CN109581671A - 一种新型激光二极管整形光路设计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型激光二极管整形光路设计，包括激光二极管和镜片组，其中镜片组是有准直透镜、第一平凸柱面透镜、第二平凸柱面透镜和双凸柱面透镜组成，同时激光二极管和镜片组中的所有透镜均符合等高共轴的原则，激光二极管的发光面与镜片组的距离为8mm，本设计方案适用于激光3D轮廓扫描仪，能够实现激光光斑整形的功能，通过准直镜和柱面镜将椭圆形光斑变成一条“又细又直”的激光线，通过激光线扫描被测物体形成表面轮廓线作为扫描仪工作的基础，同时也具有体积小，光束质量高的特点，相对于传统的一字线激光器可以有效减小扫描仪体积。
Description
技术领域
本发明涉及光学工程中的激光测量相关技术领域，具体涉及一种新型激光二极管整形光路设计。
背景技术
三维激光扫描技术是利用激光测量原理，通过一字线激光扫描被测物体表面从而获得大量的物体表面信息数据，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。相对于传统的单点测量，三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点从而实现了从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。
最近几年，三维激光扫描技术不断发展并日渐成熟，三维扫描设备也逐渐商业化，三维激光扫描仪的巨大优势就在于可以快速扫描被测物体，不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据。这样一来可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。因此，其已经成为当前研究的热点之一，并在文物数字化保护、土木工程、工业测量、三维测量。具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字立体模型。
结构小型化是目前3D扫描仪的一个重要趋势，其中光源的体积是影响扫描仪结构大小的一个重要因素。传统的一字线激光器激光质量符合使用要求的体积普遍较大，一定程度上限制了扫描仪结构的小型化，为此我们提出一种新型激光二极管整形光路设计以解决上述问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型激光二极管整形光路设计，适用于激光3D轮廓扫描仪，能够实现激光光斑整形的功能，通过准直镜和柱面镜将椭圆形光斑变成一条“又细又直”的激光线，通过激光线扫描被测物体形成表面轮廓线作为扫描仪工作的基础，同时也具有体积小，光束质量高的特点，相对于传统的一字线激光器可以有效减小扫描仪体积。
为了实现上述目的，本发明采用的一种新型激光二极管整形光路设计，包括激光二极管和镜片组，所述激光二极管与镜片组按照等高共轴的原则设置，所述镜片组沿激光二极管的发射路径依次设有准直透镜、第一平凸柱面透镜、第二平凸柱面透镜和双凸柱面透镜，激光二极管发射的激光束在镜片组的配合下，将激光束整形为一字线激光。
在上述技术方案中，激光二极管和镜片组的等高共轴的安装原则保证了激光的发射路径始终处于镜片组的中心位置，减小了激光二极管和镜片组的安装公差影响。
作为上述方案的进一步优化，所述激光二极管外侧设有封装包装，用于保护激光二极管，所述激光二极管发光面与封装前表面的距离为1.03mm。
在上述技术方案中，激光二极管外侧设有的封装包装保护了激光二极管，也为激光二极管连接电源和镜片组提供了方便。
作为上述方案的进一步优化，所述激光二极管的激光波长为405nm,激光二极管的竖直发散角典型值19°，水平发散角典型值8°。
