专利名称：一种一维光学扫描器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学扫描技术，主要涉及激光成像雷达的扫描技术。
背景技术：
光学扫描技术是扫描式激光成像雷达的关键技术之一，现有的激光成像雷达大多仍采用扫描成像的方式。已经出现的光学扫描方式有电光扫描、声光扫描、光相控阵扫描等非机械扫描，以及二7Π光学扫描、光栅扫描、光纤扫描、转鼓扫描、振镜扫描等机械扫描方式。虽然非机械扫描方式具有无惯性等优点，但现有的非机械扫描方式都有各自的缺点，且不太成熟。振镜扫描方式可以灵活地调整视场角，但是由于振镜摆动的步进不均匀，可靠性会变差，而且扫描点分布不均匀。转鼓扫描方式结构相对简单，设备的稳定性和可靠性相对较好，适合于高速的行扫描，缺点是负载较重，易磨损，需经常进行校准。2008年已经公开的论文“光纤扫描激光雷达技术”中使用MEMS反射镜扫描+光纤扫描方式，激光脉冲通过光纤入射到倾斜扫描镜反射面反射后经中继光学系统，耦合到发射光纤阵列，光纤阵列输出的激光经准直后，出射到地面。发射光纤阵列是利用光纤束的导光原理，光纤束一端为圆排列，另一端为直线排列。用一个旋转的反射镜将入射的激光反射到圆排列的光纤头上，出射的直线排列光纤头与光学镜头构成发射光路。接收时则采用相反的结构排列构成接收光路，因此该方案发射和接收光路各采用一套光纤束结构和光学镜头。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种相对现有的光学扫描器结构更简单、体积更小的高速光学扫描器。本发明的技术方案是一种一维光学扫描器，包括旋转电机、光纤排列结构和光学镜头，其特征在于，所述光纤排列结构包括回转体、定位结构和紧固件，所述定位结构位于回转体和紧固件之间，回转体嵌入到紧固件中将定位结构压紧固定形成呈柱状的光纤排列结构；所述回转体相对旋转电机的端面为A端面，所述定位结构相对光学镜头的端面为B端面；所述A端面呈圆形，所述A端面的中心具有一用于与旋转电机的电机轴配合联结的中心孔，所述A端面圆周边缘按照与中心孔的同心圆方向均匀排列有至少两组A端圆弧通槽，所述圆弧通槽包含至少两个用以容纳光纤的A端光纤孔，所述A端圆弧通槽之间沿圆周方向具有相同的间隔，所述同一圆弧通槽内的相邻A端光纤孔之间以中心孔为圆心，以穿过中心孔的某一直线为A端基线，在圆周方向间隔相同的圆心角度和步距；所述B端面呈圆形，所述B端面的中心具有B端基点，所述B端面以B端基点为起点，以穿过B端基点的某一直线为B端基线，以B端面的外圆周为终点向外延伸出与A端面相同数量的B端圆弧通槽，所述B端圆弧通槽包含与A端圆弧通槽相同数量的B端光纤孔， 所述B端圆弧通槽之间沿圆周方向具有相同的间隔，所述同一 B端圆弧通槽内的相邻B端光纤孔之间以B端基点为圆心，以B端基线为旋转轴，在圆周方向间隔相同的圆心角度，在径向上具有相同的步距；上述A端面的A端圆弧通槽与B端面中的B端圆弧通槽呈一一对应关系，所述A端圆弧通槽内的A端光纤孔与B端圆弧通槽内的B端光纤孔一一对应并贯通用以安装光纤。本发明的有益效果是本发明主要采用光纤排列结构来实现光学扫描。本发明所描述的光纤扫描与现有的光纤扫描方式有着极大的不同，它不需要采用旋转反射镜来将激光射入不同的光纤，而是采用特定的光纤排列结构中的光纤孔的空间排列来实现将旋转扫描转换为直线扫描，扫描时激光源也是固定不动的。本发明所述的光纤扫描能获得更高的行扫描频率，采集点也比较密集，扫描点分布均匀，同时结构上也更简单并且易于小型化。
图I是本发明的一维光学扫描器的总体结构示意图。图2是本发明的旋转电机、光纤排列结构和光学镜头的排列结构示意图。图3是本发明的光纤排列结构的爆破结构示意图。图4是本发明的光纤排列结构的A端面的结构示意图。图5是本发明的光纤排列结构的B端面的结构示意图。图6是本发明的光纤排列结构的A端面和B端面的结构示意图。附图标记说明旋转电机I、光纤排列结构2、回转体21、A端面211、A端圆弧通槽212、中心孔213、A端基线214、A端光纤孔215、定位结构22、B端面221、B端圆弧通槽 222,B端基点223、B端基线224、B端光纤孔225、紧固件23、光学镜头3、第一激光器41、第二激光器42、第一汇聚透镜51、第二汇聚透镜52、第一发射镜61、第二发射镜62、第一探测器71、第二探测器72、准直透镜8、光纤9。