CN116909014B - 一种基于椭球面的振镜平面扫描装置和扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于椭球面的振镜平面扫描装置和扫描方法，装置中以激光器输出的激光的方向为x轴，第一椭球面反射镜的最长的轴在x轴上，第一椭球面反射镜的远离激光器的第一焦点为原点，水平面上经过原点与x轴垂直的轴为y轴，经过原点垂直于水平面的轴为z轴，第一椭球面反射镜的靠近激光器的第二焦点处设有z轴振镜，第一椭球面反射镜的远离激光器的第一焦点处设有y轴振镜；第二椭球面反射镜的最长的轴在z轴上，第二椭球面反射镜的第三焦点与第一焦点重合，第二椭球面反射镜的第四焦点位于第三焦点z轴方向上的上方，第四焦点处设有转折反射镜。与现有技术相比，本发明具有减少畸变和串扰等优点。

Description

一种基于椭球面的振镜平面扫描装置和扫描方法

技术领域

本发明涉及光束扫描的技术领域，尤其是涉及一种基于椭球面的振镜平面扫描装置和扫描方法。

背景技术

随着光学技术的发展，利用振镜实现高速光束扫描的方式从而精准地控制光线角度得到了越来越广泛的应用。振镜是有偏转镜和电机构成，通过控制器向振镜电机发送电压或电流信号，振镜即可做出相应的角度偏转，光线经过此片反射镜反射后，以对应的角度出射，从而实现控制光束角度的目的。通常来说，振镜常与激光器、平场透镜等元件共同构成光束扫描系统，并在受激拉曼显微成像、光声成像、光学相干层析显微等成像技术中获得了广泛的应用。然而需要注意的是，负责光束z方向偏转和y方向偏转的两个振镜不可能在空间位置上重合，这就导致了经过偏转的光束在z-方向和y-方向上的偏转中心不重合。在共聚焦成像、光学相干断层扫描成像等系统中，偏转后的光束不经过扫描透镜直接照射进物镜中，由于物镜孔径有限，进入物镜的光线及时角度正确然而能量却不均匀；在共聚焦系统或激光打标系统中，偏转后的光束在经过平面场镜或f-θ镜之后，在确定成像平面上两个方向的像高不同，导致了明显的枕型畸变。

此类问题均是由z和y两个方向的振镜空间位置不重合导致的，虽然已经有了一些算法可以矫正此种畸变，但对控制系统要求很高，且不同位置的矫正数据都需要重新调整。因此对于操作精度非常高的扫描系统，此问题仍需进一步改进。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种基于椭球面的振镜平面扫描装置和扫描方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于椭球面的振镜平面扫描装置，包括激光器、z轴振镜、第一椭球面反射镜、y轴振镜、第二椭球面反射镜和固定偏转镜，以激光器输出的激光的方向为x轴，第一椭球面反射镜的最长的轴在x轴上，第一椭球面反射镜的远离激光器的第一焦点为原点，水平面上经过原点与x轴垂直的轴为y轴，经过原点垂直于水平面的轴为z轴，

第一椭球面反射镜的靠近激光器的第二焦点处设有z轴振镜，第一椭球面反射镜的远离激光器的第一焦点处设有y轴振镜；

第二椭球面反射镜的最长的轴在z轴上，第二椭球面反射镜的第三焦点与第一焦点重合，第二椭球面反射镜的第四焦点位于第三焦点z轴方向上的上方，第四焦点处设有固定偏转镜；

激光器发射入射光线，入射光线依次经过z轴振镜、第一椭球面反射镜、y轴振镜、第二椭球面反射镜和固定偏转镜后输出。

进一步地，第一椭球面反射镜和第二椭球面反射镜的尺寸相同，第一椭球面反射镜的另外两根轴的长度相等，且其长度小于第一椭球面反射镜的最长的轴，第二椭球面反射镜的另外两根轴的长度相等，且其长度小于第二椭球面反射镜的最长的轴。

