一种激光线可调的激光发射装置及控制方法与流程

本发明涉及激光扫描及自适应光学领域，尤其涉及一种激光线可调的激光发射装置及控制方法。

背景技术：

自适应光学技术用于补偿光传输过程中的波前畸变，其核心器件是变形镜，用于产生与波前畸变相对应的波面。自适应光学系统通常用波前传感器获取波前特征，通过闭环控制算法计算得到变形镜的控制信号，从而实现实时的畸变补偿。

由于波前传感器成本较高，针对某些特定应用场合，可以使用图像传感器代替波前传感器，以图像特征如清晰度等作为目标函数，进行迭代优化计算。近年来，无波前传感器的自适应光学系统广泛应用于生物显微等领域，相关算法也已经发展成熟。

三维激光扫描技术使用激光线扫描物体表面，使用重建算法得到物体表面模型。常用的激光扫描技术中，由于激光线聚焦位置固定，对于不同扫描距离的激光线宽度不一致，尤其距离较远时，激光线宽度过大，算法难以运行。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种激光线可调的激光发射装置及控制方法，以解决现有激光线宽度不可调的问题。

为了达到上述目的，本发明实施例所采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种激光线可调的激光发射装置，包括：激光束发射器、可变形液态透镜、圆柱形透镜、电控可变焦透镜、分光镜、图像传感器以及工控机，其中，所述激光束发射器产生激光，所述激光依次通过可变形液态透镜、圆柱形透镜以及电控可变焦透镜后到达分光镜，经过分光镜分光后，其中一束穿过光学玻璃在目标物表面成像，另一束到达所述图像传感器，所述的图像传感器拍摄激光线在目标物表面的成像情况，并将图像数据发送给所述工控机，所述工控机输出用于控制所述可变形液态透镜和所述电动可变焦透镜的控制信号。

进一步地，所述的激光束发射器包括激光器与激光准直器，所述激光束发射器发射的激光为平行光且激光束直径小于可变形液态透镜的通光孔径。

进一步地，所述的可变形液态透镜包括两片圆形镜片及沿圆形镜片圆周环绕的多个执行器，所述两片镜片之间有透明的矿物油填充。

进一步地，所述执行器通过积压两片镜片产生形变，改变通过可变形液态透镜的光束在与光束垂直方向上不同位置的光程，从而控制光束的波前特性。

进一步地，所述执行器与工控机之间通过驱动器相连，所述驱动器将工控机的控制信号转化为施加在执行器上的电压。

进一步地，所述圆柱形透镜的焦距为f1，用于将入射的直径为d的激光束转化为沿y方向聚焦、x方向延伸以及z方向传播的输出激光线，所述输出激光线的最大宽度wmax由以下公式计算：

进一步地，所述的电控可变焦透镜的焦距为一变量f2，所述电控可变焦透镜与所述圆柱形透镜组成的透镜系统，透镜系统的焦距f由以下公式计算：

其中，d为所述电控可变焦透镜与所述圆柱形透镜之间的距离，当所述目标物表面位于距电控可变焦透镜f的成像面时，激光线的宽度最小。

进一步地，还包括密封舱，所述激光束发射器、可变形液态透镜、圆柱形透镜、电控可变焦透镜、分光镜、图像传感器以及工控机均布置在所述密封舱内，所述密封舱上具有光学玻璃窗口和水密接插件，激光通过所述光学玻璃窗口出射，所述激光束发射器和工控机的电源线通过所述水密接插件与外部连接。

第二方面，本发明实施例还提供一种激光线可调的激光发射装置的控制方法，包括：

激光束发射器产生激光，所述激光依次通过可变形液态透镜、圆柱形透镜以及电控可变焦透镜后到达分光镜；

经过分光镜分光后，其中一束穿过光学玻璃在目标物表面成像，另一束到达所述图像传感器；

图像传感器拍摄激光线在目标物表面的成像情况，并将图像数据发送给所述工控机；

工控机根据图像数据，输出用于控制所述可变形液态透镜和所述电动可变焦透镜的控制信号。

进一步地，所述工控机以图像的清晰度为目标函数，控制信号为优化参数，进行凸优化运算，运算得到所述电控可变焦透镜及所述可变形液态透镜的控制电压。

根据以上技术方案，本发明实施例提出一种激光线可调的激光发射装置，可以用于三维激光扫描领域，解决由激光线不可调引起的扫描距离受限的问题，使用过程中可以自适应地调节激光线的宽度及光强分布，拓宽三维激光技术的应用范围。本发明实施例中，可变形液态透镜是一种波前补偿装置，可以控制激光的光强分布，电动变焦透镜通过改变电压控制透镜的焦距，配合圆柱形透镜可以调节激光线的聚焦位置，从而改变成像面上激光线的宽度。同时，由于该激光发射装置结合了自适应光学技术，也提供了三维激光扫描技术在诸如水下，高温等特殊环境中的应用方案。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种激光线可调的激光发射装置的结构示意图；

图中，激光束发射器1、可变形液态透镜2、圆柱形透镜3、电动变焦透镜4、分光镜5、光学玻璃窗口6、图像传感器7、工控机8、密封舱9、水密接插件10、电源线11、目标物12。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述做出相应解释。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

