CN101351734A - 用于聚焦激光束的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于聚焦激光束的设备(1)。设备(1)包括：用于沿光发射路径(10a)发射激光束(10)的源(2)、用于将所述激光束(10)聚焦在聚焦点(F)的装置(3)以及用于调节所述聚焦点(F)的位置的装置(4)。设备(1)还包括用于检测对所述调节装置(4)起反馈作用的聚焦距离(D)的装置(5)。聚焦距离(D)通过检测离开聚焦装置(3)的光束(10)的代表此聚焦距离(D)的参数特性而被检测。此特性参数是聚焦光束(10)的波阵面曲率半径。本发明的设备能够精确和可靠地自动调节所需的聚焦距离，而与可能出现的定位误差和/或设备本身的机械和光学部件的不需要的移动无关。如果需要，此调节可以是连续和实时的。

Description

用于聚焦激光束的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于聚焦激光束的设备和方法。更具体地，本发明涉及一种用于控制和自动调节激光束的聚焦距离的设备和方法。

本发明还涉及一种包括这种聚焦设备的编码信息读取器。

背景技术

整个下面的说明书和附带的权利要求中，术语“编码信息读取器”用于指示任何能够通过获取和处理由目标本身散射的光信号而获取有关目标的信息(诸如距离、体积、总尺寸或其标识数据)的设备。术语“编码信息”用于指示在光代码中包含的全部标识数据。术语“光代码”用于指示任何具有存储编码信息的功能的图形表示。光代码的一个具体实例包括线性码或二维码，其中通过具有预定形状(例如正方形、矩形或六边形)的元素、由清晰元素(间隔，通常为白色)所分隔的深色(通常为黑色)，诸如条形码、堆叠码(stacked code)和通常的二维码、彩色码(color code)等等的适当组合来对信息进行编码。更一般地，术语“光代码”还包括其它具有信息编码功能的图形样式，包括清晰印刷的字符(字母、数字等)和特殊形状的图案(诸如标记、标志、签名、指纹等)。术语“光代码”还包括不仅在可见光的范围内，而且在包含于红外线和紫外线之间的波长范围内可检测的图形表示。

为了示例的目的，并且为了使下面的说明书更清楚，下文将明确参考条形码读取器(线性读取器)；当然，本领域的技术人员将理解地是所述的设备也可应用于不同的读取器，诸如二维光代码读取器(矩阵或区域读取器(matrix or area reader))。

本领域的技术人员还将理解地是本发明的聚焦设备可应用于除编码信息读取器之外的装置。例如，本发明的设备可应用于激光切割/打标/焊接装置，并且通常可应用于任何需求或需要控制和/或调节激光束的聚焦距离，以在不同的距离下实现最佳聚焦条件的装置。

典型地，用于聚焦激光束的设备包括沿光发射路径的激光束发射源和光学聚焦系统，所述光学聚焦系统典型地包括至少一个聚焦透镜或聚焦镜，适于以预定聚焦距离聚焦激光束。

众所周知，光代码读取器的最大分辨率，即可检测到的细节的最小尺寸取决于此光束聚焦距离处的光束直径。

为了广泛的应用，光代码所处的距离以及因此光束必须被聚焦的距离不是预先确定的。因此必须使用能够自动调节聚焦距离的设备。这种设备能够扩大可达到最大分辨率的区域。这种设备也称为自动聚焦设备。

在传统的自动聚焦设备中，所需聚焦距离的自动调节是通过光源和光学聚焦系统的相对机械移动来实现的，或在变焦光学设备的情况下，其是由光学聚焦系统的一部分的相对机械移动来实现的。

在设备中，基于通过特殊检测装置所检测到的并且代表含有待读取信息的载体所处的距离的信号而启动此机械移动，这样的设备是已知的。

例如，US 4604739和US 5546710公开了用于包含在反射载体(reflecting support)上的信息的读取器的自动聚焦设备，其中所需的聚焦距离是基于指示反射载体的距离的信号而进行调节。此距离通过利用横向干涉仪拦截并检测由反射载体所反射的光束来计算。

US 4641020公开了用于包含在反射载体上的信息的读取器的自动聚焦设备，其中所需的聚焦距离是基于代表聚焦透镜相对于发射源的位置的信号而进行调节。

US 6134199公开了用于包含在反射载体上的信息的读取器的自动聚焦设备，其中所需的聚焦距离是基于代表反射载体的距离的信号而进行调节。此距离通过检测由该载体反射并经过设置在光发射路径中的相同聚焦透镜再校准(re-collimated)的光束来计算。

US 6621060 B1公开了用于机械激光加工的自动聚焦设备，其中焦点校正是通过观察由附属激光束在零件表面上产生的光点来启动(actuated)的，其中该零件是要通过用于机械加工的激光束的聚焦透镜来加工。

US 6728171 B2公开了用于成像装置的自动聚焦设备，其中焦点校正是通过聚焦在聚焦透镜的表面上并始终通过同一透镜被传感器所观察到的附属光束(accessory light beam)来启动的。

在上述专利中描述的许多自动聚焦设备中，焦点位置是通过测量必须将焦点保持在其上的表面和焦点本身之间的相互位置来进行调节的。

申请人已发现许多这样的设备具有如下缺点：只有当信息包含在反射载体上时才可使用，这是一种在有限种类的应用中发生的情况。

在其它现有的已知设备中，焦点位置是间接地通过测量光学聚焦系统相对于发射源的相互位置，或在变焦光学设备的情形下，通过测量光学聚焦系统的一些元件相对于整个光学系统的相互位置来进行调节的。

申请人已发现这些设备具有如下缺点：对光学聚焦系统和光源之间的相对定位的误差，或在变焦光学设备的情形下，对光学聚焦系统的元件之间的相对定位的误差非常敏感。特别地，申请人已发现在这些设备中，例如由热膨胀、机械间隙或振动所引起的光学聚焦系统的机械和光学部件的可能定位误差或不需要的移动会导致在预期的和/或需要的聚焦距离的调节中出现误差。

换句话说，申请人已证明上述误差(或不需要的移动)导致聚焦点定位于不同于期望和/或需要的聚焦距离。

实际上，通过近轴近似(paraxial approximation)简化光学系统的描述，聚焦点的位置q通过下式给出：

$\frac{1}{q}=\frac{1}{f}-\frac{1}{p}$

其中f是用于聚焦的光学系统的焦距，p是光源相对于光学系统的位置。

因此，与聚焦点相关联的绝对误差Δq为：

$\mathrm{\Δq}=\left|\frac{f^2}{{(p-f)}^2}\right|\mathrm{\Δp}+\left|\frac{p^2}{{(p-f)}^2}\right|\mathrm{\Δf}$

其中Δp是关于光学系统的定位的绝对误差，Δf是关于聚焦系统的焦距的绝对误差；特别地，在基于通过变焦启动的光学系统中，Δf不等于零。

从上面的等式中可清楚地看到Δp和Δf导致了聚焦点Δq的误差。

通常，误差Δp和Δf不是系统的，因为它们取决于如下的因素，诸如温度，机械间隙，光学、电子或机械部件的结构参数的不可重复性。因此出现聚焦点实际位置的不确定；在现有的聚焦设备中，这种不确定迫使要使用更大直径的光束，由此导致最大分辨率的降低。

申请人已进一步发现在上述的聚焦设备中，组装和校准机械和光学部件的操作是相当困难的，因为它必须确保固定部件和移动部件之间精确的紧固公差(tightening tolerance)。这意味着要使用特别复杂的结构解决方案，由此明显导致设备最终成本的增加以及设备尺寸的增大。对于用于聚焦系统的机械移动的设备出现类似的问题：由于此设备必须确保在毫米或十分之一毫米的范围内移动，所以它必须是高精度的。

US 6119942公开了用于通过激光束扫描的光代码读取器中的自动聚焦设备，其中焦点校正是通过测量预定距离处的激光束的直径来确定的，此测量通过扫描光敏元件上的所述激光束并随后测量扫描的持续时间来实现。