进一步地，z轴振镜的偏转中心位于第一椭球面反射镜的第二焦点；y轴振镜的偏转中心位于第一椭球面反射镜的第一焦点。

进一步地，若入射光线未经过振镜偏转，则最终固定偏转镜输出无偏转中心光线，入射光线与无偏转中心光线平行。

进一步地，入射光线与z轴振镜的初始角度之间成45°。

本发明的另一方面，还提出一种基于椭球面的振镜平面扫描方法，采用上述的基于椭球面的振镜平面扫描装置，扫描方法包括以下步骤：

S1、调节激光器、z轴振镜，第一椭球面反射镜，y轴振镜，第二椭球面反射镜和固定偏转镜；

S2、调节完成后，控制调节激光器发射入射光线，并按照所需的扫描模式驱动z轴振镜和y轴振镜；

S3、入射光线经过z轴振镜后偏转，在xy平面传播；

S4、S3的偏转后的光线从z轴振镜射到第一椭球面反射镜，再从第一椭球面反射镜反射到第一焦点处的y轴振镜；

S5、S4的光线经过y轴振镜后偏转；

S6、S5的偏转后的光线从y轴振镜射到第二椭球面反射镜，再从第二椭球面反射镜反射到第四焦点处的固定偏转镜；

S7、S6的光线从固定偏转镜反射，形成扫描光束，返回S2改变z轴振镜和y轴振镜的扫描模式，改变扫描光束的位置，对不同的位置进行扫描。

进一步地，S1的调节的具体步骤为：

第一步, 控制调节激光器发射入射光线，并调整入射光线，使之沿x轴方向传播；

第二步，放置z轴振镜，并进行驱动，使得入射光线经过z轴振镜的反射后形成的z轴偏转光线仍沿xy平面传播，调节z轴振镜的位置，使入射光线照射在z轴振镜上的光斑没有明显位移；

第三步，放置第一椭球面反射镜，使z轴振镜的反射光斑在第一椭球面反射镜的第二焦点附近；

第四步，调整第一椭球面反射镜，使第一椭球面反射镜反射的z轴偏转光线处于xy平面内，并微调第一椭球面反射镜反射，使z轴偏转光线汇聚到第一焦点；

第五步，放置y轴振镜，并使y轴振镜的中心位置和第一焦点重合，驱动y轴振镜，微调y轴振镜的位置，使照射在y轴振镜镜面上的光斑位置最小且不发生移动；

第六步，停止驱动z轴振镜，使得z轴振镜反射的光只有无偏转中心光线，无偏转中心光线经过y轴振镜后，产生y轴偏转光线；

第七步，放置第二椭球面反射镜，使y轴振镜的反射光斑在第二椭球面反射镜的第三焦点附近；

第八步，调整第二椭球面反射镜，使得第二椭球面反射镜的反射光斑的z轴坐标与无偏转中心光线在第二椭球面反射镜的反射光斑的z轴坐标相等；

第九步，驱动z轴振镜，微调椭球面反射镜的位置，使所以光线均汇聚到第四焦点，在第四焦点处放置固定偏转镜；

第十步，停止驱动z轴振镜和y轴振镜，调整固定偏转镜，使得固定偏转镜反射出的出射光线与入射光线平行。

进一步地，振镜基于高频交流信号驱动。

进一步地，调整固定偏转镜具体为调整固定偏转镜的俯仰。

进一步地，S2中，按照所需的扫描模式驱动z轴振镜时，固定偏转镜处的z方向偏转角度为z轴振镜的偏转角度的两倍，设所需的z方向偏转角度为2n，则z轴振镜的偏转角度为n。

进一步地，S2中，按照所需的扫描模式驱动y轴振镜时，固定偏转镜处的y方向偏转角度和y轴振镜的偏转角度之间的关系为：

其中，f为椭球面焦距，φ为y方向偏转角度，θ为y轴振镜的偏转角度。

进一步地，椭球面焦距为：

其中，c为椭球面最长的轴，a为椭球面的短轴。

本发明的另一方面，还提出一种基于反射光线测量的大角度折射率测量方法，方法采用的装置包括上述的基于椭球面的振镜平面扫描装置，平面扫描装置输出的光为倾斜光束，方法采用的装置还包括：在无偏转中心光线方向上依次设置的平场透镜、半反半透镜、物镜和样品，半反半透镜的y轴方向上设有汇聚透镜和偏振探测器，所述无偏转中心光线为未经过振镜偏转的从固定偏转镜反射的光线；

方法包括以下步骤：

控制平面扫描装置输出倾斜光束，倾斜光束经过平场透镜和半反半透镜后，照射到物镜的一个边缘，并经过物镜的偏转以倾斜光束的倾斜角度汇聚到样品表面，所述倾斜角度基于z轴振镜和y轴振镜的偏转角度确定；

样品表面的光束经过全内反射后从物镜的另一个边缘射出，形成携带样品表面折射率信息的信息光束，信息光束经过半反半透镜反射到汇聚透镜，汇聚到偏振探测器，基于偏振探测器确定样品上一点的折射率，重复上述步骤，使倾斜光束绕着物镜的边缘照射一周，记录信息光束的不同位置的信息，得到样品中心区域的折射率分布。

进一步地，半反半透镜的反射面和基于椭球面的振镜平面扫描装置的入射光线之间呈45°角。

本发明的另一方面，还提出一种快速大范围环境测距方法，方法采用的装置包括上述的基于椭球面的振镜平面扫描装置，方法采用的装置还包括高速广角相机，方法包括以下步骤：

首先控制激光器不发射激光，按需调整z轴振镜和y轴振镜的偏转角度，然后控制激光器发射激光，在同一时刻控制高速广角相机工作，记录该时刻为t1，当高速广角相机的拍摄内容在对应角度出现一个光斑时，记录该时刻为t2，得到该偏转角度下的距离，重复上述步骤，在整个扫描范围内完成扫描，将与偏转角度一一对应的距离按像素进行呈现，测得周围环境距离。

