CN116736521B - 一种高功率激光遮断以消除杂散光方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高功率激光遮断以消除杂散光方法及装置，所述方法包括：在激光与转镜间设置周期性的激光阻挡片，调整旋转多面镜与激光阻挡片的转动角度的位置状态关系，得到旋转多面镜反射面交接处在转动中某个时间的位置，求解周期性激光阻挡片的设置角度，设计周期性激光阻挡片的设置位置及某个时间的旋转角，将射向转镜反射交角的激光挡住并吸收，使转镜反射面交接处不会有杂散光发生。本发明精确设计包含有消光部分和无消光部分的激光阻挡片的设置位置，在激光射入旋转多面镜且在通过旋转多面镜的相接面或边角时将激光阻档并吸收，避免了高功率杂散光对激光模块的加热，解决杂散光的乱反射问题，保持了光学扫描系统运作可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一维激光扫描技术领域，具体而言，涉及一种高功率激光遮断以消除杂散光方法及装置。
背景技术
在光学扫描系统中，旋转面镜大多为多面体，利用马达驱动旋转多面镜（参见图1所示）转动，将入射到旋转多面镜表面的激光光线利用旋转作用达成扫描的效果。
在旋转多面镜的旋转过程中，当入射激光光线的中心与旋转多面镜的中心基本重合时，即入射到反射面的中部区域时（参见图2所示）位置，此时入射到反射面的激光光源不是点光源而是有直径的面光源，光线会在反射面全部以相同角度反射。
但是，当光线入射到相邻反射面的相接面或边角时，会因两个相接面的反射角度不同而产生杂散光，参见图3所示。当旋转多面镜转到与入射激光光线为图4所示的位置状态时，上述的面光源一分为二，其中一束光线朝向设计的激光扫描面的方向反射，而另一束光线则朝向激光扫描面以外的不理想方向反射，此光线即为杂散光。并且，此杂散光会加热激光机构，造成不良影响。
对于低功率激光扫描，可以在旋转多面镜的转角通过入射激光光点前关闭激光的投射，等到旋转多面镜的转角通过入射激光光点之后再开启激光投射，以避免出现杂散光的问题。
但是，高功率激光扫描需要较长的开启运作时间，因此无法以开启和关闭激光投射的方法进行处理。
当前，高功率激光扫描过程中的杂散光现象成为亟待解决的难点和痛点问题。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于通过精确计算旋转多面镜的相接面或边角的光点所产生的杂散光散布的角度，采用具有吸光特性材料（或迷宫式结构）的周期性的激光阻挡片设置于透镜与旋转多面镜间，激光阻挡片周期性地遮断光线，以便在激光射入旋转多面镜且在通过旋转多面镜的相接面或边角时将激光予以遮断以避免杂散光发生。并且，激光阻挡片可设置冷却系统，从而减少杂光对激光机构的加热及乱反射问题，保持光学扫描系统运作的可靠性。
本发明提供一种高功率激光遮断以消除杂散光方法，包括：
在激光与转镜间设置周期性的激光阻挡片，计算激光扫描周期的反射起始旋转角，调整旋转多面镜与激光阻挡片的转动角度的位置状态关系，计算旋转多面镜转动中的反射光线角度以及杂散光的方向角度，得到旋转多面镜反射面交接处在转动周期中某个时间与入射激光的相对位置，依此求解周期性的激光阻挡片的遮断位置及某个时间的角度，用来设计周期性的激光阻挡片的设置位置及旋转角度与转镜旋转角度的关系，在准确的时间将杂散光挡住及吸收，使旋转多面镜反射面交接处不会有杂散光发生；
所述周期性的激光阻挡片包括有消光部分、无消光部分，所述有消光部分有挡住激光的机构，将激光遮断，无消光部分让激光通过，所述有消光部分的宽度≥激光光束的直径；在激光射入旋转多面镜且在通过旋转多面镜的相接面或边角时将激光阻档并吸收而不会产生杂射光；