申请人已发现，在此设备中，由于光束直径的变化与聚焦距离是弱相关的，所以通过光敏元件上的扫描来测量光束直径从而对聚焦距离进行直接调节往往产生相当大的误差。特别地，当聚焦距离接近发射点时，此变化趋向于零，而此时通常需要更高的聚焦精度。实际上，在更靠近读取器的距离处，通常要求能够读取更高分辨率的代码，因此，高聚焦精度变得重要。申请人还发现，在此设备中，由于直径检测系统设置在扫描系统的下游、并处于扫描区域的边缘位置，所以在扫描期间不能对聚焦距离执行实时和连续地调节。对于每次扫描仅仅能够执行一次直径测量，从而只能对聚焦距离进行一次调节。因此，在含有代码的载体是曲线的情形中或在其它必须连续而精确地调节聚焦的情形中，这种调节系统不能以精确而可靠的方式适应聚焦距离。

发明内容

因此，申请人已考虑提供一种自动聚焦设备的问题，该设备应当是小尺寸、不贵、快速，具有高分辨率和精度，并且该设备对光学聚焦系统的机械和光学部件之间的任何定位误差或不需要的移动和/或确定光学聚焦系统的焦距时所产生的误差应当是不敏感的，从而实现对聚焦距离的精确和可靠的(如需要，连续和实时的)自动调节。

在其第一方面中，本发明因此涉及一种用于聚焦激光束的设备，所述设备包括：

沿光发射路径的激光束发射源；

用于将所述激光束聚焦在位于聚焦距离处的聚焦点的第一聚焦装置；

用于调节所述聚焦点相对于所述设备的位置的装置；

用于检测对所述调节装置起反馈作用的所述聚焦距离的装置，其中所述检测装置检测离开所述第一聚焦装置的光束的代表所述聚焦距离的参数特性；

其特征在于：所述特性参数是离开所述第一聚焦装置的光束的波阵面曲率半径。

有利地，在本发明的设备中，将聚焦距离调节至所需值的自动调节完全基于对代表实际聚焦距离的参数的直接检测，特别是通过离开第一聚焦装置的光束的波阵面曲率半径的直接检测。这种直接检测充当对用于调节聚焦点位置的装置的反馈，从而改变其位置。新启动的聚焦距离的检测和对用于调节聚焦点位置的装置的反馈持续到得到所需的聚焦距离为止。因此，可能的定位误差和/或可能导致实际聚焦距离不同于期望聚焦距离的机械和光学部件的不需要的移动被适当地检测到，从而能够精确并可靠地对所需的聚焦距离进行调节。

从制造的观点来看，这有利地提供了如下可能性：使用简单、便宜而又简洁的解决方案，同时增加最大可达到的分辨率。例如，聚焦装置还可包括单一的非球面镜头，可选地由塑性材料构成。此透镜的位置可通过简单的音圈(voice-coil)进行调节。可选地，调节装置可利用压电传动装置(piezoelectric actuator)或双压电晶片弯曲机(bimorphpiezoelectric bender)制造，透镜设置在其自由端上。聚焦装置还可使用可变焦透镜，诸如液体透镜或可变形的表面反射镜(surface mirror)制成。

有利地，根据本发明，实际聚焦距离的检测仅基于聚焦光束的光学性质的分析，并且特别地基于离开聚焦装置的光束的波阵面曲率半径的分析。实际上，在远离聚焦点的区域中，聚焦光束的波阵面由球冠组成，该球冠具有等于聚焦距离的曲率半径，这里的波阵面指的是在光束辐射的电磁场表现相同相位的那些点的空间中的几何位置。有利地，因此对离开聚焦装置的光束的波阵面曲率半径的检测允许直接测量要得到的实际聚焦距离。

在本发明的设备的优选实施例中，上述检测装置计算所述聚焦距离的值。

优选地，检测装置包括：

预定厚度和折射率的玻璃板，所述玻璃板设置在第一聚焦装置下游的光发射路径中，适于生成沿相对于光发射路径倾斜的光反射路径传播的反射光束，所述反射光束被一对部分重叠的光束所限定并且其限定了干涉区域；

光电探测器装置，其设置在所述光反射路径中，并适于生成代表所述干涉区域的参数特性的信号；

用于处理所述信号从而生成指示所述曲率半径的信号的装置。

因此曲率半径的检测是通过使用任何传统的干涉仪，即任何能够在由单一光束生成的两个光束之间产生干涉的仪器，以及使用传统的光电探测器和处理器装置来实现的。有利地，光电探测器和处理器装置提供代表所述干涉区域的并且指示聚焦光束的所述波阵面曲率半径的电信号，并因此提供实际聚焦距离的测量。

优选地，玻璃板相对于光发射路径以45°设置，因为在该角度下，用于检测代表聚焦距离的信号的装置具有更小的机械总体尺寸，并具有反射光束的良好重叠。实际上，用小于45°的角度布置板将意味着更大的机械总体尺寸，而用大于45°的角度布置板将意味着反射光束的重叠更小。

优选地，干涉区域的所述参数特性是由位于光反射路径中的观察面上的所述干涉区域所限定的多个干涉条纹的空间频率。实际上，已知的是在垂直于反射光束传播方向的观察面上产生的干涉图样包括多个平行的条纹，并具有正弦的强度分布，其频率取决于入射到观察面上的波阵面的曲率半径。此曲率半径与聚焦光束的波阵面曲率半径相关，因此与实际的聚焦距离相关。

在本发明的设备的优选实施例中，光电探测器装置包括沿条纹连续的方向设置在观察面上的光敏元件阵列。例如，光电探测器装置包括CCD传感器。有利地，在这种情况下，对条纹系统频率的确定是通过沿条纹连续的方向依次测量来自每个光敏元件的信号而实现的。对测量的时间序列的频率的测量与多个条纹的空间频率通过光敏元件阵列的扫描速度而直接相关，这一点根据本说明书的后续部分将清晰地显现。一旦已知光敏元件阵列的扫描速度，并且检测到上述的时间序列，就由此能够计算多个条纹的空间频率，从而计算聚焦光束的波阵面的曲率半径。

在可选实施例中，观察面包括至少一个狭长切口，所述狭长切口适于允许所述干涉区域的至少一部分通过，光电探测器装置包括至少一个光敏元件，所述光敏元件设置在所述至少一个狭长切口下游的所述光反射路径中。

在此情形中，优选地，所述至少一个狭长切口是矩形的，其较短边沿所述条纹连续的方向定向。更优选地，沿所述条纹连续的方向，所述至少一个狭长切口具有这样的尺寸，使得对于条纹频率的预定范围，在干涉区域的所述至少一个部分处，所述反射光束的光强的积分函数是单调的。

特别地，在本发明的设备的第一可选实施例中，上述的观察面包括单一的狭长切口，光电探测器装置包括单一的光敏元件。在这种情形下，优选地，所述单一的狭长切口具有一对平行于所述干涉区域的第一对称轴的较长边，所述第一对称轴垂直于所述条纹连续的方向，并且所述单一的狭长切口在相对于所述干涉区域的第二对称轴的所述观察面的相对侧上延伸，所述第二对称轴平行于所述条纹连续的方向。更确切地，所述较长边对中的一个较长边与所述第一对称轴重合。具体地，在此实施例中，狭长切口优选设置在由上述干涉区域的第一和第二对称轴所定义在观察面上的参考系的第一和第四象限上，并具有与所述第一对称轴重合的较长边。可选地，狭长切口可设置在第二和第三象限上。

在本发明的设备的第二可选实施例中，观察面包括两个狭长切口，而光电探测器装置包括两个光敏元件，所述两个狭长切口中的每一个对应一个光敏元件。在这种情况中，优选地，两个狭长切口分别形成在相对于所述干涉区域的第一对称轴的观察面的相对侧上，所述第一对称轴垂直于条纹连续的方向，并且更优选地，两个狭长切口具有与第一对称轴重合的较长边，并形成在相对于干涉区域的第二对称轴的相对侧上，所述第二对称轴平行于条纹连续的方向。确切地，在此实施例中，一个狭长切口优选设置在由上述干涉区域的第一和第二对称轴定义在观察面上的参考系的第二(或第一)象限上，而另一狭长切口设置在第四(或第三)象限上。

可选地，两个狭长切口相对于第一对称轴对称设置，并相对于第一对称轴以预定距离隔开。具体地，在此实施例中，一个狭长切口设置在由上述干涉区域的第一和第二对称轴定义在观察面上的参考系的第一和第四象限上，而另一狭长切口设置在第二和第三象限上。

