本實用新型涉及光學領域，特別涉及用于投射線形激光的裝置，以及相應的激光測距裝置。

背景技術：

在例如深度測量等領域中，為了便于測量，需要向測量空間投射結構光。在實際應用中，可以將線形光投射到被測區域中，通過拍攝反射的光斑，并對光斑的圖像進行處理，來獲取被測空間的深度信息。

現有技術采用柱狀透鏡(參見圖1A)或是菲涅爾透鏡(線型菲涅爾光柵，參見圖1B)來獲取線形激光，并在例如自主作業的保潔機器人的應用中加以使用。柱狀透鏡的體積過大，不利于激光投射或測距裝置的緊湊化。菲涅爾透鏡雖然體積較為緊湊，但是存在輻射角度過小或是檢測距離過短的問題。這是由于通過菲涅爾透鏡透射得到的光強沿一字線呈高斯分布，即中心亮度高，兩端亮度弱。當散射角度增大到一定程度(如90°或100)線激光兩端的亮度會變得非常弱。根據安全激光的測試要求，投射部分最強的亮度也必須在安全標準以下。這樣就大幅限制了激光的投射距離或是投射角度。而使用現有激光投射方案的激光測距方案也相應地受到了限制。

因此，需要一種能夠解決上述至少一個問題的線形激光投射裝置以及相應的激光測距裝置。

技術實現要素：

為了解決上述至少一個問題，本實用新型提供了一種線形激光投射裝置，能夠通過二級衍射提供大輻射角和/或遠投射距離的線形激光。

根據本實用新型的一個方面，提供了一種線形激光投射裝置，包括：用于產生激光束的激光發生器；第一級光學元件，被設計為將入射的激光束在第一方向上分束成N個子光束，相鄰兩個所述子光束之間的夾角α相同，其中N為奇數；以及第二級光學元件，被設計為將所述N個子光束分別衍射成N個在所述第一方向上的輻射角為α的線形光束，并且所述第一級光學元件和所述第二級光學元件被設計為使得所述N個線形光束在所述第一方向上相互拼接，從而形成一個輻射角為N×α的線形光束。

根據本實用新型的另一個方面，提供了一種線形激光投射裝置，包括：用于產生激光束的激光發生器；第一級光學元件，被設計為將入射的激光束衍射成在第一方向上輻射角為α的線形激光；以及第二級光學元件，被設計為將所述線形激光衍射為N個在所述第一方向上的輻射角為α的線形光束，并且所述第一級光學元件和所述第二級光學元件被設計為使得所述N個線形光束在所述第一方向上相互拼接，從而形成一個輻射角為N×α的線形光束，其中N為奇數。

由此，通過二級光學元件合理拼接多個線形光束，由此實現輻射角度大且強度分布均勻的線形光。

優選地，第一級光學元件和第一級光學元件可以是光學衍射元件，更優選地，可以是二元光學元件。這樣，就能實現更為緊湊的光學元件并得到強度分布更為均勻的線形光。

優選地，第一級光學元件或第二級光學元件還可以被設計為使得N個線形光束中兩側的線形光束的能量高于其他的線形光束的能量。這樣，就能夠根據實際情況恰當補償成像時的暗角。

優選地，第一級光學元件還被設計為在對所述入射光束進行分束或衍射之前對所述入射光束進行準直。這樣，通過并入準直功能使得本實用新型的投射裝置進一步緊湊化。

優選地，第一級光學元件可以包括多個光學衍射元件，所述多個光學衍射元件對所述入射光束進行分步分束，從而形成所述N個子光束。

根據本實用新型的還一個方面，提供了一種激光測距裝置，該裝置包括上述線形激光投射裝置或其優選方案用以向被測空間投射線形激光的；還包括與所述線形激光投射裝置之間具有預定相對空間位置關系的成像裝置，被所述被測空間內障礙物反射的線形激光由所述成像裝置進行成像；以及根據上述成像的結果以及所述預定相對空間位置關系獲取所述被測空間內障礙物的深度距離的處理器。

由此，通過投射輻射角度大且強度分布均勻的線形光，實現更為準確且覆蓋范圍更大的深度距離測量。

利用本實用新型的投射/測距裝置，能夠在不顯著加大光學系統制造難度或體積的情況下獲取輻射角度大且強度分布均勻的線形激光，由此實現精度更高覆蓋范圍更廣的深度測量。

附圖說明

通過結合附圖對本公開示例性實施方式進行更詳細的描述，本公開的上述以及其它目的、特征和優勢將變得更加明顯，其中，在本公開示例性實施方式中，相同的參考標號通常代表相同部件。