进一步地，一个偏转角度对应的距离为：

L=c×（t2-t1）

其中，t1和t2为高速广角相机记录的时刻，c为光速。

本发明的另一方面，还提出一种大角度无畸变的激光打标方法，方法采用的装置包括上述的基于椭球面的振镜平面扫描装置，方法采用的装置还包括在无偏转中心光线方向上依次设置的平场透镜和靶面，所述无偏转中心光线为未经过振镜偏转的从固定偏转镜反射的光线，

方法包括以下步骤：

控制平面扫描装置输出倾斜光束，经过平场透镜汇聚，倾斜光束汇聚在靶面上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明首先针对二维振镜两个扫描轴位置不重合的问题，提出基于椭球面的振镜平面扫描装置和扫描方法，利用椭球面镜对z轴的振镜成像位置进行重建，利用椭球面镜的反射定律实现了z-y两轴振镜的同一空间位置调整光线角度，减少畸变，z轴振镜和y轴振镜分别各自独立控制光线的z方向偏转和y方向偏转，二者没有串扰，不会出现光线沿z方向的偏转角度和y振镜的角度有关的情况。同时本发明利用了振镜扫描的优点，提出了将振镜与椭球面镜相结合的光束扫描方法，振镜扫描代替传统的样品移动式扫描，提高了时间分辨率。

（2）本发明基于提出的扫描装置，还提出一种基于反射光线测量的大角度折射率测量方法，通过控制z轴和y轴两款振镜的偏转角度实现精确的光束环扫，其扫描轨迹为一个精准的圆形，且各个光束的汇聚点位置均处于样品表面，从而实现了减小探测误差，提高折射率分布成像的准确度的目的。

（3）本发明基于提出的扫描装置，还提出一种快速大范围环境测距方法，利用了两块椭球镜的振镜扫描系统可以实现z轴135°、y轴90°的扫描范围，广角镜头的视场范围可以和扫描范围精确重合，从而实现极大空间范围内的高精度、快速距离探测。

（4）本发明基于提出的扫描装置，还提出大角度无畸变的激光打标方法，由于z轴振镜和y轴振镜的像面互为共轭，经过二者的偏转光线的轴心均在反射镜的中心，在y轴振镜上施加上述角度对应关系，即可以完成两个轴上精确且相同的角度控制，从而解决了传统振镜扫描的畸变问题。同时光线到达反射镜时的光程相同，经过平场透镜的汇聚后，所有光束都会精准的汇聚在靶面上，不会有任何虚焦的情况，这就解决了传统振镜扫描不同角度的光线汇聚点的深度不同造成的打标线粗细不均匀的问题。

附图说明

图1为本发明的装置的俯视图；

图2为本发明的装置的侧视图；

图3为本发明的装置的立体图；

图4为本发明的y轴振镜偏转引起的角度变化图，其中，图4（a）为的y轴振镜偏转引起的角度变化的侧视图，图4（b）为y轴振镜偏转引起的角度变化的俯视图；

图5为本发明的振镜偏转角度和光线转动角度/>的关系图；

图6为本发明的折射率测量装置结构图；

图7为本发明的环境测距装置结构图；

图8为本发明的无畸变的激光打标结构图；

图9为本发明的流程图；

图中，激光器1，z轴振镜2，第一椭球面反射镜3，y轴振镜4，第二椭球面反射镜5，固定偏转镜6，入射光线7，无偏转中心光线8，z轴偏转光线9，y轴偏转光线10，平场透镜11，半反半透镜12，物镜13，样品14，0°反射光线15，信息光束16，汇聚透镜17，偏振探测器18，倾斜光束19，高速广角相机20，平场透镜21，靶面22，倾斜光束23。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本发明目的是解决二维振镜扫描系统中z轴振镜和y轴振镜位置不重合导致的扫描角度受限、畸变难以矫正等问题，提供了一种能够提供极大扫描角度、易矫正畸变的方法及扫描装置。本发明提出一种基于椭球面的振镜平面扫描装置，实现大角度扫描范围和易畸变矫正，通过引入两块精确设计的椭球面镜对一个轴的扫描光束重新成像，并在空间位置和第二个轴精确重合，使两个方向的角度变化轴心完美重合，并突破了扫描角度受振镜尺寸的限制，极大拓展了振镜的使用范围和整体兼容性，同时系统还有宽谱适用性，易组装和矫正方便等优势。装置的俯视图如图1所示，侧视图如图2所示，立体图如图3所示。

