CN112433362A - 利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置及方法 - Google Patents

利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置，包括具有光轴的镜筒、激光发生器、第一棱镜与第二棱镜、第一驱动装置、第二驱动装置、控制器及编码器，第一棱镜包括与所述光轴垂直的第一表面及与第一表面相对设置的第二表面，第二棱镜包括与光轴垂直的第三表面及与第三表面相对设置的第四表面，第一表面与第二表面之间及第三表面与第四表面之间具有10°至30°的倾斜角，且第一表面靠近第三表面设置。与相关技术相比，本发明提供的利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置，能在不改变光轴的前提下实现结构紧凑、机械惯量小、动态性能好且能耗小。本发明还提供了一种利用Risley棱镜的激光扩束扫描方法。

Description

利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置及方法
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置及方法。
背景技术
光束偏折控制技术是指通过控制激光光束的波前对光束的传输方向、光束质量等进行精确控制的技术，在激光雷达、激光通信、天文观测等领域中都发挥着重要的作用。自上世纪以来，光束偏折控制技术不断革新取得了很多突破性的进展，经历了从传统机械装置向新型机械器件、微机械器件以及无机械器件惯量的发展历程。
其中，机械式光束偏折技术的典型代表有万向转镜、万向转架等，该技术依赖万向节、转向台等机械设备将安装在其上的激光器、探测器进行回转运动，通过改变光束或视轴的方向来实现光束的偏折。由于该结构体积复杂且不易微型化，因此有着惯性大、能耗高、动态性能差、对振动敏感等方面的问题。同时，非机械式光束偏折技术是通过波前调制或衍射控制等方式来实现纯电控的光束偏折控制，其典型技术有液晶相控阵、微透镜阵列、声光调制等，具有能耗低、轻便灵活、可进行计算机自动化控制等诸多优点，但也普遍存在工作普宽窄、衍射效率低、扫描范围有限等问题。
因此，有必要提供一种能在不改变光轴的前提下实现结构紧凑、机械惯量小、动态性能好且能耗小的利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置及方法来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种能在不改变光轴的前提下实现结构紧凑、机械惯量小、动态性能好且能耗小的利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置及方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案:
一种利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置，包括具有光轴的镜筒，所述镜筒包括入射端及出射端，还包括沿所述入射端至所述出射端依次间隔设置的激光发生器、第一棱镜与第二棱镜、驱动所述第一棱镜以所述光轴为旋转轴旋转的第一驱动装置、驱动所述第二棱镜以所述光轴为旋转轴轩旋转的第二驱动装置、分别与所述第一驱动装置及所述第二驱动装置电连接的控制器及与所述控制器电连接的编码器，所述第一棱镜包括与所述光轴垂直的第一表面及与所述第一表面相对设置的第二表面，所述第二棱镜包括与所述光轴垂直的第三表面及与所述第三表面相对设置的第四表面，所述第一表面与所述第二表面之间及所述第三表面与所述第四表面之间具有10°至30°的倾斜角，且所述第一表面靠近所述第三表面设置；
使用时，所述激光发生器产生多条与所述光轴平行的入射光，入射光在穿过所述第一棱镜时发生第一次偏折，并在穿过所述第二棱镜时发生第二次偏折，最后通过所述出射端射出。
优选的，所述第一驱动装置包括安装于所述镜筒内并与所述第一棱镜可拆卸连接的第一轴承及与所述第一轴承连接的第一电机，所述第二驱动装置包括安装于所述镜筒内并与所述第二棱镜可拆卸连接的第二轴承及与所述第二轴承连接的第二电机。
优选的，所述第一电机及所述第二电机均为空心转轴结构，且所述第一电机的转轴、所述第二电机的转轴、所述第一轴承的转轴、所述第二轴承的转轴及所述光轴为同一直线。
