CN103091837A - 利用抛物面镜校正扫描角度的激光扫描采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用抛物面镜校正扫描角度的激光扫描采样装置，包括激光器组、合束镜组、半透半反镜、光偏转器、抛物面镜、分色镜组和探测器组，所述激光器组发出不同波长的激光，经合束镜组合束后出射至半透半反镜，所述激光由半透半反镜分为透射激光与反射激光，其中透射激光经光偏转器偏转后形成一定角度的扫描激光，经由抛物面镜反射后，形成平行的扫描激光垂直入射扫描面，扫描面散射的部分光信号按原光路返回至光偏转器，再由光偏转器反射至半透半反镜，经分色镜组将不同波长的光信号送入探测器组。本发明解决非垂直入射的情况下，光信息随扫描光入射角度的增大而衰减的问题。

Description

利用抛物面镜校正扫描角度的激光扫描采样装置

技术领域

本发明涉及一种激光扫描采样装置，具体涉及一种利用抛物面镜校正扫描角度的激光扫描采样装置，利用光偏转器对激光束形成偏转，再通过抛物面镜，将扫描激光垂直于扫描面反射；每一时刻的扫描点反射回的光信号再经由原光路返回，最终送入探测器组接收。

背景技术

随着各类激光光谱技术的高速发展，激光扫描采样技术已经变得日益成熟，被广泛应用于扫描成像、图像打印、投影、矿物探测、食品检测等诸多领域。目前常用的激光扫描采样技术使用半导体激光器，通过光路的设计和搭建，配合光偏转器件如振镜、转鼓棱镜、声光调制器等，形成一定角度的激光扫描，扫描的同时完成采样。

然而，由光偏转器实现的扫描采样，有如下缺点：

一、扫描平面时，不易得到相对一致的扫描信号，扫描线中间曝光量强，两边曝光量弱。这主要是由扫描激光入射角度、扫描激光程以及光偏转器在偏转时通光口径不一致引起的。其中扫描激光入射角度的变化是导致该现象的主要原因。

二、扫描平面时，扫描激光斑的大小会随着扫描角度变化而变化，具体表现为当光斑聚焦在扫描线中心时，该处光斑为圆形，而扫描线两端光斑为椭圆状，光斑宽度从扫描线两端向中心逐渐变窄。导致扫描后的图像会畸变。

三、扫描平面时，虽然扫描角速度是匀速的，但是单位时间内扫描点的位移是变化的，在扫描线中心位移小，在扫描线两端位移大。导致不同时刻扫描区域尺寸不一致。

针对以上三个缺点，有人提出了光学透镜组和活动挡板以及柱面转镜的设计：

通过光学透镜组也即F-Theta镜组，可以得到一致的扫描角度，部分解决第一个缺点，较好解决了第二和第三个缺点，但结构复杂，且透镜尺寸随着扫描角度或扫描区域的增大而增大。高精度平凹、平凸透镜，每块加工尺寸若达到长度30cm，价格要近万元，而此大视场扫描系统至少需要3块大尺寸透镜组成Ftheta透镜组，造价昂贵。

活动挡板的设计中，透光区域是可调的。如果减小中心透光区域，增大两端透光区域，可以缓解第一个缺点造成的问题。这种结构相对简单，便于操作和实现。但该设计无法消除第二和第三个缺点的影响，并且降低了激光的有效利用率。

而以柱面转镜为光偏转器的设计，也可以良好地解决第二和第三个缺点，但对第一个缺点没有改善，同时他的加工难度也很大，工艺复杂，不易实现。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种利用抛物面镜校正扫描角度的激光扫描采样装置，利用抛物面镜的曲率特性实现不同角度的扫描激光平行入射至扫描面，从而保证扫描线各点曝光量一致；同时入射激光是几乎垂直入射至扫描点，扫描点的大部分光信息沿原光路反射回探测器，解决非垂直入射的情况下，光信息随扫描光入射角度的增大而衰减的问题，在振镜与转鼓棱镜扫描等大角度扫描场合尤为适用。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种利用抛物面镜校正扫描角度的激光扫描采样装置，包括激光器组、合束镜组、半透半反镜、光偏转器、抛物面镜、分色镜组和探测器组，所述激光器组发出不同波长的激光，经合束镜组合束后出射至半透半反镜，所述激光由半透半反镜分为透射激光与反射激光，其中透射激光经光偏转器偏转后形成一定角度的扫描激光，经由抛物面镜反射后，形成平行的扫描激光垂直入射扫描面，扫描面散射的部分光信号按原光路返回至光偏转器，再由光偏转器反射至半透半反镜，经分色镜组将不同波长的光信号送入探测器组。

