20的透明部分152、透明部分202区域穿过可调零级抑制单元101直接进入目标空间，最终投射于目标平面19的高阶衍射光束投射区域191。

零级衍射光束14由起偏器15的线偏振片151区域射入可调零级抑制单元101，零级衍射光束14经线偏振片151起偏后，以第二零级衍射光束141射向可旋检偏器20的线偏振片201区域；第二零级衍射光束141经线偏振片201作用后，以又一第三零级衍射光束142射出可调零级抑制单元101，并投射于目标平面19的零级衍射光束投射区域。基于线偏振片的消光机制，转动旋转镜架203改变线偏振片201的透振方向，从而改变线偏振片201与线偏振片151的透振方向夹角α，从而达到精确衰减零级衍射光束14光强度目的。

为了便于理解，具体地，假设零级衍射光束14的光强度为I₀，经线偏振片151起偏后，第二零级衍射光束141的光强度衰减为0.5I₀，由于线偏振片201与线偏振片151的透振方向夹角α，因此第二零级衍射光束141经线偏振片161衰减、吸收后，以又一第三零级衍射光束144射向目标空间，结合马吕斯定律，投射于目标平面192区域的又一第三零级衍射光束144，其光强度为I＝0.5I₀*(cosα)²，即又一第三零级衍射光束144的强度由夹角α决定，并且夹角α的取值调节范围为0-90°。这样设置的有益效果是，可以根据高阶衍射光束18的光强度，调整可旋检偏器20的透振方向对零级衍射光束14可以进行精确衰减，从而确保投射于目标空间的图案化激光束均匀分布。

在本发明的变通实施例中，线偏振片151以任意角度对零级衍射光束14进行起偏；起偏器15可以仅由线偏振片151构成，并且通过镶嵌、粘贴或者其他可行方式固定在衍射光学元件13的出光一侧；可调检偏器可以仅由线偏振片201以及旋转镜架203构成。

在本发明的又一变通实施例中，可调零级抑制单元101包括起偏器以及检偏器，其中起偏器和/或检偏器可以旋转。具体该可调零级抑制单元101可以是可旋起偏器与检偏器的组合，也可以是起偏器与可旋检偏器的组合，还可以是可旋起偏器与可旋检偏器的组合。

本发明中的零级衍射可调的激光投影装置可集成于深度相机***中，基于零级衍射光束强度可调的激光投影装置，深度相机的投影装置所投射的激光散斑图案，其亮度分布具有更均匀的特点，即深度相机***的图片捕捉装置所获取的散斑图像，其精确度更高，进而整体提升了深度相机性能，并且该深度相机可根据人眼安全规定对激光图案的强度进行调整。

区别于现有技术，传统的激光投影装置，其衍射光学元件存在着零级衍射问题。本发明设计的激光投影装置通过增加可调零级抑制单元的方式，在确保激光散斑图案完整性的同时，可根据实际情况对零级衍射光束进行精确衰减处理，从而进一步改善了激光散斑图案的整体品质，该激光投影装置投射的激光散斑图案具有均匀度更高、对比度更强的特征，并且更符合人眼安全标准，一定程度上可以避免激光对人眼的损伤。

在本发明的基础上，采用其他现有技术中的光学元件通过衰减或屏蔽的方法降低激光投影装置中零级衍射的强度，都应该属于本发明所要保护的方法。

在本发明的零级衍射可调的激光投影装置中，以上所描述的硬件安装方法都不应该视为对本发明的限制，所需硬件只需满足本发明所述的顺序安装即可，其具体安装方式可采用现有技术中可实现的安装方式。

本发明中的可调零级抑制单元也可以适用于其他装置中用于衰减零级衍射的强度，其具体的应用基于本发明的思想的都应该属于本发明所要保护的范围。

此外，本发明还提出了上述零级衍射可调的激光投影装置的制造方法，包括提供基底与光源，将所述光源固定在基底上；提供准直单元与衍射光学元件，将所述准直单元固定在所述光源与衍射光学元件之间，用于准直或聚焦所述光源发射的光束；所述衍射光学元件，用于接受及扩束所述光束，并向目标空间投射图案化光束；提供可调零级抑制单元，所述可调零级抑制单元包括起偏器、检偏器，或者还包括半波片装置，所述可调零级抑制单元设置在所述衍射光学元件射出光束的一侧，用于遮蔽或衰减所述图案化光束中的零级衍射光束。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种零级衍射可调的激光投影装置，集成于深度相机***中，其特征在于，包括：

光源，向外发射光束；

基底，用于固定所述光源；

准直单元，汇聚所述光源发射的光束，并向外投射平行光束；

衍射光学元件，接收及扩束所述平行光束，并向外投射图案化光束，所述图案化光束包括零级衍射光束和高阶衍射光束；

可调零级抑制单元，用于接收所述图案化光束并通过旋光效应和消光机制精确衰减所述零级衍生光束，并向外无损耗的投射出所述图案化光束中高阶衍射光束以及强度可调的零级衍射光束。

2.如权利要求1所述的零级衍射可调的激光投影装置，其特征在于，所述可调零级抑制单元包括起偏器和检偏器。

3.如权利要求2所述的零级衍射可调的激光投影装置，其特征在于，所述起偏器和/或所述检偏器可以旋转。

4.如权利要求3所述的零级衍射可调的激光投影装置，其特征在于，所述起偏器的透振方向和所述检偏器的透振方向的夹角为0-90°。

5.如权利要求2所述的零级衍射可调的激光投影装置，其特征在于，所述可调零级抑制单元还包括半波片装置，所述半波片装置位于所述起偏器与所述检偏器之间；

所述半波片装置包括旋转镜架和半波片，所述旋转镜架包括外圈、旋转体和含凹槽的内圈，所述外圈和内圈通过旋转体连接；所述内圈的凹槽用于固定所述半波片。

6.如权利要求5所述的零级衍射可调的激光投影装置，其特征在于，所述半波片的光轴的方位角通过转动所述可旋转镜架实现精确控制。

7.如权利要求2所述的零级衍射可调的激光投影装置，其特征在于，所述起偏器的横截面积和所述检偏器的横截面积均不小于零级衍射光束的光斑横截面积。

8.如权利要求2所述的零级衍射可调的激光投影装置，其特征在于，所述起偏器和所述检偏器包括线偏振片。

9.一种用于制造零级衍射可调的激光投影装置的方法，其特征在于，包括提供基底与光源，将所述光源固定在基底上；提供准直单元与衍射光学元件，将所述准直单元固定在所述光源与衍射光学元件之间，用于准直或聚焦所述光源发射的光束，并向所述衍射光学元件投射平行光束；所述衍射光学元件，用于接受及扩束所述平行光束，并向目标空间投射图案化光束；提供可调零级衍射抑制单元，所述可调零级衍射抑制单元包括起偏器、检偏器，或者还包括半波片装置，所述可调零级衍射抑制单元设置在所述衍射光学元件射出光束的一侧，用于精确可调地遮蔽或衰减所述图案化光束中的零级衍射光束。

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