CN102662236A - 一种利用双面振镜实现激光单向扫描的扫描装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用双面振镜实现激光单向扫描的扫描装置，包括激光器、斩波器、振镜和多个反射镜，所述振镜镜片的两面都是高反射面；所述激光器发出的光有两个路径：第一路径经过斩波器入射至振镜镜片正面实现角度偏转，再经反射镜反射至扫描面；第二路径经过斩波器和反射镜入射至振镜镜片背面实现角度偏转，再经反射镜反射至扫描面；所述振镜镜片正面和振镜镜片背面分别形成的扫描线在空间上重叠。本发明可以在激光在线检测、激光打印、激光扫描采样等多种需要激光单向扫描的场合使用，用以弥补振镜在单向扫描上的缺陷，替换大部分旋转棱镜。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用振镜的激光扫描装置，具体涉及使用多块反射镜实现振镜单向高速扫描的激光扫描装置。
背景技术
随着各类激光光谱技术的高速发展，激光在线检测技术已经变得日益成熟，被广泛应用于粮食、蔬菜、水果、烟草、电子器件、矿石等诸多领域。目前常用的激光在线检测技术使用半导体激光器，通过光路的设计和搭建，配合旋转棱镜，形成大视场的激光扫描体系。
然而，该扫描体系的核心——旋转棱镜，在加工上存在诸多的误差，使光束扫描时在径向偏离预定的轨迹，产生寻迹误差。寻迹误差会造成扫描图形的畸变。加工误差主要有：
1 多面旋转棱镜诸镜面与加工时选定基准面的角误差，这是一种无法消除的固有误差；
2 转镜与驱动马达的装配误差，它直接造成反射光束的摆动，可以进行控制；
3 马达转子在高速旋转时，由于有限的刚度变形和产生的焦耳热的梯度变化所产生的动态不平衡；
4 各转镜镜面的不平度误差。
为了校正这些误差，除了在光路中增加元器件补偿外，还需要尽可能地提高转镜和轴承的加工精度，这无疑令使用旋转棱镜的成本过高。
在此背景下，人们开始使用振镜替换转镜。近年来随着科技的进步，振镜的振动频率越来越高，扫描速度越来越快。振镜单镜面的精度优势，稳定的动态扫描特性以及装配调试的简易也很受人们欢迎。但是在不少场合振镜仍无法替代旋转棱镜。
振镜在扫描运动物体，如传送带上的货物时，有一大明显的缺点：振镜在一个周期内的扫描线分为正扫和回扫两条重合的直线，类似于50米折返跑，表现在匀速运动的传送带上的扫描轨迹则是折线，见附图1,这就出现了扫描盲区，有部分样品就检测不到。想要消除盲区，需要仅在一个扫描方向采样检测，同时传送带在每个扫描周期内走激光光斑直径大小的位移。这样，在一个扫描周期内若使用正扫方向，则必须将回扫方向完全滤除，回扫的这半个周期不做扫描。这个方法牺牲了一半的扫描速度，导致在高速场合振镜仍然无法替代工艺复杂、造价昂贵的旋转棱镜。
本发明针对上述振镜使用中的问题提出一个新的设计，使振镜实现速度无损失的单向扫描，让振镜更好地作用于移动物体扫描场合，以替代大部分高成本的旋转棱镜。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种利用双面振镜实现激光单向扫描的扫描装置，采用多块反射镜实现振镜单向性扫描，无速度损失，无明显扫描盲区，用以替代加工复杂，成本昂贵的旋转棱镜扫描装置，在运动物体扫描场合尤为适用。
本发明采用的技术方案是：一种利用双面振镜实现激光单向扫描的扫描装置，包括激光器、斩波器、振镜和多个反射镜，所述振镜镜片的两面都是高反射面；
所述激光器发出的光经过斩波器形成两个路径：第一路径经过斩波器入射至振镜镜片正面实现角度偏转，再经反射镜反射至扫描面；第二路径经过斩波器和反射镜入射至振镜镜片背面实现角度偏转，再经反射镜反射至扫描面；所述振镜镜片正面和振镜镜片背面分别形成的扫描线在空间上重叠。
作为优选，所述反射镜包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜和第七反射镜；