装置包括：激光器1、z轴振镜2、第一椭球面反射镜3、y轴振镜4、第二椭球面反射镜5和固定偏转镜6。

以激光器1输出的激光的方向为x轴，第一椭球面反射镜3的最长的轴在x轴上，第一椭球面反射镜3的远离激光器1的第一焦点为原点，水平面上经过原点与x轴垂直的轴为y轴，经过原点垂直于水平面的轴为z轴。

第一椭球面反射镜3的靠近激光器1的第二焦点处设有z轴振镜2，第一椭球面反射镜3的远离激光器1的第一焦点处设有y轴振镜4。

第二椭球面反射镜5的最长的轴在z轴上，第二椭球面反射镜5的第三焦点与第一焦点重合，第二椭球面反射镜5的第四焦点位于第三焦点z轴方向上的上方，第四焦点处设有固定偏转镜6。

激光器1发射入射光线7，入射光线7依次经过z轴振镜2、第一椭球面反射镜3、y轴振镜4、第二椭球面反射镜5和固定偏转镜6后输出。

本发明的第一椭球面反射镜3和第二椭球面反射镜5的尺寸相同，可以用以下方程对此表面进行定义：

其中，也就是第一椭球面反射镜3的另外两根轴的长度相等，且其长度小于第一椭球面反射镜3的最长的轴，第二椭球面反射镜5的另外两根轴的长度相等，且其长度小于第二椭球面反射镜5的最长的轴。其中长度小于长轴是保证第一椭球面反射镜3的两个焦点在原点和x轴上，同时第二椭球面反射镜5的两个焦点在原点和z轴上，此外两根轴长度相等是保证光束在反射镜面反射时光线横截面不发生变化。

z轴振镜2的偏转中心位于第一椭球面反射镜3的第二焦点；y轴振镜4的偏转中心位于第一椭球面反射镜3的第一焦点。

若入射光线7未经过振镜偏转，则最终固定偏转镜6输出无偏转中心光线8，入射光线7与无偏转中心光线8平行。

入射光线7与z轴振镜2的初始角度之间成45°。

本发明的扫描装置的工作原理为：

由于第一椭球面镜3其两个焦点位于x轴上，两个振镜的偏转中心分别位于此椭球面镜3的两个焦点。z轴振镜2初始角度和入射光线成45°，入射光线7沿椭球面镜3的轴线方向进入，并照射到振镜2的中心位置，此位置也同样为椭球面镜3的一个焦点。由于椭球面镜的反射特性，从振镜2的中心发射出来的光线均会汇聚到椭球面镜的第二个焦点处，即振镜4的中心位置。第二块椭球面镜5竖直摆放，其对称轴沿z轴，其中靠下的焦点和振镜4的中心位置重合，即入射光束经过第一椭球镜反射后的汇聚位置重合；另外一个焦点处放置一块固定偏转镜6，使出射光线改变角度。

由于z方向的振镜2的中心是椭球面镜的一个焦点，从此位置出射的不同角度光线会汇聚在y方向振镜4的中心处，即相当于光线在4的中心处出现了沿z方向的偏转角度，同时振镜4能够提供另一个方向上的转动，因此此时出射的光线其z方向的偏转和y方向的偏转完美重合在一起，从而解决了由于旋转中心不重合而造成的位置像差问题。同时，椭球面3的包裹范围可以提供约135°的z轴扫描范围，椭球面5的包裹范围可以提供近90°的扫描范围，极大地拓展了现有振镜的扫描角度范围。

当椭球面3的包裹范围为135°，椭球面5的包裹范围为90°时，使用立体角sr进行描述，此时的最大扫描范围形成的立体角为3/8π。

采用权利要求上所述的基于椭球面的振镜平面扫描装置，本发明还提出一种扫描方法，方法的流程图如图9所示。扫描方法包括以下步骤：

S1、调节激光器1、z轴振镜2，第一椭球面反射镜3，y轴振镜4，第二椭球面反射镜5和固定偏转镜6；

S2、调节完成后，控制调节激光器1发射入射光线7，并按照所需的扫描模式驱动z轴振镜2和y轴振镜4；

S3、入射光线7经过z轴振镜2后偏转，在xy平面传播；

S4、S3的偏转后的光线从z轴振镜2射到第一椭球面反射镜3，再从第一椭球面反射镜3反射到第一焦点处的y轴振镜4；

S5、S4的光线经过y轴振镜4后偏转；

S6、S5的偏转后的光线从y轴振镜4射到第二椭球面反射镜5，再从第二椭球面反射镜5反射到第四焦点处的固定偏转镜6；

S7、S6的光线从固定偏转镜6反射，形成扫描光束，返回S2改变z轴振镜2和y轴振镜4的扫描模式，改变扫描光束的位置，对不同的位置进行扫描。

S1的调节的具体步骤为：

第一步, 控制调节激光器1发射入射光线7，并调整入射光线7，使之沿x轴方向传播；

第二步，放置z轴振镜2，并进行驱动，使得入射光线7经过z轴振镜2的反射后形成的z轴偏转光线9仍沿xy平面传播，调节z轴振镜2的位置，使入射光线7照射在z轴振镜2上的光斑没有明显位移；

