扫描装置和扫描方法与流程

本发明涉及一种扫描装置和一种相应的扫描方法。

背景技术：

微反射镜是可用于光的调制的微电机系统(mems)。微反射镜存在多种应用，例如用于投影显示、3d相机、材料的激光标记和加工、物体识别、物体测量和速度测量或者用于荧光显微术中。

为了测量距离，可以例如将激光器与准直透镜和微反射镜结合使用。在这里，准直透镜具有固定的焦距。然而，在距离测量中通常只有在由激光器发出的光信号的光束半径小于特定值时才能进行测量。因此，在准直透镜和微反射镜固定布置的情况下，限定了装置的测量范围。

由us8947784b2已知一种具有可调焦距的透镜，其中该透镜具有多个室，所述室具有不同光学性质的液体。

技术实现要素：

本发明公开一种具有权利要求1的特征的扫描装置以及具有权利要求6的特征的扫描方法。

相应地提出一种扫描装置，它具有：用于发出光束的激光器；具有可调焦距的、用于聚焦激光器发出的光束的准直透镜；以及用于调制激光器发出的光束的微反射镜；其中通过调节准直透镜的焦距可调节由激光器发出的光束的光束半径最小处到激光器的光束距离。

根据另一方面，提出一种扫描方法，它具有如下步骤：根据由物体反射的光束，识别物体是否处于可检测的与激光器的距离范围内，在该范围内由激光器发出的光束的光束半径小于预定值；在识别到物体的情况下，通过调节布置在激光器后方的准直透镜的焦距，调节由激光器发出的光束的光束半径最小处与激光器的光束距离。

优选的改进是各个从属权利要求的主题。

发明优点

本发明完成一种成本低廉的扫描装置，它可以紧凑地形成，其中可获得大的且可适配的测量距离。此外，通过调节准直透镜的焦距可以校正通过准直透镜的生产过程产生的透镜误差。由于根据本发明的扫描装置的测量距离可调节，该扫描装置具有通用性并且不限于特定的应用。另一个优点在于通过调节准直透镜的焦距可调节测量距离。尤其是通过用单一扫描装置适配测量距离也可以测量距离在大范围内变化的物体或面。在这里，尤其可以在与扫描装置的大的距离范围内精确进行物体的距离测定、速度测定或者角位移测定。

通过根据本发明的方法，可以将扫描装置聚焦于待测量的物体上。

根据本发明装置的另一种实施方式，激光器是vcsel。vcsel在扫描装置中的应用特别适合于距离测量，并且因此可以例如用于2d鼠标。

根据本发明装置的另一种实施方式，准直透镜包括液晶透镜、光流体透镜、聚合物透镜或者机械可调的透镜。在这些透镜的情况下，通过不同的物理原理可以调节透镜的曲率并因此调节透镜的焦距。

根据本发明装置的另一种实施方式，该装置具有用于放大由激光器扫描的区域的扫描宽度的放大透镜。由此可以额外放大扫描角度并因此也放大可扫描区域的大小。因此还可以放大可扫描区域的宽度。

根据本发明装置的另一种实施方式，放大透镜具有可调节的焦距；并且由激光器扫描的区域的扫描宽度的放大通过调节放大透镜的焦距可调节。由此既可调节放大透镜的放大也可调节准直透镜的焦距，从而可测量更大的距离范围。尤其还可精确测量扫描装置前方的小的距离。

根据扫描方法的另一种实施方式，调节由激光器发出的光束的光束半径最小处与激光器的光束距离，使得由物体反射的光束的信噪比最小化。由此可以精确地并且以尽可能小的误差测量物体。

根据扫描方法的另一种实施方式，将由激光器发出的光束的光束半径最小处与激光器的光束距离调节成物体到激光器的物体距离。由此使激光器在物体位置处的分辨率达到最大。

根据扫描方法的另一种实施方式，在识别物体是否处于可检测的与激光器的距离范围内之前，检验是否可以通过将准直透镜的焦距调节为特定的固定焦距或者说调节到某一焦距上而使得针对预定的距离范围由激光器发出的光束的光束半径小于一个预定值；并在答案是肯定的情况下将准直透镜的焦距调节为该固定焦距并激活微反射镜，或者在答案是否定的情况下连续改变准直透镜的焦距值并激活微反射镜；并且用激活的微反射镜并通过调节准直透镜的焦距扫描该预定的距离范围；并且在识别物体是否处于可检测的与激光器的距离范围内之后跟踪该物体；并且在不再识别到该物体的情况下重复该扫描方法。由此可以自动跟踪物体并聚焦于该物体上。

