CN1804678A - 激光扫描器用曲面转镜装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光扫描器用曲面转镜，用齿轮形状代替正多面体形状，用特殊的曲面反射镜代替转镜－振镜系统的平面镜，实现把激光光束做单向性的近乎平移的扫描，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。本发明可以在激光电视，激光在线检验及其他激光扫描器等领域在要求光束做平移扫描的情况下获得特殊的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光扫描器用曲面转镜装置，用简单的设计方案实现把光斑做单向性的近乎平移的扫描，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，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
本发明的目的在于提出一种激光扫描器用曲面转镜装置，可以克服现有技术的缺陷。本发明用简单的设计方案采用曲面反射镜齿轮状结构，代替转镜-振镜系统的正多面体结构，使光斑做近乎平移扫描，克服转镜-振镜系统的一些缺陷，在需要激光光束做平移扫描的场合获得应用。
本发明提供的激光扫描器用曲面转镜装置是曲面反射镜齿轮状结构，齿轮中心转轴与驱动微电机连接。
齿轮状曲面转镜的“齿”由阳面和阴面组成，阳面为曲面反射镜，阴面为无反射镜的平面。曲面轮廓曲线方程为：y＝axk，式中a为常数，幂指数k为非整数，介于1和2之间，可不受限制，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。齿轮半径为R，厚度为L，齿数为N，反射光束在齿轮间平移距离为H。
齿轮中心转轴与驱动微电机连接。一个齿的齿尖处的斜率与下一个齿的齿面上光束初始入射点的斜率相近，整个反射面转动中，激光入射点处的斜率相差很小，使反射光束方向变化很小。
本发明的光路原理叙述如下：激光束以一定的角度入射到齿轮状曲面反射镜上，反射光束指向另外的特定方向。当齿轮状曲面反射镜转动起来，由于特殊的曲面形状，使得曲面迎着入射光移动(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，但反射光束的方向大体不变，仅做近似平行的移动。齿轮状结构，能使反射光束实现单向扫描。
本发明可在激光电视，激光在线检验及条码识别等各种激光扫描器上应用。
本发明与已有技术相比，具有如下的优点：
1)由于本发明的光路设计，能使反射光束做接近于平行移动的扫描。
2)由于本发明的结构设计，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)由于本发明的结构设计，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是本发明的光路示意图。
图2是本发明的齿上局部坐标系。
具体实施方式
结合附图具体说明如下：
如图1所示，1入射光束，2反射光束，3曲面镜面。
取入射光束与反射曲面法线夹角45度，方向自右向左，反射光束与曲面法线夹角同样是45度，方向自上向下。齿轮半径设为单位1，即R＝1，厚度L＝0.2(可不受限制)，齿数N＝8，入射光束方向到转动中心距离为0.7071，每个曲面镜面对转动中心所张角度为36度，反射光束在齿轮间平移距离H＝0.2。在一个齿上建立局部坐标系，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，一个齿面OA段的面形轮廓曲线，如图2所示。曲面轮廓曲线方程推导原则是：光束从一个齿尖跳到下一个齿面上一点时，齿尖和齿面的入射点具有相近的斜率，一个齿面转动45度，齿面上激光入射点的斜率变化比较小。如齿尖处斜率为1(45度角)，取齿面上初始入射点的斜率为0.9(42度角)，于是得到一个具体的表示曲面轮廓的曲线方程是y＝0.84x1.58。
当齿轮状曲面反射镜转动起来，反射光束随之做大致的平行移动，而且入射到齿尖的光束能马上跳到下一个齿面上。这样，当齿轮匀速转动起来，反射光束就能匀速平移扫描起来。对于轮径R＝1，齿数N＝8的情形，扫描光束的平移距离H＝0.2，扫描光束的发散角可以控制在大约6度的范围。对于N＞8的情形，轮径不变，减小扫描光束的平移距离，给出新的曲线方程，则扫描光束的发散角可以控制在更小的角度范围。
本发明的光学元件加工，可以是用高密度铝锭车加制抛光而成，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，还可以是曲面玻璃反射镜组装或光学塑料注塑后镀镜面加工而成。
本发明根据扫描速度与平移距离的需要，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。使用本发明可以设计新型激光电视，以一对齿轮状曲面反射镜激光扫描器，代替转镜-振镜激光扫描器。设计转速快的、平移距离大的曲面反射镜作为行扫描，转速慢点的、平移距离小点的曲面反射镜作为幀扫描，构成16∶9或4∶3的比例。激光调制信号的扫描图像构成图像发生器，起到与数字微镜(DMD)或硅上液晶(LCOS)相当的作用，经过光学投影镜头投影到大屏幕上去，实现激光电视显示。由于本发明的平行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。本发明在激光在线检测及其他领域要求激光光束做平移扫描的场合也具有潜在的应用前景。
Claims (4)
1、一种激光扫描器用曲面转镜装置，其特征在于：所述的曲面转镜是曲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曲面转镜装置，其特征在于：所述的齿轮状曲面转镜的“齿”由阳面和阴面组成，阳面为曲面反射镜，阴面为无反射镜的平面，曲面轮廓曲线方程为：
y＝0.84x1.58
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曲面转镜装置，其特征在于：
所述的齿轮半径为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。
4、权利要求1所述的激光扫描器用曲面转镜装置的应用，其特征在于它用在激光电视，激光在线检验及条码识别各种激光扫描器上。
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