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。如图I、图2和图3所不,为一种一维光学扫描器,包括了旋转电机I、光纤排列结构2、光学镜头3、第一激光器41、第二激光器42、第一汇聚透镜51、第二汇聚透镜52、第一发射镜61、第二发射镜62、第一探测器71、第二探测器72、准直透镜8和光纤9,所述光纤排列结构2包括回转体21、定位结构22和紧固件23，所述定位结构22位于回转体21和紧固件23之间，回转体21嵌入到紧固件23中将定位结构22压紧固定形成呈柱状的光纤排列结构2。图中箭头所示方向表示了光路传播方向。如图4、图5和图6所示，所述回转体21相对旋转电机I的端面为A端面211，所述定位结构22相对光学镜头3的端面为B端面221 ；所述A端面211呈圆形，所述A端面211的中心具有一用于与旋转电机I的电机轴配合联结的中心孔213，所述A端面211圆周边缘按照与中心孔213的同心圆方向均匀排列有至少两组A端圆弧通槽212，所述圆弧通槽212包含至少两个用以容纳光纤9的A端光纤孔215，所述A端圆弧通槽212之间沿圆周方向具有相同的间隔，所述同一圆弧通槽212 内的相邻A端光纤孔215之间以中心孔213为圆心，以穿过中心孔213的某一直线为A端基线214，在圆周方向间隔相同的圆心角度(图中α所示角度)和步距。
所述B端面221呈圆形，所述B端面221的中心具有B端基点223，所述B端面221 以B端基点223为起点，以穿过B端基点223的某一直线为B端基线224，以B端面221的外圆周为终点向外延伸出与A端面相同数量的B端圆弧通槽222，所述B端圆弧通槽222包含与A端圆弧通槽212相同数量的B端光纤孔225，所述B端圆弧通槽222之间沿圆周方向具有相同的间隔，所述同一 B端圆弧通槽222内的相邻B端光纤孔225之间以B端基点223 为圆心，以B端基线224为旋转轴，在圆周方向间隔相同的圆心角度，在径向上具有相同的步距；上述A端面211的A端圆弧通槽212与B端面221中的B端圆弧通槽222呈一一对应关系，所述A端圆弧通槽212内的A端光纤孔215与B端圆弧通槽222内的B端光纤孔225 —一对应并贯通用以安装光纤9。所述光纤9起着导光的作用。所述A端光纤孔215 和B端光纤孔225的宽度与光纤9尺寸匹配，数量也与光纤数目匹配，光纤头排列在A端圆弧通槽212和B端圆弧通槽222中，光纤排列结构2旋转使激光依次进入A端面211的A 端圆弧通槽212内的光纤9中，从B端面221的B端圆弧通槽222的光纤中出射。本实施例中，A端圆弧通槽的数量设定为六条，每个圆弧通槽均为容纳100根光纤的长度。本实施例中的旋转电机I的型号可根据转速的需要选择，本例中选择6000转/秒的旋转电机。本例中选用200um的塑料光纤。圆弧通槽的宽度为200um。但是本领域的普通技术人员应该意识到，A端圆弧通槽及其光纤孔的数量设定可以在大于或等于2的自然数基础上任意设定，理论上本方案都是可实施的，只是本实施例的数量设定被认为是最优设定。旋转电机和光纤的选择也可以基于公知常识进行选择。下面简要的介绍上述一维光学扫描器的工作原理如图I所示，激光器(第一激光器41和第二激光器42)发出的光束经过汇聚透镜(第一汇聚透镜51和第二汇聚透镜52) 后，耦合进入光纤排列结构2上A端面211中的光纤中，随着旋转电机I带动光纤排列结构2转动，从光B端面221出射光的位置沿一条直线排列。从B端面221中光纤出射的光经过光学镜头3后，再经由准直透镜8发射出去。根据光路可逆原理，发射光经由目标反射后会返回耦合进入B端面221中同一根光纤，并由A端面211中的光纤头出射，经由反射镜 (第一发射镜61和第二发射镜62)后使得光探测器(第一探测器71和第二探测器72)探测到。为了增加扫描器的像素，可使用两套激光器和探测器，放置在两个以光纤排列结构2 中心轴为对称中心的位置，每一套激光器和探测器独立运转，工作原理同上。