衍射光學(xué)元件DOE在結(jié)構(gòu)光照明方向的應(yīng)用

隨著自動(dòng)駕駛、機(jī)器視覺等前沿技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)光照明成為這些創(chuàng)新領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用的有機(jī)組成部分。結(jié)構(gòu)光照明通過(guò)將已知光強(qiáng)分布圖樣的光照射到目標(biāo)或場(chǎng)景上，測(cè)量變形（由于樣品表面的幾何構(gòu)型造成的變性）的返回圖樣，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析得到目標(biāo)的距離、表面形貌、運(yùn)動(dòng)及其他參數(shù)。DOE可以構(gòu)建非常復(fù)雜的訂制光強(qiáng)圖樣，這些圖樣的形狀，紋路，角度等都可以根據(jù)用戶的應(yīng)用靈活編程。

激光雷達(dá)
激光雷達(dá)（Laser Detection and Ranging, LIDAR）是利用激光測(cè)量距離等參數(shù)的技術(shù)。常規(guī)的激光雷達(dá)采用激光照明遠(yuǎn)程的目標(biāo)，通過(guò)傳感器測(cè)量返回的激光脈沖。利用回波時(shí)間和波長(zhǎng)的輕微變化可得知目標(biāo)的3D形貌和速度。
另外一種技術(shù)途徑是三角測(cè)距。激光測(cè)量系統(tǒng)、探測(cè)器（相機(jī)或光電傳感器）、目標(biāo)構(gòu)成一個(gè)三角形。當(dāng)探測(cè)器和激光之間的距離已知、激光和目標(biāo)之間的距離測(cè)知時(shí)，可通過(guò)三角關(guān)系計(jì)算三角的另外一邊（探測(cè)器和目標(biāo)）的距離。
LIDAR具有無(wú)止境的應(yīng)用領(lǐng)域，從機(jī)器視覺、自動(dòng)駕駛到航空、航天器地表掃描成像。緊湊型LIDAR可裝配于無(wú)人機(jī)上用于獨(dú)立的低成本勘測(cè)。在很多LIDAR系統(tǒng)中，同時(shí)采用多態(tài)激光器掃描監(jiān)控區(qū)域。DOE可以將單個(gè)激光束高效變換成多束、多線結(jié)構(gòu)，并可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用訂制各種照明構(gòu)型。

圖5.1 空中激光雷達(dá)（左）和地表高度掃描激光雷達(dá)（右）

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3D 感測(cè)
很多3D感測(cè)技術(shù)需將具備特定圖樣的光斑或線分布投影到目標(biāo)（如臉部、人體等）表面。DOE可用于產(chǎn)生所需要的圖樣，既可以將單束激光分束，也可以將VCSEL光束陣列“裁縫”成大面積的結(jié)構(gòu)光。特別是在VCSEL光源的使用中，由于其多點(diǎn)、陣列發(fā)射的特征，準(zhǔn)確可靠的“裁縫”操作尤為重要。豐富的建模、設(shè)計(jì)能力確保為客戶特定的VCSEL專門制造高性能的DOE，可實(shí)現(xiàn)圖樣無(wú)縫隙、無(wú)重疊、零級(jí)小化；更重要地，確保您的產(chǎn)品滿足人眼安全規(guī)范。

圖5.2 VCSEL構(gòu)建的不良（左，有縫隙）的結(jié)構(gòu)光與正確的結(jié)構(gòu)光（右）

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投影標(biāo)識(shí)
在很多應(yīng)用中，需要采用可變的投影標(biāo)識(shí)來(lái)代替固定標(biāo)識(shí)。投影標(biāo)識(shí)可以瞬時(shí)改變或關(guān)閉，而無(wú)需接觸標(biāo)識(shí)目標(biāo)；例如可變車道的導(dǎo)向標(biāo)識(shí)、倉(cāng)庫(kù)內(nèi)隨倉(cāng)儲(chǔ)物體類型調(diào)整的標(biāo)識(shí)等。在很多醫(yī)學(xué)治療中，投影標(biāo)識(shí)是必須的，例如在放療中用于高精度的指示需要治療的目標(biāo)靶位。DOE能夠創(chuàng)建幾乎任意形狀的定制投影標(biāo)識(shí)。

圖5.3 訂制的投影標(biāo)識(shí)圖樣

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表面檢測(cè)
將結(jié)構(gòu)光用于檢測(cè)表面檢測(cè)是一種評(píng)估較大面積內(nèi)裂縫及缺陷的高效方法。采用二維結(jié)構(gòu)光照明目標(biāo)表面，反射光進(jìn)行成像并采用三角法則計(jì)算和分析。表面缺陷處將不能正常反射，通過(guò)其位置與變形程度可評(píng)估缺陷的位置及程度。
訂制的結(jié)構(gòu)光DOE可根據(jù)測(cè)量的需求產(chǎn)生所要求的照明結(jié)構(gòu)、發(fā)散角等參數(shù)。

圖5.4 網(wǎng)格照明（左）及表面起伏檢測(cè)（右）

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圓筒/ 管道掃描
結(jié)構(gòu)光具備多種重要的功能，例如探測(cè)氣體管道的泄露，識(shí)別隧道的早期裂縫以避免代價(jià)高昂的后期結(jié)構(gòu)維修，內(nèi)窺鏡及結(jié)腸鏡診斷，以及窄小或?qū)挻髨A筒結(jié)構(gòu)測(cè)量。特別地，共心多環(huán)結(jié)構(gòu)光可用于管道內(nèi)壁的3D成像；這種光斑圖樣近被證實(shí)為此類應(yīng)用適合的照明。共心多環(huán)圖樣的主要參數(shù)是全角和圓環(huán)數(shù)目，均可在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)應(yīng)用特性確定。

圖5.5 多環(huán)照明（左）；環(huán)形照明用于管道檢測(cè)（右）

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