结合图1所示，根据本发明的实施例，针对激光扫描领域中，激光线宽度不可调造成的应用领域受限，提供了一种激光线可调的激光发射装置，利用自适应光学系统，达到始终保持出射激光线最细的目的，从而拓宽了三维激光扫描技术的应用范围。该装置包括：激光束发射器1、可变形液态透镜2、圆柱形透镜3、电动变焦透镜4、分光镜5、图像传感器7以及工控机8。所述激光束发射器1产生激光，所述激光依次通过可变形液态透镜2、圆柱形透镜3以及电控可变焦透镜4后到达分光镜5，经过分光镜5分光后，其中一束穿过光学玻璃在目标物12表面成像，另一束到达所述图像传感器7，所述分光镜5的反射光进入所述图像传感器7，所述分光镜5的透射光照射目标物，所述的图像传感器7用于拍摄激光线在目标物表面的成像情况，并将图像数据发送给所述工控机8，所述工控机8输出用于控制所述可变形液态透镜和所述电动可变焦透镜的控制信号。

本实施例中，所述激光束发射器1用于产生平行激光束，通常包括激光器与激光准直镜，所述激光器用于产生激光，所述激光准直镜用于提高激光质量，产生平行激光束。激光束直径略大于可变形液态透镜的通光孔径，以滤除激光束边缘光束质量较差的部分。

本实施例中，所述可变形液态透镜2与工控机8相连，受控于所述工控机8，用于产生工控机指定的波前补偿量，该元件通常用于调节激光线的光强分布。对于水下，高温等特殊环境，激光束传播过程中受到环境影响产生的波前畸变，也可以由该可变形液态透镜2校正。所述的可变形液态透镜2包括两片圆形镜片及沿圆形镜片圆周环绕多个执行器，给执行器施加电压后，执行器产生形变，挤压圆形镜片产生形变。所述两片圆形镜片之间有透明的矿物油填充。所述执行器通过挤压两片镜片产生形变，改变通过可变形液态透镜的光束在与光束垂直方向上不同位置的光程，从而控制光束的波前特性。所述执行器与工控机之间通过驱动器相连，所述驱动器将工控机的控制信号转化为施加在执行器上的电压。本实施实例拟采用意大利dynamicoptics公司的aol1810型号可变形液态透镜产品，但不限于此。

本实施例中，所述圆柱形透镜3用于将激光束转化成线状激光。所述电动变焦透镜4与圆柱形透镜3配合，用于调节激光线的宽度。电动变焦透镜4也受控于工控机8相连，工控机8施加指定的电压，控制电动变焦透镜产生对应的焦距，从而控制激光线的宽度变化。电动变焦透镜4与圆柱形透镜3形成的组合透镜的焦距范围决定了激光器的工作距离。所述圆柱形透镜3的焦距为f1，用于将入射的直径为d的激光束转化为沿y方向聚焦、x方向延伸以及z方向传播的输出激光线，所述输出激光线的最大宽度wmax由以下公式计算：

所述的电控可变焦透镜的焦距为一变量f2，所述电控可变焦透镜与所述圆柱形透镜组成的透镜系统，透镜系统的焦距f由以下公式计算：

其中，d为所述电控可变焦透镜与所述圆柱形透镜之间的距离，当所述目标物表面位于距电控可变焦透镜f的成像面时，激光线的宽度最小。

本实施实例拟采用美国thorlabs公司的lj1942l2型号的平凸柱面透镜产品和瑞士optotune公司的el-10-30-tc型号电动变焦透镜产品，但不限于此。

本实施例中，所有上述器件安装在密封舱9内，所述密封舱9上具有光学玻璃窗口6和水密接插件10，配合水密接插件10和光学玻璃窗口6，满足激光发射装置在特殊环境中的应用需求。

本发明实施例还提供一种激光线可调的激光发射装置的控制方法，包括：

激光束发射器产生激光，所述激光依次通过可变形液态透镜、圆柱形透镜以及电控可变焦透镜后到达分光镜；

经过分光镜分光后，其中一束穿过光学玻璃在目标物表面成像，另一束到达所述图像传感器；

图像传感器拍摄激光线在目标物表面的成像情况，并将图像数据发送给所述工控机；

工控机根据图像数据，输出用于控制所述可变形液态透镜和所述电动可变焦透镜的控制信号。

本实施例中，所述激光线经过分光镜5，其中一束穿过光学玻璃窗口在目标物12表面成像，另一束到达图像传感器7，传感器将图像发送给工控机8。工控机8以图像数据为输入，运行控制算法，计算得到可变形液态透镜2与电动变焦透镜4的控制信号，从而形成闭环控制，实现激光线的调控。实际采用的控制算法可以为随机并行梯度下降(spgd)算法、遗传算法等经典无波前自适应迭代算法。本实施实例所述控制算法拟采用随机并行梯度下降(spgd)算法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本技术领域的技术人员认为，随着技术的发展，可以以许多不同的方式来实现本发明的基本构想，因此，本发明及其实施例不限于上文所述的实例。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。