优选的，沿所述入射端至所述出射端方向，所述第一电机、所述第一轴承、所述第二电机、所述第二轴承、所述第一棱镜及所述第二棱镜依次设置。
优选的，所述第一表面与所述第三表面之间的间距为10mm-25mm。
优选的，所述第一棱镜及所述第二棱镜的材料均为塑料。
一种利用Risley棱镜的激光扩束扫描方法，提供具有光轴的镜筒及设置于所述镜筒内且间隔设置的第一棱镜与第二棱镜，具体包括如下步骤：
步骤S10、调节所述第一棱镜与所述第二棱镜之间的转角；
步骤S20、驱动所述第一棱镜与所述第二棱镜转动；
步骤S30、控制激光发生器向所述镜筒内发射与所述光轴平行的多条入射光，所述入射光依次穿过所述第一棱镜及所述第二棱镜，所述入射光在穿过所述第一棱镜时发生第一次偏折，在穿过所述第二棱镜时发生第二次偏折，并在发生第二次偏折后由所述镜筒的出射端射出；
使用时，可以通过调节所述第一棱镜与所述第二棱镜的初始转角及转速改变入射光的出射角度。
优选的，所述第一棱镜与所述第二棱镜的转动方向相同，且转速相同。
优选的，所述第一棱镜及所述第二棱镜的转动方向及转速均由控制器控制，所述控制器的参数由与所述控制器电连接的编码器调节。
优选的，所述控制器为高性能微处理器。
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置，通过在所述镜筒内设置所述第一棱镜与所述第二棱镜，并通过所述控制器调节所述第一棱镜与所述第二棱镜之间的转角以及所述第一棱镜与所述第二棱镜的转动方向与转速，进而调节管线射出的角度，相较于现有技术具有更为宽广的视场角，且无需设置俯仰轴，使得装置的结构小型化，在保证结构紧凑性的前提下提供了更好的动态性能，且能耗更小，一体化更强；通过设置所述第一表面与所述第三表面之间存在微小的间隔，使得所述利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置获得更大的视场角，同时，设置所述第一棱镜与所述第二棱镜的材料均为塑料，在一定程度上减轻了装置的重量；通过设置所述第一电机与所述第二电机为空心转轴结构，进一步保证了所述利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置的结构紧凑性，节约了内部空间的同时提升了整体性。
附图说明
图1为本发明提供的利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置的平面结构示意图；
图2为本发明提供的利用Risley棱镜的激光扩束扫描方法的流程框图。
图中，100、利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置；10、镜筒；11、入射端；12、出射端；30、第一棱镜；31、第一表面；32、第二表面；40、第二棱镜；41、第三表面；42、第四表面；50、第一驱动装置；51、第一轴承；52、第一电机；60、第二驱动装置；61、第二轴承；62、第二电机；70、控制器；80、编码器；101、光轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。下述实验例和实施例用于进一步说明但不限于本发明。
请参阅图1，本发明提供了一种利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置100，所述利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置100包括具有光轴101的镜筒10、沿所述光轴101的一端至另一端依次间隔设置的激光发生器(图未示)、第一棱镜30与第二棱镜40、驱动所述第一棱镜30以所述光轴101为旋转轴旋转的第一驱动装置50、驱动所述第二棱镜40以所述光轴101为旋转轴旋转的第二驱动装置60、分别与所述第一驱动装置50及所述第二驱动装置60电连接的控制器70及与所述控制器70电连接的编码器80。
使用时，所述激光发生器产生多条与所述光轴101平行的入射光，入射光在穿过所述第一棱镜30时发生第一次偏折，并在穿过所述第二棱镜40时发生第二次偏折，最后通过所述出射端12射出。
所述镜筒10包括入射端11及出射端12。所述激光发生器、所述第一棱镜30及所述第二棱镜40沿所述入射端11至所述出射端12方向依次间隔设置。