所述周期性的激光阻挡片的转动与所述旋转多面镜的转动转角同步。
在激光入射到旋转多面镜的相邻反射面交角处时，激光阻挡片的有吸光部分也需到达该角度以阻挡激光，设计激光阻挡片安装设置于旋转机构上；可藉由光传感器讯号使激光阻挡片的旋转速度与旋转多面镜的旋转速度同步，当入射激光通过旋转多面镜的相接反射面或边角时，杂散光恰好被激光阻挡片所阻挡而不会因旋转多面镜的转角因素产生杂散光。
最简单的实施例是将旋转多面镜的旋转轴与激光阻挡片采用同步齿轮机构传动连接，旋转多面镜转动一圈，激光阻挡片也转动一圈。如旋转多面镜为8面镜，激光阻挡片也具有8个有消光片。
进一步地，所述计算激光扫描周期的反射起始旋转角的表达式为：
（1）
式（1）中，H为激光入射到旋转多面镜反射面的位置偏离旋转多面镜转轴轴心的高度，R为旋转多面镜的端面对角线长度的一半，θ角为旋转多面镜从水平0°角度旋转至端面一个角顶点与H高度同高所旋转的角度；
所述θ角为激光扫描过程中每个扫描周期的反射起点。
为了要将转镜的旋转角度与周期性的激光阻挡片的角度配合，如下的角度关系必须要成立:
(2)
式（2）中，N 转镜及N 挡片分别是转镜的边数和激光阻挡片的消光片数，θ3是激光光束入射到激光阻挡片的位置与水平0°角度的夹角；
式（2）改写成转速比的表达式为：
(3)
式（3）中，n是转镜与阻挡片的转速比，ω转镜及ω挡片分别是转镜和激光阻挡片的转速。
调整旋转多面镜与激光挡光片的转动角度的位置状态关系的方法的一个较佳实施例包括：
优选地，转镜为八角形(如图6所示)，而激光阻挡片为6个消光片所组成(如图5所示)。若激光的位置在激光阻挡片如图7所示，此时阻挡片的角度为θ3，转镜的角度为θ。
为了要将转镜的旋转角度与激光阻挡片的角度配合，如下的角度关系必须要成立:
(4)
式（4）可以改写成转速比：
(5)
式（5）中，n是转镜与激光阻挡片的转速比，ω转镜及ω挡片分别是转镜和激光阻挡片的转速，N 转镜及N 挡片分别是转镜的边数和激光阻挡片的消光片数。
转镜为八角形，激光阻挡片为6个消光片所组成，转镜的转速为阻挡片转速的四分之三，并可得知两者的转速比与转镜的边数和激光阻挡片的消光片数的数量比成反比。
本发明还提供一种高功率激光遮断以消除杂散光装置，应用如上述所述的高功率激光遮断以消除杂散光方法，包括：
旋转多面镜：用于将入射激光经过反射面的反射形成激光扫描面；
周期性的激光阻挡片：包括有消光部分和无消光部分的消光片，所述有消光部分将激光遮断，所述无消光部分让激光通过。
旋转多面镜和周期性的激光阻挡片的旋转轴之间互相垂直设置，两者相对位置的关系是：在起动系统时(转镜的位置在如图6所示)，激光阻挡片中的某一片消光片能够遮挡住从激光光源射出的激光(如图7所示)。而旋转多面镜和周期性的激光阻挡片的转速比与转镜的边数和激光阻挡片的消光片数的数量比成反比。
优选地，所述激光阻挡片的消光片为消光结构，参见图6所示，消光结构采用一个迷宫式的结构，依靠结构之间的相互作用，利用光线反射多次后消除杂射光。消光材料在结构的表面进行涂布处理，进一步增强结构消光的能力。消光材料不仅仅在可见-红外光谱段有强吸收，还要求具有一定的耐环境腐蚀性能，可以长期稳定可靠的使用。参见图5右下角即为迷宫之示意图，光线在迷宫中反复反射并被吸收达到消光目的。参见图7所示有消光部分的宽度最少要和激光光束之直径一样，本实施例在图7中有消光部分为扇形，但有消光部分如是长方形将能够更加增加效率。
以上较佳实施例只是多种应用中的一种，激光入射光束在激光入射方向放置激光阻挡片均为本发明的权利笵围。