第三步，放置第一椭球面反射镜3，使z轴振镜2的反射光斑在第一椭球面反射镜3的第二焦点附近；

第四步，调整第一椭球面反射镜3，使第一椭球面反射镜3反射的z轴偏转光线9处于xy平面内，并微调第一椭球面反射镜3反射，使z轴偏转光线9汇聚到第一焦点；

第五步，放置y轴振镜4，并使y轴振镜4的中心位置和第一焦点重合，驱动y轴振镜4，微调y轴振镜4的位置，使照射在y轴振镜4镜面上的光斑位置最小且不发生移动；

第六步，停止驱动z轴振镜2，使得z轴振镜2反射的光只有无偏转中心光线8，无偏转中心光线8经过y轴振镜4后，产生y轴偏转光线10；

第七步，放置第二椭球面反射镜5，使y轴振镜4的反射光斑在第二椭球面反射镜5的第三焦点附近；

第八步，调整第二椭球面反射镜5，使得第二椭球面反射镜5的反射光斑的z轴坐标与无偏转中心光线8在第二椭球面反射镜5的反射光斑的z轴坐标相等；

第九步，驱动z轴振镜2，微调椭球面反射镜的位置，使所以光线均汇聚到第四焦点，在第四焦点处放置固定偏转镜6；

第十步，停止驱动z轴振镜2和y轴振镜4，调整固定偏转镜6，使得固定偏转镜6反射出的出射光线与入射光线7平行。

经过调整，当z轴振镜2驱动，y轴振镜4不驱动时形成的z轴偏转光线9，经过y轴振镜4后在yz平面传播，z轴偏转光线9经过固定偏转镜6后，形成与固定偏转镜6射出的无偏转中心光线8相同出射点，且在xy平面的投影重合的z轴偏转光线9，所述入射光线7与无偏转中心光线8平行，出射点为固定偏转镜6的反射光斑；

z轴振镜2不驱动，y轴振镜4驱动时形成的y轴偏转光线10，经过固定偏转镜6后，形成与固定偏转镜6射出的无偏转中心光线8相同出射点，且在xz平面的投影重合的y轴偏转光线10，出射点为固定偏转镜6的反射光斑。

按照所需的扫描模式驱动z轴振镜2和y轴振镜4时，需要确定振镜的偏转角度和光束的偏转角度之间的关系。按照所需的扫描模式驱动z轴振镜2时，由于z轴偏转光线9经过了z轴振镜2的反射、y振镜4的反射，因此在固定偏转镜6处其z方向偏转角度和z轴振镜2的偏转角度对应，即振镜旋转1°，光线偏转2°，即固定偏转镜6处的z方向偏转角度为z轴振镜2的偏转角度的两倍，设所需的z方向偏转角度为2n，则z轴振镜2的偏转角度为n。

按照所需的扫描模式驱动y轴振镜4时，由于对y轴振镜4，其偏转1°后经过椭球面镜的反射后在固定偏转镜6处的反射必然不是线性关系，，因此需要对此轴角度进行矫正。假设椭球面镜的焦点距离为2f，对于y轴振镜4假设入射光为0°照射时，光线在x-z平面内传播，且经过椭球面反射后延x方向传播。y轴振镜4偏转引起的角度变化如图4a和图4b所示。y轴振镜4偏转引起了无偏转中心光线8变为y轴偏转光线10，在y-z面的投影为y轴振镜4的偏转角度，经过第二椭球面镜5的反射后，俯视图能够看到汇聚到同一点，即无偏转中心光线8和y轴偏转光线10偏转在x-y面的投影即是所求。通过几何关系可以得到，实际空间的固定偏转镜6处的y方向偏转角度和y轴振镜4的偏转角度之间的关系为：

其中，f为椭球面焦距，φ为y方向偏转角度，θ为y轴振镜4的偏转角度。

其中，

假定a=6cm，椭球面参数c=10cm，则f=8cm，可以做出偏转角和振镜偏转角度/>之间的关系图如图5所示。

从图5可以发现，在此种条件下，可以近似看出输入振镜偏转角度和输出偏转角呈线性，但有一定比例的放大，即y轴振镜只需偏转±15°即可实现最终光线近90°的偏转，实现了大角度的振镜扫描。

实施例2

基于实施例1的装置，本发明还提出一种基于反射光线测量的大角度折射率测量方法，方法采用实施例1的基于椭球面的振镜平面扫描装置，平面扫描装置输出的光为倾斜光束19，方法采用的装置还包括：在无偏转中心光线8方向上依次设置的平场透镜11、半反半透镜12、物镜13和样品14，半反半透镜12的y轴方向上设有汇聚透镜17和偏振探测器18，所述无偏转中心光线8为未经过振镜偏转的从固定偏转镜6反射的光线。实施例2的方法采用的大角度折射率测量装置的结构图如图6所示。