在本发明的设备的另一实施例中，不管所用光敏元件的类型和数量如何，沿光反射路径，在板和观察面之间设有旋转多面镜，并可选地在板和旋转多面镜之间设置至少一个偏转镜。有利地，在这种情形中，条纹系统的空间频率与以线性速度通过所述至少一个狭长切口的干涉区域的光强的调制频率直接关联，其中反射光束以所述线性速度在狭长切口上移动(此线性速度又与多边形转子的旋转速度关联)，这一点将从本说明书的后续部分清晰地显现出来。

有利地，旋转多面镜可与作用于折射光束的多面镜是同一多面镜，其中所述折射光束用于在待读取的光代码上扫掠(sweep)此光束。

在本发明的设备的优选实施例中，玻璃板包括反射材料的相对的平坦平行面(opposite plane-parallel faces)。

在一不同的实施例中，玻璃板包括彼此形成角度θ以使得光束能够重叠的反射材料的相对平面。在这种情况下，条纹系统将根据在板具有平坦平行面的情况下相对于条纹连续的方向成角度α而定向。有利地，此角度α的检测与离开聚焦装置的波阵面曲率半径直接关联，这一点将从本说明书的后续部分清晰地显现。

在本发明的设备的又一优选实施例中，检测装置包括：

镜状表面，其设置在所述第一聚焦装置的下游，并相对于所述光发射路径倾斜，从而将聚焦光束的边缘部分向后返回到与所述发射源不同的位置中；

探测器装置，其感测向后返回的所述激光束的入射位置，以生成代表所述入射位置的信号，所述探测器装置与所述发射源整体相关联；

用于处理所述信号以生成指示所述聚焦距离的信号的装置。

有利地，在这种情形中，聚焦距离可通过检测向后传输的光束撞击(impinge)位置传感器的位置的变化来检测，这一点将从本说明书的后续部分清晰地显现。

在其第二方面中，本发明涉及用于聚焦激光束的设备，所述设备包括：

沿光发射路径的激光束发射源；

用于将所述激光束聚焦在位于聚焦距离处的聚焦点的第一聚焦装置；

用于调节所述聚焦点相对于所述设备的位置的装置；

用于检测对所述调节装置起反馈作用的所述聚焦距离的装置，其中所述检测装置包括：

预定厚度和折射率的板，所述板沿所述光发射路径设置在所述第一聚焦装置下游，并适于生成沿相对于所述光发射路径倾斜的光反射路径传播的反射光束；

第二聚焦装置，其设置在所述光反射路径中，用于在预定距离处聚焦所述反射光束；

光阑，其设置在所述第二聚焦装置下游的所述光反射路径中，具有与所述反射光束同中心的孔，从而仅仅允许所述反射光束的中心部分由此通过，其中当所述第一聚焦装置在最大或最小聚焦距离处聚焦由所述发射源发射的光束时，在所述光阑处，所述孔具有与所述反射光束的直径相等的直径；

光电探测器装置，其设置在所述光阑下游的所述光反射路径中，适于当聚焦距离增加或减少时，生成代表所述反射光束的所述中心部分的光强变化的信号；

用于处理所述信号以生成指示所述聚焦距离的信号的装置。

有利地，在上述的聚焦设备中，聚焦距离可通过检测当聚焦距离增加或减少时通过光阑圆孔的光束的光强变化来检测，这一点将从本说明书的后续部分清晰地显现。

优选地，上述处理装置计算所述聚焦距离的值。

优选地，板包括相对的平坦平行面，更优选地，对所述相对面中的一个用抗反射涂层进行处理。

在其第三方面中，本发明涉及一种用于聚焦激光束的方法，所述方法包括如下步骤：

沿光发射路径发射激光束；

将所述激光束聚焦在位于聚焦距离处的聚焦点中；

检测所述聚焦距离；

根据所检测到的聚焦距离调节所述聚焦点的位置；

其中，检测聚焦距离的步骤包括检测聚焦光束的代表所述聚焦距离的的参数特性的步骤，所述特性参数是所述聚焦光束的波阵面曲率半径。

有利地，此方法可利用上述类型的聚焦设备执行，因此它具有上文参考此设备提及的所有有利特征。

优选地，检测聚焦距离的步骤以及基于所检测到的聚焦距离调节聚焦点位置的步骤被反复执行，直至达到所需的聚焦距离。

在本发明的方法的优选实施例中，检测聚焦距离的步骤包括计算所述距离的值的步骤。

优选地，检测所述聚焦距离的步骤包括如下步骤：

产生沿相对于光发射路径倾斜的光反射路径传播的反射光束，所述反射光束包括一对部分重叠的光束，并且所述反射光束限定了干涉区域；

检测所述反射光束，以生成代表所述干涉区域的参数特性的信号；

处理所述信号，以生成指示所述曲率半径的信号。

优选地，上述处理步骤包括确定由干涉区域在位于光反射路径中的观察面上所限定的多个干涉条纹的空间频率的步骤。

优选地，上述确定空间频率的步骤包括如下步骤：

选择所述干涉区域的至少一个部分，以生成代表所述干涉区域的所述至少一个部分的光强的信号；

计算在干涉区域的所述至少一个部分处的所述反射光束的光强的积分。

优选地，所述干涉区域的所述至少一个部分是矩形部分，其较短边沿条纹连续的方向定向。更优选地，沿所述条纹连续的方向，所述干涉区域的所述至少一个部分具有这样的尺寸，即，可使得对于条纹频率的预定范围，在干涉区域的所述至少一个部分处，所述反射光束的光强的积分函数是单调的。

在本发明的方法的可选实施例中，检测聚焦距离的步骤包括如下步骤：

沿相对于光发射路径倾斜的光路，向后返回聚焦光束的边缘部分；

通过检测装置检测向后返回的激光束的所述边缘部分，以生成代表所述向后返回的边缘部分撞击检测装置的位置的信号；

处理所述信号，以生成指示所述聚焦距离的信号。

在其第四方面中，本发明涉及一种用于聚焦激光束的方法，所述方法包括如下步骤：

沿光发射路径发射激光束；

将所述激光束聚焦在位于聚焦距离处的聚焦点中；

检测所述聚焦距离；

根据所检测到的聚焦距离调节所述聚焦点的位置；

其中，检测聚焦距离的步骤包括如下步骤：

生成沿相对于所述光发射路径倾斜的光反射路径传播的反射光束；

在预定距离处聚焦所述反射光束；

选择通过光阑的所述反射光束的中心部分，所述光阑具有与所述反射光束同中心的圆孔，并且当发射光束在最大或最小聚焦距离处聚焦时，在所述光阑处，所述圆孔的直径等于所述反射光束的直径；

检测反射光束的所述中心部分，以当聚焦距离减小或增加时，生成代表所述反射光束的所述中心部分的光强变化的信号；

处理所述信号，以生成指示所述聚焦距离的信号。

在本发明的方法的优选实施例中，检测聚焦距离的步骤包括计算所述聚焦距离的值的步骤。

在其第五方面中，本发明涉及一种包括上述类型的聚焦设备的编码信息读取器。

这种读取器具有上文参考本发明的聚焦设备所描述的所有有利特征。

附图说明

根据下文参考附图作出的一些优选实施例的详细描述，本发明的设备和方法的其它特征和优点将会更清晰地显现。在这些附图中：

图1是根据本发明的聚焦设备的示意图；

图2是代表本发明设备的第一实施例的一部分的的示意图；

图3是图2的设备的一些部件的示意图；

图4是代表从图3的部件中出来的光束及其在观察面上的投影的示意图；

图5显示了在不同条件下，从图3的部件中出来的光束的中心部分在观察面上所产生的光学效果；

图6是代表本发明设备的第二实施例的一部分的示意图；

图7是图6的设备的部件的示意图；

图8是可用于图6的设备中的部件的示意图，该部件作为图7的部件的替代物；

图9是代表本发明设备的第三实施例的一部分的示意图；

图10是图9的设备的部件的示意图；

图11是代表本发明设备的第四实施例的一部分的示意图；

图12是代表本发明设备的第五实施例的一部分的示意图；

图13显示了在不同操作条件下，从图3的部件之一的变形中出来的光束的中心部分在观察面上所产生的光学效果；

图14是代表本发明设备的第六实施例的一部分的示意图；

图15是代表根据本发明的另一聚焦设备的示意图。

具体实施方式

在图1中，附图标记1指示根据本发明的用于聚焦激光束的设备。特别地，设备1是自动聚焦设备，即能够控制和自动调节所需的激光束的聚焦距离的设备。

优选地，设备1意欲用于编码信息读取器中，并且更优选地，用于条形码读取器中。

设备1包括用于沿光发射路径10a发射激光束10的源2和用于将激光束聚焦在聚焦点F中的装置3，聚焦点F位于相对于装置5的预定聚焦距离D处，所述装置5用于检测在设备1中适当设置的聚焦距离，下文将对其进行描述。

