CN210155423U - 一种包含光电检测器的二维扫描器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光电检测和光学成像技术领域，具体涉及一种包含光电检测器的扫描器,包括相互固定的驱动器和镜面，镜面包括相互固定的超薄片和光电检测器，超薄片上镀有光学薄膜。采用本方案能极大地缩小二维扫描器的体积，解决了现有技术中扫描系统过于复杂、扫描器体积庞大的技术问题。

Description

一种包含光电检测器的二维扫描器

技术领域

本实用新型涉及光电检测和光学成像技术领域，具体涉及一种包含光电检测器的二维扫描器。

背景技术

在激光扫描及光电检测领域中，如条码阅读器，激光扫描显微镜和激光雷达(LIDAR)等，往往需要扫描器将光束的方向进行快速改变，投射到被观测物体上，被观测物体的反射光或背向散射光或激发出的发射光经透镜收集后，由光电检测器完成光电转换最终实现检测，所以，扫描系统的内部结构一般包括：光源→扫描器→透镜(可选)→被观测物体→透镜→扫描器(可选)→光电检测器，对于微型激光雷达模块或微型扫描显微镜(包括超紧凑台式扫描显微镜，手持式扫描显微镜，实验动物头戴式扫描显微镜和内窥镜等)等对设备体积要求非常高的应用场景来说，上述扫描系统的体积过于庞大，而现有技术也无法通过将所有元件都缩小的方法来实现缩小扫描系统的体积的目的。

实用新型内容

本实用新型意在提供一种包含光电检测器的二维扫描器，以解决现有技术中扫描系统过于复杂、扫描器体积庞大的技术问题。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种包含光电检测器的二维扫描器，包括相互固定的驱动器和镜面，镜面包括相互固定的超薄片和光电检测器，超薄片上镀有光学薄膜。

本方案的原理是：本方案通过驱动器的设置可以改变镜面的倾角，达到改变激光的反射角的角度的目的，以实现激发激光对被观测物体的扫描；本方案通过将光电检测器和超薄片集合成一个整体，形成一个功能齐全、体积微小的扫描器，从而实现了缩小扫描系统的体积的目的。

本方案的优点是：现有技术是单独的四个器件分别实现激发光和发射光的分离、改变激发光反射角的角度以实现扫描、滤除激发光和光电转换的功能；而本方案通过在驱动器的表面设置光电检测器和光学薄膜，使本方案同时具备上述四个功能，达到了减少扫描器内的元件的数量，减小扫描器的体积和重量的目的，形成一个微型扫描器。

优选的，作为一种改进，光学薄膜为偏振分光薄膜和滤光薄膜。

本方案的偏振分光薄膜和滤光薄膜用于反射S线偏振光并透过P线偏振光，适用于应用到微型激光雷达模块等被观测物体的反射光和入射光具有相同波长的情况。

优选的，作为一种改进，光学薄膜为二向色镜薄膜和滤光薄膜。

本方案的二向色镜薄膜和滤光薄膜用于反射激发光并可供发射光穿过，适用于应用到微型扫描显微镜等被观测物体的激发光和发射光具有不同波长的情况。

优选的，作为一种改进，驱动器的形状为多边形或圆形或椭圆形等任意轴对称形状。

本方案将驱动器的形状设计成轴对称形状，有利于保证运行驱动器时，驱动器能平稳地为镜面提供驱动力，使镜面转动的角度和幅度更均衡稳定。

优选的，作为一种改进，镜面的形状为多边形或圆形或椭圆形等任意轴对称形状。

本方案使得镜面转动期间，反射光的角度变化更平稳，有利于更稳定地实现扫描。

优选的，作为一种改进，光电检测器为光电二极管、光电三极管、真空光电管或二维像素光电传感器。

本方案的光电检测器可以根据实际需求选择不同的光敏元件，适用性更强，通用性更佳。

优选的，作为一种改进，光电二极管为雪崩光电二极管。

与真空光电倍增管相比，雪崩光电二极管具有小型、不需要高压电源等优点，因而更适于实际应用；与一般的半导体光电二极管相比，雪崩光电二极管具有灵敏度高、速度快等优点，特别当系统带宽比较大时，雪崩光电二极管能使系统的探测性能获得大的改善。

优选的，作为一种改进，雪崩光电二极管包括多片，多片雪崩光电二极管环形阵列分布于光电检测器内。

因为使用一片雪崩光电二极管时，需要经过机械钻孔或腐蚀加工的工艺流程，在雪崩光电二极管上钻取用于透过激发光的孔，所以，相比于使用一片雪崩光电二极管，本方案无需在雪崩光电二极管上钻孔，减少了钻孔的工艺流程，也降低了加工工艺的需求。

