CN117553908A - 一种线光斑光学扫描模组、装置和激光探测系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种线光斑光学扫描模组、装置和激光探测系统，涉及光学扫描技术领域，包括整形模块和扫描模块，扫描模块包括依次设置的光束位移镜和柱面扫描镜，光束位移镜连接有驱动件，通过驱动件驱动光束位移镜沿光源的主光轴转动或绕慢轴方向往复摆动；整形模块将光源发射的光束整形成线光束，线光束经光束位移镜透射并汇聚到柱面扫描镜的前焦面上，线光束的会聚点在前焦面的y轴方向上产生连续变动的平移量，柱面扫描镜对线光束快轴方向准直，并将慢轴方向转为平顶光束出射，实现线光束在角空间透射式往复扫描。通过光束位移镜实现透射式、不同角空间范围的往复扫描，有效避免扫描盲区的产生，扫描后能够得到完整的光斑，进而提高光斑质量。

Description

一种线光斑光学扫描模组、装置和激光探测系统

技术领域

本申请涉及光学扫描技术领域，具体涉及一种线光斑光学扫描模组、装置和激光探测系统。

背景技术

目前的激光线光斑光学扫描系统，大多采用的是线光斑与转镜配合的方式达到角空间激光线扫描，此种方式都是通过连续改变转镜的角度，从而改变反射光束的出射角度，称为反射式扫描。反射式扫描能量损失大，且只能实现单向扫描，如果需要改变扫描角空间范围，需要更换转镜，不灵活。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种线光斑光学扫描模组、装置和激光探测系统，采用一种透射式光学系统实现光学往复扫描，光源光轴与光学系统光轴重合，能够实现光斑的往复扫描，保证光斑的完整性,提高光斑质量。

本申请实施例的一方面，提供了一种线光斑光学扫描模组，包括整形模块和扫描模块，扫描模块包括依次设置的光束位移镜和柱面扫描镜，光束位移镜连接有驱动件，通过驱动件驱动光束位移镜沿光源的主光轴转动或绕慢轴方向往复摆动；整形模块将光源发射的光束整形成线光束，线光束经光束位移镜透射并汇聚到柱面扫描镜的前焦面上，线光束的会聚点在前焦面的y轴方向上产生连续变动的平移量，柱面扫描镜对线光束快轴方向准直，并将慢轴方向转为平顶光束出射，完成线光束在角空间透射式往复扫描。

光源发射光束，光束依次经过整形模块和扫描模块，整形模块将光源发射的光束整形成线光束，线光束可在接收面形成线光斑，扫描模块驱动线光斑在角空间完成往复扫描运动。扫描模块包括依次设置的光束位移镜和柱面扫描镜，光束位移镜可沿光源的主光轴转动或绕慢轴方向往复摆动，线光束会聚点在前焦面p的y轴方向上产生连续变动的平移量；柱面扫描镜对线光束的快轴方向准直，慢轴方向可转为平顶光束出射，完成线光束在角空间往复扫描，以实现透射式线光斑往复扫描。相较于现有反射式扫描技术，本申请通过光束位移镜实现透射式扫描，并且可实现不同角空间范围的往复扫描，往复扫描时能够有效避免扫描盲区的产生，扫描后能够得到完整的光斑。

可选地，整形模块包括依次设置的准直镜、匀化器和聚焦镜，光源发射的光束经准直镜对快轴方向准直，再经匀化器对慢轴方向匀化后，由聚焦镜聚焦出射向扫描模块。

光源发射的光束经准直镜完成快轴方向的准直后，再依次经过匀化器完成慢轴方向光斑的匀化，以利于得到能量分布均匀的平顶光斑，最后通过聚焦镜聚焦后射向扫描模块。

可选地，光束位移镜的入光面和出光面平行。这样一来，入射光和出射光平行，以使整形模组形成的线光束由光束位移镜汇聚到柱面扫描镜的前焦面上。

可选地，光束位移镜为平板玻璃。平板玻璃具有良好的透视、透光性能，利于光束的传播。

可选地，驱动件驱动光束位移镜沿光源的主光轴转动时，根据光束位移镜相对主光轴的倾斜角度确定扫描区域。

倾斜角度为光束位移镜和主光轴之间的夹角，当夹角不同时，其旋转扫描形成的扫描区域不同，因此，通过改变光束位移镜的倾斜角度，可适应不同的扫描需求。

可选地，驱动件驱动光束位移镜绕慢轴方向往复摆动时，根据光束位移镜的往复摆动角度确定扫描区域。

光束位移镜绕慢轴方向往复摆动扫描时，通过控制驱动件的运动，可带动光束位移镜的往复摆动运动，往复摆动幅度不同时，可在线指定扫描范围和扫描区域，适应扫描需求。

可选地，柱面扫描镜为远心透镜。远心透镜能够通过使系统的入瞳在透镜系统的前焦点位置来使聚焦光束的主光线在任何视场角的情况下都垂直于焦平面，以利于完成y轴方向的往复扫描运动。

