一种光束扫描方法及系统与流程

[0001]
本发明属于激光技术领域，具体地说涉及一种光束扫描方法及系统。


背景技术：

[0002]
对激光光束方向进行精确控制以及定位的光束扫描技术在空间光通信、激光雷达、激光定向能应用等领域中有着广泛应用。机械式光束扫描技术相对成熟，但其一般使用万向节作为旋转运动的平台，集成其它机械结构(振镜，快反镜等)进行扫描，其重量和体积较大，不便于应用。
[0003]
因此，现有技术还有待于进一步发展和改进。


技术实现要素：

[0004]
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种光束扫描方法及系统。本发明提供如下技术方案：
[0005]
一种光束扫描方法，包括：
[0006]
在入射光路中引入用于扫描的扫描光栅对和用于补偿色差的补偿组件；
[0007]
扫描光栅对相向旋转，不断改变出射光的指向，形成扫描；
[0008]
基于扫描光栅对的旋转角度，整体相向旋转两个补偿组件，使入射光经过补偿组件后指向不变，经过扫描光栅对后形成色差得到补偿的扫描。
[0009]
进一步的，根据光束扫描的需求，设计扫描光栅对的光栅刻线数，使用的衍射级次和旋转角度：
[0010]
构建光栅的三轴坐标系，光栅设置于xy平面上，经过光栅对后，出射光与z轴夹角为θ，其投影在xy平面上与x轴夹角为p；
[0011]
扫描光栅对中两个光栅的旋转角度分别为a和b，光栅的衍射级次为m，入射光的中心波长为λ，两个光栅的刻线数都为ρ，对两个光栅联立光栅方程，得到
[0012][0013][0014]
sinθ＝2m
·
ρ
·
λ|cos((a+b)/2)|
ꢀꢀꢀ
(3)
[0015]
由式(3)得到
[0016]
sinθ
max
＝2m
·
ρ
·
λ
ꢀꢀꢀ
(4)
[0017]
则由对扫描角度θ的最大值θ
max
的要求，以及入射光的中心波长λ，基于式(4)设计扫描光栅的刻线数ρ，使用的衍射级次m；
[0018]
由对扫描角度p的要求，基于式(1)和式(2)计算两个扫描光栅的旋转角度a和b。
[0019]
进一步的，根据扫描光栅对的色差，设计补偿组件中光栅的刻线数，使用的衍射级次和旋转角度：
[0020]
色差导致不同波长的光在出射后的指向不同，色差的大小，可用出射光与z轴夹角θ的偏差δθ来表征，由式(3)计算
[0021][0022]
由式(3)和式(5)可知，当扫描光栅对的a+b＝0，产生最大色差为
[0023][0024]
则补偿光栅对的最大色差要能够补偿扫描光栅对的最大色差，即
[0025][0026]
式中，下标为1代表补偿光栅对的参数，β为补偿组件和扫描系统之间扩束系统的扩束比；
[0027]
基于扫描光栅对的衍射级次m，光栅刻线数ρ，光的中心波长λ，带宽δλ以及扩束系统的扩束比β，由式(7)来设计补偿光栅对的衍射级次m1，光栅刻线数ρ1。
[0028]
进一步的，色差的方向用出射光投影在xy平面上与x轴的夹角p来表征。
[0029]
进一步的，对扫描光栅对的两个光栅的任意旋转角度a和b，由式(5)可知其色差大小δθ，由式(1)和式(2)可知其色差方向p，则补偿光栅对的色差大小为δθ1＝β
·
δθ，方向为p1＝p+180
°
，则使用式(1)式(2)式(3)式(5)可反解补偿光栅对的旋转角度a1和b1。
[0030]
进一步的，所述补偿组件为反射型补偿组件。
[0031]
进一步的，所述反射型补偿组件包括两组结构相同且整体相向旋转的反射补偿镜组，所述反射补偿镜组包括反射补偿光栅、平行于反射补偿光栅正上方设置的第一反射镜、与第一反射镜相对设置的第二反射镜以及平行于第二反射镜正下方设置的第三反射镜。