圖1是現有技術采用柱狀透鏡和菲涅爾透鏡。

圖2示意性地示出了根據本實用新型的光學裝置的側視圖。

圖3示意性地示出了根據本實用新型的另一個光學裝置的側視圖。

圖4示出了可以用于本實用新型的線形激光投影裝置的二元光學元件的示意圖。

圖5示出了根據本實用新型的線形激光投影裝置最終投影的實拍圖。

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細地描述本公開的優選實施方式。雖然附圖中顯示了本公開的優選實施方式，然而應該理解，可以以各種形式實現本公開而不應被這里闡述的實施方式所限制。相反，提供這些實施方式是為了使本公開更加透徹和完整，并且能夠將本公開的范圍完整地傳達給本領域的技術人員。

[第一實施方式]

圖2示意性地示出了根據本實用新型的線形激光投射裝置的示意圖。如圖所示，線形激光投射裝置包括光源1、以及第一級光學元件10和第二級光學元件20。

光源1可以是用于產生激光束100的激光發生器。在一個實施例中，該光源可以帶有準直裝置，例如，該光源可以是能夠直接產生準直激光束100的準直激光器。

光束100入射到二級光學裝置2。

裝置2包括第一級光學元件10和第二級光學元件20。

第一級光學元件10對入射光束100進行分束。在一個實施例中，第一級光學元件10可以被設計為將入射光束在第一方向上分束成N個子光束200，相鄰兩個所述子光束之間的夾角α相同，其中N為奇數。N個子光束200可以是N個點狀激光。雖然圖中示出了3個子光束200(即，N為3)，但是在實際應用中N可以取5、7、9，甚至更多。

第一方向可以是水平方向，也可以是豎直方向。相應地，下面描述的第二方向可以是豎直方向，也可以是水平方向。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。

第二級光學元件20對N個子光束200進行衍射。在一個實施例中，第二級光學元件20可以被設計為將N個子光束衍射成N個在第一方向上的輻射角為α的線形光束300。第一級光學元件10和第二級光學元件20被設計為將這N個線形光束300在所述第一方向上相互拼接，從而形成一個輻射角為N×α的線形光束400。

第一級光學元件10和第二級光學元件20可以是光學衍射元件。在本實用新型中，光學衍射元件是利用光波的衍射原理對光波傳播方向進行偏折的光學元件。第一級光學元件10和第二級光學元件20的光軸可以重合，如圖中虛線500所示。

在N取3的情況下，三束點狀激光僅存在兩個夾角。由于衍射光學具有中心對稱的屬性，因此兩個夾角一定相同。在一個優選實施例中，可以取α＝40°。在另一個實施例中，取N＝5，即五束點狀激光存在四個夾角，則可以取例如α＝30°。

在一個實施例中，第一級光學元件10可以包括多個光學衍射元件。多個光學衍射元件對入射光束進行分步分束，從而形成N個子光束。例如，第一級光學元件10可以包括第三光學衍射元件和第四光學衍射元件(圖中未示出)。第三光學衍射元件被設計為將入射光束在第一方向上分束成N3個子光束，N3個子光束包括1個零級子光束和N3-1個非零級子光束。N3-1個非零級子光束的能量基本上相同，零級子光束的能量高于非零級子光束的能量，其中N3為奇數。例如，N3＝3，中間的零級子光束能量較大，而兩邊各1個一級子光束能量相同，且低于零級子光束的能量。

第四光學衍射元件被設計為將零級子光束在第一方向上分束成能量基本上相同的N4個子光束，其中N4為奇數。另一方面，第四光學衍射元件對非零級子光束則不進行衍射。例如，第四光學衍射元件的作用區可以較小，只對零級子光束通過的區域施加衍射效應，而非零級子光束直接通過而不被進一步衍射。

由此，N3–1+N4＝N。

例如，N4＝3。即，第三光學衍射元件將入射光束分束為3個子光束。第四光學衍射元件將中間能量較強(例如是1級子光束能量的三倍)的零級子光束分束為三個能量基本上相同的子光束。由此，產生3-1+3＝5個能量基本上相同的子光束。

