一种新型近似无衍射栅型结构光及其实现方法

　　0 引 言

　　1987 年，J. Durnin 发现了一簇新的麦克斯韦波动方程的解，这簇解表示了一个沿 z 方向传输的光场横截面分布不随传输距离变化的光束，J. Durnin 称之为无衍射光束[1]。自此，许多产生无衍射光束的方案陆续被提出来，其实现方法[2-3]主要有：环缝法、全息法、谐振腔法、圆锥透镜法、球面像差法、偏转抛物镜法等，这些研究集中在点光源上。张文等[4-5]提出了无衍射线结构光的概念并对其实现方法进行了研究。在三维轮廓测量中，结构化光源包括点光源、线光源和栅型等面结构光源。点光源需要逐点扫描物体表面，测量时间长;线光源扫描相对点扫描，扫描速度较快，但仍需要进行一维扫描;相对光点和光线扫描，采用栅型等面结构光源的方法，可以快速实现全场测量[6]。所采用的栅型投影光源主要是数字光栅和正弦投影光栅。数字光栅可在计算机的控制下改变投影图案，具有对比度高，可编程等优点，但是分辨率不高，投影光强不连续具有离散性[7]。正弦投影光栅有较高的分辨率，但是由于衍射作用清晰度不高，并且机构运动造成的误差对测量会造成不利影响[8]。

　　本文基于无衍射理论和面结构光概念，提出一种新型的近似无衍射栅型结构光，并给出一种实现该结构光的方法，该结构光在某一范围内，既具有栅型结构，又具有无衍射特性。文中针对精密三角截面棱镜实现近似无衍射栅型结构光的方法，分析了平面波入射时，该棱镜后光场的光强分布、条纹宽度、间距以及光强分布与传播距离的关系等，给出了相应的数值仿真结果。文中还利用该棱镜为主要光学器件，组成了光学实验系统，进行了实现近似无衍射栅型结构光的实验研究。理论和实验结果表明：本文研究的结构光由明暗相间的条纹组成，具有栅型结构，且条纹细，焦深长，其在一定范围内具有无衍射范围特性，其光场结构及光强分布不随传输距离变化而变化。将该光源应用到三维轮廓测量中，弥补了投影仪和正弦投影光栅的不足，有利于提高系统的精度和分辨力。

　　1 近似无衍射栅型结构光的实现与分析

　　1.1 近似无衍射栅型结构光的概念

　　近似无衍射栅型结构光是一种新型的面结构光，它同时具有无衍射性和栅型结构的特点。近似无衍射特性是指该结构光在一定范围内具有无衍射特性，其光场结构及光强分布不随传输距离变化而变化;栅型结构特性是指该结构光由明暗相间的均匀条纹组成，亮条纹和暗条纹的宽度相同;近似无衍射栅型结构光能够同时满足栅型条纹细，焦深范围大，光场分布及强度在焦深范围内不变的性能指标。