[发明专利]一种单自由度旋转实现二维光学扫描的方法

说明书

本发明涉及一种单自由度旋转实现二维光学扫描的方法，其核心装置是一个拥有N个反射面的多面反射镜，其每个反射面和旋转轴的相对角度都不相同，所述多面反射镜绕着固定的轴旋转，入射光束以一定角度射向所述多面反射镜后被反射到空间的不同方向，实现二维光学扫描。根据本发明，仅通过单自由的旋转即可实现二维的光学扫描，能够简化系统结构，提高可靠性和稳定性，并降低成本。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体来讲，涉及一种单自由度旋转实现二维光学扫描的方法。

背景技术

光学扫描系统主要包括发射光束的光源和光束偏转单元，可以偏转光源发射的光束并使之按顺序地落在预定的扫描线或面上，主要应用在激光打印机、激光焊接机、激光打标机、激光雕刻机、高速摄像机、投影仪、电影放映机、激光雷达等装置中。

光束偏转单元根据光束扫描方式的不同主要有机械式、微机电系统(MEMES)式和光学相控阵(OPA，OpticalPhasedArray)式。

在机械式或MEMS式扫描中，一般而言单自由度的运动仅能实现一维的光学扫描，例如通过光源的旋转或往复运动、反射镜的旋转或往复运动等可以实现光束在一定角度范围内的线性一维扫描；两个自由度的运动才能实现二维的光学扫描，例如通过两个反射镜分别旋转或往复运动的两级反射、MEMS光学振镜等可以实现光束在一定空间范围内的二维扫描。但是目前二维机械扫描方法中总伴随着非平衡的往复运动，例如一定角度范围内的往复摆动，这样的结构往往可靠性较差，且寿命较短。此外，采用MEMS光学振镜方案还有收光孔径受限的问题，在某些需要接收回波信号的应用中，例如激光雷达，则无法获得较高的信噪比，从而无法获得较远的探测距离。

在OPA式扫描中，通过调节发光阵列中每个发射单元的相位差来改变光束的出射角度。光学相控阵一般都是通过电信号对其相位进行严格的控制实现光束指向扫描，因此也可以称为电子扫描技术。但该技术目前远未成熟，且由于功率受限也无法满足远距离的要求。

发明内容

基于上述问题，本发明旨在提供一种单自由度旋转实现二维光学扫描的方法，其主要优点有：1)仅使用单自由度的旋转即可实现二维光学扫描，大大简化系统结构，降低了复杂度；2)单自由度旋转为匀速时，整个扫描系统是处于平衡态，可靠性较高且寿命较长；3) 在需要接收回波信号的应用中，该扫描方法可以实现同轴发射和回收光束，且收光孔径远大于MEMS光学振镜方案。

根据本发明的第一个实施例，提供了一种单自由度旋转实现二维光学扫描的方法，包括光学发射单元和光学反射单元，其中：光学发射单元包括用于产生出射光的光源，所述出射光沿发射路径传输并经光学反射单元反射；光学反射单元包括多面反射镜，多面反射镜可以绕着主轴旋转，将所述出射光朝向周围环境引导。

根据本发明的第一个实施例，所述光学发射单元包括用于产生出射光的光源，可射出多种波长的自然光或激光。

优选地，所述激光发射单元包括发射透镜，用于准直由光源产生的出射光。发射透镜能够准直由光源产生的出射光的光学倍率，以减小所述出射光的发散度，即减小出射光在其光束截面的第一方向上和第二方向上的宽度。

根据本发明的第一个实施例，所述光学反射单元包括一个由N 个面组成的多面反射镜，其每个反射面和旋转轴的相对角度都不相同，所述多面反射镜绕着固定的轴旋转，入射光束以一定角度射向所述多面反射镜后被反射到空间的不同方向，实现二维光学扫描。在一周360°内可以实现对光束的多次扫描，次数等于反射镜的面数N，扫描图样为N条扫描线。