进一步的，所述合束镜组与分色镜组为二向色镜组。

进一步的，所述光偏转器为转鼓棱镜或振镜。

进一步的，所述抛物面镜的抛物面轮廓曲线方程用抛物线方程逼近：

$2(\sqrt{a^2+b^2}-a)x=y^2$

其中，x轴方向为激光入射至光偏转器的入射方向，y轴方向与该入射方向垂直，a为光偏转器偏转点横坐标与抛物面镜上离光偏转器最远的反射点的横坐标的差，b为抛物面镜上离光偏转器最远的反射点的纵坐标，扫描宽度为（b-a）。

进一步的，所述透射激光在光偏转器上的入射点落于所述抛物线方程的焦点

处。

进一步的，将所述扫描激光射在抛物面镜上的点称为扫描点，所述探测器组采样时刻t与扫描点纵坐标y的关系为：

$\sin \mathrm{\ωt}=\frac{y}{\frac{y^2}{2(\sqrt{a^2+b^2}-a)}+\frac{\sqrt{a^2+b^2}-a}{2}}$

其中，ω为扫描角速度。

有益效果：本发明能得到几乎平行的入射激光，每一时刻的扫描激光斑尺寸几乎一致，光斑在整条扫描线的移动速度可以精确计算控制，实现均匀采样。与现有技术相比，本发明的优势如下：

1结构简单，抛物面镜的尺寸及放置位置可以精确计算，加工难度低，价格比起同尺寸透镜要低的多。

2扫描区域内各位置曝光量几乎一致，采样环境几乎一致。

3扫描激光斑形状保持一致，扫描过程中始终是圆形点光斑。

4扫描效果好，激光利用率高，能够实现快速智能化、高精度、操作简单、易维护。

附图说明

图1为本发明一种利用抛物面镜的激光扫描采样装置的示意图；

图2为本发明的设计用坐标系，其中光偏转器设在A点，PC弧段为激光在抛物面镜上的扫描范围。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提出一种利用抛物面镜校正扫描角度的激光扫描采样装置，利用抛物面镜的曲率特性实现不同角度的扫描激光平行入射至扫描面，从而保证扫描线各点曝光量一致；同时入射激光是几乎垂直入射至扫描点，扫描点的大部分光信息沿原光路反射回探测器，解决非垂直入射的情况下，光信息随扫描光入射角度的增大而衰减的问题。在振镜与转鼓棱镜扫描等大角度扫描场合尤为适用。

如图1所示，本发明利用抛物面镜校正扫描角度的激光扫描采样装置，包括激光器组、合束镜组、分束镜、探测器组、光偏转器（简称“偏转器”）、抛物面镜和探测器组。利用光偏转器对激光束形成偏转，再通过抛物面镜，将扫描激光垂直于扫描面反射；每一时刻的扫描点散射回的光信号再经由原光路返回，最终送入探测器组接收。图1中的箭头表示光路，但光偏转器上的弧线箭头和扫描面前的向上箭头表示扫描点的移动方向。

抛物面镜的抛物面轮廓曲线方程可以用抛物线方程逼近：

$2(\sqrt{a^2+b^2}-a)x=y^2,$

x轴方向为激光入射至偏转器的入射方向，y轴方向与前述入射方向垂直。式中，a为光偏转器偏转点横坐标与抛物面镜上离光偏转器最远的反射点的横坐标的差，b为抛物面镜上离光偏转器最远的反射点的纵坐标，扫描宽度为（b-a）。

偏转器可使用转鼓棱镜、振镜等。入射激光在偏转器上的入射点落于上述抛物线方程的焦点

处，单位可按扫描宽度选择。抛物面镜的摆放位置可随有效扫描弧面的区域改变而改变，保证抛物线与其焦点的相对位置即可。

此时的探测器组采样时刻t与扫描点纵坐标y的关系为：

$\sin \mathrm{\ωt}=\frac{y}{\frac{y^2}{2(\sqrt{a^2+b^2}-a)}+\frac{\sqrt{a^2+b^2}-a}{2}}$

其中ω为扫描角速度。ωt标注于图2，图中取抛物线上任意点p（x，y），该p点即为扫描开始点，而C点为扫描结束点，A点为光偏转器的位置，可推出sinωt的值为y比上p与焦点的距离，根据抛物线的性质：抛物线上任意点到焦点的距离等于其到准线的距离，p与焦点的距离为

也即

只要每次采样后，算出下次采样的时间间隔，对采样频率进行控制，即可实现无畸变的扫描成像。

本发明的光路原理叙述如下：

激光束经光偏转器反射后形成一定角度的扫描，而偏转反射点位于抛物面镜焦点处，于是一定角度的扫描激光经由抛物面镜反射后，便形成了平行的扫描激光，垂直入射向扫描面。每一时刻扫描点处反射的光信号沿原光路返回至光偏转器，再由偏转器反射至分束镜，分束镜将光信号反射至探测器，实现采样。