所述第一棱镜30包括与所述光轴101垂直的第一表面31及与所述第一表面31相对设置的第二表面32。其中，所述第一表面31与所述第二表面32之前具有10°至30°的倾斜角。
所述第二棱镜40包括与所述光轴101垂直的第三表面41及与所述第三表面41相对设置的第四表面42。其中，所述第三表面41与所述第四表面42之间具有10°至30°的倾斜角，且所述第三表面41靠近所述第一表面31设置。通过在所述镜筒10内设置所述第一棱镜30与所述第二棱镜40，并通过所述控制器70调节所述第一棱镜30与所述第二棱镜40之间的转角以及所述第一棱镜30与所述第二棱镜40的转动方向与转速，进而调节管线射出的角度，相较于现有技术具有更为宽广的视场角，且无需设置俯仰轴，使得装置的结构小型化，在保证结构紧凑性的前提下提供了更好的动态性能，且能耗更小，一体化更强。
优选的，在本实施方式中，所述第一棱镜30与所述第二棱镜40之间的转角保持不变，即所述控制器70控制所述第一棱镜30与所述第二棱镜40的转动方向与转速相同。
优选的，在本实施方式中，所述第一表面31与所述第三表面41之间的间距为10mm-25mm，所述第一棱镜30及所述第二棱镜40的材料均为塑料。通过设置所述第一表面31与所述第三表面41之间存在微小的间隔，使得所述利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置100获得更大的视场角，同时，设置所述第一棱镜30与所述第二棱镜40的材料均为塑料，在一定程度上减轻了装置的重量。
所述第一驱动装置50包括安装于所述镜筒10内并与所述第一棱镜30可拆卸连接的第一轴承51及与所述第一轴承51连接的第一电机52。
所述第二驱动装置60包括安装于所述镜筒10内并与所述第二棱镜40可拆卸连接的第二轴承61及与所述第二轴承61连接的第二电机62。
具体的，所述第一电机52与所述第二电机62均为空心转轴结构，且所述第一电机52的转轴、所述第二电机62的转轴、所述第一轴承51的转轴、所述第二轴承61的转轴及所述光轴101为同一直线。通过设置所述第一电机52与所述第二电机62为空心转轴结构，进一步保证了所述利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置100的结构紧凑性，节约了内部空间的同时提升了整体性。
优选的，沿所述入射端11至所述出射端12方向，所述第一电机52、所述第一轴承51、所述第二电机62、所述第二轴承61、所述第一棱镜30及所述第二棱镜40依次设置。
请参阅图2，本发明还提供了一种利用Risley棱镜的激光扩束扫描方法，具体包括如下步骤：
步骤S10、调节所述第一棱镜30与所述第二棱镜40之间的转角；
步骤S20、驱动所述第一棱镜30与所述第二棱镜40转动；
具体的，在本实施方式中，所述第一棱镜30与所述第二棱镜40的转动方向相同，且转速相同。如此设置，使得出射光在垂直方向的角度不便，即在水平方向做360°扫面，并最终形成的扫描方位为一个伞面。
其中，所述第一棱镜30及所述第二棱镜40的转动方向及转速均由控制器70控制，所述控制器70的参数由所述控制器70电连接的编码器80调节。
优选的，所述控制器70为Acorn有限公司设计的ARM Cortex-M3高性能微处理器。
步骤S30、控制激光发生器向所述镜筒10内发射与所述光轴101平行的多条入射光，所述入射光依次穿过所述第一棱镜30及所述第二棱镜40，所述入射光在穿过所述第一棱镜30时发生第一次偏折，在穿过所述第二棱镜40时发生第二次偏折，并在发生第二次偏折后由所述镜筒10的出射端射出；
使用时，可以通过调节所述第一棱镜30与所述第二棱镜40的初始转角及转速改变入射光的出射角度。
与现有技术相比，本发明提供的利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置，通过在所述镜筒10内设置所述第一棱镜30与所述第二棱镜40，并通过所述控制器70调节所述第一棱镜30与所述第二棱镜40之间的转角以及所述第一棱镜30与所述第二棱镜40的转动方向与转速，进而调节管线射出的角度，相较于现有技术具有更为宽广的视场角，且无需设置俯仰轴，使得装置的结构小型化，在保证结构紧凑性的前提下提供了更好的动态性能，且能耗更小，一体化更强；通过设置所述第一表面31与所述第三表面41之间存在微小的间隔，使得所述利