CN201004111Y

CN201004111Y - 激光扫描器用柱面转镜装置

Info

Publication number: CN201004111Y
Application number: CNU2006201501997U
Authority: CN
Inventors: 范志新
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2016-12-05

Abstract

本实用新型涉及一种激光扫描器用柱面转镜，它包括柱面转镜，该柱面转镜是柱面反射镜齿轮状结构，齿轮中心转轴与驱动微电机连接。用齿轮形状代替正多面体形状，用特殊的柱面反射镜转镜代替转镜－振镜系统的平面反射镜转镜，实现把激光光束做单向性的匀速移动的扫描，扫描速度均匀，使信号同步更加容易，克服平面镜扫描场几何畸变等缺陷。本实用新型可以在激光电视，激光在线检验及其他激光扫描器等领域在要求光束做匀速扫描的情况下获得特殊的应用。

Description

激光扫描器用柱面转镜装置

技术领域

本实用新型涉及一种激光扫描器用柱面转镜装置，用简单的设计方案实现把光斑做单向性的均匀扫描，可以在激光电视，激光在线检验及条码识别等各种激光扫描器领域得到广泛应用。

背景技术

激光电视由于色域宽，彩色饱和度高，画面尺寸灵活可变易于控制，无电磁射线辐射等特点，可广泛用于露天大型图像显示，教学演示，背投显示设备等领域。激光电视在显示领域占有特殊地位，世界上许多国家都有计划开展激光电视的研究，现在已经有很大进展。德国激光显示技术公司生产的扫描系统通过在整个显示区域逐行快速扫描来书写图像，就是以每秒1250转的速度旋转25面体反射镜获得水平方向的行扫描，然后用振镜以频率为50Hz、60Hz或100Hz来实现垂直方向的场扫描。中国科学院长春光机所采用红绿蓝DPL固体激光器作为彩色显示的三基色，提出具有完全自主知识产权的非点扫描成像激光技术--小区域扫描投影成像，采用成熟的面阵空间光电寻址调制技术，同时实现像素选通和光强调制，克服单像素逐点扫描的种种弊端，实现了无干涉噪音、光场均匀、光能利用率高、成本低，适于批量生产的激光显示，实现了60英寸激光全彩色视频显示，展示了色彩亮丽，高饱和度的彩色图像，并已经申报多项国内外专利。

目前，绝大多数激光电视都是采用多面转镜实现扫描，电流计偏转器驱动振镜实现扫描(例如CN 02251313)，采用这种扫描方式的优点是：扫描角度大，光束质量好，图像分辨率高。但是这种扫描方式对转镜的加工精度及控制精度要求极为严格，这也是实现激光显示电视图像的技术困难之一。激光电视关键技术主要有：扫描同步、固态激光器和激光晶体。目前，激光扫描主要有：机械转镜-振镜系统扫描、检流计扫描、谐振镜扫描和全息扫描等方式。其中机械转镜-振镜系统扫描因精度高、扫描角大、光损耗小、适合于各种波长的扫描、抗干扰性能强、回转速度快、结构简单直观而受到广泛使用。转镜-振镜系统的激光扫描器扫描方式存在固有的平面镜扫描场几何畸变，造成光斑在振镜上，即平面的屏上行扫描方向移动速度的非线性和非时间对称性，导致屏上像的畸变，屏上光强分布的中间强，两边弱的不均匀等一些缺陷。

发明内容

本实用新型的目的在于提出一种激光扫描器用柱面转镜装置，可以克服现有技术的缺陷。本实用新型用简单的设计方案采用柱面反射镜齿轮状结构，代替转镜-振镜系统的正多面体结构，使光斑做均匀扫描，激光扫描在屏幕上光斑匀速移动，克服了转镜-振镜系统的缺陷，在需要激光光束做均匀扫描的场合获得广泛应用。

本实用新型提供的激光扫描器用柱面转镜装置包括柱面转镜，所述的柱面转镜是柱面反射镜齿轮状结构，齿轮中心转轴与驱动微电机连接。

所述的柱面反射镜齿轮状结构是：齿轮状柱面转镜的“齿”由阳面和阴面组成，阳面为柱面反射镜，阴面为无反射镜的平面，柱面轮廓曲线方程用中心不在轴心的椭圆方程逼近：

\frac{{(x - X)}^{2}}{R_{1}^{2}} + \frac{{(y - Y)}^{2}}{R_{2}^{2}} = 1

式中X，Y，是椭圆中心坐标，R₁是半长轴，R₂是半短轴，式中x和y的坐标原点在齿尖处，y坐标沿齿轮半径反方向，x坐标沿齿尖处垂直半径方向。所述的激光扫描器用柱面转镜装置的选择可以是：齿轮半径为R，取为单位1，即R＝1；齿轮厚度为L，L＝0.2(可不受限制)；齿轮齿数为N，N＝8；反射光束在齿轮间平移距离为H，H＝0.2。

