本专利涉及一种光束扫描装置与方法，具体涉及一种三维调谐的光束扫描装置与设计方法。本装置主要是由激光器、汇聚透镜、可变焦透镜和一种十字结构的二维声光调制器组成。激光光束通过声光调制器实现在扫描面上水平与竖直方向的横向扫描；通过调节可变焦透镜的焦距，实现纵向调谐即光束发散角和扫描面光斑尺寸大小的调节，从而实现三维调谐的扫描方式。
背景技术：
光束扫描技术是指激光光束方向精准控制以及定位的技术。该技术被广泛应用于多个领域，如光学雷达、激光显示、空间光通信、光信息处理和存储、3d打印和三维立体成像等高新科技领域中。现有光束扫描器多采用机械扫描原理，缺点是受机械传动精度影响，扫描精度有限，扫描速度慢，而且扫描系统往往比较庞大。利用声光偏转器控制激光光束进行扫描是一种非常有前途的激光扫描技术，优点是速度快、带宽大、功耗低、小型化、用途广、不需要机械运动部件。但是普通的声光调制器仅可以实现一维扫描。
在三维扫描研究方向，目前已有基于高精度步进电机实现二维扫描的三维成像激光雷达，能实现大范围、高点密度的三维测量。但存在成像速度慢，体积大、质量大等缺点。中国发明专利基于声光扫描的三维视频激光雷达系统(专利号cn103472458a)，通过使用两个偏转方向相互垂直的声光偏转器组成二维声光偏转器件，实现激光束的二维偏转，通过快速改变声频率，能够改变扫描角度及速度，实现三维视频成像。但专利中所采用的级联型二维声光扫描器件由两个一维声光调制器串接而成，如图1所示。光束经过第一个调制器(x向或水平向)后，方向就已经发生偏转，入射到第二个调制器(y向或竖直向)的位置发生变化，相对第二个调制器的入射角发生变化，不能保证在x向扫描时都能满足y向的布拉格衍射条件。衍射光的效率无法保证，强度变化大。如果第一级的扫描范围稍大还会使光斑移到光声作用区之外甚至声光调制器之外，因此这也限制了光束扫描的角度范围。所以专利中没有提到入射角如何同时满足两个一维声光偏转器的布拉格衍射条件。另外由于两个调制器串联很难实现线性扫描，所以现有技术需要复杂的畸形修正。该技术结构分散、不利于激光准直与系统集成，实用性差。最近我们已向中国国家知识产权局提出了“一种十字交叉结构的二维声光调制器的装置与设计方法”的发明专利申请(申请号为“201711251345.4”),该方法摒弃了现有二维声光偏转技术的级联方式，设计了一种十字交叉结构的二维声光调制器。如图2所示，十字形二维声光调制器作为一个整体，水平方向和竖直方向上形成独立的调制，各包括一个换能器、声光晶体、吸声层。在外形上呈交叉结构，两维声波在交叉处形成共同声光作用区，当光束通过作用区时，可以在两个方向上实现光强、光频率和光传播方向的调制，等效于一个二维光栅。结构简单紧凑，易于调节，方便系统集成；两维调节相互独立，互不干扰。角度扫描范围与驱动器的声频带宽成正比。它用于方向调制和扫描时，扫描角度线性度好，范围宽。
技术实现要素：
为了进一步提升现有技术的调节自由度，本专利提出了一种可以三维调谐的光束扫描装置与设计方法，同时满足水平方向和垂直方向的衍射条件，还可以针对不同距离的目标进行更精确的高分辨扫描。
为了实现上述目标，本发明使用了我们已向国家专利局申报的“一种十字交叉结构的二维声光调制器的装置与设计方法”(申请号201711251345.4)的技术方案,用于实现扫描光束的二维调谐。
本发明专利一种三维调谐的光束扫描装置，包括与激光器同轴的汇聚透镜、可变焦透镜和一个基于十字交叉结构的二维声光调制器，其特征在于：所述汇聚透镜位于激光器的同轴前方，激光器发出的激光通过汇聚透镜进行光束汇聚；所述十字交叉结构的二维声光调制器位于汇聚透镜的同轴前方，二维声光调制器的作用区正好位于汇聚后光束的束腰处，实现在水平和竖直两个方向的角度扫描；所述可变焦透镜位于二维声光调制器前方，根据不同工况对经过二维声光调制器调制后的激光进行发散特性的调节。