在上述技术方案中，仅有此种性能的激光二极管方能在整体方案中发挥作用。
作为上述方案的进一步优化，所述镜片组沿激光二极管的发射路径依次设有准直透镜、第一平凸柱面透镜、第二平凸柱面透镜和双凸柱面透镜，所述准直透镜与激光二极管的前封装表面距离为6.97±0.01mm，所述准直透镜与第一平凸柱面透镜的距离为12±0.1mm，所述第一平凸柱面透镜与第二平凸柱面透镜的距离为33±0.1mm，所述第二平凸柱面透镜与双凸柱面透镜的距离为39±0.1mm。
在上述技术方案中，设计了镜片组内各个透镜的安装位置，这是根据激光二极管的性能精确计算得出的。
作为上述方案的进一步优化，所述激光二极管和准直透镜的偏移小于0.1mm，倾斜小于0.1°。
在上述技术方案中，激光二极管与准直透镜的安装精度要求是激光准确射出镜片组的前提条件。
作为上述方案的进一步优化，所述准直透镜、第一平凸柱面透镜和第二平凸柱面透镜的凸面均朝向激光二极管的发射方向，所述双凸柱面透镜曲率较小的一面朝向激光二极管的发射方向。
在上述技术方案中，设计了镜片组内各个透镜的安装方向，这是得到所需激光束的前提条件。
作为上述方案的进一步优化，所述准直透镜的光学焦距和机械焦距分别为11mm和8mm，所述准直透镜的凸面曲率半径为5.86±0.05mm，所述准直透镜的镜片中心厚度为4±0.05mm，所述准直透镜的镜片边缘厚度为1.2±0.05mm，所述准直透镜的材料为H-LAK52，所述准直透镜用于对激光二极管的光束进行准直。
在上述技术方案中，设计了准直透镜的技术要求，这是满足镜片组功能的必要条件。
作为上述方案的进一步优化，所述第一平凸柱面透镜焦距为20mm，所述第一平凸柱面透镜的曲率半径为15±0.2mm，所述第一平凸柱面透镜的镜片中心厚度为3±0.4mm，所述第一平凸柱面透镜的镜片边缘厚度为1.93±0.4mm，所述第一平凸柱面透镜的材料为H-LAK52。
在上述技术方案中，设计了第一平凸柱面透镜的技术要求，这是满足镜片组功能的必要条件。
作为上述方案的进一步优化，所述第二平凸柱面透镜的焦距为11mm，所述第二平凸柱面透镜的曲率半径为8±0.2mm，所述第二平凸柱面透镜的镜片中心厚度为4±0.4mm，所述第二平凸柱面透镜的镜片边缘厚度为2.8±0.4mm，所述第二平凸柱面透镜的材料为H-LAK52，所述第一平凸柱面透镜和第二平凸柱面透镜配合用于控制一字线激光线宽的宽度。
在上述技术方案中，设计了第二平凸柱面透镜的技术要求，这是满足镜片组功能的必要条件。
作为上述方案的进一步优化，所述双凸柱面透镜的焦距为6.6mm，所述双凸柱面透镜的两面曲率半径分别为7±0.2mm和11.44±0.2mm，所述双凸柱面透镜的镜片中心厚度为4.5±0.4mm，所述双凸柱面透镜的镜片边缘厚度为1.25±0.4mm，所述双凸柱面透镜用于控制一字线激光的激光扇角。
在上述技术方案中，设计了双凸柱面透镜的技术要求，这是满足镜片组功能的必要条件。
本发明的一种一种新型激光二极管整形光路设计，具备如下有益效果：
1.本发明光路设计适用于激光3D轮廓扫描仪，能够实现激光光斑整形的功能，通过准直镜和柱面镜将椭圆形光斑变成一条“又细又直”的激光线，通过激光线扫描被测物体形成表面轮廓线作为扫描仪工作的基础。
2.本新型结构具有体积小，光束质量高的特点，相对于传统的一字线激光器可以有效减小扫描仪体积。
附图说明
图1为本发明的光路元件示意图；
图2为本发明的准直透镜示意图；
图3为本发明的第一平凸柱面透镜示意图；
图4为本发明的第二平凸柱面透镜示意图；
图5为本发明的双凸柱面透镜示意图。