用于发射激光束的源2是传统类型的，因此此处将不再详述。

聚焦装置3也是传统类型的，因此将不在此处对它们进行详细描述。然而根据本发明，这种聚焦装置可以是比用于传统自动聚焦设备中的装置更简单和更便宜的类型：例如，聚焦装置3可包括单一的非球面透镜，可选地由塑性材料构成。聚焦装置3还可使用可变焦透镜，诸如液体透镜或可变形的表面反射镜制成。

聚焦装置3或者，在变焦光学设备的情况下，它的一些部件可操作与移动装置4相关联。这种移动装置适于控制聚焦装置3(或者，在变焦光学设备的情况下，它的一些部件)相对于发射源2的移动，用于调节聚焦点F的聚焦距离D。

移动装置4也是传统类型的，因此将不在此处对它们进行详细描述。然而根据本发明，由于在本发明的设备中，移动的精度不像现有技术的设备中那样非常关键，所以移动装置4可以是比通常用于传统自动聚焦设备中的装置更简单和更便宜的类型。

例如，移动装置4可由简单的音圈或压电传动装置组成。可选地，移动装置4可利用双压电晶片弯曲机制造，透镜设置在其自由端上。

本发明的聚焦设备1还包括用于直接检测聚焦距离D的装置，该装置用附图标记5指示。这种装置5检测聚焦距离，生成代表所检测距离的信号，并可选地计算此距离的值。

如图1中所示，检测装置5对移动装置4起反馈的作用，用于调节聚焦装置3相对于光源2的位置，从而将聚焦点F的聚焦距离D从实际测量值改变为不同的值。

优选地，实际聚焦距离D的检测以及随后由移动装置4控制的聚焦装置3的位置调节被反复执行，直至检测到所需的聚焦距离。

根据本发明，检测装置5检测离开聚焦装置3的光束的代表聚焦距离D的参数特性，聚焦装置3在该聚焦距离D处聚焦光束10。此检测使用设置在光发射路径10a中、并适于生成代表离开聚焦装置3的光束的已检测参数特性的信号的适当检测装置，以及用于处理所述信号以生成指示实际聚焦距离D的信号并可选地计算其数值的装置来执行。在本说明书的下文中将对该检测和处理装置进行详细描述。

根据本发明，由检测装置5检测的特性参数是离开聚焦装置3的光束10的波阵面曲率半径。实际上，在远离聚焦点F的区域中，即在聚焦装置3的紧接着的下游区域中，聚焦光束10的波阵面由球冠组成，该球冠具有与聚焦距离D相等的曲率半径R。

因此，在聚焦装置的紧接着的下游区域处对光束10的波阵面曲率半径的检测提供了对实际聚焦距离D的直接测量。

例如，如图2和图3中所见，在此情形下，检测装置5包括带有分别用附图标记20a和20b指示的平坦平行面的板20，该板20具有预定的厚度和折射率，设置在聚焦装置3下游的光发射路径10a中。特别地，板20距聚焦装置3的距离远小于此装置3聚焦光束10的聚焦距离D。

板20以优选等于45°的预定角度α相对于光发射路径10a倾斜。此板20充当光学干涉仪：它因此产生沿基本平行于光发射路径10a的光路11a传播的折射光束11和用附图标记12和13指示的一对反射光束，该对反射光束沿图3和图4中用附图标记12a和13a指示的各自的光路传播，彼此平行并相对于光发射路径10a倾斜角度2α(具体参见图3)。

实验已经证明光束12和13具有彼此相当的光强，并大于从板20中射出的二次折射光束的光强的量，所述二次折射光束由从光束13发起在板20中开始的二次折射链(the chain of secondary refractions)而产生。二次折射光束的存在因此可忽略不计。

选择板20、发射源2和聚焦装置3，使得板20的厚度和由源2发射的光束10的直径与由聚焦装置3产生的聚焦距离D相比来说是很小的。在这些情况下，光束12和13部分重叠。反射光束14由此产生，在其对应于光束12和13的重叠区的中央部分，反射光束14显现出干涉区域15(见图3和图4)。

在观察面P上，干涉区域15限定了沿方向x彼此相接的多个干涉条纹。

在观察面P处，光束12和13的波阵面具有曲率半径R_P；此半径比聚焦光束10的波阵面曲率半径R小的量等于观察面P距板20的距离1(见图3)。而光束13的波阵面曲率半径R_P比光束12的波阵面曲率半径R_P小的量T等于进入板20的光束13所经过的附加路径。如果r是板20的折射角，h是其厚度，则此附加路径等于T＝2h/cos(r)。由于h选择为远小于聚焦距离D，所以量T是可以忽略不计的。因此，可认为观察面P处两个光束12和13的波阵面曲率半径R_P相等。

图4清晰地显示了由部分重叠的光束12和光束13限定的干涉区域15以及光束12和光束13在观察面P上的投影。光路12a和13a以距离s间隔。在面P上定义了笛卡尔坐标轴x-y的参考系，其中原点位于干涉区域15的中心，x轴平行于干涉条纹彼此相接的方向，y轴平行于条纹本身，并在干涉区域15的中心延伸，而z轴平行于光路12a和13a的传播方向但面向相对于传播方向相反的方向。光束12和13之间的相位差通过沿z轴测量的此光束12和13的波阵面之间的距离而非常近似地给出。

图5显示了例如当聚焦距离D改变时，干涉区域15在观察面P上的光分布。干涉条纹清晰可见。所示情形可参照如下情况：所使用的板具有平坦平行面，板的厚度为1mm，对于658nm波长的折射率n＝1.8，所述板相对于光发射路径倾斜45°，其中由发射源发射的光束具有2mm的直径。刻度以mm表示，两个折射光束之间的距离s等于0.604mm。

光束12和13在观察面P上的波阵面包括两个半径为R_P＝R-1的球冠，分别为该光束12和13的波阵面而由下式给出：

$z_{12}=-R_P-\sqrt{{R_P}^2-{(x-s/2)}^2-y^2}$ 以及

$z_{13}=-R_P-\sqrt{{R_P}^2-{(x+s/2)}^2-y^2}$

由于条件R_P＞＞s适用，此处s是沿光路12a和13a的x方向的距离，所以该波阵面可估计如下：

$z_{12}=-\frac{{(x-s/2)}^2+y^2}{2R_P}$ 以及

$z_{13}=-\frac{{(x+s/2)}^2+y^2}{2R_P}$

两个波阵面之间的相位差因此由下式给出：

$\mathrm{\Δ}=z_{12}-z_{13}=-\frac{{(x-s/2)}^2+y^2}{2R_P}+\frac{{(x+s/2)}^2+y^2}{2R_P}=\frac{s}{R_P}x$

在观察面P上定义的x-y参考系中，光束12和13的波阵面之间的相位差在y轴上因此非常接近于零。

在观察面P上产生并包括多个平行于y轴的干涉条纹的干涉图样的强度分布等于：

$I\left(x\right)=A[1+\sin \left(\frac{\mathrm{\πs}}{2{\mathrm{\λR}}_p}\right)x]$

此处A是每个光束12和13的强度。因此分布曲线是正弦曲线，频率取决于光束12和13的波阵面曲率半径R_P。

因此，在观察面P上并沿x方向的平行条纹系统的空间频率的测量提供了对聚焦光束10的波阵面曲率半径的直接测量，从而提供了对实际聚焦距离D的直接测量。

为此，在本发明的设备1的优选实施例中，检测装置5包括位于光反射路径中的板20下游的适当光电探测器30，该光电探测器30适于产生代表沿观察面P的x方向的条纹系统的空间频率的信号。此外，提供了适于处理上述信号以生成代表实际聚焦距离D的信号的适当处理装置(图中未示，例如微处理器或微控制器)。可选地，此处理装置还可提供代表实际聚焦距离D的数值。