可将激光器发出的扫描光束看作理想的高斯光束，利用双透镜法可以改变扫描激光束的远场准直特性。双透镜法原理如图3所示，预先用一个短焦透镜l1将高斯光束聚焦，以得到极小的腰斑ω0′，便于实现声光调制器的高频驱动，提高驱动带宽。然后再用一个长焦距透镜l2来改善其发散特性，可得到很好的准直效果。
采用几何光学的成像公式解释,
声光调制器的驱动频率带宽决定了扫描的角度范围。根据调制带宽的公式：
通过改变可变焦透镜的焦距，调制后的激光的准直特性发生改变，出射光的发散角会发生变化，光束的工作距离(亦称瑞利距离，对于高斯光束指的是从光的输出端到束腰的距离)相应地调节，在扫描面上光斑的大小不同。进而在不同距离的扫描面上都可以形成清晰光斑，提高空间分辨率。改变可变焦透镜也能使扫描光斑使经过二维调谐之后所产生的扫描范围的大小和扫描精度不同，扫描范围和扫描精度可以根据装置到扫描平面的距离和大小而改变，从而适应不同距离的扫描要求，实现三维调谐的扫描方式。
作为优选方案：
所述扫描激光器选用短波长的光源；
所述汇聚透镜为固定焦距的短焦透镜；
所述激光器与所述汇聚透镜的距离远大于汇聚透镜的焦距；
所述可变焦透镜为压控的变焦透镜，通过调节电压调节透镜的形状并改变其有效焦距。
所述二维声光调制器为十字交叉型的二维声光调制器，在交叉区域形成二维声光共同作用区，实现两个正交方向的独立扫描。
所述二维声光调制器的声光作用区位于汇聚光束的束腰处。
本发明在实现三维扫描时的有益效果为：
(1)无机械损耗和扰动
本发明摒弃了传统激光扫描的机械偏转方式，没有机械运动部件。通过调节声光调制器的驱动频率改变扫描角度，使激光束在一定范围内任意指向或者顺序扫描，扫描速度快，控制角度精度高，使用寿命长；可变焦透镜为电压控制的可变焦透镜，通过电信号改变透镜内液体的形状从而控制焦距的变化，不存在机械运动，具有传统机械扫描器件无法比拟的优势。
(2)体积小，结构简单，方便集成
本发明采用创新的十字交叉结构二维声光偏转器。目前的二维声光偏转器结构分立，不利于系统集成，本发明设计的二维声光偏转器体积小、结构单一紧凑，采用的可变焦透镜直径和厚度都不超过30mm，系统结构简单，体积小，方便集成，方便使用和光路调节。
(3)扫描速度更快
传统二维声光偏转器使激光束在两个方向上的偏转是分开进行的，而本发明设计的十字交叉结构的二维声光的偏转同时进行的，相比之下，本发明设计的激光扫描速度更快。而使用的可变焦透镜通过调节电压可在20ms内完成焦距的变化调节，光束准直特性(发散角和工作距离)的调节相比于其他机械式方法速度更快，扫描速度更加迅速。
(4)扫描空间分辨率提高
针对不同距离的目标，通过改变可变焦透镜的焦距改变准直性能(发散角和工作距离)，可以在不同工作距离上保证最佳扫描精度，满足较大工作距离的变化。
附图说明
图1现有级联型二维声光调制器原理图。
图2为基于十字交叉结构二维声光偏转器的激光扫描装置示意图。
图3为双透镜准直法示意图。
图4为本发明的激光扫描示意图。图中：1主控单元，2驱动控制电路单元，3激光器，4汇聚透镜，5二维声光调制器，6声光作用区，7工件，8扫描面，9扫描光斑，10压控可变焦透镜。
图5为本发明的实施例的一种激光扫描示意图。
图6为本发明的实施例的另一种激光扫描示意图。
图7为本实施例中扫描面的光斑示意图。
图8为高斯光束分布示意图。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“x”、“y”、“z”、“-x”、“-y”、“-z”、水平、竖直等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本实施例的一种三维调谐的光束扫描装置包括激光器3，在激光器3的前方同轴放置有汇聚透镜4，汇聚透镜4将激光器发出的激光进行汇聚得到最小光斑。