根据扫描方法的另一种实施方式，测量物体的距离、速度或者角位移。尤其是可以在大的测量范围内进行测量。

附图说明

图1示出一种示例性扫描装置的侧视图；

图2示出用于解释光束距离和光束半径之间的关系的曲线图；

图3示出扫描面的俯视图；

图4a、b示出根据本发明第一种实施方式的扫描装置的侧视图；

图5a、b、c示出用于解释光束距离和光束半径之间的关系的曲线图，所述关系依赖于根据本发明第一种实施方式的准直透镜的焦距；

图6示出根据本发明第一种实施方式的准直透镜的焦距和最小光束距离之间的关系曲线图；

图7示出根据本发明另一种实施方式的扫描装置的侧视图；

图8示出一种示例性扫描装置的侧视图；

图9示出一种扫描面的俯视图；

图10示出根据本发明又一种实施方式的扫描装置的侧视图；并且

图11、12示出用于解释根据本发明不同实施方式的扫描方法的流程图。

在所有的图中，相同的或者功能相同的元件和装置配以相同的附图标记，除非另有说明。方法步骤的数字编号用于简明的目的，除非另有说明，不暗示确定的时间顺序。尤其是，也可以同时实施多个方法步骤。

具体实施方式

图1示出一种示例性扫描装置。该扫描装置具有激光器1。在与激光器1的距离d4处存在准直透镜2a，它形成为用于将由激光器1发出的光束3聚束。在这种情况下，准直透镜2a的透镜轴线与光束3的发出方向垂直。光束3可以称为高斯束，它在与激光器1的光束距离l处具有光束半径d，该光束半径取决于光束距离l。

在与激光器1的距离d1处，在光束3的光路中在准直透镜2a的后方存在微反射镜4，它形成为用于光束3的调制。通过微反射镜4的偏转，可以将光束3在垂直于发出方向的平面中偏转。

在与激光器1的距离d2处，在光束3的光路中在微反射镜4的后方存在放大透镜6。在这种情况下，放大透镜6的透镜轴线平行于准直透镜2a的透镜轴线。

对于等于特定的最佳光束距离lf的光束距离l，光束3的光束半径d最小，并且等于光束腰围dmin。在这里，最佳光束距离lf取决于准直透镜2a的焦距f1以及放大透镜6的焦距f2。

图2示出用于解释光束3的光束距离l和光束3的光束半径d之间的关系的曲线图。在这里，光束3的光束半径d在准直透镜2a所处的距离d4之前增加，然后在放大透镜6所处的距离d2之前减小，在最佳光束距离lf之前的区域中再减小，并在更大的光束距离l的情况下增加。尤其是，放大透镜负责使微反射镜之前的光束的扫描角增大。

在使用该扫描装置的情况下，界定了由(未示出的)检测单元可判读的光信号的分辨率，使得该扫描装置只能用于光束半径d小于预定的最大光束半径dmax的区域中。在这种情况下，最大光束半径dmax的值取决于扫描装置并且可以例如等于0.1毫米、0.5毫米或者1毫米。

如图2中所示，存在两个满足如下条件的光束距离l的值：光束半径d等于最大光束半径dmax，即最小光束距离lmin和最大光束距离lmax，其中lmax＞lmin。因此，在宽度为δ＝lmax-lmin、其中光束距离l满足条件lmin＜l＜lmax的光束距离范围内，光束半径d小于最大光束半径dmax并且扫描装置可以用于扫描。

图3示出被扫描的二维扫描面的示例性俯视图。在这里，x轴对应于光束3的发出方向，其中x坐标对应于光束3与放大透镜6的放大透镜-光束距离x＝l-d2。将微反射镜4在x-y平面中偏转，其中微反射镜4的反射镜轴与x轴的夹角在90°+δα和90°-δα之间周期性变化，其中δα为预定的值，例如10°、20°、30°或者45°。由此将光束3在相对于x轴对称形成的第一线段301和第二线段302之间的三角区域中周期性改变。由于如上所述仅仅最小光束距离lmin和最大光束距离lmax之间的光束距离l是可测量的，因此定义矩形面303，它完全处在由线段301和线段302夹成的三角区域中。在这里，矩形区域303具有沿着x轴与坐标原点的最小距离xmin，其值为lmin-d2，并具有矩形面303的最外角到坐标原点的最大距离xmax，其值为lmax-d2。矩形面303对应于可扫描区域。通过调节放大透镜6的焦距f2，可以放大矩形面303在y方向上的宽度并因此也放大可扫描区域的总面积。矩形面303在y方向上的宽度称为扫描宽度。