实施例：

如图1所示，一种利用抛物面镜校正扫描角度的激光扫描采样装置，包括激光器组、二向色镜3、2、1、半透半反镜、探测器组、光偏转器、抛物面镜、二向色镜4、5、6和探测器1、2、3。激光器组包括分别发出红光、绿光和蓝光的激光器1、激光器2和激光器3，这些激光器发出的激光，分别经二向色镜3、2、1合束后由二相色镜1出射至半透半反镜，之后到达光偏转器。激光束经偏转器偏转后形成一定角度（本实施例为50度）的扫描，这些不同角度的扫描激光是从抛物面镜焦点处反射出，经由抛物面镜反射后，便形成了平行的扫描激光，垂直入射向扫描面。每一时刻扫描点处散射的混合光信号部分沿原光路返回至光偏转器，再由偏转器反射至半透半反镜，半透半反镜将光信号反射至二相色镜4、5、6，二相色镜4只透过红光并由探测器1采样，二相色镜5只透过绿光并由探测器2采样，二相色镜6将剩余的蓝光送入探测器3采样，实现多波长同步采样。

其中抛物面镜，见图2，其抛物面轮廓曲线方程可以用抛物线方程逼近：

128（cm）x=y²

式中x轴方向为激光入射至偏转器的入射方向，y轴方向与前述入射方向垂直。相应参数a为20cm，b约为81.6cm。扫描面的扫描宽度为61.6cm，垂直于x轴放置，距离方程原点（0，0）约72cm。

其中光偏转器，可使用转鼓棱镜、振镜等。图2中，入射光在偏转器上的入射点落于上述抛物线方程的焦点A（32，0）处，B点坐标（52，0），C点坐标近似为（52，81.6），单位cm。有效扫描角度50度。

此时的探测器组采样时刻t与扫描点纵坐标y的关系为：

$\sin \mathrm{\ωt}=\frac{128y}{y^2+8192}$

其中ω为扫描角速度400π/s，即每秒扫描200行。只要采样频率符合上述关系式，可实现无畸变的横向扫描，再令扫描面在垂直方向以20cm/s匀速运动（扫描激光斑直径1mm），即可完成2维扫描成像。

本发明的抛物面镜，可以用抛光铝板制成，采用精密数字加工技术，只要给出曲面函数形式及尺寸、坐标，加工水平是完全能够做到的。使用本发明可以设计新型扫描采样器件，扫描均匀，曝光量均匀，扫描线上各点采样环境一致，克服了入射角度改变导致的采样环境改变等缺陷。本发明在激光照排机、激光分选机及其他领域要求扫描和采样同光路进行的场合也具有潜在的应用价值。

本发明由国家自然科学基金青年基金支持，项目号：61007018。

Claims (6)

1.一种利用抛物面镜校正扫描角度的激光扫描采样装置，其特征在于：包括激光器组、合束镜组、半透半反镜、光偏转器、抛物面镜、分色镜组和探测器组，所述激光器组发出不同波长的激光，经合束镜组合束后出射至半透半反镜，所述激光由半透半反镜分为透射激光与反射激光，其中透射激光经光偏转器偏转后形成一定角度的扫描激光，经由抛物面镜反射后，形成平行的扫描激光垂直入射扫描面，扫描面散射的部分光信号按原光路返回至光偏转器，再由光偏转器反射至半透半反镜，经分色镜组将不同波长的光信号送入探测器组。

2.根据权利要求1所述利用抛物面镜校正扫描角度的激光扫描采样装置，其特征在于：所述合束镜组与分色镜组为二向色镜组。

3.根据权利要求1所述利用抛物面镜校正扫描角度的激光扫描采样装置，其特征在于：所述光偏转器为转鼓棱镜或振镜。

4.根据权利要求1所述利用抛物面镜校正扫描角度的激光扫描采样装置，其特征在于：所述抛物面镜的抛物面轮廓曲线方程用抛物线方程逼近：

$2(\sqrt{a^2+b^2}-a)x=y^2$

其中，x轴方向为激光入射至光偏转器的入射方向，y轴方向与该入射方向垂直，a为光偏转器偏转点横坐标与抛物面镜上离光偏转器最远的反射点的横坐标的差，b为抛物面镜上离光偏转器最远的反射点的纵坐标，扫描宽度为（b-a）。

5.根据权利要求4所述利用抛物面镜校正扫描角度的激光扫描采样装置，其特征在于：所述透射激光在光偏转器上的入射点落于所述抛物线方程的焦点

处。

6.根据权利要求5所述利用抛物面镜校正扫描角度的激光扫描采样装置，其特征在于：将所述扫描激光射在抛物面镜上的点称为扫描点，所述探测器组采样时刻t与扫描点纵坐标y的关系为：

$\sin \mathrm{\ωt}=\frac{y}{\frac{y^2}{2(\sqrt{a^2+b^2}-a)}+\frac{\sqrt{a^2+b^2}-a}{2}}$

其中，ω为扫描角速度。

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