[实用新型]一种线结构光光学系统

说明书

本实用新型属于光技术领域，为消除杂光、降低线结构光系统的景深，公开了一种线结构光光学系统，包括半导体激光器，沿所述半导体激光器出射光光轴方向依次设置为：光阑、自聚焦透镜、圆柱透镜与体布拉格光栅，所述体布拉格光栅。经过自聚焦透镜后像散椭圆光束的快轴方向为平行光；经过所述圆柱透镜的光为柱面波，柱面波经过体布拉格光栅后的衍射光呈平行的线结构。本实用新型的有益效果：利用体布拉格光栅能将自聚焦透镜和圆柱透镜压缩后的线结构光的光束宽度降低6%‑9%，该线结构光产生方案可以实现在某个具体的位置，在长的距离范围上小范围（±0.5m）内保持细光束，可以应用在很多非接触测量方案中替代红光线结构光方案以提高测量精度。

技术领域

本实用新型光技术领域，具体为一种线结构光光学系统。

背景技术

在工业测量领域中，非接触式测量定位是一个非常重要的环节，半导体激光器集成的线结构光模组有着价格低、输出稳定、效率高等优势，因此被广泛用于机器视觉的解决方案。现阶段在各领域广泛应用的线结构光应用模型为光栅投影模型，模型中使用多个等距线结构光条纹光带投影至被测物，再使用相机拍摄条纹受物品调制的弯曲程度，将弯曲的条纹进行解调得到相位信息，此时就可以获得物品的高度，轮廓等细节信息。系统中线结构光条纹间距大小决定了测量的精度，更小的条纹间距能使系统分辨出更多被测物体的细节。

相比于使用更为普遍的红光或者红外激光器二极管，短波长的蓝光激光器二极管由于损耗低，能量集中，不容易发生衍射等优势在测量、定位等领域有着重要的应用。激光二极管输出的激光发散角一般比较大，同时快轴与慢轴两个方向的发散角有差异，因此在使用时需要对其出射的光束进行整形。对激光器二极管的光束的压缩一般有柱透镜整形、非球面透镜整形、自聚焦透镜整形等方案。柱透镜的整形一般是对光束单方向上的光进行压缩，一般激光器二极管在两个方向上的光有不同发散角度，因此一般需要两个甚至多个柱透镜，对装配中心对准的要求极高，非球面透镜一般具有良好的准直效果，但是由于设计难度比较大，对不同的激光器二极管光束需要有不同的光学设计。在2009年，吴芃等人将波长为800nm的激光器二级管通过单管自聚焦透镜将出射光束整形成线形光斑，其快、慢轴远场发散角分别为0.1°和2.5°，在外壳0.2mm处，其快轴方向的光束宽度被压缩至0.82mm，有效耦合效率为86％，但是其准直效果图中有相当一部分杂光，因而难以应用在实际结构光测量中。2019年，秦贯宇等人提出了一种基于普吕克直线的标定法，同时使用高精度的多线光源产生仪器，将1.8m处被测物品的测量误差降低到0.08mm以下。在民用市场，德国DEKOMeasuring的线结构光测量设备产品LL12-HVG测量宽度为1-1.1mm，工作距离为5m±1.5mm，美国THORLABS公司的CPS450产品在外壳前50.8mm测得快轴方向的光束宽度为0.89mm，市面上很少有在长距离(大于5m)上低于0.8mm光束宽度的设备，因此限制了线结构光的应用。

为了获得光束质量更好、光束宽度更小的结构光束，针对OSRAM一款商用450nm蓝光激光二极管，结合自聚焦透镜、柱透镜与体布拉格光栅三种光学元件的特点，优化设计和制作三种光学元件，实现了一种新的结构光方案。

实用新型内容

本实用新型的目的是：消除杂光、降低线结构光系统的景深，提高线结构光系统的工作距离。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种线结构光光学系统，一种线结构光光学系统，包括半导体激光器，沿所述半导体激光器出射光光轴方向依次设置为：光阑、自聚焦透镜、圆柱透镜与体布拉格光栅，所述体布拉格光栅；

所述体布拉格光栅以布拉格角度放置在所述圆柱透镜后方轴线方向上；

所述半导体激光器产生的光为像散椭圆光束，经过所述光阑之后入射至所述自聚焦透镜，经过自聚焦透镜后像散椭圆光束的快轴方向为平行光；自聚焦透镜后像散椭圆光束的慢轴方向上经过所述圆柱透镜的光为柱面波，柱面波经过体布拉格光栅后的衍射光呈平行的线结构。