可选地，柱面扫描镜在快轴方向满足关系式：h＝f*θ；其中，h为光束会聚点在y轴上的高度，f为柱面扫描镜的焦距，θ为光束扫描角。

柱面扫描镜是在快轴方向上满足h＝f*θ关系的远心f-theta透镜，通过上述关系式，可确定光束扫描角，进而确定扫描范围。

本申请实施例的另一方面，提供了一种线光斑光学扫描装置，包括光源和上述的线光斑光学扫描模组。

本申请实施例的又一方面，提供了一种激光探测系统，包括上述的线光斑光学扫描装置。

本申请实施例提供的线光斑光学扫描模组、装置和激光探测系统，包括整形模块和扫描模块，通过设置整形模块，将光源发射的光束整形为线光束，通过扫描模块的驱动，能够完成线光束在角空间的往复扫描；扫描模块包括依次设置的光束位移镜和柱面扫描镜，光束位移镜通过驱动件的作用可运动，光束位移镜运动时，光束位移镜沿光源的主光轴转动或绕慢轴方向往复摆动，线光束会聚点在前焦面p的y轴方向上产生连续变动的平移量，从而使线光束完成y轴方向的角空间扫描；再经过柱面扫描镜，对线光束的快轴方向准直，慢轴方向可转为平顶光束出射。本申请通过光束位移镜实现透射式扫描，并且可实现不同角空间范围的往复扫描，有效避免扫描盲区的产生，扫描后能够得到完整的光斑，进而提高光斑质量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本实施例提供的线光斑光学扫描模组快轴方向结构示意图；

图2是本实施例提供的线光斑光学扫描模组慢轴方向结构示意图；

图3是本实施例提供的线光斑光学扫描模组的光束位移镜绕z轴旋转结构示意图；

图4是本实施例提供的线光斑光学扫描模组的光束位移镜绕x轴摆动结构示意图。

图标：101-准直镜；102-匀化器；103-聚焦镜；201-光束位移镜；202-柱面扫描镜；p-前焦面；p＇-后焦面。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

目前的激光线光斑光学扫描系统采用的是线光斑与转镜配合的方式达到角空间激光线扫描，这种方式都是通过连续改变转镜的角度，从而改变反射光束的出射角度，实现空间反射式单向扫描。

在此基础上，请参照图1所示，本申请实施例提供一种线光斑光学扫描模组，只需通过设置驱动件的驱动范围以改变光束位移镜的转动或往复摆动范围，即可实现不同角空间范围的往复扫描。具体地，本申请实施例提供的线光斑光学扫描模组，包括：整形模块和扫描模块，整形模块将光源发射的光束整形成线光束；扫描模块包括依次设置的光束位移镜201和柱面扫描镜202，光束位移镜201连接有驱动件，通过驱动件驱动光束位移镜201沿光源的主光轴转动或绕慢轴方向往复摆动；经整形模块形成的线光束，经光束位移镜201汇聚到柱面扫描镜202的前焦面p上，线光束的会聚点在前焦面的y轴方向上产生连续变动的平移量，柱面扫描镜202对线光束快轴方向准直，并将慢轴方向转为平顶光束出射，实现线光束在角空间透射式往复扫描。

光源发射光束，光束依次经过整形模块和扫描模块，整形模块将光源发射的光束整形成线光束，线光束可在接收面形成线光斑，扫描模块驱动线光斑在角空间完成往复扫描运动，以实现透射式线光斑往复扫描。相较于现有单向扫描技术，本申请可实现往复扫描，往复扫描时能够有效避免扫描盲区的产生，扫描后能够得到完整的光斑。