齿轮中心转轴与驱动微电机连接。整个反射面转动中，激光入射点处的曲面斜率单调变化，使反射光束方向变化均匀，到达屏幕上扫描光点匀速移动。

本实用新型的光路原理叙述如下：激光束以一定的角度入射到齿轮状柱面反射镜上，反射光束指向另外的特定方向。当齿轮状柱面反射镜转动起来，由于特殊的曲面形状，使得柱面迎着入射光移动(或反向移动)时，虽然在曲面上的入射点变动了，反射光束随着变动了，但反射光束的方向线性改变，使屏幕上扫描光点仅做匀速移动。齿轮状结构，能使反射光束实现单向扫描。

本实用新型可在激光电视，激光在线检验及条码识别等要求激光匀速扫描的领域获得应用。

本实用新型用简单的设计方案采用柱面反射镜齿轮状结构，能代替转镜-振镜系统的正多面体结构，使光斑做均匀扫描，激光扫描在屏幕上光斑匀速移动，克服了转镜-振镜系统的缺陷，在需要激光光束做均匀扫描的场合获得广泛应用。特别是具有如下的优点：

1、由于本实用新型的光路设计，能使反射光束做接近于匀速移动的扫描。

2、由于本实用新型的结构设计，能使反射光束的扫描速度比较均匀，大大降低了信号同步的难度。

3、由于本实用新型的结构设计，能使反射光束的扫描速度比较均匀，克服了平面反射镜转镜系统扫描场的几何畸变带来的非线性和非对称性，使屏幕上光强分布更均匀。

附图说明

图1本实用新型的扫描光路示意图。

图2本实用新型的设计用坐标系。

图3本实用新型在激光扫描器中位置示意图。

具体实施方式

结合附图具体说明如下：

如图1所示，光路原理叙述如下：激光束i以一定的角度入射到齿轮状柱面反射镜M上，反射光束r指向另外的特定方向。当齿轮状柱面反射镜转动起来，由于特殊的曲面形状，使得柱面迎着入射光移动(或反向移动)时，整个反射镜面转动中，激光入射点处的切线斜率呈线性单调改变，使反射光束再经过振镜反射到达远处屏幕P上是匀速的(单位时间移动相等的距离)。这样的扫描方式最终能使反射光束实现单向均匀扫描，大大降低了信号同步的难度。这种扫描方式，克服了平面反射镜转镜-振镜系统扫描场的几何畸变带来的非线性和非对称性，使屏幕上光强分布更均匀，图像畸变更小。齿轮状曲面转镜的“齿”由阳面和阴面组成，阳面为柱面反射镜而阴面为无反射镜的平面。

如图2建立坐标系。曲面转镜设计的已知先决条件是转镜做匀速转动，屏幕上扫描的光斑是匀速的(单位时间扫过相等间隔)。取转镜半径为单位1，激光束O沿y＝0.2929直线由右向左入射。屏幕一端放在远处距离坐标原点约100倍的转镜半径距离的a′(0.5137，-100)点，与x坐标轴成15°角。设柱面转镜是8个齿，镜面对应轴心张角36°，扫描落差对应轴心张角9°。为设计方便，取36°的4等份(0°，9°，18°，27°，36°)和9。的4等份(0°，2.25°，4.5°，6.75°，9°)，分别记为点a₀，b₀，c₀， d₀，e₀和a，b，c，d，e。经a，b，c，d，e各点反射到屏幕上光斑位置记作a′，b′，c′，d′，e′。齿根处记作a点，将把激光反射到x＝0.5137直线aa′方向，落在屏幕上的a′点，从a₀(即a)开始，转镜匀速转动后，转过11.25°(38.25°-27°)，b₀点将转到b点，把激光反射到与aa′方向成7.4°的bb′方向，落在屏幕上的b′点。转过22.5°(40.5°-18°)，c₀点将转到c点，把激光反射到与aa′方向成15.3°的cc′方向，落在屏幕上的c′点。转过33.75°(42.75°-9°)，d₀点将转到d点，把激光反射到与aa′方向成22.6°的dd′方向，落在屏幕上的d′点。转过45°(45°-0°)，e₀点将转到e点，把激光反射到与aa′方向成30°的ee′方向，落在屏幕上的e′点。如此循环。而扫描均匀要求，屏幕上点距a′b′＝b′c′＝c′d′＝d′e′。由简单的几何关系求出各数据点坐标，列于表1中。表中为该点到转轴方向与y轴的夹角，θ为该点曲线切线方向与x轴的夹角。