通過第一級光學元件10得到的N個子光束隨后入射到第二級光學元件20上。第二級光學元件20可以將入射的N個子光束衍射成N個輻射角為α的線形光束300。進一步地，這N個線形光束300可以通過對第一級光學元件10和第一級光學元件20的恰當設計而在第一方向上相互拼接，從而形成一個輻射角為N×α的線形光束400。在上述N＝3且α＝40°的例子中，最終能夠得到在第一方向上輻射角為120°的線形激光。而在上述N＝5且α＝30°的例子中，最終能夠得到在第一方向上輻射角為150°的線形激光。

由于投射出的線形激光300其兩端的亮度會略低，因此可以允許相鄰線形光束300有一定程度的交疊，如圖2中亮線301和302所示。在實際應用中，可以允許100個像素以內的交疊。

當兩級光學元件之間的距離很近時(例如，接近為零時)，可以視作N個子光束從一個入射點入射。如果兩級光學元件之間的距離拉開，可以視作N個子光束從N個入射點入射。隨著兩級光學元件之間的距離的增大，拼接的線(即，從第二級光學元件出射的N條線形光)之間的距離會增大。因此，可以恰當設計兩級光學元件之間的距離，以保證這N個線形光束的恰當拼接。

通常情況下，為了得到強度均勻的線形激光，希望經過第二級光學元件得到的N個線性光束的能量相同。但考慮到透鏡設計及成像中通常會遇到的圖像暗角問題(即，圖像兩側成像亮度略低于中心亮度)，所以可以將第一級光學元件和第二級光學元件設計為使得N個線形光束中兩側的線形光束的能量高于其他的線形光束的能量。這可以通過將第一級光學元件設計為使得N個點狀激光中兩側的點狀激光的能量要高于其他的點狀激光的能量來實現。在N＝3，即三束點狀激光的情況下，可以采取兩側激光能量略高于中心激光約5％左右的數值。另外，還可以通過調整第二級光學元件的設計來實現。

如上根據示出了根據本實用新型的一個實施例的線形激光投影裝置。由此，通過二級光學元件對光束的拼接，就能夠獲得大輻射角且輻角范圍內強度均勻的線形激光。

雖然圖中將激光器1示出為與線形激光投影裝置2分開的部件，但是在一個實施例中，也可以將激光發生器1并入作為線形激光投影裝置2的一部分。另外，雖然圖中示出了從激光器1中出射的準直光束，但在一個實施例中，激光器1的準直功能也可由第一級光學元件10實現。換句話說，還可以將第一級光學元件10設計為在對入射光束進行分束之前對入射光束進行準直。

[第二實施方式]

圖3示意性地示出了根據本實用新型的另一個線形激光投射裝置的示意圖。類似地，線形激光投射裝置包括光源1、以及第一級光學元件10’和第二級光學元件20’。

光源1可以是用于產生激光束100的激光發生器，例如準直激光器。

光束100入射到二級光學裝置2’。

裝置2’包括第一級光學元件10和第二級光學元件20’。

第一級光學元件10’對入射光束100進行衍射。在一個實施例中，第一級光學元件10’可以被設計為將入射光束衍射成在第一方向上輻射角為α的線形激光。

第二級光學元件20’對輻射角為α的線形激光進行復制和拼接。在一個實施例中，第二級光學元件20’可以被設計為將線形激光衍射為N個在第一方向上的輻射角為α的線形光束。第一級光學元件10’和第二級光學元件20’被設計為使得N個線形光束在所述第一方向上相互拼接，從而形成一個輻射角為N×α的線形光束，其中N為奇數。雖然圖中示出了3個子光束200(即，N為3)，但是在實際應用中N可以取5、7、9，甚至更多。

類似地，第一級光學元件10’和第二級光學元件20’同樣可以是光學衍射元件，并兩者的光軸可以重合，如圖中虛線500所示。

通過第一級光學元件10’得到的輻射角為α的線形激光隨后入射到第二級光學元件20’上。第二級光學元件20’可以將入射的線形光束復制成N個輻射角為α的線形光束300。進一步地，這N個線形光束300可以通過對第一級光學元件10’和第一級光學元件20’的恰當設計而在第一方向上相互拼接，從而形成一個輻射角為N×α的線形光束400。