优选的，作为一种改进，二维像素光电传感器为光电耦合器件、金属半导体氧化物器件、焦平面阵器件、光电倍增管器件或单光子计数器件。

本方案的光电检测器可以根据实际需求选择不同的光敏元件，适用性更强，通用性更佳。

优选的，作为一种改进，驱动器的侧面上固定设有第一驱动轴和第二驱动轴，第一驱动轴和第二驱动轴的连线过驱动器的中心，第一驱动轴和第二驱动轴关于驱动器的中心对称；驱动器的外侧转动设有角度调节器，角度调节器为矩形框或环形框，第一驱动轴和第二驱动轴均与角度调节器转动连接，角度调节器的外周壁上固定设有第一转动轴和第二转动轴，第一转动轴和第二转动轴关于驱动器的中心对称，且第一转动轴与第二驱动轴的轴心线垂直。

本方案通过角度调节器，使驱动器能在两个方向上转动，实现了二维扫描的目的。

附图说明

图1为本实用新型一种包含光电检测器的二维扫描器实施例一的三维结构示意图。

图2为本实用新型实施例一中的光电检测器的主视剖视图。

图3为图2沿A-A方向的剖视图。

图4为本实用新型实施例一的光线路径示意图。

图5为本实用新型实施例一的使用状态示意图。

图6为本实用新型实施例二的三维结构示意图。

图7为本实用新型实施例二的光线路径示意图。

图8为本实用新型实施例三的光电检测器的剖视图，剖切方向为图2的A-A方向。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：驱动器1、光电检测器2、超薄片3、滤光薄膜4、偏振分光薄膜5、二向色镜薄膜6、雪崩光电二极管7、保护元件8、第一驱动轴9、第二驱动轴10、角度调节器11、第一转动轴12、第二转动轴13、外部波片14、待检测物体15、扫描器16、外部光纤17、外部反射镜18、外部透镜19、计算机20。

实施例一

如附图1所示：一种包含光电检测器的二维扫描器，包括相互固定的驱动器1和镜面，驱动器1的形状为多边形、圆形或椭圆形等轴对称形状，此处以圆形为例进行说明；驱动器1选用微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)，具体的可以采用MEMSCAP公司的表面微加工工艺SOIMUMP，该技术为现有技术，在此不再赘述。

镜面与驱动器1采用键合的方式固定，镜面的形状为多边形或圆形或椭圆形等任意轴对称形状，此处以圆形为例进行说明。镜面包括相互键合固定的超薄片3和光电检测器2，光电检测器2为光电二极管、光电三极管、真空光电管或二维像素光电传感器，其中，二维像素光电传感器可以选用CCD(光电耦合器件)器件、CMOS(金属半导体氧化物)器件、FPA(焦平面阵列)器件、PMT(光电倍增管)器件或单光子计数器件，此处选用光电二极管中的雪崩光电二极管7为例进行说明，如图2、图3所示，本实施例中光电检测器2为一整片圆形的雪崩光电二极管7，雪崩光电二极管7的圆心处经过机械钻孔或腐蚀加工形成一个透光孔，透光孔与雪崩光电二极管7的外周面同轴，由于雪崩光电二极管7工作需要在反向偏置模式下使用，所以其驱动电压高达数百至两千伏特，因此雪崩光电二极管7的四周还固定卡接有用于隔绝的保护元件8，保护元件8选用透光的绝缘材料制成，此处以光学玻璃为例；保护元件8的横截面为环形，雪崩光电二极管7的外径小于保护元件8的外径，雪崩光电二极管7的内径大于保护元件8的内径。

光电检测器2的下端与驱动器1键合固定，光电检测器2的上端采用键合的方式固定连接有超薄片3，超薄片3的材质选用对波长为390nm～1720nm的光具有50％以上透射率的材质；超薄片3的材质为光学玻璃、高分子聚合物或半导体材料中的一种，超薄片3也可以是光学玻璃、高分子聚合物或半导体材料中的两种或多种的混合物，此处以超薄片3选用光学玻璃为例进行说明；超薄片3上远离光电检测器2的一端镀有光学薄膜，此处以应用于微型激光雷达模块等被观测物体的反射光和入射光具有相同波长的情况为例，光学薄膜为偏振分光薄膜5和滤光薄膜4，滤光薄膜4位于超薄片3和偏振分光薄膜5之间。

驱动器1的侧面上固定卡接有第一驱动轴9和第二驱动轴10，此处将位于驱动器1左下侧的命名为第一驱动轴9，位于驱动器1右上侧的命名为第二驱动器1，第一驱动轴9和第二驱动轴10的连线过驱动器1的中心，第一驱动轴9和第二驱动轴10关于驱动器1的中心对称；驱动器1的外侧通过轴孔转动设有角度调节器11，角度调节器11为矩形框或环形框，第一驱动轴9和第二驱动轴10均通过轴孔与角度调节器11转动连接，角度调节器11的外周壁上固定卡接有第一转动轴12和第二转动轴13，第一转动轴12和第二转动轴13关于驱动器1的中心对称，且第一转动轴12与第二驱动轴10的轴心线垂直。