表1数据表

	₀	x₀	y₀	θ₀			x	Y	θ		x′	y′
	₀	x₀	y₀	θ₀			x	Y	θ		x′	y′	a₀	36°	0.5137	0.2929	45°	a	36°	0.5137	0.2929	45°	a′	0.5	-100
b₀	27°	0.4088	0.1977	37.4°	b	38.25°	0.5574	0.2929	48.7°	b′	12.5	-96.6	a₀	36°	0.5137	0.2929	45°	a	36°	0.5137	0.2929	45°	a′	0.5	-100
b₀	27°	0.4088	0.1977	37.4°	b	38.25°	0.5574	0.2929	48.7°	b′	12.5	-96.6	c₀	18°	0.2873	0.1156	30.1°	c	40.5°	0.6039	0.2929	52.6°	c′	25.5	-93.3
d₀	9°	0.1506	0.0489	22.5°	d	42.75°	0.6536	0.2929	56.3°	d′	37.5	-89.9	c₀	18°	0.2873	0.1156	30.1°	c	40.5°	0.6039	0.2929	52.6°	c′	25.5	-93.3
d₀	9°	0.1506	0.0489	22.5°	d	42.75°	0.6536	0.2929	56.3°	d′	37.5	-89.9	e₀	0°	0	0	15°	e	45°	0.7071	0.2929	60°	e′	50.5	-86.6

根据表1中数据，做拟合曲线，实际的曲线可能不具有一般常用曲线的形式，但可以用一个中心不在轴心的椭圆局部来逼近实际的反射柱面轮廓曲线。令(X，Y)为椭圆中心坐标，R₁为半长轴，R₂为半短轴，对a₀，b₀，c₀，d₀，e₀点列出拟合曲线椭圆方程组：

\{\begin{matrix} \frac{X^{2}}{R_{1}^{2}} + \frac{Y^{2}}{R_{2}^{2}} = 1 \\ \frac{{(0.5137 - X)}^{2}}{R_{1}^{2}} + \frac{{(0.2929 - Y)}^{2}}{R_{2}^{2}} = 1 \\ \frac{{(0.4088 - X)}^{2}}{R_{1}^{2}} + \frac{{(0.1977 - Y)}^{2}}{R_{2}^{2}} = 1 \\ \frac{{(0.2873 - X)}^{2}}{R_{1}^{2}} + \frac{{(0.1156 - Y)}^{2}}{R_{2}^{2}} = 1 \\ \frac{{(0.1506 - X)}^{2}}{R_{1}^{2}} + \frac{{(0.0489 - Y)}^{2}}{R_{2}^{2}} = 1 \end{matrix}

解方程组可得椭圆中心坐标为(-0.2245，0.8052)，半长轴R₁＝0.9328，半短轴R₂＝0.8241。故柱面轮廓曲线方程可以表示为：

\frac{{(x + 0.2245)}^{2}}{{0.9328}^{2}} + \frac{{(y - 0.8052)}^{2}}{{0.8241}^{2}} = 1

对于反射面数不同，屏幕到转镜距离不同，应能给出不同的柱面轮廓椭圆方程的形式，但这里提出的原理是普遍适用的。

如图3，本实用新型在激光扫描器中位置就是替代现有平面反射镜转镜位置，图3中1是椭圆柱面反射镜，2是激光束，3是轴，4是屏幕，5是扫描线。

本实用新型的光学元件加工，可以是用高密度铝锭车制抛光而成，采用当代精密数字加工技术，只要给出曲面函数形式，加工水平是完全能够做到的。也可以是在齿轮模型表面靠贴亚克力薄板镀镜面的方式加工而成，还可以是柱面玻璃反射镜组装或光学塑料注塑后镀镜面加工而成。

本实用新型根据扫描速度与屏幕距离的需要，设计齿轮状曲面反射镜激光扫描器的具体参数，如齿轮半径，齿数以及曲面轮廓曲线方程等。使用本实用新型可以设计新型激光电视用扫描器，以齿轮状柱面反射镜转镜，代替转镜-振镜的平面反射镜。由于本实用新型的匀速移动光束的扫描方式，行扫描速度均匀，使信号同步变得容易，克服了平面镜扫描场几何畸变导致屏上像的畸变等一些缺陷。本实用新型在激光在线检测及其他领域要求激光光束做匀速扫描的场合也具有潜在的应用价值。

Claims

1、一种激光扫描器用柱面转镜装置，其特征在于它包括柱面转镜，所述的柱面转镜是柱面反射镜齿轮状结构，齿轮中心转轴与驱动微电机连接。

2、根据权利要求1所述的激光扫描器用柱面转镜装置，其特征在于所述的柱面反射镜齿轮状结构是：齿轮状柱面转镜的“齿”由阳面和阴面组成，阳面为柱面反射镜，阴面为无反射镜的平面，柱面轮廓曲线方程用中心不在轴心的椭圆方程逼近：

\frac{{(x - X)}^{2}}{R_{1}^{2}} + \frac{{(y - Y)}^{2}}{R_{2}^{2}} = 1

式中X，Y，是椭圆中心坐标，R₁是半长轴，R₂是半短轴，式中x和y的坐标原点在齿尖处，y坐标沿齿轮半径反方向，x坐标沿齿尖处垂直半径方向。

3、根据权利要求1所述的激光扫描器用柱面转镜装置，其特征在于：

所述的齿轮半径为R＝1；齿轮厚度为L＝0.2；齿轮齿数为N＝8；反射光束在齿轮间平移距离为H＝0.2。