專利名稱：激光掃描器用柱面轉(zhuǎn)鏡裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光掃描器用柱面轉(zhuǎn)鏡裝置，用簡單的設(shè)計方案實現(xiàn)把光斑做單向性的均勻掃描，可以在激光電視，激光在線檢驗及條碼識別等各種激光掃描器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
背景技術(shù)：
激光電視由于色域?qū)?，彩色飽和度高，畫面尺寸靈活可變易于控制，無電磁射線輻射等特點，可廣泛用于露天大型圖像顯示，教學(xué)演示，背投顯示設(shè)備等領(lǐng)域。激光電視在顯示領(lǐng)域占有特殊地位，世界上許多國家都有計劃開展激光電視的研究，現(xiàn)在已經(jīng)有很大進展。德國激光顯示技術(shù)公司生產(chǎn)的掃描系統(tǒng)通過在整個顯示區(qū)域逐行快速掃描來書寫圖像，就是以每秒1250轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)25面體反射鏡獲得水平方向的行掃描，然后用振鏡以頻率為50Hz、60Hz或100Hz來實現(xiàn)垂直方向的場掃描。中國科學(xué)院長春光機所采用紅綠藍DPL固體激光器作為彩色顯示的三基色，提出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的非點掃描成像激光技術(shù)——小區(qū)域掃描投影成像，采用成熟的面陣空間光電尋址調(diào)制技術(shù)，同時實現(xiàn)像素選通和光強調(diào)制，克服單像素逐點掃描的種種弊端，實現(xiàn)了無干涉噪音、光場均勻、光能利用率高、成本低，適于批量生產(chǎn)的激光顯示，實現(xiàn)了60英寸激光全彩色視頻顯示，展示了色彩亮麗，高飽和度的彩色圖像，并已經(jīng)申報多項國內(nèi)外專利。
目前，絕大多數(shù)激光電視都是采用多面轉(zhuǎn)鏡實現(xiàn)掃描，電流計偏轉(zhuǎn)器驅(qū)動振鏡實現(xiàn)掃描，采用這種掃描方式的優(yōu)點是掃描角度大，光束質(zhì)量好，圖像分辨率高。但是這種掃描方式對轉(zhuǎn)鏡的加工精度及控制精度要求極為嚴格，這也是實現(xiàn)激光顯示電視圖像的技術(shù)困難之一。激光電視關(guān)鍵技術(shù)主要有掃描同步、固態(tài)激光器和激光晶體。目前，激光掃描主要有機械轉(zhuǎn)鏡-振鏡系統(tǒng)掃描、檢流計掃描、諧振鏡掃描和全息掃描等方式。其中機械轉(zhuǎn)鏡-振鏡系統(tǒng)掃描因精度高、掃描角大、光損耗小、適合于各種波長的掃描、抗干擾性能強、回轉(zhuǎn)速度快、結(jié)構(gòu)簡單直觀而受到廣泛使用。轉(zhuǎn)鏡-振鏡系統(tǒng)的激光掃描器掃描方式存在固有的平面鏡掃描場幾何畸變，造成光斑在振鏡上，即平面的屏上行掃描方向移動速度的非線性和非時間對稱性，導(dǎo)致屏上像的畸變，屏上光強分布的中間強，兩邊弱的不均勻等一些缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種激光掃描器用柱面轉(zhuǎn)鏡裝置，可以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。本發(fā)明用簡單的設(shè)計方案采用柱面反射鏡齒輪狀結(jié)構(gòu)，代替轉(zhuǎn)鏡-振鏡系統(tǒng)的正多面體結(jié)構(gòu)，使光斑做均勻掃描，克服轉(zhuǎn)鏡-振鏡系統(tǒng)的一些缺陷，在需要激光光束做均勻掃描的場合獲得應(yīng)用。
本發(fā)明提供的激光掃描器用柱面轉(zhuǎn)鏡裝置包括柱面轉(zhuǎn)鏡，所述的柱面轉(zhuǎn)鏡是柱面反射鏡齒輪狀結(jié)構(gòu)，齒輪中心轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動微電機連接。
所述的齒輪狀柱面轉(zhuǎn)鏡的“齒”由陽面和陰面組成，陽面為柱面反射鏡，陰面為無反射鏡的平面，柱面輪廓曲線方程可以用橢圓方程逼近(x-X)2R12+(y-Y)2R22=1]]>式中x和y的坐標原點在齒尖處，y坐標沿齒輪半徑反方向，x坐標沿齒尖處垂直半徑方向。
所述的齒輪半徑為R，取為單位1，即R＝1；齒輪厚度為L，L＝0.2(可不受限制)；齒輪齒數(shù)為N，N＝8；反射光束在齒輪間平移距離為H，H＝0.2。
齒輪中心轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動微電機連接。整個反射面轉(zhuǎn)動中，激光入射點處的曲面斜率單調(diào)變化，使反射光束方向變化均勻，到達屏幕上掃描光點勻速移動。