方法包括以下步骤：

控制平面扫描装置输出倾斜光束19，倾斜光束19经过平场透镜11和半反半透镜12后，照射到物镜13的一个边缘，并经过物镜13的偏转以倾斜光束19的倾斜角度汇聚到样品14表面，所述倾斜角度基于z轴振镜2和y轴振镜4的偏转角度确定；

样品14表面的光束经过全内反射后从物镜13的另一个边缘射出，形成携带样品14表面折射率信息的信息光束16，信息光束16经过半反半透镜12反射到汇聚透镜17，汇聚到偏振探测器18，基于偏振探测器18确定样品14上一点的折射率，重复上述步骤，使倾斜光束19绕着物镜13的边缘照射一周，记录信息光束16的不同位置的信息，得到样品14中心区域的折射率分布。

通过本实施例的大角度折射率测量装置，偏振探测器18分析信息光束16和0°反射光线15的强度和比例，即可以推算出样品14上的折射率。0°反射光线15为无偏转中心光线8发射到半反半透镜12后，经过物镜13、样品14，射到半反半透镜12后，半反半透镜12反射到偏振探测器18的光线。半反半透镜12的反射面和基于椭球面的振镜平面扫描装置的入射光线7之间呈45°角。

本实施例的大角度折射率测量方法的优势在于可以通过控制z轴和y轴两款振镜的偏转角度实现精确的光束环扫，其扫描轨迹为一个精准的圆形，且各个光束的汇聚点位置均处于样品表面，从而实现了减小探测误差，提高折射率分布成像的准确度的目的。

实施例3

基于实施例1的装置，本发明还提出一种快速大范围环境测距方法，方法采用实施例1的基于椭球面的振镜平面扫描装置，方法采用的装置还包括高速广角相机20，本实施例采用的快速大范围环境测距装置如图7所示。方法包括以下步骤：

首先控制激光器1不发射激光，按需调整z轴振镜2和y轴振镜4的偏转角度，然后控制激光器1发射激光，在同一时刻控制高速广角相机20工作，记录该时刻为t1，当高速广角相机20的拍摄内容在对应角度出现一个光斑时，记录该时刻为t2，得到该偏转角度下的距离，重复上述步骤，在整个扫描范围内完成扫描，将与偏转角度一一对应的距离按像素进行呈现，测得周围环境距离。

一个偏转角度对应的距离为：

L=c×（t2-t1）

其中，t1和t2为高速广角相机20记录的时刻，c为光速。

本实施例的一种快速大范围环境测距方法的优势在于，利用了两块椭球镜的振镜扫描系统可以实现z轴135°、y轴90°的扫描范围，广角镜头的视场范围可以和扫描范围精确重合，从而实现极大空间范围内的高精度、快速距离探测。此方法可以用在汽车自动驾驶、无人机危险距离判定、激光引导导弹和目标判定等方面。

实施例

基于实施例1的装置，本发明还提出一种大角度无畸变的激光打标方法，方法采用实施例1的基于椭球面的振镜平面扫描装置，方法采用的装置还包括在无偏转中心光线8方向上依次设置的平场透镜21和靶面22。无偏转中心光线8为未经过振镜偏转的从固定偏转镜6反射的光线。本实施例采用的大角度无畸变的激光打标装置的结构图如图8所示。

方法包括以下步骤：

控制平面扫描装置输出倾斜光束23，经过平场透镜21汇聚，倾斜光束23汇聚在靶面22上。两个振镜z轴振镜2和y轴振镜4按达标图像精确控制，并和高能激光器同步，从而实现极大范围的高精度激光打标。

本实施例的大角度无畸变的激光打标方法的优势在于，由于z轴振镜2和y轴振镜4的像面互为共轭，经过二者的偏转光线的轴心均在固定偏转镜6的中心，在y轴振镜4上施加上述角度对应关系，即可以完成两个轴上精确且相同的角度控制，从而解决了传统振镜扫描的畸变问题。同时光线到达固定偏转镜6时的光程相同，经过平场透镜21的汇聚后，所有光束都会精准的汇聚在靶面22上，不会有任何虚焦的情况，这就解决了传统振镜扫描不同角度的光线汇聚点的深度不同造成的打标线粗细不均匀的问题。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (16)

1.一种基于椭球面的振镜平面扫描装置，其特征在于，包括激光器（1）、z轴振镜（2）、第一椭球面反射镜（3）、y轴振镜（4）、第二椭球面反射镜（5）和固定偏转镜（6），以激光器（1）输出的激光的方向为x轴，第一椭球面反射镜（3）的最长的轴在x轴上，第一椭球面反射镜（3）的远离激光器（1）的第一焦点为原点，水平面上经过原点与x轴垂直的轴为y轴，经过原点垂直于水平面的轴为z轴，