在图2和图3中所示的特定优选实施例中，光电探测器30特别包括沿x方向排列在观察面P上的光敏元件阵列，统一用附图标记31指示。例如这些光敏元件是CCD传感器的一部分。在这种情况下，条纹系统沿x方向的空间频率的确定通过沿x方向依序测量来自每个光敏元件31的信号来实现。实际上，对测量的时间序列的频率的检测与条纹系统的空间频率通过光敏元件阵列31的扫描速度而直接关联。实际上，条纹系统的空间频率由下式给出：

$f_s=\frac{s}{4\mathrm{\λ}{R}_P}[\mathrm{cycles}/\mathrm{mm}]$

如果光敏元件31的阵列沿x方向具有恒定间距并等于p_x，并且此光敏元件阵列31的扫描速度等于S_R(像素/秒)，则来自光敏元件阵列31的连续读数的信号的时间频率是：

$f_t=\frac{s}{4\mathrm{\λ}{R}_P}{S}_R{p}_x\left[\mathrm{Hz}\right]$

一旦已检测到该时间频率，则处理装置生成电信号，根据所使用的处理装置，该电信号可以是与所检测到的时间频率成比例的电流或电压。将此信号与对应于所要求和/或所需要的聚焦距离的参考值相比较。在设备1的校准步骤中预先确定函数，所述函数将参考值与聚焦光束的波阵面曲率半径R相关联、并因此与聚焦距离相关联。此函数取决于所用调节装置的类型，该调节装置可包括例如音圈类型的移动线圈组，或压电传动装置。基于与参考值的比较，生成代表所需聚焦距离与实际聚焦距离之间的差的信号；然后当需要时，将此信号用于对调节聚焦距离的装置的反馈。

处理装置还可提供操作者可读取的所检测到的实际聚焦距离D的数值。

图6显示了本发明的设备1的可选实施例。此实施例与上述实施例的唯一区别在于：在此实施例中，代替光敏元件阵列31，光电探测器装置包括一对用附图标记32和33指示的光电二极管，其设置在观察面P的下游，并适于检测干涉区域15的不同部分。

在此情形中，观察面P由具有一对矩形狭长切口34、35的屏幕100组成。光电二极管32和33分别设置在各自的狭长切口34、35处。狭长切口34、35允许干涉区域15的两个不同部分通过。此部分的每一个通过各自的光电二极管32、33来检测。

图7清晰地显示了光束12和13在观察面P上的投影。能够看到设置在各自光电二极管32和33前面的狭长切口34和35。

在这种情形中，通过计算两个狭长切口34和35处的光强分布的积分之间的差δ来确定条纹系统沿x方向的空间频率。实际上图7中显示了两个狭长切口的优选布置，其中狭长切口34和35从相对于x轴和y轴的相对侧延伸。特别地，狭长切口的较长边与y轴重合但面向相对于x轴的相对侧，而较短边平行于x轴但面向相对于y轴的相对侧。具体地，在此实施例中，狭长切口34在定义于观察面P上的参考系x-y的第四象限上延伸，而狭长切口35在该参考系的第二象限上延伸。

选择狭长切口34和35沿x方向的尺寸L以使得在位于狭长切口处的干涉区域15的部分处，光强积分的差的函数对于条纹频率的预定范围是单调的。

在狭长切口34和35处的光分布积分的计算中，由于y上的相关性(the dependence on y)由倍增常数(multiplicative constant)所给出，所以选择原点位于干涉区域15的中心点的参考系x-y使得考虑变量x就足够了。

如果L是狭长切口沿x方向的宽度，则在观察面P上产生的干涉图样的强度分布函数在边界0和L之间的积分如下式给出：

$H(L,R_P)={\∫}_0^{L}A[1+\mathrm{sen}(\mathrm{\πsx}/2\mathrm{\λ}{R}_P)]\mathrm{dx}={\left[A(x+\frac{1}{2}\mathrm{sen}\frac{{\mathrm{\πsx}}^2}{2\mathrm{\λ}{R}_P})\right]}_0^L$

$=A(L+\frac{1}{2}\mathrm{sen}\frac{{\mathrm{\πsL}}^2}{2\mathrm{\λ}{R}_P})$

由边界-L和0限定的相同的积分为：

$H(-L,R_P)=A(L-\frac{1}{2}\mathrm{sen}\frac{{\mathrm{\πsL}}^2}{2\mathrm{\λ}{R}_P})$

因此，此积分之间的差为：

$\mathrm{\δ}(L,R_P)=H(L,R_P)-H(-L,R_P)=\mathrm{Asen}\frac{{\mathrm{\πsL}}^2}{2\mathrm{\λ}{R}_P}$

当聚焦距离的范围(因此，曲率半径Rmin和Rmax的范围)被限定时，只有当积分尺寸L小于δ(L，Rmin)达到第一相对最大值的值时，函数δ(L)是单调的。当满足此条件时，由光电二极管32和33生成的信号差与聚焦距离D成比例。

申请人已发现使用具有平坦平行面的厚度为1mm、对于658nm波长的折射率n＝1.8、相对于光发射路径倾斜45°的板，如果所需的聚焦范围是800到1600mm，则狭长切口的宽度L必须小于1.02mm，然而如果该范围是500到1600mm，则宽度L必须小于0.81mm，而如果该范围是200到1600mm，则宽度L必须小于0.52mm。

一旦已计算出上述的差δ，处理装置生成与此差成比例的信号(具体来说，是电流或电压，取决于所用处理装置)。将此信号与对应于所要求和/或所需要的聚焦距离的参考值相比较。对于先前的实施例，将参考值与波阵面曲率半径相关联，从而与聚焦距离相关联的函数在设备1的校准步骤中被预先确定，并且其取决于所用移动装置的类型。

基于与参考值的比较，生成代表所需聚焦距离与实际聚焦距离之间的差的信号；然后当需要时，将此信号用于对调节聚焦距离的装置的反馈。

处理装置还可提供操作者可读取的所检测到的实际聚焦距离D的数值。

在图8中所示的可选实施例中，两个狭长切口34、35相对于y轴对称延伸，并相对于所述轴以预定间距d隔开。具体地，在此实施例中，狭长切口34设置在参考系x-y的第一和第四象限，然而狭长切口35设置在所述参考系的第二和第三象限。至于其余的，所有参考图6的实施例所作的说明都适用。然而，因为两个狭长切口34和35不与y轴邻接，所以积分区域更小，所以此可选实施例没有前述的实施例有利。实际上，在条纹频率的变化相等的情况下，在调节移动中，图7的配置能够使函数δ(L)产生更大的变化，由此产生更高的灵敏度并因此产生更高的精度。

图9显示了另一可选实施例，其与图6的实施例的区别仅仅在于：检测装置30包括设置在屏幕100中的单一的光电二极管36和单一的狭长切口37。

图10清晰地显示了光束12和13在观察面P上的投影。能够看到设置在光电二极管36前面的狭长切口37。

在这种情形中，通过计算狭长切口37处的光强分布的积分来确定条纹系统沿x方向的空间频率。实际上图10中显示了狭长切口37的优选布置，其中狭长切口37的较长边与y轴重合，并且该狭长切口在相对于x轴的观察面P的相对侧上延伸。具体地，在此实施例中，狭长切口37在定义于观察面P上的参考系x-y的第一和第四象限上延伸，但是它也可以在第二和第三象限上延伸。选择狭长切口37沿x方向的尺寸L以使得在狭长切口37处，干涉区域15的部分的积分函数对于条纹频率的预定范围是单调的。

一旦已计算出上述积分，处理装置生成与此积分成比例的信号。对于先前的实施例，将此信号与对应于所要求和/或所需要的聚焦距离的参考值相比较。将参考值与波阵面曲率半径相关联，从而与聚焦距离相关联的函数在设备1的校准步骤中被预先确定，并且其取决于所用移动装置的类型。