进一步地，所述激光阻挡片为激光遮断片。所述激光遮断片可以是微纳米多孔性材料，所述微纳米多孔性材料包括：微纳米碳管，也可以是吸光材料或消光结构。消光结构包含光阑，挡片，锥角，迷宫等，依靠结构之间的相互作用消光。消光材料在结构的表面进行涂布处理，进一步增强结构消光的能力。消光材料不仅仅在可见-红外光谱段有强吸收，还要求具有一定的耐环境腐蚀性能，可以长期稳定可靠的使用。图5右上角即为迷宫的示意图，光线在迷宫中反复反射并被吸收达到消光目的。
进一步地，所述激光阻挡片为激光遮断片，所述激光遮断片是吸光材料、消光结构中的任一种。
进一步地，所述激光阻挡片设置有冷却模组，用于冷却因吸收光线产生的热量。
进一步地，所述旋转多面镜和激光阻挡片的转轴上设置有传动机构，通过传动机构使得旋转多面镜和激光阻挡片的转速比符合式（3）。
进一步地，所述旋转多面镜和激光阻挡片的转轴上设置有传感器，通过传感器分别测量旋转多面镜和激光阻挡片两者的转速，并调整两者的转速使得转速比符合式（3）。
旋转多面镜和周期性的激光阻挡片的转速比与转镜的边数和激光阻挡片的消光片数的数量比成反比。故可在转镜和激光阻挡片的转轴上采用用齿轮类或相同作用的传动机构来实现上述转速比，亦可采用传感器分别测量转镜和激光阻挡片两者的转速，并调整两者之转速使其能达到需求的转速比。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过计算周期性的激光阻挡片的设置角度，精确设计包含有消光部分和无消光部分的周期性的激光阻挡片的设置位置，有消光部分可将激光遮断，无消光部分可让激光通过，在激光射入旋转多面镜且在通过旋转多面镜的相接面或边角时将激光阻档并吸收而不会产生杂射光，减少了高功率杂散光对激光模块的加热，解决了杂散光的乱反射问题，保持了光学扫描系统运作的可靠性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
在附图中：
图1为利用马达驱动旋转多面镜转动的结构构成示意图；
图2为旋转多面镜转至入射激光的中心与旋转多面镜的中心相重合的位置状态示意图；
图3为旋转多面镜在光线入射到旋转多面镜相邻反射面的相接面或边角时产生杂散光的位置状态示意图；
图4为本发明实施例高功率激光遮断以消除杂散光装置的原理示意图；
图5为本发明实施例高功率激光遮断以消除杂散光装置的结构构成示意图。
图6为本发明实施例的激光扫描周期的反射起始旋转角示意图；
图7为本发明实施例周期性的激光阻挡片有消光部分的宽度和形状示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和产品的例子。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
下面结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。
本发明实施例提供一种高功率激光遮断以消除杂散光方法，包括：
在激光与转镜间设置周期性的激光阻挡片，计算激光扫描周期的反射起始旋转角，调整旋转多面镜于激光阻挡片的转动角度的位置状态关系，计算旋转多面镜转动中的反射光线角度以及杂散光的方向角度，得到旋转多面镜反射面交接处在转动周期中某个时间与入射激光的相对位置，依此求解周期性的激光阻挡片的遮断位置及某个时间的角度，用来设计周期性的激光阻挡片的设置位置及旋转角度与转镜旋转角度的关系，在准确的时间将杂散光挡住及吸收，使旋转多面镜反射面交接处不会有杂散光发生；
参见图4、5所示，所述周期性的激光阻挡片包括有消光部分、无消光部分，所述有消光部分有挡住激光的机构，将激光遮断，无消光部分让激光通过，所述有消光部分的宽度≥激光光束的直径；在激光射入旋转多面镜且在通过旋转多面镜的相接面或边角时将激光阻挡并吸收而不会产生杂射光；