放大透镜6因此提高扫描装置在x-y平面中取向的扫描宽度。放大透镜6具有放大率m。因此，将没有放大透镜6情况下的扫描偏转+/-δα通过插入具有放大率m的放大透镜提高到+/-m·δα的值。

图4a示出根据本发明第一种实施方式的扫描装置。该扫描装置具有激光器1，它尤其可以是垂直腔面发射激光器(vcsel)。在与激光器1的距离d4处存在准直透镜2，它形成为用于将由激光器1发出的光束3聚束。在这种情况下，准直透镜2的透镜轴垂直于光束3。在这里，准直透镜2是具有可调焦距f1的透镜。准直透镜2可以通过连接线5与控制器(未示出)连接，所述控制器形成为用于调节准直透镜2的焦距f1。在这里，准直透镜2可以例如包括液晶透镜、光流体透镜、聚合物透镜或者机械可调的透镜。准直透镜2可以例如基于mems技术，由此可以实现用于调节准直透镜2的焦距f1的微秒量级的特别快的反应时间。

在与激光器1的距离d1处，在光束3的光路中在准直透镜2a的后方存在微反射镜4，它形成为用于光束3的调制。微反射镜4可以例如是微扫描器或者微振荡反射镜。通过微反射镜4的偏转，可以将光束3在垂直于光束3的发出方向的平面中偏转。微反射镜4的控制可以例如按照电磁、静电、热电或者压电工作原理进行。

与图1中所述的扫描装置类似，光束3可以称为高斯束，并在与激光器1的光束距离l处具有光束半径d，该光束半径取决于该光束距离l。对于等于特定的最佳光束距离lf的光束距离l，光束3的光束半径d最小，并且等于光束腰围dmin。在这里，最佳光束距离lf取决于准直透镜2a的焦距f1以及激光器与准直透镜2a的距离d4。尤其是通过改变准直透镜2的焦距f1可以改变最佳光束距离lf。

此外，在图4b中在光束3的光路中存在物体7。因此，通过测量由激光器发出的光束3和由物体7反射的光束3之间的干涉，可以测量物体7的距离、速度和/或角位移。物体7的角位移尤其可以按照微反射镜的偏转确定。物体7的位置因此可以通过微反射镜位置确定。

图5a、b、c是根据本发明第一种实施方式的用于解释光束3的光束半径d和光束距离l之间的关系的示例性曲线图，该关系取决于准直透镜2的焦距f1。图5a示出光束半径d随着光束与微反射镜4的距离l-d4的变化。在这里，曲线501对应于等于4.4mm的准直透镜2的焦距f1，曲线502对应于等于4.48mm的准直透镜2的焦距f1，并且曲线503对应于等于4.5mm的准直透镜2的焦距f1。

在图5b中，在此曲线504对应于等于4.5mm的准直透镜2的焦距f1，曲线505对应于等于4.05mm的准直透镜2的焦距f1，并且曲线506对应于等于4.51mm的准直透镜2的焦距f1。

在曲线5c中，在此曲线507对应于等于4.0mm的准直透镜2的焦距f1，曲线508对应于等于4.15mm的准直透镜2的焦距f1，曲线509对应于等于4.25mm的准直透镜2的焦距f1，曲线510对应于等于4.325mm的准直透镜2的焦距f1，曲线511对应于等于4.375mm的准直透镜2的焦距f1，曲线512对应于等于4.4mm的准直透镜2的焦距f1，曲线513对应于等于4.43mm的准直透镜2的焦距f1，曲线514对应于等于4.455mm的准直透镜2的焦距f1，曲线515对应于等于4.47mm的准直透镜2的焦距f1，曲线516对应于等于4.48mm的准直透镜2的焦距f1，曲线517对应于等于4.485mm的准直透镜2的焦距f1，曲线518对应于等于4.49mm的准直透镜2的焦距f1，曲线519对应于等于4.495mm的准直透镜2的焦距f1，并且曲线520对应于等于4.5mm的准直透镜2的焦距f1。

