CN1031671C - 光学扫描装置 - Google Patents

Abstract

一种光学扫描装置，包括一光学扫描反射镜、一反光用的反射镜及一透镜系统。光学扫描反射镜具有第一反射面以反射入射的光束，和第二反射面以反射入射的光束并使其射出。该光学扫描反射镜沿预定方向同步改变该第一及第二反射面的角度。该反光用反射镜设置在第一和第二反射面之间的光路中以形成双反射光路。该透镜系统设置在双反射光路中以使被第一反射面反射的光束以预定角度入射在第二反射面上。

Description

光学扫描装置

本发明涉及一种使用光学扫描反射镜的光学扫描装置，更具体地说，涉及一种能够增大扫描角度的光学扫描装置。

众所周知，使用光学扫描反射镜以改变反射光束相对于入射光束间方向的光学扫描装置是通过改变扫描反射镜的角度来完成预定的扫描的，所依据的原理是：反射表面的角度相对于入射光束以给定的角度δ变化，则反射光束的角度变化为2δ。不同类型的光学扫描反射镜可与机械式改变其角度的各种形式相配合而实现。

更具体地说，光学扫描反射镜可以使一种多面体的旋转式反射镜例如具有其角度彼此相等或者不等的多个反射面的反射镜，以在一个方向上能够改变多块扫描反射镜的一个角度或多个角度，也可以是一调谐音叉，通过将扫描反射镜置于U型音叉的每个远端上，藉助振动来改变该扫描反射镜的角度。使与扫描反射镜安装在一起的转轴在包括该转轴的平面内往复回转而使扫描反射镜摆动，等等。

光学扫描装置最好拥有大的扫描角度，因其在一个设备中是用作图象的摄象器以获取例如红外热象的。然而扫描角度一般都很小，而且难以增大，因为光学扫描反射镜是以机械方式改变其角度的。

更准确地说，例如多面体旋转式反射镜的扫描角度取决于机械旋转角。例如普通的六面体反射镜按照60°的转角恢复其起始形状，而且机械扫描角的极限为60°。那么为了获得更大的扫描角度，就必须减少反射表面的数目。这就要引起空气阻力的增加和扫描效率的降低。例如规则的三面体反射镜具有120°的最大扫描角度，其空气阻力要比普通的六面体反射镜的空气阻力大很多。常规的三面体反射镜每转一周的扫描周数仅为常规的六面体反射镜之半，故其扫描效率下降。

在使用如调谐音叉或谐振扫描机构的一个扫描反射镜的系统中，可以通过增加扫描反射镜中的角度变化或者利用多次反射来增大扫描角度。当需要大的扫描反射镜或者高速扫描时，作用在扫描机构上的动态负荷不希望有的增大导致机械方面的问题。

如图3所示，例如当利用多次反射镜，扫描反射镜2将由双点划线表示的平行状态改变到相对于不动的平面反射镜1具有角度δ的位置。入射光线X则在不动的平面反射镜1和扫描反射镜2之间反复进行反射。由扫描反射镜2反射出来的光线Y₁、 Y₂……的方向相对于该扫描反射镜2与不动的平面反射镜1平行时这些光线被反射出来的方向，在第一次反射时改变为2δ角，在第二次反射时改变为4δ角。当采用这种多次反射时，从原理上说在扫描反射镜上的n次反射，将能产生机械变化角度δ的2n倍的扫描角。

然而在采用多次反射时，二次以及随后各次反射点将随扫描角的改变而移位，因而就不得不使用庞大的扫描反射镜。

为了得到大的扫描角度，反射点位移量的增大将如上述增大扫描反射镜角度变化的方法中那样会增加其动态负荷。

本发明的目的在于提供一种光学扫描装置，既能增大扫描角度又不增加光学扫描反射镜的机械变化角度。

为了达到本发明的上述目的，所提供的光学扫描装置，包括一块光学扫描反射镜，它有一个第一反射表面以反射入射光束，有一个第二反射表面以反射入射光束并使入射光束射出，以便在预定的方向上同步地改变第一及第二反射表面的角度；一块被安置在第一及第二反射表面之间光路中的反射镜，以构成双反射光路，一个安置在此双反射光路之中的透镜系统，以使由第一反射表面反射的光束能以预定的角度入射在第二反射表面之上。

图1为表示根据本发明第一实施例的光学扫描装置原理的视图；

图2为表示根据本发明第二实施例的光学扫描装置原理的视图；以及

图3为用于解释普通扫描装置中通过多次反射增大扫描角度原理的视图。

本发明的最佳实施例将参照附图描述如下。

图1表示根据本发明第一实施例的光学扫描装置。该装置采用的是规则的八面体反射镜10作为光学扫描反射镜。图1所表示的是将此规则的八面体反射镜10以预定角度δ旋转三次，并将每次叠加在一起的情况。八个反射表面之中的A反射面用作入射表面，B反射面用作出射表面。

