可编程控制偏振方向的激光模块及结构光激光模块的制作方法

本实用新型涉及到半导体激光器的开发、应用领域。具体来说是一种可编程控制偏振方向变化的激光器，可以根据指令动态改变激光光束的偏振方向，生成空间结构光的同时获得不同偏振态光束，从而在机器视觉应用中的复杂反射环境下得到更丰富的光场。

背景技术：

激光应用技术中利用ld（laserdiode）激光二极管配合相应的光学元件即可获得不同类型的激光光斑形态，如圆点、线条、图案等，这些形态可以满足不同应用场景的特定需求。液晶材料的旋光效应可以改变光的偏振方向，通过施加不同的电压即可获得相应的偏振角度，偏振性不同的光束在复杂反射表面中可以形成不同的光场。本实用新型利用上述两种技术，通过控制电路、数据接口和结构设计的创新，将ld驱动电路和液晶驱动电路集成为互相配合的整体，提出了一种可编程改变光束偏振方向的激光模块及结构光激光模块。

技术实现要素：

针对背景技术中提出的ld驱动电路和液晶驱动电路缺乏集成的技术问题，本实用新型第一目的旨在提供可编程控制光束偏振方向的激光模块，通过将电控液晶偏振模块和激光发射器集成安装在结构载体上，并利用控制电路进行控制，控制电路包括ld驱动电路和液晶驱动电路，从而达到将ld驱动电路和液晶驱动电路集成应用的目的。

为实现上述第一目的，本实用新型提供了如下技术方案：

一种可编程控制光束偏振方向的激光模块，包括电控液晶偏振模块、激光发射器、控制电路、数据接口以及将上述内容固定在一起的机械结构载体；控制电路同时与电控液晶偏振模块、激光发射器进行控制连接，数据接口与控制电路之间为信号连接，激光发射器、电控液晶偏振模块按光束传播方向依次固定安装。

通过上述技术方案，数据接口接收外部控制信号，传输给控制电路，由控制电路输出驱动信号触发激光发射器发出光束，也输出控制正交电压给电控液晶偏振模块，发射的光束经过电控液晶偏振模块进行调制改变光束的偏振方向；光路模块安装在光束传播方向上对发射的光束进一步控制光束尺寸、光束发射角度。

控制电路包括ld驱动模块、液晶驱动模块和mcu控制模块；mcu控制模块和ld驱动模块及液晶驱动模块是信号连接，ld驱动模块和激光发射器电连接，液晶驱动模块与电控液晶偏振模式电连接，mcu控制模块与数据接口信号连接，接收并响应外部信号。

通过上述技术方案，可以实现电路集成化、小型化且易于安装，用户易于快速控制光束偏振态变化，从而在复杂反射面场景下通过改变光束偏振态，获得更好的光束照射反馈效果。

本实用新型第二目的旨在提供可编程控制光束偏振方向的结构光激光模块，通过增加了光路模块，将激光发射器、电控液晶偏振模块、光路模块按光束传播方向依次固定安装到载体上，从而让用户根据不同需求，更换不同的结构光组件。

为实现上述第二目的，本实用新型提供了如下技术方案：

可编程控制光束偏振方向的结构光激光模块，增加了光路模块，将激光发射器、电控液晶偏振模块、光路模块按光束传播方向依次固定安装到载体上。光路模块采用可拆卸固定方式安装在载体上。其中光路模块与电控液晶偏振模块一起配合对光束进行各种调制变换，在光路中的安装顺序可以交叉。

通过上述技术方案，可以让用户根据不同需求，更换不同的结构光组件，例如doe、鲍威尔棱镜，或规格不同的透镜模组，从而构成不同焦距、不同形态光斑的结构光激光器，当这些激光光束的偏振方向发生改变，在偏振相机里可以得到不同的视觉结果。

附图说明

图1：硬件逻辑模块示意图，描述了硬件电路模块之间的关系构成；

图2：激光发射器驱动模块电路原理图；

图3：电控液晶驱动模块电路原理图；

图4：ld阵列的激光发射器；

图5：液晶像素阵列结构的电控液晶偏振模块；

图6：结构光激光模块。

附图标记：1、激光发射器驱动模块；2、电控液晶驱动模块；3、mcu控制单元；4、激光器发射器；5、电控液晶模块；6、电平信号输入输出接口；7、上位机通信接口；8、数据接口；11、电路板；12、激光发射器；13、电控液晶偏振模块；14、数据接口；15、光路模块中透镜及辅助光路元件组；16、结构光doe；17、结构载体。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不仅限于此。

结合图1可知，本实用新型包括两个部分：硬件设计和软件设计。将激光发射器驱动模块和电控液晶驱动模块进行了集成，通过在mcu控制单元3中编写软件定义二者之间的配合工作关系，集成的数据接口8接受外部控制信号来实现可编程控制。

结合图1可知，硬件设计逻辑图，硬件构成逻辑图。结合图2可知，其为激光发射器驱动模块电路原理图，结合图3可知，其为电控液晶驱动模块电路原理图。硬件集成到一个电路pcb，逻辑构成如附图1虚线框所示，模块之间相应的电连接和信号连接在pcb中集成，其好处在于降低功耗并使模块间能同步工作，其他如电压转换等非核心部分不做体现。