第一椭球面反射镜（3）的靠近激光器（1）的第二焦点处设有z轴振镜（2），第一椭球面反射镜（3）的远离激光器（1）的第一焦点处设有y轴振镜（4）；

第二椭球面反射镜（5）的最长的轴在z轴上，第二椭球面反射镜（5）的第三焦点与第一焦点重合，第二椭球面反射镜（5）的第四焦点位于第三焦点z轴方向上的上方，第四焦点处设有固定偏转镜（6）；

激光器（1）发射入射光线（7），入射光线（7）依次经过z轴振镜（2）、第一椭球面反射镜（3）、y轴振镜（4）、第二椭球面反射镜（5）和固定偏转镜（6）后输出；

第一椭球面反射镜（3）和第二椭球面反射镜（5）的尺寸相同，第一椭球面反射镜（3）的另外两根轴的长度相等，且其长度小于第一椭球面反射镜（3）的最长的轴，第二椭球面反射镜（5）的另外两根轴的长度相等，且其长度小于第二椭球面反射镜（5）的最长的轴。

2.根据权利要求1所述的一种基于椭球面的振镜平面扫描装置，其特征在于，z轴振镜（2）的偏转中心位于第一椭球面反射镜（3）的第二焦点；y轴振镜（4）的偏转中心位于第一椭球面反射镜（3）的第一焦点。

3.根据权利要求1所述的一种基于椭球面的振镜平面扫描装置，其特征在于，若入射光线（7）未经过振镜偏转，则最终固定偏转镜（6）输出无偏转中心光线（8），入射光线（7）与无偏转中心光线（8）平行。

4.根据权利要求1所述的一种基于椭球面的振镜平面扫描装置，其特征在于，入射光线（7）与z轴振镜（2）的初始角度之间成45°。

5.一种基于椭球面的振镜平面扫描方法，其特征在于，采用权利要求1~4中任一项所述的基于椭球面的振镜平面扫描装置，扫描方法包括以下步骤：

S1、调节激光器（1）、z轴振镜（2），第一椭球面反射镜（3），y轴振镜（4），第二椭球面反射镜（5）和固定偏转镜（6）；

S2、调节完成后，控制调节激光器（1）发射入射光线（7），并按照所需的扫描模式驱动z轴振镜（2）和y轴振镜（4）；

S3、入射光线（7）经过z轴振镜（2）后偏转，在xy平面传播；

S4、S3的偏转后的光线从z轴振镜（2）射到第一椭球面反射镜（3），再从第一椭球面反射镜（3）反射到第一焦点处的y轴振镜（4）；

S5、S4的光线经过y轴振镜（4）后偏转；

S6、S5的偏转后的光线从y轴振镜（4）射到第二椭球面反射镜（5），再从第二椭球面反射镜（5）反射到第四焦点处的固定偏转镜（6）；

S7、S6的光线从固定偏转镜（6）反射，形成扫描光束，返回S2改变z轴振镜（2）和y轴振镜（4）的扫描模式，改变扫描光束的位置，对不同的位置进行扫描。

6.根据权利要求5所述的一种基于椭球面的振镜平面扫描方法，其特征在于，S1的调节的具体步骤为：

第一步, 控制调节激光器（1）发射入射光线（7），并调整入射光线（7），使之沿x轴方向传播；

第二步，放置z轴振镜（2），并进行驱动，使得入射光线（7）经过z轴振镜（2）的反射后形成的z轴偏转光线（9）仍沿xy平面传播，调节z轴振镜（2）的位置，使入射光线（7）照射在z轴振镜（2）上的光斑没有明显位移；

第三步，放置第一椭球面反射镜（3），使z轴振镜（2）的反射光斑在第一椭球面反射镜（3）的第二焦点附近；

第四步，调整第一椭球面反射镜（3），使第一椭球面反射镜（3）反射的z轴偏转光线（9）处于xy平面内，并微调第一椭球面反射镜（3）反射，使z轴偏转光线（9）汇聚到第一焦点；

第五步，放置y轴振镜（4），并使y轴振镜（4）的中心位置和第一焦点重合，驱动y轴振镜（4），微调y轴振镜（4）的位置，使照射在y轴振镜（4）镜面上的光斑位置最小且不发生移动；