从图5a、b和c可以看出，对于准直透镜2的较大的焦距f1值，可测量区域(即其中光束半径d小于最大光束半径dmax的区域)向着光束3与微反射镜4的较大的距离l-d4值移动，直到可测量区域最终消失。

图6示出用于解释准直透镜2的焦距f1和最佳光束距离lf之间的关系的曲线图。在此要注意的是，最佳光束距离lf随着准直透镜2的焦距f1呈指数升高。

图5a、b、c和图6中所示的所有数值仅仅用于解释，并且仅仅是示例性的。

准直透镜4的焦距在最大焦距f1max和最小焦距f1min之间的特定范围内可调节。在一种具体的应用中，例如在扫描一个区域的情况下，通常最大测量距离lmess仍是可测量的。优选将准直透镜4选择为使得对应于最大焦距f1max的最佳光束距离lf大于最大测量距离lmess，从而确保最大测量距离lmess仍可测量。

图7示出本发明的另一实施方式，它呈现了图4a中所示的实施方式的一种改进。在此，还在与激光器1的距离d2处在光束3的光路中在微反射镜4后方存在放大透镜6。放大透镜6具有放大率m。光束腰围dmin具有如下关系：

dmin～λ·m·lf/d。

在此，d是微反射镜4的光阑的开口尺寸，并且λ是由激光器1发出的光束3的波长。光束腰围dmin因此与放大率m成比例增大。通过在放大透镜6之前光束的变形的配合，可以界定焦距的扩张。在这种情况下，将准直透镜2的焦距f1和放大透镜6的焦距f2配合。

通过用微反射镜4和放大透镜6对光束3的偏转，产生光学像差。优选地，可以通过准直透镜2的焦距f1的调节补偿像差，尤其是球形像差。在此，在第一控制回路中在待扫描区域中跟踪物体。在第二控制回路中对于微反射镜4平行于准直透镜2所处的位置，调节准直透镜2的焦距f1的值。如果微反射镜4偏转出该位置，即微反射镜4不再与准直透镜2平行，那么相应地调节准直透镜2的焦距f1。

图8示出一种示例性扫描装置的侧视图。在此，在激光器1后方距离d4处在由激光器1发出的光束3的光路中存在一个准直透镜2a，其中准直透镜2a具有固定的、不可调节的焦距f1。在激光器1后方距离d1处存在微反射镜4。在此，微反射镜4的反射镜轴具有与光束3的发出方向的角度α0＜90°，例如α0等于20°、45°或者60°。在此，该角度可以在最小值α0-δα和最大值α0+δα之间变化，其中δα是角度变化，例如δα等于10°或者15°。光束3在微反射镜4上被反射，并通过角度α0的变化由光束3扫过面90。该面具有开口角度β。光束3可以称为高斯束，并在与微反射镜4的距离d3处具有光束腰围dmin。在此，面90的宽度在距离d3处等于最小宽度w1。在此可以看出，尤其对于光束腰围dmin与微反射镜4的小的距离d3，宽度w1变小。

图9示出扫描面的俯视图，其中在此还在微反射镜4后方的光路中使用具有放大率m的放大透镜6。v轴在此对应于垂直于放大透镜6的方向，其中在放大透镜处v＝0。u轴对应于放大透镜的透镜轴。在此，扫描面101是针对放大率m＝3、开口角度α101形成，扫描面102是针对放大率m＝2.5、开口角度α102形成，扫描面103是针对放大率m＝2、开口角度α103形成，扫描面104是针对放大率m＝1.5、开口角度α104形成，扫描面105是针对放大率m＝1、开口角度α105形成。可以看到开口角度随着放大率增大而增大。因此，通过提高放大率m可以提高扫描面的宽度，如图8中所示。