图中：激光二极管1、准直透镜2、第一平凸柱面透镜3、第二平凸柱面透镜4、双凸柱面透镜5。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种新型激光二极管整形光路设计，包括激光二极管1和镜片组，所述激光二极管1与镜片组按照等高共轴的原则设置，所述镜片组沿激光二极管1的发射路径依次设有准直透镜2、第一平凸柱面透镜3、第二平凸柱面透镜4和双凸柱面透镜5，激光二极管1发射的激光束在镜片组的配合下，将激光束整形为一字线激光；激光二极管1和镜片组的等高共轴的安装原则保证了激光的发射路径始终处于镜片组的中心位置，减小了激光二极管1和镜片组的安装公差影响。
激光二极管1外侧设有封装包装，用于保护激光二极管1，所述激光二极管1发光面与封装前表面的距离为1.03mm；激光二极管1外侧设有的封装包装保护了激光二极管1，也为激光二极管1连接电源和镜片组提供了方便。
激光二极管1的激光波长为405nm,激光二极管1的竖直发散角典型值19°，水平发散角典型值8°；仅有此种性能的激光二极管1方能在整体方案中发挥作用。
镜片组沿激光二极管1的发射路径依次设有准直透镜2、第一平凸柱面透镜3、第二平凸柱面透镜4和双凸柱面透镜5，所述准直透镜2与激光二极管1的前封装表面距离为6.97±0.01mm，所述准直透镜2与第一平凸柱面透镜3的距离为12±0.1mm，所述第一平凸柱面透镜3与第二平凸柱面透镜4的距离为33±0.1mm，所述第二平凸柱面透镜4与双凸柱面透镜5的距离为39±0.1mm；设计了镜片组内各个透镜的安装位置，这是根据激光二极管1的性能精确计算得出的。
激光二极管1和准直透镜2的偏移小于0.1mm，倾斜小于0.1°；激光二极管1与准直透镜2的安装精度要求是激光准确射出镜片组的前提条件。
准直透镜2、第一平凸柱面透镜3和第二平凸柱面透镜4的凸面均朝向激光二极管1的发射方向，所述双凸柱面透镜5曲率较小的一面朝向激光二极管1的发射方向；设计了镜片组内各个透镜的安装方向，这是得到所需激光束的前提条件。
准直透镜2的光学焦距和机械焦距分别为11mm和8mm，所述准直透镜2的凸面曲率半径为5.86±0.05mm，所述准直透镜2的镜片中心厚度为4±0.05mm，所述准直透镜2的镜片边缘厚度为1.2±0.05mm，所述准直透镜2的材料为H-LAK52，所述准直透镜2用于对激光二极管1的光束进行准直。第一平凸柱面透镜3焦距为20mm，所述第一平凸柱面透镜3的曲率半径为15±0.2mm，所述第一平凸柱面透镜3的镜片中心厚度为3±0.4mm，所述第一平凸柱面透镜3的镜片边缘厚度为1.93±0.4mm，所述第一平凸柱面透镜3的材料为H-LAK52。第二平凸柱面透镜4的焦距为11mm，所述第二平凸柱面透镜4的曲率半径为8±0.2mm，所述第二平凸柱面透镜4的镜片中心厚度为4±0.4mm，所述第二平凸柱面透镜4的镜片边缘厚度为2.8±0.4mm，所述第二平凸柱面透镜4的材料为H-LAK52，所述第一平凸柱面透镜3和第二平凸柱面透镜4配合用于控制一字线激光线宽的宽度。双凸柱面透镜5的焦距为6.6mm，所述双凸柱面透镜5的两面曲率半径分别为7±0.2mm和11.44±0.2mm，所述双凸柱面透镜5的镜片中心厚度为4.5±0.4mm，所述双凸柱面透镜5的镜片边缘厚度为1.25±0.4mm，所述双凸柱面透镜5用于控制一字线激光的激光扇角；设计了准直透镜2、第一平凸柱面透镜3、第二平凸柱面透镜4和双凸柱面透镜5的技术要求，这是满足镜片组功能的必要条件。
工作原理：激光二极管1接通电源后发射激光束，激光束首先射入准直透镜2，准直透镜2将入射的激光束进行准直调节，接着激光束依次射入第一平凸柱面透镜3和第二平凸柱面透镜4，第一平凸柱面透镜3和第二平凸柱面透镜4将入射激光束转化成一字线激光束，并对一字线激光束的宽度进行控制，最后激光束射入双凸柱面透镜5，双凸柱面透镜5对入射的一字线激光束的激光扇角进行控制。
仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种新型激光二极管整形光路设计，包括激光二极管(1)和镜片组，其特征在于：所述激光二极管(1)与镜片组按照等高共轴的原则设置，所述镜片组沿激光二极管(1)的发射路径依次设有准直透镜(2)、第一平凸柱面透镜(3)、第二平凸柱面透镜(4)和双凸柱面透镜(5)，激光二极管(1)发射的激光束在镜片组的配合下，将激光束整形为一字线激光。
2.根据权利要求1所述的一种新型激光二极管整形光路设计，其特征在于：所述激光二极管(1)外侧设有封装包装，用于保护激光二极管(1)，所述激光二极管(1)发光面与封装前表面的距离为1.03mm。
3.根据权利要求1所述的一种新型激光二极管整形光路设计，其特征在于：所述激光二极管(1)的激光波长为405nm,激光二极管(1)的竖直发散角典型值19°，水平发散角典型值8°。
4.根据权利要求1所述的一种新型激光二极管整形光路设计，其特征在于：所述镜片组沿激光二极管(1)的发射路径依次设有准直透镜(2)、第一平凸柱面透镜(3)、第二平凸柱面透镜(4)和双凸柱面透镜(5)，所述准直透镜(2)与激光二极管(1)的前封装表面距离为6.97±0.01mm，所述准直透镜(2)与第一平凸柱面透镜(3)的距离为12±0.1mm，所述第一平凸柱面透镜(3)与第二平凸柱面透镜(4)的距离为33±0.1mm，所述第二平凸柱面透镜(4)与双凸柱面透镜(5)的距离为39±0.1mm。
5.根据权利要求1所述的一种新型激光二极管整形光路设计，其特征在于：所述激光二极管(1)和准直透镜(2)的偏移小于0.1mm，倾斜小于0.1°。
6.根据权利要求1所述的一种新型激光二极管整形光路设计，其特征在于：所述准直透镜(2)、第一平凸柱面透镜(3)和第二平凸柱面透镜(4)的凸面均朝向激光二极管(1)的发射方向，所述双凸柱面透镜(5)曲率较小的一面朝向激光二极管(1)的发射方向。
7.根据权利要求1所述的一种新型激光二极管整形光路设计，其特征在于：所述准直透镜(2)的光学焦距和机械焦距分别为11mm和8mm，所述准直透镜(2)的凸面曲率半径为5.86±0.05mm，所述准直透镜(2)的镜片中心厚度为4±0.05mm，所述准直透镜(2)的镜片边缘厚度为1.2±0.05mm，所述准直透镜(2)的材料为H-LAK52，所述准直透镜(2)用于对激光二极管(1)的光束进行准直。
8.根据权利要求1所述的一种新型激光二极管整形光路设计，其特征在于：所述第一平凸柱面透镜(3)焦距为20mm，所述第一平凸柱面透镜(3)的曲率半径为15±0.2mm，所述第一平凸柱面透镜(3)的镜片中心厚度为3±0.4mm，所述第一平凸柱面透镜(3)的镜片边缘厚度为1.93±0.4mm，所述第一平凸柱面透镜(3)的材料为H-LAK52。
9.根据权利要求1所述的一种新型激光二极管整形光路设计，其特征在于：所述所述第二平凸柱面透镜(4)的焦距为11mm，所述第二平凸柱面透镜(4)的曲率半径为8±0.2mm，所述第二平凸柱面透镜(4)的镜片中心厚度为4±0.4mm，所述第二平凸柱面透镜(4)的镜片边缘厚度为2.8±0.4mm，所述第二平凸柱面透镜(4)的材料为H-LAK52，所述第一平凸柱面透镜(3)和第二平凸柱面透镜(4)配合用于控制一字线激光线宽的宽度。
10.根据权利要求1所述的一种新型激光二极管整形光路设计，其特征在于：所述双凸柱面透镜(5)的焦距为6.6mm，所述双凸柱面透镜(5)的两面曲率半径分别为7±0.2mm和11.44±0.2mm，所述双凸柱面透镜(5)的镜片中心厚度为4.5±0.4mm，所述双凸柱面透镜(5)的镜片边缘厚度为1.25±0.4mm，所述双凸柱面透镜(5)用于控制一字线激光的激光扇角。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190405 |
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