[0032]
进一步的，所述扫描光栅对包括两块相向旋转的平板透射光栅。
[0033]
一种光束扫描系统，包括扫描光栅对，被配置为偏转入射光路。
[0034]
进一步的，还包括补偿组件，被配置为补偿宽带光的色差，所述补偿组件为包含反射补偿光栅的反射型补偿组件。
[0035]
有益效果：
[0036]
本申请的扫描系统采用两个相向旋转的平板透射光栅，实现在空间一定角度内的光束扫描，节省空间，有利于和光学平台共形；同时，本申请引入了含有光栅及配套反射镜的整体旋转的补偿组件，适用于宽带光，使经过补偿组件的出射光仅具有和后级的扫描光栅对相匹配的色差，而无偏转角，实现了色差预补偿，从而使得整个系统的出射光实现无色差扫描。
附图说明
[0037]
图1是本发明具体实施例中一种光束扫描方法流程示意图；
[0038]
图2是本发明具体实施例中单色光(1053nm)经过透射光栅对的指向角度示意图；
[0039]
图3是本发明具体实施例中宽带光(1053
±
15mm)经过透射光栅对的指向角度示意图；
[0040]
图4是本发明具体实施例中无扩束系统的补偿前扫描平面上的扫描轨迹示意图；
[0041]
图5是本发明具体实施例中无扩束系统的无反射镜组补偿光栅扫描轨迹示意图；
[0042]
图6是本发明具体实施例中无扩束系统的有反射镜组补偿光栅扫描轨迹示意图；
[0043]
图7是本发明具体实施例中无扩束系统的补偿后扫描平面上的扫描轨迹示意图；
[0044]
图8是本发明具体实施例中有扩束系统的无反射镜组补偿光栅扫描轨迹示意图；
[0045]
图9是本发明具体实施例中光栅坐标系示意图；
[0046]
图10是本发明具体实施例中透射光栅对偏转光束示意图；
[0047]
图11是本发明具体实施例中透射光栅对在空间一个平面内的扫描轨迹示意图；
[0048]
图12是本发明具体实施例中反射补偿镜组结构示意图。
具体实施方式
[0049]
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
[0050]
如图1所示，一种光束扫描方法，包括：
[0051]
s100、在入射光路中引入用于扫描的扫描光栅对和用于补偿色差的补偿组件；
[0052]
s200、扫描光栅对相向旋转，不断改变出射光的指向，形成扫描；
[0053]
s300、基于扫描光栅对的旋转角度，整体相向旋转两个补偿组件，使入射光经过补偿组件后指向不变，经过扫描光栅对后形成色差得到补偿的扫描。
[0054]
如图10所示，为透射光栅对偏转光束示意图，当两块光栅相向旋转，由于两次旋转角度的叠加，使得光束在空间可实现一定角度的扫描，如图11所示。对于实际的激光光源，存在一定的带宽，会使得不同波长的光，在经过扫描光栅对后，指向角度存在一定的差异。这就需要在扫描光栅对之前加设补偿组件，补偿不同波长导致的色差。
[0055]
进一步的，根据光束扫描的需求，设计扫描光栅对的光栅刻线数，使用的衍射级次和旋转角度：
[0056]
构建光栅的三轴坐标系，如图9所示，光栅设置于xy平面上，入射光经过光栅对后，出射光与z轴夹角为θ，其投影在xy平面上与x轴夹角为p；
[0057]
扫描光栅对中两个光栅的旋转角度分别为a(顺时针旋转)和b(逆时针旋转)，光栅的衍射级次为m，入射光波长为λ，两个光栅的刻线数都为ρ，对两个光栅联立光栅方程，得到
[0058][0059][0060]
sinθ＝2m
·
ρ
·
λ|cos((a+b)/2)|
ꢀꢀꢀ
(3)
[0061]
由式(3)，取|cos((a+b)/2)|最大值1，得到
[0062]
sinθ
max
＝2m
·
ρ
·
λ
ꢀꢀꢀ
(4)
[0063]
则由对扫描角度θ的最大值θ
max