反光用的反射镜20具有等腰三角形的横截面，是靠胶合两块直角反射镜21及22构成的，该反射镜21、22分别具有入射表面21a及22a、反射表面21b及22b以及出射表面21c及22c。直角反射镜21的入射表面21a接改由该规则的八面体反射镜10的反射面A反射的光束，且由直角反射镜22的出射表面22c将此出射光束入射在该规则八面体反射镜10的反射面B上。凸透镜31及32均具有预定的焦距，作为聚焦装置分别配置在直角反射镜21的入射表面21a、和直角反射镜22的出射表面22c上。标号40表示一发射激光束的激光光源。来自激光光源40的激光束，以预定直径的平行光束入射在该规则八面体反射镜的反射面A上，并被反射至该反光用的反射镜20。

在上述设置中，来自激光光源40并由该规则八面体反射镜10的反射面A反射的激光束，入射在直角反射镜21的入射表面21a上。在这种情况下，该激光束将被透镜31聚焦导向反光用的反射镜20的内部。此激光束被位于反光用反射镜20内部深处的反射面21b反射。该激光束随后入射在直角反射镜22的入射表面22a上面，差不多与入射表面21a相平行。然后，该激光束被位于反光用反射镜20内部深处的反射面22b反射。该激光束随后被直角反射镜22出射面22c上的透镜32聚焦，并入射在该规则的八面体反射镜10的反射面B上面。该激光束随后被反射面B反射，并作为与该规则的八面体反射镜10的旋转角度对应的扫描激光束射出。两块透镜31及32在一起组成了望远镜。反射面A的角度变化方向与反射面B的角度变化方向相同，以便使该望远镜用作倒象望远镜。

该规则的八面体反射镜10的转角和扫描激光束的扫描角度之间的关系，将详细描述如下。在规则的八面体反射镜10处在第一种旋转位置时，如图1中的点划线所示，来自激光光源40的激光束将被该规则八面体反射镜10的反射面A所反射，并且形成被反射的光束。此被反射的光束将通过透镜31的与反光用反射镜20的外围部分相对应的部分，并入射在此反光用的反射镜20上面。此光束随后将通过透镜32中与该反光用反射镜20的外围部分对应的部分，并且射出该反射镜20。由该反光用反射镜20出射的光束将被该规则八面体反射镜10的反射面B所反射，并沿箭头E所示的方向射出。当该规则的八面体反射镜10旋转一个角度δ时，如图1中实线所示，来自激光光源40的激光束将以2δ的扫描角度被该规则八面体反射镜10的反射表面A所反射，并形成被反射的光束，在图1中以实线示出。此被反射的光束将将通过透镜31的中心部分并入射在反光用的反射镜20上面。此光束随后将通过透镜32的中心部分并从反光用的反射镜20中射出。由此反光用的反射镜20中出射的光束，将以4δ的扫描角度被该规则的八面体反射镜10的反射面B反射，并沿箭头F所示的方向射出。当此规则的八面体反射镜10进一步再旋转一角度δ，即距起始角度位置旋转2δ角时，来自激光光源40的激光束将以4δ的扫描角度被该规则的八面体反射镜10的反射面A所反射，并形成以虚线表示的反射光束。此光束将通过透镜31中与反光用反射镜20的内侧部分对应的部分，并入射在反光用反射镜20上面。随后该光束将通过透镜32中与反光用反射镜20的内侧部分对应的部分，并由反光用的反射镜20中射出。由此反光用反射镜20射出的光束，随后将以8δ的扫描角度被此规则的八面体反射镜10的反射面B反射，并沿箭头G表示的方向射出。

总起来说，当被规则的八面体反射镜10的反射面A反射的光束通过由反光用反射镜20与透镜31及32组合所构成的倒象望远镜形成的光学系统被反射给规则的八面体反射镜10的反射面B时，以相应的扫描角度被反射面A反射的所有光束均被聚焦在反射面B上。这时，由于反射面B上的入射角的方向变化与由倒象望远镜构成扫描反射镜的规则的八面体反射镜10的旋转方向相同，所以由反射面B反射的光束的扫描角度，总是二倍于反射面A上的扫描角度，如果倒象望远镜具有的放大倍率为1。与一般情况不同，此光学系统的反射点的漂移可被消除。这就是说，根据本实施例可以消除反射点的漂移。另外，可在不增加机械扫描角度的前提下增大扫描的角度。除此之外，还可由于望远镜倍率的放大作用而进一步增大扫描角度。

在规则的八面体反射镜10的反射面A和B上面的激光束，在图1中是以放大的方式表示的。这表示因扫描角度可由光学系统放大故回转的扫描反射镜可以做得紧凑些。在所示的实施例中，规则的八面体反射镜10外圆周直径为40mm，平行光束的直径为5mm。图中还表示出转角与光束之间的关系。一般说来，当采用回转的扫描反射镜时，其回转角度受光束直径以及多面体反射镜大小和形状的限制。

图2表示本发明第二实施例的光学扫描装置。该装置使用Y-形状的具有音叉121a及121b调谐音叉121作为光学扫描反射镜。

在该调谐音叉121的音叉121a及121b的远侧端面上，形成有沿相反方向以同样角度倾斜设置的反射面A和B。当调谐音叉121的近端部分121c如箭头C所示产生电磁振动时，其音叉121a及121b彼此将在同一平面上但沿相反的方向谐振，如双箭头D所示。其结果是反射面A和B将以同样角度δ但沿相反方向倾斜。