结合图1可知，ld驱动模块1负责驱动激光二极管工作，激光发射器4一般为激光二极管，结合图4可知，其为单个或多个阵列，连接到pcb上，接收自ld驱动模块1的电流/电压信号来关闭或发射不同功率的光束。电控液晶驱动模块2输出正交驱动电压，加载电压到电控液晶模块5上，结合图5可知，电控液晶偏振模块5为单像素或多像素液晶盒结构。其中，液晶材料随电压变化可以改变入射光的偏振方向。电控液晶偏振模块5通过电连接与硬件电路板连接。

电控液晶偏振模块为液晶盒或其他电控偏振晶体，偏振态或偏振角度可随加载电压发生变化。液晶盒是利用了液晶分子的旋光特性，可以反射式或透射式，在入射面可以增加起偏器（静态线偏振元件、矢量偏振元件等），其中的液晶盒厚度一般不超过3um，响应时间不超过3ms。液晶盒结构可以为单像素结构，或m*n多像素结构如图5。

其中，结合图2和图3可知，ld驱动原理图与lc驱动原理图仅用来说明两部分的模块设计。本实用新型提出将两个模块集成，pcb的设计核心是通过mcu单元将两个模块的工作进行了同步连接，这种同步关系由mcu单元来实现，不仅仅是电连接，更进一步而言，其工作依赖于实现控制逻辑的firmware所定义内容。

结合图1，mcu单元3主要完成控制逻辑和数据处理，为本实用新型的核心载体，mcu单元3可以为单片机或功能更强大的嵌入式系统芯片构成的处理器模块，通过定义内置firmware，来提供数据处理逻辑和编程接口。

本实用新型的数据接口由电平信号输入输出接口6和上位机通信接口7，数据接口是接受外部控制信号的数据通道。其规格定义由mcu单元3来定义和解释。电平信号输入输出接口6一般为标准的ttl通道或符合规范的gpio通道，其定义在mcu单元3中完成和执行。当电平信号输入输出接口6为线束结构或航空插头接口时，将电源输入接口合并在一起为整个装置供电。

上位机通信接口7为串口或usbhid接口或其他接口，负责与上位机进行通信，接收各类指令信息，指令的规格定义和实现由mcu单元3完成，其执行由mcu单元3负责响应并控制相关模块工作，其特征在于mcu单元还包括时钟器件。

上述实施步骤描述了基本的硬件组成部分，进一步而言，本实用新型提出的液晶控制偏振方向的设计在满足使用需求时有其特定的控制方法，该方法利用软硬件结合的方式来实现，其中软件是实现在硬件中的代码，本身为硬件的一部分，对用户而言表现为指令集和触发信号。

软件模块(firmware)主要功能为实现通信协议、解析输入输出的电平信号、响应指令信息以及实现时间同步逻辑。附图4描述了软件实现逻辑，软件处理的对象包括：液晶上的电压信号、ld的驱动信号和时间时序关系。处理的方式对外体现为指令集和触发信号规范。

指令集是利用标准的通信协议如rs232或usb协议等，建立标准的硬件接口和数据规范；基于mcu单元的指令特征，指令集包括对象、时间点、动作赋值；本实用新型提出的指令集定义偏振态偏转角度值与液晶驱动电压的映射关系、ld驱动电压与激光亮度的对应关系、时间轴上液晶偏振角度及激光亮度的变化。

上述指令集的定义可由两个部分构成：一部分为动作类、一部分为参数类。进一步而言，动作类主要指每个指令代表一组行为，激光器将按指令内容执行相应变化，完成用户的控制需求；参数类主要指每个指令代表对激光器的控制参数进行设置，参数包括偏振角度、亮度、偏振变化和亮度变化的时间关系，如延迟量、重复频率和频次等，设置好参数后，控制动作按参数执行。其中时间关系由时序控制器来处理，由硬件时钟器件产生基准时钟信号，动作依次按时序发生。指令形式可以但不限于：指令名称+指令对象+指令赋值，例如ang45c410,ang代表偏振角度改变45代表顺时针变化45°c4代表连续变化4次，即沿顺时针方向按45°、90°、135°、180°连续变化四次，10代表变化时间间隔10ms。

上述指令集的硬件内部编程，还包括对触发信号的响应逻辑。例如gpio接口，将电平信号直接转换为指令内容，通过ttl电平或光耦等来直接控制。通过在mcu单元编程，硬件可以识别触发信号，这使得可编程控制的信号源可以既来自plc控制模块或光栅尺模块，也可以来自上位机通信控制。

上述步骤完成基本的可编程控制光束偏振角度的激光器模块，为了进一步构成一个满足机器视觉需求的激光器或结构光激光器，还需要增加光路模块，光路模块由透镜组、鲍威尔棱镜、doe等构成，主要目的在于改变光束发散角、焦点特性或光斑形态。光路模块按光束传播方向视功能特点依次安装连接，采用可拆卸连接如螺纹连接、插接连接等。

结合图6可知，上述内容构成了本实用新型的具体实施步骤，上述功能模块最终通过设置结构载体17将电路板11、激光发射器12、电控液晶偏振模块13、数据接口14、光路模块15、结构光doe16等多部分进行集成，构成一个完整的、可满足测量领域需求的可变偏振方向激光器。视需求，在光路中采用不同光学元件、衍射光学元件或掩模版组件，能灵活设计出不同结构光和偏振可变的结构光激光器。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。