具体地，扫描模块包括依次设置的光束位移镜201和柱面扫描镜202，其中，光束位移镜201可运动，光束位移镜201运动时，使线光束会聚点在前焦面p的y轴方向上产生连续变动的平移量，从而使线光束完成y轴方向的角空间扫描，图3中示出了前焦面p和后焦面p＇，再经过柱面扫描镜202，对线光束的快轴方向准直，慢轴方向由于整形模块的匀化器102的匀化作用可转为平顶光束出射。

光束位移镜201通过驱动件驱动运动，示例地，驱动件可为电机，光源的主光轴与系统光轴重合，主光轴方向为z轴方向，电机和光束位移镜201连接，通过电机驱动以带动光束位移镜201绕Z轴转动或驱动光束位移镜201绕x轴往复摆动，通过光束位移镜201的运动，使线光束会聚点在前焦面p的y轴方向上产生连续变动的平移量，线光束完成y轴方向的角空间扫描。

因此，本申请实施例提供的线光斑光学扫描模组，通过设置整形模块，将光源发射的光束整形为线光束，通过扫描模块的驱动，能够完成线光束在角空间的往复扫描；扫描模块包括依次设置的光束位移镜201和柱面扫描镜202，光束位移镜201通过驱动件的作用可运动，光束位移镜201运动时，光束位移镜201沿光源的主光轴转动或绕慢轴方向往复摆动，线光束会聚点在前焦面p的y轴方向上产生连续变动的平移量，从而使线光束完成y轴方向的角空间扫描；再经过柱面扫描镜202，对线光束的快轴方向准直，慢轴方向可转为平顶光束出射。本申请通过光束位移镜201实现透射式扫描，并且可实现不同角空间范围的往复扫描，有效避免扫描盲区的产生，扫描后能够得到完整的光斑，进而提高光斑质量。

具体地，在本申请的一个可实现的方式中，整形模块包括依次设置的准直镜101、匀化器102和聚焦镜103，光源发射的光束经准直镜101对快轴方向准直，再经匀化器102对慢轴方向匀化后，由聚焦镜103聚焦出射向扫描模块。

如图1所示，以LD光源为例，y轴方向为快轴方向，LD光源发射的光束，经快轴准直镜101完成快轴方向的准直后，再依次经过匀化器102完成慢轴方向光斑的匀化，以利于得到能量分布均匀的平顶光斑，最后通过聚焦镜103聚焦后射向扫描模块。

其中，准直镜101具体可为单非球面透镜或准直透镜组，单非球面透镜为双凸单透镜或者平凸单透镜。本申请中准直镜101为平凸单透镜，其入射面为平面、出射面为凸面，可加强后续高斯分布的效果，以实现快轴准直的功能。采用准直透镜组准直时，准直透镜组可包括多个依次设置的透镜，实现快轴准直。

如图2所示，匀化器102可实现对入射的光束在慢轴方向匀化，以在慢轴得到非常均匀的光强分布。

而聚焦镜103可具体为柱面聚焦镜103，柱面聚焦镜103有一个面为柱面，通过柱面进行聚焦；示例地，本申请中的柱面聚焦镜103的入射面为柱面，出射面为平面。

进一步地，光束位移镜201的入光面和出光面平行。入光面和出光面平行时，光束位移镜201的入射光和出射光平行，以使整形模组形成的线光束由光束位移镜201汇聚到柱面扫描镜202的前焦面p上。示例地，光束位移镜201为平板玻璃，平板玻璃的入光面和出光面平行，平板玻璃具有良好的透视、透光性能，利于光束的传播。且可设置为厚平板玻璃，其具体厚度根据时间需要设置。

进一步地，如图3所示，驱动件驱动光束位移镜201沿光源的主光轴转动时，根据光束位移镜201相对主光轴的倾斜角度确定扫描区域。

光束位移镜201绕z轴旋转扫描时，通过调节光束位移镜201的倾斜角度，可改变扫描区域。倾斜角度为光束位移镜201和主光轴之间的夹角，当夹角不同时，其旋转扫描形成的扫描区域不同，因此，通过改变光束位移镜201的倾斜角度，可适应不同的扫描需求。

如图4所示，驱动件驱动光束位移镜201绕慢轴方向往复摆动时，根据光束位移镜201的往复摆动角度确定扫描区域。

光束位移镜201绕慢轴方向往复摆动扫描时，通过控制驱动件的运动，可带动光束位移镜201的往复摆动运动，往复摆动幅度不同时，可在线指定扫描范围和扫描区域，适应扫描需求。例如将往复摆动角度区间由[-a,+a]变为[-0.1a,+0.7a]其中，a表示预设的角度大小，例如，预设的角度区间是[-10°,+10°]，本申请可以通过改变光束位移镜201的倾斜角度或往复摆动角度改变扫描区域。

