[發(fā)明專利]一種三維調(diào)諧的光束掃描裝置與設(shè)計(jì)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810356896.5
• 申請(qǐng)日: 2018-04-20
• 公開（公告）號(hào): CN108345155A
• 公開（公告）日: 2018-07-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 季文海;宋迪;鐘笠;李國(guó)林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)石油大學(xué)（華東）
• 主分類號(hào): G02F1/33
• 分類號(hào): G02F1/33
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明涉及一種光束掃描裝置與方法，具體涉及一種三維調(diào)諧的光束掃描裝置與設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明針對(duì)激光掃描光源，采用匯聚透鏡、壓控可變焦透鏡和一種十字交叉的二維聲光調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)三維調(diào)諧的空間掃描。激光光束通過匯聚透鏡聚焦，聚焦后的光束通過獨(dú)立調(diào)節(jié)二維聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)頻率，調(diào)節(jié)出射光束的偏轉(zhuǎn)角，光斑在掃描面上依次逐點(diǎn)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的橫向掃描。根據(jù)掃描面與裝置的距離的不同，通過調(diào)節(jié)可變焦透鏡的焦距，改變出射激光光束的發(fā)散角和工作距離，改變它的縱向準(zhǔn)直特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同距離的物體表面的精準(zhǔn)掃描，提高空間分辨率，從而實(shí)現(xiàn)三維調(diào)諧的動(dòng)態(tài)掃描方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本專利涉及一種光束掃描裝置與方法，具體涉及一種三維調(diào)諧的光束掃描裝置與設(shè)計(jì)方法。本裝置主要是由激光器、匯聚透鏡、可變焦透鏡和一種十字結(jié)構(gòu)的二維聲光調(diào)制器組成。激光光束通過聲光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)在掃描面上水平與豎直方向的橫向掃描；通過調(diào)節(jié)可變焦透鏡的焦距，實(shí)現(xiàn)縱向調(diào)諧即光束發(fā)散角和掃描面光斑尺寸大小的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)三維調(diào)諧的掃描方式。

背景技術(shù)

光束掃描技術(shù)是指激光光束方向精準(zhǔn)控制以及定位的技術(shù)。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如光學(xué)雷達(dá)、激光顯示、空間光通信、光信息處理和存儲(chǔ)、3D打印和三維立體成像等高新科技領(lǐng)域中?，F(xiàn)有光束掃描器多采用機(jī)械掃描原理，缺點(diǎn)是受機(jī)械傳動(dòng)精度影響，掃描精度有限，掃描速度慢，而且掃描系統(tǒng)往往比較龐大。利用聲光偏轉(zhuǎn)器控制激光光束進(jìn)行掃描是一種非常有前途的激光掃描技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是速度快、帶寬大、功耗低、小型化、用途廣、不需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。但是普通的聲光調(diào)制器僅可以實(shí)現(xiàn)一維掃描。

在三維掃描研究方向，目前已有基于高精度步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)二維掃描的三維成像激光雷達(dá)，能實(shí)現(xiàn)大范圍、高點(diǎn)密度的三維測(cè)量。但存在成像速度慢，體積大、質(zhì)量大等缺點(diǎn)。中國(guó)發(fā)明專利基于聲光掃描的三維視頻激光雷達(dá)系統(tǒng)(專利號(hào)CN103472458A)，通過使用兩個(gè)偏轉(zhuǎn)方向相互垂直的聲光偏轉(zhuǎn)器組成二維聲光偏轉(zhuǎn)器件，實(shí)現(xiàn)激光束的二維偏轉(zhuǎn)，通過快速改變聲頻率，能夠改變掃描角度及速度，實(shí)現(xiàn)三維視頻成像。但專利中所采用的級(jí)聯(lián)型二維聲光掃描器件由兩個(gè)一維聲光調(diào)制器串接而成，如圖1所示。光束經(jīng)過第一個(gè)調(diào)制器(X向或水平向)后，方向就已經(jīng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，入射到第二個(gè)調(diào)制器(Y向或豎直向)的位置發(fā)生變化，相對(duì)第二個(gè)調(diào)制器的入射角發(fā)生變化，不能保證在X向掃描時(shí)都能滿足Y向的布拉格衍射條件。衍射光的效率無法保證，強(qiáng)度變化大。如果第一級(jí)的掃描范圍稍大還會(huì)使光斑移到光聲作用區(qū)之外甚至聲光調(diào)制器之外，因此這也限制了光束掃描的角度范圍。所以專利中沒有提到入射角如何同時(shí)滿足兩個(gè)一維聲光偏轉(zhuǎn)器的布拉格衍射條件。另外由于兩個(gè)調(diào)制器串聯(lián)很難實(shí)現(xiàn)線性掃描，所以現(xiàn)有技術(shù)需要復(fù)雜的畸形修正。該技術(shù)結(jié)構(gòu)分散、不利于激光準(zhǔn)直與系統(tǒng)集成，實(shí)用性差。最近我們已向中國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提出了“一種十字交叉結(jié)構(gòu)的二維聲光調(diào)制器的裝置與設(shè)計(jì)方法”的發(fā)明專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)枮椤?01711251345.4”),該方法摒棄了現(xiàn)有二維聲光偏轉(zhuǎn)技術(shù)的級(jí)聯(lián)方式，設(shè)計(jì)了一種十字交叉結(jié)構(gòu)的二維聲光調(diào)制器。如圖2所示，十字形二維聲光調(diào)制器作為一個(gè)整體，水平方向和豎直方向上形成獨(dú)立的調(diào)制，各包括一個(gè)換能器、聲光晶體、吸聲層。在外形上呈交叉結(jié)構(gòu)，兩維聲波在交叉處形成共同聲光作用區(qū)，當(dāng)光束通過作用區(qū)時(shí)，可以在兩個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)、光頻率和光傳播方向的調(diào)制，等效于一個(gè)二維光柵。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，易于調(diào)節(jié)，方便系統(tǒng)集成；兩維調(diào)節(jié)相互獨(dú)立，互不干擾。角度掃描范圍與驅(qū)動(dòng)器的聲頻帶寬成正比。它用于方向調(diào)制和掃描時(shí)，掃描角度線性度好，范圍寬。

發(fā)明內(nèi)容

為了進(jìn)一步提升現(xiàn)有技術(shù)的調(diào)節(jié)自由度，本專利提出了一種可以三維調(diào)諧的光束掃描裝置與設(shè)計(jì)方法，同時(shí)滿足水平方向和垂直方向的衍射條件，還可以針對(duì)不同距離的目標(biāo)進(jìn)行更精確的高分辨掃描。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明使用了我們已向國(guó)家專利局申報(bào)的“一種十字交叉結(jié)構(gòu)的二維聲光調(diào)制器的裝置與設(shè)計(jì)方法”(申請(qǐng)?zhí)?01711251345.4)的技術(shù)方案,用于實(shí)現(xiàn)掃描光束的二維調(diào)諧。