基于与参考值的比较，生成代表所需聚焦距离与实际聚焦距离之间的差的信号；然后当需要时，将此信号用于对调节聚焦距离的装置的反馈。

处理装置还可提供操作者可读取的所检测到的实际聚焦距离D的数值。

一种解决方案(图中未示)使用单一的矩形狭长切口，该狭长切口具有两个平行于y轴的较长边，但所述边均不与y轴重合。所有参考图9的实施例所作的说明均适用于此解决方案。

图11显示了本发明的设备1的另一可选实施例。此实施例与上述所有实施例的区别仅仅在于：在板20和观察面P之间的光反射路径中，设置了传统的旋转多面镜40。

图11显示了一特定实施例，其中光电探测器装置30包括光电二极管36，而观察面P包括具有对应的狭长切口37的屏幕100，如上文参考图9所述的实施例中那样。

在图11的实施例中，使干涉区域15通过狭长切口37。此通过确定了干涉区域15的光强的调制。令Vs为线性速度，使光束12和14以该线性速度Vs在狭长切口37上移动，穿过狭长切口37的干涉区域15的部分的调制频率通过下式给出：

$f_m=f_s{v}_s=\frac{s}{4\mathrm{\λ}{R}_P}{v}_s\left[\mathrm{Hz}\right]$

此处fs是条纹系统沿x方向的空间频率。

一旦检测到调制频率f_m，处理装置计算空间频率并生成与此频率成比例的信号。对于上述的实施例，将此信号与对应于所要求和/或所需要的聚焦距离的参考值相比较。

基于与参考值的比较，生成代表所需聚焦距离与实际聚焦距离之间的差的信号；然后当需要时，将此信号用于对调节聚焦距离的装置的反馈。

处理装置还可提供操作者可读取的所检测到的实际聚焦距离D的数值。

所有上述的实施例都具有如下优点：允许聚焦距离的连续检测，并因此可实时调节此距离。这可能要归功于如下事实：用于检测聚焦距离的装置设置在用于扫描激光束的装置的上游，因此它们是彼此完全无关的。

图12显示了本发明的设备1的又一可选实施例。此实施例与图11的实施例的区别仅仅在于：旋转多面镜40与扫描折射光束11的镜是同一镜，所述折射光束用于扫掠(sweep)待读取的光代码。在此实施例中，在板20和多边形转子40之间的光反射路径中，设置了偏转镜41。至于其余的，所有参考图11中示出的实施例所作的说明均适用。

可选地，代替光电二极管36，而设置光导(诸如光导纤维)是可能的，所述光导将光强的调制传送到用于检测由光代码散射的光的相同光电二极管。在这种情形下，镜41和狭长切口37的定位必须使得来自光导的强度调制的检测暂时不同于由光代码散射的光的检测。

由于对于检测聚焦距离和检测光代码的信息内容使用同一光电二极管，所以此实施例是特别有利的。

图13显示了在本发明的设备1的另一实施例的情形下，干涉区域15在观察面P上的光分布。此实施例与其它实施例的区别仅仅在于：代替具有平坦平行面，板20包括彼此形成角度θ的平面，从而允许光束的重叠。可以看到干涉区域15沿相对于x轴倾斜预定角度α的m方向在面P上形成了彼此相接的平行条纹系统。

在所示的特定实例中，所使用的板由Schott BK7玻璃构成，板的厚度为1mm，角度θ为0.1°，几个测量结果是随着聚焦距离的改变(因此，聚焦光束的波阵面曲率半径R改变)而作出的。能够看到随着曲率半径的改变，条纹的倾角α改变。

此条纹系统的空间频率实际上与角度α通过如下关系而相关联：

$\sin \mathrm{\α}=\frac{s{f}_s}{\mathrm{\λR}}$

这里s是观察面P上光路12a和13a之间的距离。

因此条纹系统的旋转角度α的测量与聚焦光束10的波阵面曲率半径直接关联。用于确定角度α的方法例如在US 4604739和US 5446710中进行了描述。在这两个专利中，由光载体(optical support)反射的波阵面的曲率半径的检测由四象限光电二极管(quadrant photodiode)，即由四个并排设置的光敏元件组成的光电二极管来执行。由条纹旋转而产生的信号在四个光敏元件上的差与条纹的旋转角度相关联，并因此与聚焦光束的波阵面曲率半径相关联。可选地，角度α的测量可通过其它类型的传感器或利用适当布置在光电二极管前的狭长切口来执行。特别地，狭长切口可平行于x轴设置，如图13中所示。

在上述的不同实施例中，本发明的设备1允许执行聚焦激光束的方法，所述方法包括步骤如下：

沿光发射路径10a发射激光束10；

将激光束10聚焦在位于聚焦距离D处的聚焦点F；

检测实际聚焦距离D；

根据所检测到的当前聚焦距离D来调节上述聚焦点F的位置；

其中，检测聚焦距离的步骤包括检测聚焦光束的代表所述聚焦距离的参数特性的步骤，所述特性参数是所述聚焦光束的波阵面曲率半径。

检测聚焦距离D的步骤以及基于所检测到的聚焦距离D调节聚焦点F的位置的步骤被反复执行，直至达到所需的聚焦距离。

检测聚焦距离D的步骤可包括计算此距离的实际值的步骤。

检测聚焦距离D的步骤具体包括如下步骤：

产生沿相对于光发射路径10a倾斜的光反射路径传播的反射光束14，所述反射光束14包括一对部分重叠的光束12和13，并且所述反射光束14限定了干涉区域15；

检测反射光束14，以生成代表所述干涉区域15的参数特性的信号；

处理上述信号，以生成指示实际聚焦距离D的信号。

上述处理步骤具体包括确定干涉区域15在位于光反射路径中的观察面P上所限定的多个干涉条纹的空间频率的步骤，所述干涉条纹沿着条纹连续的方向彼此相接。

确定所述多个条纹的空间频率的步骤具体包括如下步骤：

选择干涉区域15的至少一个部分，以生成代表干涉区域15的所述至少一个部分的光强的信号；

对于空间频率的预定范围，计算干涉区域15的所述至少一个部分的光强的积分。

在图14中示出的本发明的设备1的另一实施例中，检测装置5包括与孔径光阑220相关联的镜状表面200，该孔径光阑220沿光发射路径10a设置在聚焦装置3的下游。此镜状表面200相对于光发射路径10a倾斜，从而通过同一聚焦装置3将聚焦光束10的边缘部分205向后返回到与发射源2不同的位置上。由于在任何情形下，光束10都被孔径光阑220拦截，该孔径光阑220需要为要求的应用而给予光束适宜的直径，所以从光束10中除去的所述边缘部分205并不改变光束10的特征。

检测装置5还包括光传感器210，光传感器210与光束10的发射源2整体相关联，并感测向后返回的边缘部分205的入射位置，以生成代表此入射位置的变化的信号。例如，光传感器210可以是传统的PSD。可选地，传感器可由诸如CCD的光敏元件阵列组成。

在镜状表面200相对于光发射路径10a的倾斜角相等的情况下，通过镜状表面200向后返回的光束的边缘部分205的入射位置取决于聚焦激光束的曲率半径，并因此取决于实际聚焦距离D。如果镜状表面200不倾斜，则向后返回的光束部分205将回到源2，这将是与焦点共轭的点。代替地，镜状表面200的倾斜将向后返回的光束部分205移动到相对于源2的分散位置(decentralised position)。一旦建立预定的倾斜角，对此光束部分205撞击光传感器210的位置的检测因此提供了对实际聚焦距离的测量。

适当的处理装置处理由光传感器210生成的信号，以生成与向后返回的边缘部分205的入射位置成比例的信号。将此信号与对应于所要求和/或所需要的聚焦距离的参考值相比较。对于先前的实施例，将参考值与波阵面曲率半径相关联(通过光传感器210上的边缘部分205的入射位置)，从而与聚焦距离相关联的函数在设备1的校准步骤中被预先确定，并且其取决于所用移动装置的类型。