柱面扫描镜202完成快轴准直、慢轴转为平顶的角空间能量分布。具体地，柱面扫描镜202为远心透镜，远心透镜能够通过使系统的入瞳在透镜系统的前焦点位置来使聚焦光束的主光线在任何视场角的情况下都垂直于焦平面，以利于完成y轴方向的往复扫描运动。

此外，柱面扫描镜202在快轴方向满足关系式：

h＝f*θ (1)；

其中，h为光束会聚点在y轴上的高度，f为柱面扫描镜202的焦距，θ为光束扫描角。

如图1所示，柱面扫描镜202是在y轴方向(快轴方向)上满足h＝f*θ关系的远心f-theta透镜，f是其焦距，即与前焦面p之间的距离；θ是光束扫描角，即为yoz平面内光束与z轴的夹角，h是光束会聚点在y轴上以主光轴为参考起始点的高度，以此可确定光束扫描角，进而确定扫描范围。

f-theta透镜可适合正向应用，f-theta透镜的正向应用是通过改变入射平行光束与透镜光轴之间的夹角，从而改变焦面会聚光斑的位置。而本申请则是通过改变柱面扫描镜202的前焦面会聚光斑的位置，从而改变出射平行光束与f-theta透镜光轴之间的夹角，因此本申请的线光斑光学扫描模组，是对f-theta透镜的逆向应用。

另一方面，本申请实施例还提供一种线光斑光学扫描装置，包括光源和前述的线光斑光学扫描模组。

上述线光斑光学扫描装置应用于激光探测时，本申请实施例提供一种激光探测系统，包括上述线光斑光学扫描装置。

该线光斑光学扫描装置、激光探测系统包含与前述实施例中的光学整形模组相同的结构和有益效果。光学整形模组的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本申请对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (10)

1.一种线光斑光学扫描模组，其特征在于，包括：整形模块和扫描模块，所述扫描模块包括依次设置的光束位移镜和柱面扫描镜，所述光束位移镜连接有驱动件，通过所述驱动件驱动所述光束位移镜沿光源的主光轴转动或绕慢轴方向往复摆动；

所述整形模块将所述光源发射的光束整形成线光束，所述线光束经所述光束位移镜透射并汇聚到所述柱面扫描镜的前焦面上，所述线光束的会聚点在所述前焦面的y轴方向上产生连续变动的平移量，所述柱面扫描镜对所述线光束快轴方向准直，并将慢轴方向转为平顶光束出射，实现所述线光束在角空间透射式往复扫描。

2.根据权利要求1所述的线光斑光学扫描模组，其特征在于，所述整形模块包括依次设置的准直镜、匀化器和聚焦镜，所述光源发射的光束经所述准直镜对快轴方向准直，再经所述匀化器对慢轴方向匀化后，由所述聚焦镜聚焦出射向所述扫描模块。

3.根据权利要求1所述的线光斑光学扫描模组，其特征在于，所述光束位移镜的入光面和出光面平行。

4.根据权利要求3所述的线光斑光学扫描模组，其特征在于，所述光束位移镜为平板玻璃。

5.根据权利要求1所述的线光斑光学扫描模组，其特征在于，所述驱动件驱动所述光束位移镜沿所述光源的主光轴转动时，根据所述光束位移镜相对所述主光轴的倾斜角度确定扫描区域。

6.根据权利要求1所述的线光斑光学扫描模组，其特征在于，所述驱动件驱动所述光束位移镜绕慢轴方向往复摆动时，根据所述光束位移镜的往复摆动角度确定扫描区域。

7.根据权利要求1所述的线光斑光学扫描模组，其特征在于，所述柱面扫描镜为远心透镜。

8.根据权利要求7所述的线光斑光学扫描模组，其特征在于，所述柱面扫描镜在快轴方向满足关系式：

h＝f*θ；

其中，h为光束会聚点在y轴上的高度，f为所述柱面扫描镜的焦距，θ为光束扫描角。

9.一种线光斑光学扫描装置，其特征在于，包括光源和如权利要求1至8任一项所述的线光斑光学扫描模组。

10.一种激光探测系统，其特征在于，包括如权利要求9所述的线光斑光学扫描装置。