所述的激光掃描器用柱面轉(zhuǎn)鏡裝置用于在激光電視，激光在線檢驗及條碼識別等各種激光掃描器上。
本發(fā)明的光路原理敘述如下激光束以一定的角度入射到齒輪狀柱面反射鏡上，反射光束指向另外的特定方向。當(dāng)齒輪狀柱面反射鏡轉(zhuǎn)動起來，由于特殊的曲面形狀，使得柱面迎著入射光移動(或反向移動)時，雖然在曲面上的入射點變動了，反射光束隨著變動了，但反射光束的方向線性改變，使屏幕上掃描光點僅做勻速移動。齒輪狀結(jié)構(gòu)，能使反射光束實現(xiàn)舉向掃描。
本發(fā)明可在激光電視，激光在線檢驗及條碼識別等要求激光勻速掃描的領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點1、由于本發(fā)明的光路設(shè)計，能使反射光束做接近于勻速移動的掃描。
2、由于本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計，能使反射光束的掃描速度比較均勻，大大降低了信號同步的難度。
3、由于本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計，能使反射光束的掃描速度比較均勻，克服了平面反射鏡轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)掃描場的幾何畸變帶來的非線性和非對稱性，使屏幕上光強分布更均勻。
以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。


圖1，本發(fā)明的掃描光路示意圖。
圖2，本發(fā)明的設(shè)計用坐標系。
圖3，本發(fā)明在激光掃描器中位置的示意圖。
具體實施例方式
結(jié)合附圖具體說明如下如圖1所示，光路原理敘述如下激光束i以一定的角度入射到齒輪狀柱面反射鏡M上，反射光束r指向另外的特定方向。當(dāng)齒輪狀柱面反射鏡轉(zhuǎn)動起來，由于特殊的曲面形狀，使得柱面迎著入射光移動(或反向移動)時，整個反射鏡面轉(zhuǎn)動中，激光入射點處的切線斜率呈線性單調(diào)改變，使反射光束再經(jīng)過振鏡反射到達遠處屏幕P上是勻速的(單位時間移動相等的距離)。這樣的掃描方式最終能使反射光束實現(xiàn)單向均勻掃描，大大降低了信號同步的難度。這種掃描方式，克服了平面反射鏡轉(zhuǎn)鏡-振鏡系統(tǒng)掃描場的幾何畸變帶來的非線性和非對稱性，使屏幕上光強分布更均勻，圖像畸變更小。齒輪狀曲面轉(zhuǎn)鏡的“齒”由陽面和陰面組成，陽面為柱面反射鏡而陰面為無反射鏡的平面。
如圖2建立坐標系。曲面轉(zhuǎn)鏡設(shè)計的已知先決條件是轉(zhuǎn)鏡做勻速轉(zhuǎn)動，屏幕上掃描的光斑是勻速的(單位時間掃過相等間隔)。取轉(zhuǎn)鏡半徑為單位1，激光束o沿y＝0.2929直線由右向左入射。屏幕一端放在遠處距離坐標原點約100倍的轉(zhuǎn)鏡半徑距離的a′(0.5137，-100)點，與x坐標軸成15°角。設(shè)柱面轉(zhuǎn)鏡是8個齒，鏡面對應(yīng)軸心張角36°，掃描落差對應(yīng)軸心張角9°。為設(shè)計方便，取36°的4等份(0°，9°，18°，27°，36°)和9°的4等份(0°，2.25°，4.5°，6.75°，9°)，分別記為點a0，b0，c0，d0，e0和a，b，c，d，e。經(jīng)a，b，c，d，e各點反射到屏幕上光斑位置記作a′，b′，c′，d′，e′。齒根處記作a點，將把激光反射到x＝0.5137直線aa′方向，落在屏幕上的a′點，從a0(即a)開始，轉(zhuǎn)鏡勻速轉(zhuǎn)動后，轉(zhuǎn)過11.25°(38.25°-27°)，b0點將轉(zhuǎn)到b點，把激光反射到與aa′方向成7.4°的bb′方向，落在屏幕上的b′點。轉(zhuǎn)過22.5°(40.5°-18°)，c0Z點將轉(zhuǎn)到c點，把激光反射到與aa′方向成15.3°的cc′方向，落在屏幕上的c′點。轉(zhuǎn)過33.75°(42.75°-9°)，d0點將轉(zhuǎn)到d點，把激光反射到與aa′方向成22.6°的dd′方向，落在屏幕上的d′點。轉(zhuǎn)過45°(45°-0°)，e0點將轉(zhuǎn)到e點，把激光反射到與aa′方向成30°的ee′方向，落在屏幕上的e′點。如此循環(huán)。而掃描均勻要求，屏幕上點距a′b′＝b′c′＝c′d′＝d′e′。由簡單的幾何關(guān)系求出各數(shù)據(jù)點坐標，列于表1中。表中為該點到轉(zhuǎn)軸方向與y軸的夾角，θ為該點曲線切線方向與x軸的夾角。
表1數(shù)據(jù)表