由两块构成反光用反射镜的平面反射镜122及123和构成望远镜的四块透镜124至127组成的光学系统，相对该调谐音叉121配置。象在第一个实施例中那样，反射面A上2δ的扫描角度，在反射面B上被放大为4δ的扫描角度。

与第一实施例不同，望远镜(124至127)被用作正象望远镜，两个反射面A和B的角度化方向彼此相反。

如从以上描述很容易就能判断的那样，谐振扫描装置可以用作光学扫描反射镜。虽然图中未详细表示，然而实际上制备有两个谐振扫描装置，它们同步旋转。因为调谐音叉中两块扫描反射镜的配置位置是实际上确定了的，故尽管两块扫描反射镜的角度变化方向是彼此相反、以便于光束的射入及射出，但两个谐振扫描装置的转轴旋转方向可以相同或者相反。

总之，本发明能够应用在普通的通用扫描反射镜上。倒象或者正象形式的选择，要根据此扫描反射镜中采用的两块反光用的反射镜的角度变化方向是相同或者相反来定，以便增大其光学扫描角度。在以上描述中，两块反光用反射镜的角度变化量是彼此相等的，但也可以互不相同。

通过有选择地改变望远镜的放大倍率所得到的总的扫描角度是可以控制的。假如望远镜的角放大率被定为α，那么在由拥有角度变化δ的扫描反射镜构成的双反射系统中，其光学扫描角度θ将以下式给出，θ＝2(αδ＋2δ＝2δ(α＋1)。

正如以上描述的那样，在本发明的光学扫描装置中，被普通的通用光学扫描反射镜(例如，回转的多面体反射镜，调谐者叉或者谐振扫描装置)的一个反射面反射的光束，将由反光用反射镜与望远镜结合构成的光学系统入射在该光学扫描反射镜的另一反射面上。这就是说，通过上述光学系统可以实现双反射。在具有有限扫描角度的普通扫描系统中，其扫描角度易于大幅度增加。换而言之，为了获得给定的扫描角度，可以将所需要的机械扫描角减少至其1/2。因此，以扫描反射镜作为主要元件的扫描装置可以做得紧凑，且可降低其能耗。

Claims (8)

1、一种光学扫描装置，其特征在于它包括：

一种光学扫描反射镜(10)，具有第一反射面(A)以反射入射的光束，具有第二反射面(B)以反射入射的光束并使其射出，该光学扫描反射镜(10)用以沿预定的方向同步改变上述第一及第二反射面的角度；

一块反光用的反射镜装置(20)，被安置在上述第一及第二反射面之间的光路中，以形成双反射光路，以及

一个透镜系统(31、32)，被安置在该双反射光路中，以使由上述第一反射面反射的光束，以预定的角度入射在上述第二反射面上。

2、根据权利要求1所述的装置，其中所述的光学扫描反射镜包括一个多面体旋转反射镜，该多面体旋转反射镜具有包括上述第一及第二反射面在内的多个反射面，用以在一个旋转方向上改变上述多个反射面的角度。

3、根据权利要求2所述的装置，其是所述的多面体旋转反射镜包括一个具有八个反射面的规则入射面体反射镜，而且所述的第一及第二反射面是由上述规则八面体反射镜的八介反射面中的与一个反射面相邻的两个反射面构成的。

4、根据权利要求1所述的装置，其中所述的光学扫描反射镜包括一个Y-形状的调谐音叉(121)，该调谐音叉(121)具有一对在其远端分别具有上述第一及第二反射面的音叉(121a、121b)，振动使所述的调谐音叉动作，并沿相反方向变化上述第一及第二反射面的角度。

5、根据权利要求1所述的装置，其中所述的透镜系统包括至少由两块透镜构成的望远镜，该望远镜根据上述光学扫描反射镜的上述第一及第二反射面的角度变化方向是相同还是相反，而被用作倒象或者正象的望远镜。

6、根据权利要求1所述的装置，其中所述的透镜系统包括具有放大率α的望远镜，而且当机械变化角度为δ时双反射光路中的光学扫描角度θ给定为θ＝2αδ＋2δ＝2δ(α＋1)。

7、根据权利要求6所述的装置，其中所述望远镜的倍率可以有选择地设置，并且通过改变上述望远镜的倍率可精细地选择该光学扫描角θ。

8、根据权利要求1所述的装置，进一步包括一个用于发射具有预定直径且入射在上述光学扫描反射镜的上述第一反射面的平行激光束的激光光源(40)，其中所述的反光用反射镜是由胶合两块直角反射镜(21、22)以形成双反射光路的部件构成的，以便将被上述第一反射面反射的光束的光路设置为平行于入射至上述第二反射面上的光束的光路，而且上述透镜系统是由位于上述反光用反射镜的入射表面(21a)和反射表面(22c)上的一对凸透镜构成的。

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