所述周期性的激光阻挡片的转动与所述旋转多面镜的转动转角同步。
在激光入射到旋转多面镜的相邻反射面交角处时，激光阻挡片的有吸光部分也需到达该角度以阻挡激光，设计激光阻挡片安装设置于旋转机构上；可藉由光传感器讯号使激光阻挡片的旋转速度与旋转多面镜的旋转速度同步，当入射激光通过旋转多面镜的相接反射面或边角时，杂散光恰好被激光阻挡片所阻挡而不会因旋转多面镜的转角因素产生杂散光。
最简单的实施例是将旋转多面镜的旋转轴与激光阻挡片采用同步齿轮机构传动连接，旋转多面镜转动一圈，激光阻挡片也转动一圈。如旋转多面镜为8面镜，激光阻挡片也具有8个有消光部分与8面镜相互配合。
依图6所述计算激光扫描周期的反射起始旋转角的表达式为：
（1）
式（1）中，H为激光入射到旋转多面镜反射面的位置偏离旋转多面镜转轴轴心的高度，R为旋转多面镜的端面对角线长度的一半，θ角为旋转多面镜从水平0°角度旋转至端面一个角顶点与H高度同高所旋转的角度；
所述θ角为激光扫描过程中每个扫描周期的反射起点。
所述调整旋转多面镜与激光阻挡片的转动角度的位置状态关系的方法的一个较佳实施例包括：
转镜为八角形(如图6所示)，而激光阻挡片为6个消光片所组成(如图5所示)。若激光的位置在激光阻挡片如图7所示，此时阻挡片的角度为θ3；而转镜的角度为θ。
为了要将转镜的旋转角度与阻挡片的角度配合，如下的角度关系必须要成立:
(2)
式（2）中，N 转镜及N 挡片分别是转镜的边数和激光阻挡片的消光片数，θ3是激光光束入射到激光阻挡片的位置与水平0°角度的夹角；
式（2）可以改写成转速比：
(3)
式（3）中，n是转镜与阻挡片的转速比，ω转镜及ω挡片分别是转镜和激光阻挡片的转速。
本实施例的转镜为八角形，激光阻挡片为6个消光片所组成，转镜的转速为阻挡片转速的四分之三，可得知两者的转速比与转镜的边数和激光阻挡片的消光片数的数量比成反比。
本发明实施例还提供一种高功率激光遮断以消除杂散光装置，应用如上述所述的高功率激光遮断以消除杂散光方法，包括：
旋转多面镜：用于将入射激光经过反射面的反射形成激光扫描面；
周期性的激光阻挡片：包括有消光部分和无消光部分的消光片，所述有消光部分将激光遮断，所述无消光部分让激光通过。
旋转多面镜和周期性的激光阻挡片的旋转轴之间互相垂直设置，两者相对位置的关系是：在起动系统时(转镜的位置在如图6所示)，激光阻挡片中的某一片消光片能够遮挡住从激光光源射出的激光(如图7所示)。而旋转多面镜和周期性的激光阻挡片的转速比与转镜的边数和激光阻挡片的消光片数的数量比成反比。
本实施例中，所述激光阻挡片的消光片为消光结构，参见图6所示，消光结构采用一个迷宫式的结构，依靠结构之间的相互作用，利用光线反射多次后消除杂射光。消光材料在结构的表面进行涂布处理，进一步增强结构消光的能力。消光材料不仅仅在可见-红外光谱段有强吸收，还要求具有一定的耐环境腐蚀性能，可以长期稳定可靠的使用。参见图5右下角即为迷宫之示意图，光线在迷宫中反复反射并被吸收达到消光目的。参见图7所示有消光部分的宽度最少要和激光光束之直径一样，本实施例在图7中有消光部分为扇形，但有消光部分如是长方形将能够更加增加效率。
本实施例中，旋转多面镜和周期性的激光阻挡片的转速比与转镜的边数和激光阻挡片的消光片数的数量比成反比。故可在转镜和激光阻挡片的转轴上采用用齿轮类或相同作用的传动机构来实现式（3）的转速比，也可采用传感器分别测量转镜和激光阻挡片两者的转速，并调整两者的转速使其能达到需求的转速比。
以上较佳实施例只是多种应用中的一种，激光入射光束在激光入射方向放置激光阻挡片均为本发明的权利笵围。