所述第一路径经过斩波器入射至振镜镜片正面实现角度偏转，再依次经过第六反射镜和第七反射镜反射至扫描面；第二个路径依次经过斩波器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜入射至振镜镜片背面实现角度偏转，再依次经过第五反射镜和第四反射镜反射至扫描面。
作为优选，所述第一路径和第二路径分别为透射路径和反射路径，所述透射路径和反射路径由透反式斩波器形成，或由两个普通斩波器加设分束镜形成。
作为优选，所述振镜镜片与各个反射镜间的位置应符合如下条件：所述第五反射镜与第六反射镜到振镜上激光入射点距离相等，第五反射镜至第四反射镜的距离与第五反射镜到扫描线的距离之和，等于第六反射镜至第七反射镜的距离与第七反射镜到扫描线的距离之和，从而保证振镜镜面两面偏转形成的最终扫描幅度一致，所述第一路径和第二路径扫描的幅面由第四反射镜和第七反射镜调整为轴对称三角形，使各角度扫描光更均匀。
作为优选，所述透反式斩波器斩波盘由抛光铝板制成，包括用于透射激光的镂空部分和用于反射激光的非镂空板面，所述透反式斩波器斩波面与激光方向呈45度夹角，这样可以透射和反射出相互垂直的两路光，分别入射于振镜镜片的正反两面。
作为优选，所述透反式斩波器斩波频率与振镜振动频率调整为一致，透射过程对应振镜顺时针转动过程，反射过程对应振镜逆时针转动过程。
作为优选，所述两个普通斩波器斩波频率信号反相，这样的设计可以替代透反式斩波器的功能。所述分束镜的分束比例为1：1。
有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明利用光斩波器和反射镜，使一维振镜扫描更好地作用于单向扫描场合。该扫描系统实现了连续单向扫描，反向扫描过程被有效地转化为正向扫描。在横向扫描匀速运动物体时，不会因折线扫描轨迹出现扫描盲区，或者为了单向采样而损失回扫的扫描过程。可以在大多数的单向高速扫描场合替代造价昂贵的旋转棱镜。在同样的扫描速度下，如每秒扫描2000行，本发明系统的造价仅为同精度旋转棱镜的一半。本发明可以在激光在线检测、激光打印、激光扫描采样等多种需要激光单向扫描的场合使用，用以弥补振镜在单向扫描上的缺陷，替换大部分旋转棱镜。
附图说明
图1 为现有技术激光振镜扫描在传动带上的扫描轨迹；
图2 为本发明采用透反式斩波器扫描装置的反射过程结构示意图；
图3为本发明采用透反式斩波器扫描装置的透射过程结构示意图；
图4为本发明采用普通斩波器扫描装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
如图2和3所示，一种利用双面振镜实现激光单向扫描的扫描装置，包括激光器1、透反式斩波器2、振镜3和多个反射镜，所述振镜3镜片的两面都是高反射面；所述反射镜包括第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、第四反射镜7、第五反射镜8、第六反射镜9和第七反射镜10；
所述激光器1发出的光经透反式斩波器2形成透射光和反射光，透射光路径为经过透反式斩波器2入射至振镜3镜片正面实现角度偏转，再依次经过第六反射镜9和第七反射镜10反射至扫描面；反射光路径为依次经过透反式斩波器2、第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6入射至振镜3镜片背面实现角度偏转，再依次经过第五反射镜8和第四反射镜7反射至扫描面。所述振镜3镜片正面和振镜3镜片背面分别形成的扫描线在空间上重叠。
所述第五反射镜8与第六反射镜9到振镜3上激光入射点距离相等，第五反射镜8至第四反射镜7的距离与第五反射镜8到扫描线的距离之和，等于第六反射镜9至第七反射镜10的距离与第七反射镜10到扫描线的距离之和，从而保证振镜3镜面两面偏转形成的最终扫描幅度一致，所述第一路径和第二路径扫描的幅面由第四反射镜7和第七反射镜10调整为轴对称三角形，使各角度扫描光更均匀。
