[发明专利]一种三维调谐的光束扫描装置与设计方法

说明书

本发明涉及一种光束扫描装置与方法，具体涉及一种三维调谐的光束扫描装置与设计方法。本发明针对激光扫描光源，采用汇聚透镜、压控可变焦透镜和一种十字交叉的二维声光调制器，实现三维调谐的空间扫描。激光光束通过汇聚透镜聚焦，聚焦后的光束通过独立调节二维声光调制器的驱动频率，调节出射光束的偏转角，光斑在扫描面上依次逐点移动，实现光信号的横向扫描。根据扫描面与装置的距离的不同，通过调节可变焦透镜的焦距，改变出射激光光束的发散角和工作距离，改变它的纵向准直特性，实现对不同距离的物体表面的精准扫描，提高空间分辨率，从而实现三维调谐的动态扫描方法。

技术领域

本专利涉及一种光束扫描装置与方法，具体涉及一种三维调谐的光束扫描装置与设计方法。本装置主要是由激光器、汇聚透镜、可变焦透镜和一种十字结构的二维声光调制器组成。激光光束通过声光调制器实现在扫描面上水平与竖直方向的横向扫描；通过调节可变焦透镜的焦距，实现纵向调谐即光束发散角和扫描面光斑尺寸大小的调节，从而实现三维调谐的扫描方式。

背景技术

光束扫描技术是指激光光束方向精准控制以及定位的技术。该技术被广泛应用于多个领域，如光学雷达、激光显示、空间光通信、光信息处理和存储、3D打印和三维立体成像等高新科技领域中。现有光束扫描器多采用机械扫描原理，缺点是受机械传动精度影响，扫描精度有限，扫描速度慢，而且扫描系统往往比较庞大。利用声光偏转器控制激光光束进行扫描是一种非常有前途的激光扫描技术，优点是速度快、带宽大、功耗低、小型化、用途广、不需要机械运动部件。但是普通的声光调制器仅可以实现一维扫描。

在三维扫描研究方向，目前已有基于高精度步进电机实现二维扫描的三维成像激光雷达，能实现大范围、高点密度的三维测量。但存在成像速度慢，体积大、质量大等缺点。中国发明专利基于声光扫描的三维视频激光雷达系统(专利号CN103472458A)，通过使用两个偏转方向相互垂直的声光偏转器组成二维声光偏转器件，实现激光束的二维偏转，通过快速改变声频率，能够改变扫描角度及速度，实现三维视频成像。但专利中所采用的级联型二维声光扫描器件由两个一维声光调制器串接而成，如图1所示。光束经过第一个调制器(X向或水平向)后，方向就已经发生偏转，入射到第二个调制器(Y向或竖直向)的位置发生变化，相对第二个调制器的入射角发生变化，不能保证在X向扫描时都能满足Y向的布拉格衍射条件。衍射光的效率无法保证，强度变化大。如果第一级的扫描范围稍大还会使光斑移到光声作用区之外甚至声光调制器之外，因此这也限制了光束扫描的角度范围。所以专利中没有提到入射角如何同时满足两个一维声光偏转器的布拉格衍射条件。另外由于两个调制器串联很难实现线性扫描，所以现有技术需要复杂的畸形修正。该技术结构分散、不利于激光准直与系统集成，实用性差。最近我们已向中国国家知识产权局提出了“一种十字交叉结构的二维声光调制器的装置与设计方法”的发明专利申请(申请号为“201711251345.4”),该方法摒弃了现有二维声光偏转技术的级联方式，设计了一种十字交叉结构的二维声光调制器。如图2所示，十字形二维声光调制器作为一个整体，水平方向和竖直方向上形成独立的调制，各包括一个换能器、声光晶体、吸声层。在外形上呈交叉结构，两维声波在交叉处形成共同声光作用区，当光束通过作用区时，可以在两个方向上实现光强、光频率和光传播方向的调制，等效于一个二维光栅。结构简单紧凑，易于调节，方便系统集成；两维调节相互独立，互不干扰。角度扫描范围与驱动器的声频带宽成正比。它用于方向调制和扫描时，扫描角度线性度好，范围宽。

发明内容

为了进一步提升现有技术的调节自由度，本专利提出了一种可以三维调谐的光束扫描装置与设计方法，同时满足水平方向和垂直方向的衍射条件，还可以针对不同距离的目标进行更精确的高分辨扫描。

为了实现上述目标，本发明使用了我们已向国家专利局申报的“一种十字交叉结构的二维声光调制器的装置与设计方法”(申请号201711251345.4)的技术方案,用于实现扫描光束的二维调谐。