在汇聚透镜4同轴前方还设置有新型十字交叉结构二维声光偏转器5，新型二维声光调制器的声光作用区6位于最小光斑处，也由驱动控制电路2和主控单元1驱动和控制。当激光器3发出的光束经过汇聚透镜4聚焦后入射到十字交叉结构二维声光调制器5的声光作用区6时，激光发生布拉格衍射，产生衍射效率很高的一级衍射光斑，相对入射光束发生了二维的偏转。通过驱动频率的调节，实现偏转角的调节，就可以让衍射光斑形成一定的扫描范围，如图2中的扫描平面所示。
二维声光调制器前方设有压控可变焦透镜10，这里压控可变焦透镜10是指通过电压控制调节焦距的透镜。这类压控可变焦透镜10属于现有器件，主要应用于成像系统，实现不同焦深或景深的成像，都是放置在光信号的接收端，成像于面阵探测器上。压控可变焦透镜属于现有技术，其电压控制原理和电路可以参考说明书，这里不再赘述。在本实施例中，压控可变焦透镜10作为准直透镜对声光作用区的光斑进行成像，如图5、图6所示，压控可变焦透镜10的焦距改变出射光束的准直特性，即改变光束发散角和工作距离，因而也改变可调节成像效果。一个可供本实施例选择的压控可变焦透镜10是瑞士optotune公司生产的el-10-30，变焦透镜内充有聚合物分散液晶，它有不同的型号适于不同波段，有不同的安装形式。它的焦距变化范围在50-120mm之间，通过调节电压可在20ms内完成焦距的调节，从而实现出射光束准直特性的调节。激光器3和压控可变焦透镜10均由驱动控制电路2和主控单元1驱动和控制。
如图5所示，扫描光斑的大小决定了扫描分辨率。扫描光斑9越小，越清晰，则扫描的精度越高，空间分辨率越高；相反，扫描光斑9越大，越模糊，则扫描精度越低。扫描激光器选择短波长的可见光，扫描光斑9在扫描面8可以肉眼观察。针对不同位置的工件7，通过调节压控可变焦透镜10的焦距调节出射光束的准直性，从而保持扫描光斑9都是最小的，可以实现不同距离的扫描面上的高分辨扫描，实现三维调谐的功能。
其中上述：
激光器3：发出扫描所用激光光束；
压控可变焦透镜10：用于准直调制后的激光光束，改变扫描面的大小和扫描面上光斑的大小，从而实现调整扫描精度。
十字交叉结构二维声光调制器5：用于调制扫描激光，使激光产生布拉格衍射，形成一定的二维扫描范围。
扫描面8：激光衍射形成的扫描区域。
声光作用区6：是激光产生布拉格衍射的有效区域。
本实施例的三维调谐的扫描装置，对于不同距离的物体，如图5所示，激光器3发出的激光通过汇聚透镜4聚焦后，经过二维声光调制器5的声光作用区6发生布拉格衍射，产生的二维扫描角度分别为α和β。如果在像距d1的距离上形成清晰的扫描光斑9，并且如果衍射光束没有压控可变焦透镜10的调谐，在像距d2的扫描光斑9会比较模糊，达不到好的分辨率。如果改变压控可变焦透镜10的焦距，使声光作用区的衍射光斑，正好成像于像距d2处的扫描面上。变焦透镜可以在任何距离上保证扫描光斑9最小，光斑更清晰，扫描精度高。
可以根据高斯光束的理论进一步分析。图5中位于d2处的扫描面模糊光斑分布记为a，图6中位于d2处的扫描面清晰光斑分布记为b。a与b扫描面上的激光光斑在z方向上的高斯分布如图8所示，a、b扫描面上光斑的高斯分布分别对应图8中a、b分布。纵坐标为激光强度，横坐标为光束大小，在扫描面上对应光斑大小。当沿着径向分布的光强下降到中心强度的
在具体执行过程中，根据不同距离的工件7扫描面8的光斑9的大小反馈，通过主控单元1和驱动控制电路2调节压控可变焦透镜10的焦距，调节扫描光斑9的清晰度，直到取得满意的效果。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。