基于与参考值的比较，生成代表所需聚焦距离与实际聚焦距离之间的差的信号；然后当需要时，将此信号用于对调节聚焦距离的装置的反馈。

处理装置还可提供操作者可读取的所检测到的实际聚焦距离D的数值。

同样，此实施例具有如下优点：允许聚焦距离的连续检测，以及因此能够实时调节此距离。

在图14的实施例中，本发明的设备1允许执行聚焦激光束的方法，所述方法包括步骤如下：

沿光发射路径10a发射激光束10；

将激光束10聚焦在位于聚焦距离D处的聚焦点F；

检测实际聚焦距离D；

根据所检测到的当前聚焦距离D来调节上述聚焦点F的位置；

其中，检测聚焦距离的步骤包括如下步骤：

沿相对于光发射路径10a倾斜的光路，向后返回聚焦光束的边缘部分205；

通过位置传感器210检测此向后返回的边缘部分205，以生成代表所述位置的信号，其中在所述位置处所述向后返回的边缘部分205撞击位置传感器210；

处理所述信号，以生成代表实际聚焦距离D的信号。

检测聚焦距离D的步骤以及基于所检测到的聚焦距离D调节聚焦点F的位置的步骤被反复执行，直至达到所需的聚焦距离。

检测实际聚焦距离D的步骤可包括计算此距离的实际值的步骤。

图15显示了聚焦设备1，除了上述的发射源2和聚焦装置3之外，该设备1包括具有预定厚度和折射率、并设有平坦平行面的板50。对此面中的一个进行处理，从而产生沿相对于光发射路径倾斜的各自光反射路径传播的单一反射光束111。特别地，可利用抗反射涂层(antireflectivecoating)对面20a进行处理或者可利用反射涂层对面20b部分地进行处理，或者对两者均进行处理。

在反射光路中设有用于聚焦反射光束111的装置60，此装置60适于在预定距离处聚焦反射光束111。在反射光路中，在聚焦装置60的下游设有光阑70，光阑70具有与反射光束111同中心的孔80，从而仅允许所述光束的中心部分由此通过。在光阑70处，孔80具有在如下操作状态下所测量的与反射光束111的直径相等的直径：即，其中聚焦装置3在最大或最小聚焦距离D处(即，对应于两个所需聚焦端面Dmin和Dmax之一)聚焦由发射源2发射的光束10。

在反射光路中，光电二极管90设置在光阑70的下游。此光电二极管90适于生成与聚焦距离D双向唯一地相关(bi-uniquely correlated)的信号，具体地，当聚焦距离D减小或增加时，此信号代表反射光束111的中心部分的光强变化。实际上，当此聚焦距离减小或增加时，装置60在与前述操作条件不同的距离处聚焦反射光束111，从而确定光阑70处反射光束111的直径的增加量以及通过孔80的此光束的部分的相应减少量。

适当的处理装置处理由光电二极管90生成的信号，以生成与反射光束111的中心部分的光强变化成比例的信号。通过在此信号的多个值与相对应的多个聚焦距离之间的已知关系而生成此信号。此关系是在校准步骤期间预先确定的。

然后当需要时，将此信号用于对调节聚焦距离的装置的反馈。

此实施例具有如下优点：允许聚焦距离的连续检测，并且因此能够实时调节此距离。这可能要归功于如下事实：用于检测聚焦距离的装置设置在用于扫描激光束的装置的上游，因此它们是彼此完全无关的。

在图15的实施例中，本发明的设备1允许执行聚焦激光束的方法，所述方法包括步骤如下：

沿光发射路径10a发射激光束10；

将激光束10聚焦在位于聚焦距离D处的聚焦点F；

检测实际聚焦距离D；

根据所检测到的当前聚焦距离D来调节上述聚焦点F的位置；

其中，检测聚焦距离的步骤包括如下步骤：

生成沿相对于所述光发射路径(10a)倾斜的反射光路传播的反射光束(111)；

在预定距离处聚焦所述反射光束(111)；

选择通过光阑(70)的所述反射光束(111)的中心部分，所述光阑(70)具有与所述反射光束(111)同中心的圆孔(80)，并且当发射光束(10)被在最大或最小聚焦距离(D)处聚焦时，孔(80)的直径等于所述反射光束(111)的直径；

检测反射光束(111)的所述中心部分，以当聚焦距离(D)减小或增加时，生成代表所述反射光束(111)的所述中心部分的光强变化的信号；

处理所述信号，以生成指示所述聚焦距离(D)的信号。

检测聚焦距离D的步骤以及基于所检测到的聚焦距离D调节聚焦点F的位置的步骤被反复执行，直至达到所需的聚焦距离。

检测实际聚焦距离D的步骤可包括计算此距离的实际值的步骤。

有利地，在上述的不同实施例中，本发明的设备1能够精确和可靠地自动(并且，如果需要，则连续和实时)调节所需的聚焦距离，而与可能出现的定位误差和/或设备本身的机械和光学部件的不需要的移动和/或确定光学聚焦系统的焦距时所产生的误差无关。

Claims (35)

1.一种用于聚焦激光束的设备(1)，所述设备包括：

沿光发射路径(10a)的激光束(10)的发射源(2)；

用于将所述激光束(10)聚焦在位于聚焦距离(D)处的聚焦点(F)中的第一聚焦装置(3)；

用于调节所述聚焦点(F)相对于所述设备(1)的位置的装置(4)；

用于检测对所述调节装置(4)起反馈作用的所述聚焦距离(D)的装置(5)，其中所述检测装置(5)检测离开所述第一聚焦装置(3)的所述光束(10)的代表所述聚焦距离(D)的参数特性；

其特征在于：所述特性参数是离开所述第一聚焦装置(3)的所述光束(10)的波阵面曲率半径。

2.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述检测装置计算所述聚焦距离(D)的值。

3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其中，所述检测装置(5)包括：

预定厚度和折射率的玻璃板(20)，其设置在所述第一聚焦装置(3)下游的所述光发射路径(10a)中，并适于生成沿相对于所述光发射路径(10a)倾斜的反射光路传播的反射光束(14)，所述反射光束(14)由一对部分重叠的光束(12，13)所限定，并且所述反射光束(14)限定了干涉区域(15)；

光电探测器装置(30)，其设置在所述反射光路中，并适于生成代表所述干涉区域(15)的参数特性的信号；

用于处理所述信号从而生成指示所述曲率半径的信号的装置。

4.根据权利要求3所述的设备(1)，其中，所述干涉区域(15)的所述参数特性是所述干涉区域(15)在位于所述反射光路中的观察面(P)上所限定的多个干涉条纹的空间频率。

5.根据权利要求4所述的设备(1)，其中，所述光电探测器装置(30)包括沿所述条纹连续的方向(x)设置在所述观察面(P)上的光敏元件阵列(31)。

6.根据权利要求4所述的设备(1)，其中，所述观察面(P)包括至少一个狭长切口(34，35，37)，所述狭长切口适于允许所述干涉区域(15)的至少一部分通过，而所述光电探测器装置(30)包括至少一个光敏元件(32，33，36)，所述光敏元件设置在所述至少一个狭长切口(34，35，37)下游的所述反射光路中。

7.根据权利要求6所述的设备(1)，其中，所述至少一个狭长切口(34，35，37)是矩形的，其较短边沿所述条纹连续的方向(x)定向。

8.根据权利要求7所述的设备(1)，其中，沿所述条纹连续的所述方向(x)，所述至少一个狭长切口(34，35，37)具有这样的尺寸，即，可使得对于条纹频率的预定范围，在干涉区域(15)的所述至少一个部分处，所述反射光束(14)的光强的积分函数是单调的。

9.根据权利要求6到8的任一项所述的设备(1)，其中，所述观察面(P)包括单一的狭长切口(37)，而所述光电探测器装置(30)包括单一的光敏元件(36)。

10.当取决于权利要求7或8时根据权利要求9所述的设备(1)，其中，所述单一狭长切口(37)具有一对平行于所述干涉区域(15)的第一对称轴(y)的较长边，所述第一对称轴(y)垂直于所述条纹连续的所述方向(x)，并且所述单一狭长切口(37)在相对于所述干涉区域(15)的第二对称轴(x)的所述观察面(P)的相对侧上延伸，所述第二对称轴(x)平行于条纹连续的所述方向(x)。

11.根据权利要求10所述的设备(1)，其中，所述较长边对的一个较长边与所述第一对称轴(y)重合。

12.根据权利要求6到8的任一项所述的设备(1)，其中，所述观察面(P)包括两个狭长切口(34，35)，而所述光电探测器装置(30)包括两个光敏元件(32，33)，所述两个狭长切口(34，35)的每一个对应一个光敏元件。