類似地，可以允許相鄰線形光束300有一定程度的交疊，如圖3中亮線301和302所示，并且線形激光投射裝置2’可以包括激光器1，和/或可以由第一級光學元件10’進行光束100的準直。另外，也可以將第二級光學元件設計為使得N個線形光束中兩側的線形光束的能量高于其他的線形光束的能量來對暗角效應進行補償。

由此，同樣通過二級光學元件對光束的拼接，能夠獲得大輻射角且輻角范圍內強度均勻的線形激光。

[第三實施方式]

線形激光投影裝置的第一級光學元件和/或第二級光學元件可以是衍射光學元件(DOE)。例如，準直光束在第一級光學元件分束之后，可由第二級的菲涅爾透鏡進行衍射。由于經過菲涅爾透鏡衍射得到的線形光在第一方向上呈高斯分布，因此可以使得相鄰的多個線性光進行交疊，以得到強度分布更為均勻的拼接線形光。在使用菲涅爾透鏡作為第二級光學元件的情況下，優選N＝7、9或以上，以優化拼接線形光的強度分布。

在本實用新型中，線形激光投影裝置中的二級光學元件(例如，圖中2和2’)優選由二元光學元件實現。在這里，可以認為二元光學元件是指基于光波的衍射理論，利用計算機輔助設計，并用超大規模集成(VLSI)電路制作工藝，在片基上(或傳統光學器件表面)刻蝕產生兩個或多個臺階深度的浮雕結構，形成純相位、同軸再現、具有極高衍射效率的一類衍射光學元件。

在一個實施例中，第一級光學元件和第二級光學元件之一(優選第二級光學元件)可以是二元光學元件。例如，第一級光學元件是常規光學衍射元件，第二級光學元件是二元光學元件。在一個實施例中，第一級光學元件和第二級光學元件可以都是二元光學元件。而在另一個實施例中，可以將第一級光學元件和第二級光學元件并入一個二元光學元件。

由于二元光學元件是一種純相位衍射光學元件，為得到高衍射效率，可做成多相位階數的浮雕結構。一般使用N塊模版可得到L(＝2N)個相位階數，其衍射效率為：η＝|sin(π/L)/(π/L)|2。由此計算，當L＝2、4、8和16時，分別有V＝40.5％、81％、94.9％和98.6％。利用亞波長微結構及連續相位面形，可達到接近100％的效率。

由于隨著L的增大，加工難度和成本也相應增加。因此在實際應用中會在選擇適當的階數來對效率和成本加以平衡。圖4示出了可以用于本實用新型的線形激光投影裝置的二元光學元件的側視圖。由此，根據本實用新型的線形激光投影裝置最終能夠得到強度分布相當均勻的大輻射角線形激光。圖5示出了根據本實用新型原理的線形激光投影裝置最終投影的實拍圖。在此例中，兩側與中央的強度比可達9:10。

由于現有技術的限制，二元光學元件雖然能夠衍射出強度分布均勻的線形光，但對單束光的衍射角度很少能超過90度。通過根據本實用新型的上述二級衍射設置，就能夠在保證強度均勻分布的情況下實現衍射角度的擴展，從而滿足實際應用中的各種需要。

[第四實施方式]

根據上述線形激光投射裝置，本實用新型可以得到一種新穎的激光測距裝置。

在一個實施例中，一種激光測距裝置可以包括如上各實施例中所述的線形激光投射裝置及成像裝置。

線形激光投射裝置可以向被測空間投射大輻射角且強度均勻的線形激光。成像裝置與線形激光投射裝置之間具有預定相對空間位置關系，并對所述被測空間內障礙物反射的線形激光進行成像。根據上述成像的結果以及所述預定相對空間位置關系，能夠獲取被測空間內障礙物的深度距離。

由于包含有根據本實用新型的線形激光投射裝置，因此該激光測距裝置能夠投射大輻射角且強度均勻的線形激光，由此，大輻射角保證了能夠在功率不變的情況下盡可能地測量到更大的區域。而強度均勻則提升整體的測量精度。

上文中已經參考附圖詳細描述了根據本實用新型的線形激光投射裝置以及激光測距裝置。

以上已經描述了本實用新型的各實施例，上述說明是示例性的，并非窮盡性的，并且也不限于所披露的各實施例。在不偏離所說明的各實施例的范圍和精神的情況下，對于本技術領域的普通技術人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。本文中所用術語的選擇，旨在最好地解釋各實施例的原理、實際應用或對市場中的技術的改進，或者使本技術領域的其它普通技術人員能理解本文披露的各實施例。