下面以将本方案应用到微型激光雷达模块为例，对本方案的运行原理进行说明：如图4所示，外部光源发出的S线偏振光经过外部透镜19(图中未画出)准直后，由偏振分光薄膜5反射，再由外部波片14改变S线偏振光的偏振方向，S线偏振光照射到待检测物体15后被待检测物体15反射而穿过外部波片14，反射光穿过外部波片14时，外部波片14使大部分反射光的偏振方向为P方向，偏振分光薄膜5反射S线偏振光并透过P线偏振光，所以，反射光中的P线偏振光会依次穿过光学薄膜、滤光薄膜4和超薄片3而照到光电检测器2上，光电检测器2将光学信号转换为电信号并通过外部放大电路传送到计算机20进行处理。使用期间，驱动器1既可以围绕第一驱动轴9转动，又可以围绕第一转动轴12转动，所以本方案能实现二维扫描。

具体使用时，如图5所示，将本方案的包含光电检测器2的二维扫描器16通过轴孔转动安装在待检测物体15的上侧即可，通过外部光纤17提供激光光源产生光束，光束经外部反射镜18反射到外部透镜19上并穿过外部透镜19而打在本方案的扫描器16上，从而实现上述扫描的过程。

实施例二

如图6所示，本实施例与实施例一的区别在于光学薄膜为二向色镜薄膜6和滤光薄膜4，滤光薄膜4位于超薄片3和二向色镜薄膜6之间，本实施例应用于微型扫描显微镜等被观测物体的激发光发射光和发射光具有不同波长的情况。

下面以将本方案应用到微型激光雷达模块为例，对本方案的运行原理进行说明：如图7所示，外部光源发出的激发光由外部光纤17传入，经过外部反射镜18(图中未绘出)反射(或外部透镜19准直)后射入二向色镜薄膜6并被二向色镜薄膜6反射，然后照到待检测物体15上使待检测物体15激发出发射光，发射光(如单光子荧光或非线性光学信号)被外部物镜收集后依次穿过二向色镜薄膜6、滤光片和超薄片3而照到光电检测器2上，光电检测器2将光信息好转换为电信号并经外部放大电路放大后传递到计算机20进行处理。

具体应用时，与实施例一基本相同。

实施例三

本实施例与实施例一的区别在于光电检测器2内包括多片的普通尺寸的雪崩光电二极管7组成，如图8所示，多片雪崩光电二极管7呈环形阵列分布于光电检测器2内，雪崩光电二极管7靠近阵列中心的一端与保护元件8相抵，雪崩光电二极管7远离阵列中心的一端与保护元件8卡接。

以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.一种包含光电检测器的二维扫描器，包括相互固定的驱动器和镜面，其特征在于：所述镜面包括相互固定的超薄片和光电检测器，所述超薄片上镀有光学薄膜；所述驱动器的侧面上固定设有第一驱动轴和第二驱动轴，第一驱动轴和第二驱动轴的连线过驱动器的中心，第一驱动轴和第二驱动轴关于驱动器的中心对称；驱动器的外侧转动设有角度调节器，角度调节器为矩形框或环形框，第一驱动轴和第二驱动轴均与角度调节器转动连接，角度调节器的外周壁上固定设有第一转动轴和第二转动轴，第一转动轴和第二转动轴关于驱动器的中心对称，且第一转动轴与第二驱动轴的轴心线垂直。

2.根据权利要求1所述的一种包含光电检测器的二维扫描器，其特征在于：所述光学薄膜为偏振分光薄膜和滤光薄膜。

3.根据权利要求1所述的一种包含光电检测器的二维扫描器，其特征在于：所述光学薄膜为二向色镜薄膜和滤光薄膜。

4.根据权利要求1所述的一种包含光电检测器的二维扫描器，其特征在于：所述驱动器的形状为多边形或圆形或椭圆形等任意轴对称形状。

5.根据权利要求1所述的一种包含光电检测器的二维扫描器，其特征在于：所述镜面的形状为多边形或圆形或椭圆形等任意轴对称形状。

6.根据权利要求1所述的一种包含光电检测器的二维扫描器，其特征在于：所述光电检测器为光电二极管、光电三极管、真空光电管或二维像素光电传感器。

7.根据权利要求6所述的一种包含光电检测器的二维扫描器，其特征在于：所述光电二极管为雪崩光电二极管。

8.根据权利要求7所述的一种包含光电检测器的二维扫描器，其特征在于：所述雪崩光电二极管包括多片，多片雪崩光电二极管环形阵列分布于光电检测器内。

9.根据权利要求6所述的一种包含光电检测器的二维扫描器，其特征在于：所述二维像素光电传感器为光电耦合器件、金属半导体氧化物器件、焦平面阵器件、光电倍增管器件或单光子计数器件。

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