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置100获得更大的视场角，同时，设置所述第一棱镜30与所述第二棱镜40的材料均为塑料，在一定程度上减轻了装置的重量；通过设置所述第一电机52与所述第二电机62为空心转轴结构，进一步保证了所述利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置100的结构紧凑性，节约了内部空间的同时提升了整体性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置，包括具有光轴的镜筒，所述镜筒包括入射端及出射端，其特征在于，还包括沿所述入射端至所述出射端依次间隔设置的激光发生器、第一棱镜与第二棱镜、驱动所述第一棱镜以所述光轴为旋转轴旋转的第一驱动装置、驱动所述第二棱镜以所述光轴为旋转轴旋转的第二驱动装置、分别与所述第一驱动装置及所述第二驱动装置电连接的控制器及与所述控制器电连接的编码器，所述第一棱镜包括与所述光轴垂直的第一表面及与所述第一表面相对设置的第二表面，所述第二棱镜包括与所述光轴垂直的第三表面及与所述第三表面相对设置的第四表面，所述第一表面与所述第二表面之间及所述第三表面与所述第四表面之间具有10°至30°的倾斜角，且所述第一表面靠近所述第三表面设置；
使用时，所述激光发生器产生多条与所述光轴平行的入射光，入射光在穿过所述第一棱镜时发生第一次偏折，并在穿过所述第二棱镜时发生第二次偏折，最后通过所述出射端射出。
2.根据权利要求1所述的利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置，其特征在于，所述第一驱动装置包括安装于所述镜筒内并与所述第一棱镜可拆卸连接的第一轴承及与所述第一轴承连接的第一电机，所述第二驱动装置包括安装于所述镜筒内并与所述第二棱镜可拆卸连接的第二轴承及与所述第二轴承连接的第二电机。
3.根据权利要求2所述的利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置，其特征在于，所述第一电机及所述第二电机均为空心转轴结构，且所述第一电机的转轴、所述第二电机的转轴、所述第一轴承的转轴、所述第二轴承的转轴及所述光轴为同一直线。
4.根据权利要求3所述的利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置，其特征在于，沿所述入射端至所述出射端方向，所述第一电机、所述第一轴承、所述第二电机、所述第二轴承、所述第一棱镜及所述第二棱镜依次设置。
5.根据权利要求1所述的利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置，其特征在于，所述第一表面与所述第三表面之间的间距为10mm-25mm。
6.根据权利要求1所述的利用Risley棱镜的激光扩束扫描装置，其特征在于，所述第一棱镜及所述第二棱镜的材料均为塑料。
7.一种利用Risley棱镜的激光扩束扫描方法，提供具有光轴的镜筒及设置于所述镜筒内且间隔设置的第一棱镜与第二棱镜，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤S10、调节所述第一棱镜与所述第二棱镜之间的转角；
步骤S20、驱动所述第一棱镜与所述第二棱镜转动；
步骤S30、控制激光发生器向所述镜筒内发射与所述光轴平行的多条入射光，所述入射光依次穿过所述第一棱镜及所述第二棱镜，所述入射光在穿过所述第一棱镜时发生第一次偏折，在穿过所述第二棱镜时发生第二次偏折，并在发生第二次偏折后由所述镜筒的出射端射出；
使用时，可以通过调节所述第一棱镜与所述第二棱镜的初始转角及转速改变入射光的出射角度。
8.根据权利要求7所述的利用Risley棱镜的激光扩束扫描方法，其特征在于，所述第一棱镜与所述第二棱镜的转动方向相同，且转速相同。
9.根据权利要求7所述的利用Risley棱镜的激光扩束扫描方法，其特征在于，所述第一棱镜及所述第二棱镜的转动方向及转速均由控制器控制，所述控制器的参数由与所述控制器电连接的编码器调节。
10.根据权利要求9所述的利用Risley棱镜的激光扩束扫描方法，其特征在于，所述控制器为高性能微处理器。
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