所述透反式斩波器2斩波盘由抛光铝板制成，包括用于透射激光的镂空部分和用于反射激光的非镂空板面，所述透反式斩波器2斩波面与激光方向呈45度夹角，这样可以透射和反射出相互垂直的两路光，分别入射于振镜镜片的正反两面。
所述透反式斩波器2斩波频率与振镜3振动频率调整为一致，透射过程对应振镜3顺时针转动过程，反射过程对应振镜3逆时针转动过程。振镜和斩波器频率的协调，依靠振镜的编码器得出振镜的位置信号，通过位置信号配合斩波器控制振镜的偏转起始点，最终使他们工作在同一频率。
扫描系统工作过程是：
激光器发出激光经过透反式斩波器，在透射的时间内，振镜镜片从起始位置完成一次小角度顺时针偏转，激光由振镜镜片正面和反射镜反射，光斑从扫描面左端移动至右端，完成一次横向扫描；斩波器转动至不透光的区域，该区域为反射面，激光在反射的时间内，振镜镜片完成一次一样角度的逆时针偏转回到起始位置，激光由振镜镜片的背面和反射镜反射，光斑亦从扫描面左端移动至右端，完成第二次扫描。如此反复，实现单向连续扫描。
如图4所示，上述由透反式斩波器实现的两路入射，也可由两个普通斩波器实现，结构基本上与采用透反式斩波器相同，区别在于：激光器1发出的光经分束镜11分为等能量的两束光，一束经第一普通斩波器12斩波后至振镜3背面，另一束经第二普通斩波器13斩波后至振镜3正面。两路光的斩波频率信号反相。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (7)
1.一种利用双面振镜实现激光单向扫描的扫描装置，其特征在于：包括激光器、斩波器、振镜和多个反射镜，所述振镜镜片的两面都是高反射面；
所述激光器发出的光经过斩波器形成两个路径：第一路径经过斩波器入射至振镜镜片正面实现角度偏转，再经反射镜反射至扫描面；第二路径经过斩波器和反射镜入射至振镜镜片背面实现角度偏转，再经反射镜反射至扫描面；所述振镜镜片正面和振镜镜片背面分别形成的扫描线在空间上重叠。
2.根据权利要求1所述的一种利用双面振镜实现激光单向扫描的扫描装置，其特征在于：所述反射镜包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜和第七反射镜；
所述第一路径经过斩波器入射至振镜镜片正面实现角度偏转，再依次经过第六反射镜和第七反射镜反射至扫描面；第二个路径依次经过斩波器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜入射至振镜镜片背面实现角度偏转，再依次经过第五反射镜和第四反射镜反射至扫描面。
3.根据权利要求1所述的一种利用双面振镜实现激光单向扫描的扫描装置，其特征在于：所述第一路径和第二路径分别为透射路径和反射路径，所述透射路径和反射路径由透反式斩波器形成，或由两个普通斩波器加设分束镜形成。
4.根据权利要求2所述的一种利用双面振镜实现激光单向扫描的扫描装置，其特征在于：所述第五反射镜与第六反射镜到振镜上激光入射点距离相等，第五反射镜至第四反射镜的距离与第五反射镜到扫描线的距离之和，等于第六反射镜至第七反射镜的距离与第七反射镜到扫描线的距离之和，所述第一路径和第二路径扫描的幅面由第四反射镜和第七反射镜调整为轴对称三角形。
5.根据权利要求3所述的一种利用双面振镜实现激光单向扫描的扫描装置，其特征在于：所述透反式斩波器斩波盘由抛光铝板制成，包括用于透射激光的镂空部分和用于反射激光的非镂空板面，所述透反式斩波器斩波面与激光方向呈45度夹角。
6.根据权利要求3所述的一种利用双面振镜实现激光单向扫描的扫描装置，其特征在于：所述透反式斩波器斩波频率与振镜振动频率调整为一致，透射过程对应振镜顺时针转动过程，反射过程对应振镜逆时针转动过程。
7.根据权利要求3所述的一种利用双面振镜实现激光单向扫描的扫描装置，其特征在于：所述两个普通斩波器斩波频率信号反相，所述分束镜的分束比例为1：1。
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