旋转电机I的作用是带动光纤排列结构2匀速转动；光纤排列结构2是一个将多根光纤9按照一定的规则在光纤排列结构2的两端进行排列的结构。作为激光源的第一激光器41和第二激光器42固定不动,旋转电机I旋转带动光纤排列结构2旋转,激光从A端面211依次进入每根光纤9，在位于光纤排列结构2的B端面221的对应位置出射，随着旋转电机I的转动出射点在一条直线上移动。光学镜头3、准直透镜8与光纤排列结构2的出射端面(B端面221)构成一个发射光路，光纤排列结构2出射端上出射点位置的移动对应地产生光学发射方向的改变。基于光路可逆的原理，该扫描装置可以发射和接收共用。光纤排列结构2旋转时，从A端面211不同光纤孔进入的激光在B端面221产生一个位置变化的等间距出射光位置，这些出射光位置处于一条直线上。所述的光纤9，在穿过光纤排列结构2的A端面21和B端面221的光纤孔时,需对光纤头进行抛光，使所有光纤头最后的端面与A端面21和B端面221平齐，再进行镀增透膜处理。
采用本发明做成的一位光学扫描装置与现有扫描装置相比，整个扫描系统体积小了很多，所以减小了电动机的负载。扫描点分布均匀，且由于采集点密集，像素也可以达到很闻。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种一维光学扫描器,包括旋转电机(I)、光纤排列结构(2)和光学镜头(3),其特征在于，所述光纤排列结构(2)包括回转体(21)、定位结构(22)和紧固件(23)，所述定位结构(22)位于回转体(21)和紧固件(23)之间，回转体(21)嵌入到紧固件(23)中将定位结构(22)压紧固定形成呈柱状的光纤排列结构(2);所述回转体(21)相对旋转电机(I)的端面为A端面(211)，所述定位结构(22)相对光学镜头(3)的端面为B端面(221)；所述A端面(211)呈圆形，所述A端面(211)的中心具有一用于与旋转电机(I)的电机轴配合联结的中心孔(213)，所述A端面(211)圆周边缘按照与中心孔(213)的同心圆方向均匀排列有至少两组A端圆弧通槽(212)，所述圆弧通槽(212)包含至少两个用以容纳光纤(9)的A端光纤孔(215)，所述A端圆弧通槽(212)之间沿圆周方向具有相同的间隔，所述同一圆弧通槽(212)内的相邻A端光纤孔(215)之间以中心孔(213)为圆心，以穿过中心孔(213)的某一直线为A端基线(214)，在圆周方向间隔相同的圆心角度和步距；所述B端面(221)呈圆形，所述B端面(221)的中心具有B端基点(223)，所述B端面 (221)以B端基点(223)为起点，以穿过B端基点(223)的某一直线为B端基线(224)，以 B端面(221)的外圆周为终点向外延伸出与A端面相同数量的B端圆弧通槽(222)，所述B 端圆弧通槽(222)包含与A端圆弧通槽(212)相同数量的B端光纤孔(225)，所述B端圆弧通槽(222)之间沿圆周方向具有相同的间隔，所述同一 B端圆弧通槽(222)内的相邻B端光纤孔(225)之间以B端基点(223)为圆心，以B端基线(224)为旋转轴，在圆周方向间隔相同的圆心角度，在径向上具有相同的步距；上述A端面(211)的A端圆弧通槽(212)与B端面(221)中的B端圆弧通槽(222)呈一一对应关系，所述A端圆弧通槽(212)内的A端光纤孔(215)与B端圆弧通槽(222)内的B端光纤孔(225) —一对应并贯通用以安装光纤(9)。
全文摘要
本发明涉及一种一维光学扫描器，包括旋转电机、光纤排列结构和光学镜头，其特征在于，所述光纤排列结构包括回转体、定位结构和紧固件，所述定位结构位于回转体和紧固件之间，回转体嵌入到紧固件中将定位结构压紧固定形成呈柱状的光纤排列结构；所述回转体相对旋转电机的端面为A端面，所述定位结构相对光学镜头的端面为B端面。本发明的有益效果是本发明所述的光纤扫描能获得更高的行扫描频率，采集点也比较密集，扫描点分布均匀，同时结构上也更简单并且易于小型化。
文档编号G02B26/10GK102591010SQ20121008280
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月27日 优先权日2012年3月27日
发明者彭仁军, 高建双 申请人:电子科技大学