第六步，停止驱动z轴振镜（2），使得z轴振镜（2）反射的光只有无偏转中心光线（8），无偏转中心光线（8）经过y轴振镜（4）后，产生y轴偏转光线（10）；

第七步，放置第二椭球面反射镜（5），使y轴振镜（4）的反射光斑在第二椭球面反射镜（5）的第三焦点附近；

第八步，调整第二椭球面反射镜（5），使得第二椭球面反射镜（5）的反射光斑的z轴坐标与无偏转中心光线（8）在第二椭球面反射镜（5）的反射光斑的z轴坐标相等；

第九步，驱动z轴振镜（2），微调椭球面反射镜的位置，使所以光线均汇聚到第四焦点，在第四焦点处放置固定偏转镜（6）；

第十步，停止驱动z轴振镜（2）和y轴振镜（4），调整固定偏转镜（6），使得固定偏转镜（6）反射出的出射光线与入射光线（7）平行。

7.根据权利要求6所述的一种基于椭球面的振镜平面扫描方法，其特征在于，振镜基于高频交流信号驱动。

8.根据权利要求6所述的一种基于椭球面的振镜平面扫描方法，其特征在于，调整固定偏转镜（6）具体为调整固定偏转镜（6）的俯仰。

9.根据权利要求5所述的一种基于椭球面的振镜平面扫描方法，其特征在于，S2中，按照所需的扫描模式驱动z轴振镜（2）时，固定偏转镜（6）处的z方向偏转角度为z轴振镜（2）的偏转角度的两倍，设所需的z方向偏转角度为2n，则z轴振镜（2）的偏转角度为n。

10.根据权利要求5所述的一种基于椭球面的振镜平面扫描方法，其特征在于，S2中，按照所需的扫描模式驱动y轴振镜（4）时，固定偏转镜（6）处的y方向偏转角度和y轴振镜（4）的偏转角度之间的关系为：

；

其中，f为椭球面焦距，φ为y方向偏转角度，θ为y轴振镜（4）的偏转角度。

11.根据权利要求10所述的一种基于椭球面的振镜平面扫描方法，其特征在于，椭球面焦距为：

；

其中，c为椭球面最长的轴，a为椭球面的短轴。

12.一种基于反射光线测量的大角度折射率测量方法，其特征在于，方法采用的装置包括如权利要求1~4中任一项所述的基于椭球面的振镜平面扫描装置，平面扫描装置输出的光为倾斜光束（19），方法采用的装置还包括：在无偏转中心光线（8）方向上依次设置的平场透镜（11）、半反半透镜（12）、物镜（13）和样品（14），半反半透镜（12）的y轴方向上设有汇聚透镜（17）和偏振探测器（18），所述无偏转中心光线（8）为未经过振镜偏转的从固定偏转镜（6）反射的光线；

方法包括以下步骤：

控制平面扫描装置输出倾斜光束（19），倾斜光束（19）经过平场透镜（11）和半反半透镜（12）后，照射到物镜（13）的一个边缘，并经过物镜（13）的偏转以倾斜光束（19）的倾斜角度汇聚到样品（14）表面，所述倾斜角度基于z轴振镜（2）和y轴振镜（4）的偏转角度确定；

样品（14）表面的光束经过全内反射后从物镜（13）的另一个边缘射出，形成携带样品（14）表面折射率信息的信息光束（16），信息光束（16）经过半反半透镜（12）反射到汇聚透镜（17），汇聚到偏振探测器（18），基于偏振探测器（18）确定样品（14）上一点的折射率，重复上述步骤，使倾斜光束（19）绕着物镜（13）的边缘照射一周，记录信息光束（16）的不同位置的信息，得到样品（14）中心区域的折射率分布。

13.根据权利要求12所述的一种基于反射光线测量的大角度折射率测量方法，其特征在于，半反半透镜（12）的反射面和基于椭球面的振镜平面扫描装置的入射光线（7）之间呈45°角。

14.一种快速大范围环境测距方法，方法采用的装置包括如权利要求1~4中任一项所述的基于椭球面的振镜平面扫描装置，方法采用的装置还包括高速广角相机（20），方法包括以下步骤：

首先控制激光器（1）不发射激光，按需调整z轴振镜（2）和y轴振镜（4）的偏转角度，然后控制激光器（1）发射激光，在同一时刻控制高速广角相机（20）工作，记录该时刻为t1，当高速广角相机（20）的拍摄内容在对应角度出现一个光斑时，记录该时刻为t2，得到该偏转角度下的距离，重复上述步骤，在整个扫描范围内完成扫描，将与偏转角度一一对应的距离按像素进行呈现，测得周围环境距离。

15.根据权利要求14所述的一种快速大范围环境测距方法，其特征在于，一个偏转角度对应的距离为：

L=c×（t2-t1）

其中，t1和t2为高速广角相机（20）记录的时刻，c为光速。

16.一种大角度无畸变的激光打标方法，其特征在于，方法采用的装置包括如权利要求1~4中任一项所述的基于椭球面的振镜平面扫描装置，方法采用的装置还包括在无偏转中心光线（8）方向上依次设置的平场透镜（21）和靶面（22），所述无偏转中心光线（8）为未经过振镜偏转的从固定偏转镜（6）反射的光线，

方法包括以下步骤：

控制平面扫描装置输出倾斜光束（23），经过平场透镜（21）汇聚，倾斜光束（23）汇聚在靶面（22）上。