本发明实施例精确设计包含有消光部分和无消光部分的激光阻挡片的设置位置，有消光部分可将激光遮断，无消光部分可让激光通过，在激光射入旋转多面镜且在通过旋转多面镜的相接面或边角时将激光阻档并吸收而不会产生杂射光，减少了高功率杂散光对激光模块的加热，解决了杂散光的乱反射问题，保持了光学扫描系统运作的可靠性。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高功率激光遮断以消除杂散光方法，其特征在于，包括：
在激光与转镜间设置周期性的激光阻挡片，计算激光扫描周期的反射起始旋转角，调整旋转多面镜与激光阻挡片的转动角度的位置状态关系，计算旋转多面镜转动中的反射光线角度以及杂散光的方向角度，得到旋转多面镜反射面交接处在转动周期中某个时间与入射激光的相对位置，依此求解周期性的激光阻挡片的遮断位置及某个时间的角度，用来设计周期性的激光阻挡片的设置位置及旋转角度与转镜旋转角度的关系，在准确的时间将杂散光挡住及吸收，使旋转多面镜反射面交接处不会有杂散光发生；
所述周期性的激光阻挡片包括有消光部分、无消光部分，所述有消光部分将激光遮断，无消光部分让激光通过，所述有消光部分的宽度≥激光光束的直径；
所述周期性的激光阻挡片的转动与所述旋转多面镜的转动转角同步；
所述计算激光扫描周期的反射起始旋转角的表达式为：
（1）
式（1）中，H 为激光入射到旋转多面镜反射面的位置偏离旋转多面镜转轴轴心的高度，R为旋转多面镜的端面对角线长度的一半，θ角为旋转多面镜从水平0°角度旋转至端面一个角顶点与H高度同高所旋转的角度；
所述θ角为激光扫描过程中每个扫描周期的反射起点；
所述求解周期性的激光阻挡片的遮断位置及某个时间的角度的方法包括：将转镜的旋转角度与周期性的激光阻挡片的角度配合，使转镜的旋转角度与周期性的激光阻挡片的角度符合以下关系式：
(2)
式（2）中，N 转镜及N 挡片分别是转镜的边数和激光阻挡片的消光片数，θ3是激光光束入射到激光阻挡片的位置与水平0°角度的夹角；
式（2）改写成转速比的表达式为：
(3)
式（3）中，n是转镜与阻挡片的转速比，ω转镜及ω挡片分别是转镜和激光阻挡片的转速。
2.一种高功率激光遮断以消除杂散光装置，其特征在于，应用如权利要求1所述的高功率激光遮断以消除杂散光方法，包括：
旋转多面镜：用于将入射激光经过反射面的反射形成激光扫描面；
周期性的激光阻挡片：包括有消光部分和无消光部分的消光片，所述有消光部分将激光遮断，所述无消光部分让激光通过。
3.根据权利要求2所述的高功率激光遮断以消除杂散光装置，其特征在于，所述激光阻挡片为激光遮断片，所述激光遮断片是微纳米多孔性材料，所述微纳米多孔性材料为微纳米碳管。
4.根据权利要求2所述的高功率激光遮断以消除杂散光装置，其特征在于，所述激光阻挡片为激光遮断片，所述激光遮断片是吸光材料、消光结构中的任一种。
5.根据权利要求2所述的高功率激光遮断以消除杂散光装置，其特征在于，所述激光阻挡片设置有冷却模组，用于冷却因吸收光线产生的热量。
6.根据权利要求2所述的高功率激光遮断以消除杂散光装置，其特征在于，所述旋转多面镜和激光阻挡片的转轴上设置有传动机构，通过传动机构使得旋转多面镜和激光阻挡片的转速比符合以下表达式：
(3)。
7.根据权利要求2所述的高功率激光遮断以消除杂散光装置，其特征在于，所述旋转多面镜和激光阻挡片的转轴上设置有传感器，通过传感器分别测量旋转多面镜和激光阻挡片两者的转速，调整两者的转速使得转速比符合以下表达式：
(3)。
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