图10示出本发明的另一种实施方式。与图7中所示的扫描装置不同，在此将放大透镜6用具有可调焦距f2的放大透镜6b代替。将放大透镜6b通过连接线5b与(未示出的)控制器连接，通过该控制器可调节放大透镜6b的焦距f2并因此可调节放大透镜6b的放大率m。具有可调焦距f2的放大透镜6b在此尤其可以包括液晶透镜、光流体透镜、聚合物透镜或者机械可调的透镜。在使用用于扫描预定区域的扫描装置的情况下，在小距离的情况下首先将放大透镜6b的焦距f2调节为使得放大透镜6b的放大率m大，例如m＝2或者m＝3。在此，放大透镜6b的放大率m的精确值取决于待扫描的物体的测量距离。在第二步中，将准直透镜2的焦距f1调节成使得光束3的光束半径d在期望的距离处最小。反之，在待测量的物体的距离大的情况下将放大透镜6的放大率m调整得小，例如m＝1或者m＝1.5。在第二步中调整准直透镜2的焦距f1，使得光束3的光束半径d在待扫描的物体的期望距离处最小。由此保证了在每个测量距离处测量宽度保持为大。

图11示出根据本发明的一种扫描方法。在此，在第一步骤s101中识别物体7是否处于与激光器1、尤其是vcsel的可检测距离范围内。在这里，可检测的距离范围是这样的范围：其中视为高斯束的由激光器1发出的光束3的光束半径d小于最大光束半径dmax，该最大光束半径取决于使用的测量装置的分辨率。关于物体7是否处于可检测距离范围内的识别优选通过测量由物体7反射的光束3来进行。

在识别到物体7的情况下，在第二步骤s102中通过调节准直透镜2的焦距调节与激光器1的光束距离l，即在由激光器1发出的光束的光束半径d为最小之处，发出的光束3与激光器1的距离。在此，准直透镜2处于激光器1后方的激光器1光路中，使得光束3穿过准直透镜2。在这里，准直透镜2是具有可调焦距f1的透镜，例如液晶透镜、光流体透镜、聚合物透镜或者机械可调的透镜。

根据另一种实施方式，调节由激光器1发出的光束的光束半径d为最小之处的光束距离l，使得由物体7反射的光束3的信噪比最小化。

根据另一种实施方式，将由激光器1发出的光束的光束半径d为最小之处的光束距离l调节为物体7的物体距离5，该物体距离优选通过测量物体7对光束3的反射进行测量。

图12是用于解释根据另一实施方式的扫描方法的流程图。该扫描方法包括第一检验步骤s309，该步骤检验是否可以通过将准直透镜2的焦距f1调节为特定的固定焦距而使得对于预定的距离范围光束3的光束半径d小于最大光束半径dmax。

在此，预定的距离范围相当于其中将进行测量并因此将可测量的距离范围。换言之，检验是否可以通过将焦距f1调节为单一的固定焦距而可以测量整个预定距离范围。如果光束3的光束半径d在整个距离范围内小于最大光束半径dmax，则答案是肯定的。

如果答案是肯定的，则在另一步骤s301中将准直透镜2的焦距f1调节为该固定焦距，并在另一步骤302中激活微反射镜4。

如果不能通过将准直透镜2的焦距f1调节为单一的固定焦距而保持对于预定的距离范围光束3的光束半径d小于最大光束半径dmax，那么在步骤s308中使准直透镜2的焦距f1的值在特定数值范围内连续变化，并在步骤s307中激活微反射镜4。焦距f1在此尤其可以在准直透镜2的最小可能的焦距和最大可能的焦距之间的范围内变化，其中变化时间可以例如处在几微秒范围内。然而本发明不限于此，尤其是可以在更小的范围内变化。

在两种情况下，在另一步骤s303中通过用微反射镜4对光束3的调制扫描预定的距离范围。例如，可以将微反射镜4偏转以将光束3偏转并扫描一个平面或者空间。此外可以改变准直透镜的焦距f1。

像扫描方法的以上实施方式中那样，在步骤s101中识别物体7是否处于可检测的距离范围内。

如果在预定的距离范围内识别到物体7，那么像以上实施方式中那样在步骤s102中通过调节准直透镜2的焦距调节由激光器1发出的光束的光束半径d为最小之处与激光器1的光束距离l。尤其可以将光束距离l调节为物体距离d5，或者调节为使得由物体7反射的光束3的信噪比最小化。

在步骤s306中跟踪该物体，其中例如调节焦距以使得在任何时间点由物体7反射的光束的信噪比最小化。

如果由于例如物体不再处于预定的距离范围内或者物体由另一物体覆盖而不再识别到物体，那么可以从检验步骤s309重新开始扫描方法。

扫描方法的以上实施方式不限于此。尤其是，还可以在准直透镜2和微反射镜4后方的激光器1光路中再布置一个放大透镜6。