根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，做擬合曲線，實際的曲線可能不具有一般常用曲線的形式，但可以用一個中心不在軸心的橢圓局部來逼近實際的反射柱面輪廓曲線。令(X，Y)為橢圓中心坐標，R1為半長軸，R2為半短軸，對a0，b0，c0，d0，e0點列出擬合曲線橢圓方程組X2R12+Y2R22=1(0.5137-X)2R12+(0.2929-Y)2R22=1(0.4088-X)2R12+(0.1977-Y)2R22=1(0.2873-X)2R12+(0.1156-Y)2R22=1(0.1506-X)2R12+(0.0489-Y)2R22=1]]>解方程組可得橢圓中心坐標為(-0.2245，0.8052)，半長軸R1＝0.9328，半短軸R2＝0.8241。故柱面輪廓曲線方程可以表示為(x+0.2245)20.93282+(y-0.8052)20.82412=1]]>對于反射面數(shù)不同，屏幕到轉(zhuǎn)鏡距離不同，應(yīng)能給出不同的柱面輪廓橢圓方程的形式，但這里提出的原理是普遍適用的。
如圖3，本發(fā)明在激光掃描器中位置就是替代現(xiàn)有平面反射鏡轉(zhuǎn)鏡位置，圖3中1是橢圓柱面反射鏡，2是激光束，3是軸，4是屏幕，5是掃描線。
本發(fā)明的光學(xué)元件加工，可以是用高密度鋁錠車制拋光而成，采用當(dāng)代精密數(shù)字加工技術(shù)，只要給出曲面函數(shù)形式，加工水平是完全能夠做到的。也可以是在齒輪模型表畫靠貼亞克力薄板鍍鏡面的方式加工而成，還可以是柱面玻璃反射鏡組裝或光學(xué)塑料注塑后鍍鏡面加工而成。
本發(fā)明根據(jù)掃描速度與屏幕距離的需要，設(shè)計齒輪狀曲面反射鏡激光掃描器的具體參數(shù)，如齒輪半徑，齒數(shù)以及曲面輪廓曲線方程等。使用本發(fā)明可以設(shè)計新型激光電視用掃描器，以齒輪狀柱面反射鏡轉(zhuǎn)鏡，代替轉(zhuǎn)鏡-振鏡的平畫反射鏡。由于本發(fā)明的勻速移動光束的掃描方式，行掃描速度均勻，使信號同步變得容易，克服了平面鏡掃描場幾何畸變導(dǎo)致屏上像的畸變等一些缺陷。本發(fā)明在激光在線檢測及其他領(lǐng)域要求激光光束做勻速掃描的場合也具有潛在的應(yīng)用價值。
權(quán)利要求
1.一種激光掃描器用柱面轉(zhuǎn)鏡裝置，其特征在于它包括柱面轉(zhuǎn)鏡，所述的柱面轉(zhuǎn)鏡是柱面反射鏡齒輪狀結(jié)構(gòu)，齒輪中心轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動微電機連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光掃描器用柱面轉(zhuǎn)鏡裝置，其特征在于所述的齒輪狀柱面轉(zhuǎn)鏡的“齒”由陽面和陰面組成，陽面為柱面反射鏡，陰面為無反射鏡的平面，柱面輪廓曲線方程可以用橢圓方程逼近(x-X)2R12+(y-Y)2R22=1]]>式中x和y的坐標原點在齒尖處，y坐標沿齒輪半徑反方向，x坐標沿齒尖處垂直半徑方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光掃描器用柱面轉(zhuǎn)鏡裝置，其特征在于所述的齒輪半徑為R，取為單位1，即R＝1；齒輪厚度為L，L＝0.2(可不受限制)；齒輪齒數(shù)為N，N＝8；反射光束在齒輪間平移距離為H，H＝0.2。
4.權(quán)利要求1所述的激光掃描器用柱面轉(zhuǎn)鏡裝置的應(yīng)用，其特征在于它用在激光電視，激光在線檢驗及條碼識別等各種激光掃描器上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光掃描器用柱面轉(zhuǎn)鏡，所述的柱面轉(zhuǎn)鏡是柱面反射鏡齒輪狀結(jié)構(gòu)，齒輪中心轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動微電機連接。用齒輪形狀代替正多面體形狀，用特殊的柱面反射鏡轉(zhuǎn)鏡代替轉(zhuǎn)鏡－振鏡系統(tǒng)的平面反射鏡轉(zhuǎn)鏡，實現(xiàn)把激光光束做單向性的勻速移動的掃描，掃描速度均勻，使信號同步更加容易，克服平面鏡掃描場幾何畸變等缺陷。本發(fā)明可以在激光電視，激光在線檢驗及其他激光掃描器等領(lǐng)域在要求光束做勻速掃描的情況下獲得特殊的應(yīng)用。
文檔編號G02B5/10GK1963589SQ20061012987
公開日2007年5月16日 申請日期2006年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月5日
發(fā)明者范志新 申請人:河北工業(yè)大學(xué)