13.当取决于权利要求7或8时根据权利要求12所述的设备(1)，其中，所述两个狭长切口(34，35)形成在相对于所述干涉区域(15)的第一对称轴(y)的所述观察面(P)的相对侧上，所述第一对称轴(y)垂直于条纹连续的所述方向(x)。

14.根据权利要求13所述的设备(1)，其中，所述两个狭长切口(34，35)具有与所述第一对称轴(y)重合的较长边，并且所述两个狭长切口(34，35)形成在相对于所述干涉区域(15)的第二对称轴(x)的相对侧上，所述第二对称轴(x)平行于条纹连续的所述方向(x)。

15.根据权利要求13所述的设备(1)，其中，所述两个狭长切口(34，35)在相对于所述干涉区域(15)的第二对称轴(x)的所述观察面(P)的相对侧上相对于所述第一对称轴(y)对称地延伸，并相对于所述第一对称轴(y)以预定距离隔开，所述第二对称轴(x)平行于条纹连续的所述方向(x)。

16.根据权利要求4到15的任一项所述的设备(1)，进一步包括旋转多面镜(40)，其设置在所述板(20)和所述观察面(P)之间的所述反射光路中。

17.根据权利要求16所述的设备(1)，进一步包括至少一个偏转镜(41)，其设置在所述板(20)和所述旋转多面镜(40)之间的所述反射光路中，其中所述旋转多面镜(40)也对由所述板(20)产生的折射光束起作用。

18.根据权利要求3到17的任一项所述的设备(1)，其中，所述板(20)包括反射材料的相对的平坦平行面(20a，20b)。

19.根据权利要求3到17的任一项所述的设备(1)，其中，所述板(20)包括反射材料的相对的平面(20a，20b)，所述相对的平面彼此形成角度θ。

20.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其中所述检测装置(5)包括：

镜状表面(200)，其设置在所述第一聚焦装置(3)的下游，并相对于所述光发射路径(10a)倾斜，从而将所述聚焦光束(10)的边缘部分(205)向后返回到与所述发射源不同的位置中；

探测器装置(210)，其感测向后返回的所述聚焦光束(10)的所述边缘部分(205)的入射位置，以生成代表所述入射位置的信号，所述探测器装置(210)与所述发射源(2)整体相关联；

用于处理所述信号以生成指示所述聚焦距离(D)的信号的装置。

21.一种用于聚焦激光束的设备(1)，包括：

沿光发射路径(10a)的激光束(10)的发射源(2)；

用于将所述激光束(10)聚焦在位于聚焦距离(D)处的聚焦点(F)中的第一聚焦装置(3)；

用于调节所述聚焦点(F)相对于所述设备(1)的位置的装置(4)；

用于检测对所述调节装置(4)起反馈作用的所述聚焦距离(D)的装置(5)，其中所述检测装置(5)包括：

预定厚度和折射率的板(50)，所述板(50)沿所述光发射路径(10a)设置在所述第一聚焦装置(3)的下游，并适于生成沿相对于所述光发射路径(10a)倾斜的反射光路传播的反射光束(111)；

第二聚焦装置(60)，其设置在所述反射光路中，用于在预定距离处聚焦所述反射光束(111)；

光阑(70)，其设置在所述第二聚焦装置(60)下游的所述反射光路中，具有与所述反射光束(111)同中心的孔(80)，从而仅允许所述反射光束(111)的中心部分由此通过，其中当所述第一聚焦装置(3)在最大或最小聚焦距离(D)处聚焦由所述发射源(2)发射的所述光束(10)时，在所述光阑(70)处，所述孔(80)具有与所述反射光束(111)的直径相等的直径；

光电探测器装置(90)，其设置在所述光阑(70)下游的所述光反射路径中，并适于当聚焦距离(D)增加或减少时，生成代表所述反射光束(111)的所述中心部分的光强变化的信号；

用于处理所述信号以生成指示所述聚焦距离(D)的信号的装置。

22.根据权利要求21所述的设备(1)，其中，所述处理装置计算所述聚焦距离(D)的值。

23.根据权利要求21或22所述的设备(1)，其中，所述板(50)包括相对的平坦平行面，对所述相对面中的一个用抗反射涂层进行处理。

24.一种用于聚焦激光束的方法，所述方法包括如下步骤：

沿光发射路径(10a)发射激光束(10)；

将所述光束(10)聚焦在位于聚焦距离(D)处的聚焦点(F)；

检测所述聚焦距离(D)；

根据所检测到的聚焦距离(D)来调节所述聚焦点(F)的位置；

其中，检测聚焦距离(D)的步骤包括检测聚焦光束(10)的代表所述聚焦距离(D)的参数特性的步骤，所述特性参数是所述聚焦光束(10)的波阵面曲率半径。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，检测聚焦距离(D)的步骤以及基于所检测到的聚焦距离(D)来调节聚焦点(F)的位置的步骤被反复执行，直至达到所需的聚焦距离(D)。

26.根据权利要求24或25所述的方法，其中，检测聚焦距离(D)的步骤包括计算所述聚焦距离(D)的值的步骤。

27.根据权利要求24到26的任一项所述的方法，其中，检测聚焦距离(D)的步骤包括如下步骤：

生成沿相对于所述光发射路径(10a)倾斜的反射光路传播的反射光束(14)，所述反射光束(11)包括一对部分重叠的光束(12，13)并且所述反射光束(11)限定了干涉区域(15)；

检测所述反射光束(14)，以生成代表所述干涉区域(15)的参数特性的信号；

处理所述信号，以生成指示所述曲率半径的信号。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述处理步骤包括确定所述干涉区域(15)在位于所述反射光路中的观察面(P)上所限定的多个干涉条纹的空间频率。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述确定所述多个条纹的空间频率的步骤包括如下步骤：

选择所述干涉区域(15)的至少一个部分，以生成代表所述干涉区域(15)的所述至少一个部分的光强的信号；

计算干涉区域(15)的所述至少一个部分的光强的积分。

30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述干涉区域(15)的所述至少一个部分是矩形部分，其较短边沿条纹连续的方向(x)定向。

31.根据权利要求30所述的方法，其中，沿条纹连续的所述方向(x)，所述干涉区域(15)的所述至少一个部分具有这样的尺寸，即，可使得对于条纹频率的预定范围，干涉区域(15)的所述至少一个部分的光强的积分函数是单调的。

32.根据权利要求24到26的任一项所述的方法，其中，所述检测聚焦距离(D)的步骤包括如下步骤：

沿相对于所述光发射路径(10a)倾斜的光路，向后返回所述聚焦光束(10)的边缘部分(205)；

通过检测装置(210)检测向后返回的所述边缘部分(205)，以生成代表所述位置的信号，在该位置处向后返回的所述聚焦光束(10)的所述边缘部分(205)撞击所述检测装置(210)；

处理所述信号，以生成指示所述聚焦距离(D)的信号。

33.一种用于聚焦激光束的方法，所述方法包括如下步骤：

沿光发射路径(10a)发射激光束(10)；

将所述光束(10)聚焦在位于聚焦距离(D)处的聚焦点(F)；

检测所述聚焦距离(D)；

根据所检测到的聚焦距离(D)来调节所述聚焦点(F)的位置；

其中，检测聚焦距离(D)的步骤包括如下步骤：

生成沿相对于所述光发射路径(10a)倾斜的反射光路传播的反射光束(111)；

在预定距离处聚焦所述反射光束(111)；

选择通过光阑(70)的所述反射光束(111)的中心部分，所述光阑(70)具有与所述反射光束(111)同中心的圆孔(80)，并且当发射光束(10)被在最大或最小聚焦距离(D)处聚焦时，在所述光阑(70)处，所述圆孔(80)的直径等于所述反射光束(111)的直径；

检测反射光束(111)的所述中心部分，以当聚焦距离(D)减小或增加时，生成代表所述反射光束(111)的所述中心部分的光强变化的信号；

处理所述信号，以生成指示所述聚焦距离(D)的信号。

34.根据权利要求33所述的方法，其中，检测聚焦距离(D)的步骤包括计算所述聚焦距离(D)的值的步骤。

35.一种编码信息读取器，其包括根据权利要求1到23的任一项所述的聚焦设备(1)。

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