的要求，以及入射光的中心波长λ，基于式(4)设计
扫描光栅的刻线数ρ，使用的衍射级次m；
[0064]
由对扫描角度p的要求，基于式(1)和式(2)计算两个扫描光栅的旋转角度a和b。
[0065]
根据扫描光栅对的色差，设计补偿组件中光栅的刻线数，使用的衍射级次和旋转角度：
[0066]
色差导致不同波长的光在出射后的指向不同，色差的大小，可用出射光与z轴夹角θ的偏差δθ来表征，由式(3)计算
[0067][0068]
由式(3)和式(5)可知，当扫描光栅对的a+b＝0，产生最大色差为
[0069][0070]
则补偿光栅对的最大色差要能够补偿扫描光栅对的最大色差，即
[0071][0072]
式中，下标为1代表补偿光栅对。如果补偿组件和扫描系统之间有扩束系统，扩束比为β时，补偿光栅对产生的色差大小会被扩束系统缩小β倍，因此其预补偿的色差大小需比扫描光栅对大β倍；如果没有扩束系统时，β为1。
[0073]
则由此，可由扫描光栅对的衍射级次m，光栅刻线数ρ，光的中心波长λ，带宽δλ以及扩束系统的扩束比β，由式(7)来设计补偿光栅对的衍射级次m1，光栅刻线数ρ1。
[0074]
色差的方向用出射光投影在xy平面上与x轴的夹角p来表征，用式(1)和式(2)计算。色差补偿是指，当扫描光栅对产生的色差大小为δθ，方向在p方向，则补偿光栅对需要产生大小为δθ1＝β
·
δθ，方向在p1＝p+180
°
方向的色差。对扫描光栅对的两个光栅的任意旋转角度a和b，由式(5)可知其色差大小δθ，由式(1)和式(2)可知其色差方向p，则补偿光栅对的色差大小为δθ1＝β
·
δθ，方向为p1＝p+180
°
，则使用式(1)式(2)式(3)式(5)可反解补偿光栅对的旋转角度a1和b1。
[0075]
如图4-7所示，假设波长是分离的三个波长(为了方便画图说明，实际波长有可能是连续的)，只看扫描轨迹上的一点。当扫描光栅对造成的色差，如图4所示，色差的大小为三个波长的光分开的程度，也就是他们指向角度的偏差(δθ)，色差的方向用扫描平面上的角度p来衡量。
[0076]
那么补偿组件就要提前将光偏转成如下图5所示，这个就决定了补偿组件的旋转角度；
[0077]
利用反射镜组，将从补偿组件出射的光整体移回到中间，即没有偏转角度，只有色差，如图6所示。这样就保证进入扫描光栅对的光整体入射角度不变，且色差的大小(三个点分开的程度)和扫描光栅对的一致，但方向相反，即p1＝p+180
°
。
[0078]
对扫描光栅对的两个光栅的任意旋转角度a和b，由式(5)可知其色差大小δθ，由式(1)和式(2)可知其色差方向p，则补偿光栅对的色差大小为δθ1＝β
·
δθ，方向为p1＝p+180
°
，则使用式(1)式(2)式(3)式(5)可反解补偿光栅对的旋转角度a1和b1。
[0079]
则最后经过扫描光栅对后，扫描轨迹上不同波长的指向是一致的，三个点是重合
的(如图7所示)，从而使色差得到补偿。
[0080]
假设扩束比β为三倍，则补偿组件的色差就要三倍于扫描光栅对的色差(如图8所示)，则色差的大小和方向确定了补偿组件的旋转角度。然后经过反射镜后，同样光束整体移回到中间，经过扩束系统后，三倍的色差又被压缩回一倍，和图6所示一致。则最终经过扫描光栅对后和图7所示一致，色差得到补偿。
[0081]
进一步的，补偿组件为反射型补偿组件。
[0082]
进一步的，如图12所示，反射型补偿组件包括两组结构相同且相向旋转的反射补偿镜组，反射补偿镜组包括反射补偿光栅100、平行于反射补偿光栅100正上方设置的第一反射镜200、与第一反射镜200相对设置的第二反射镜300以及平行于第二反射镜300正下方设置的第三反射镜400。将反射型补偿组件安装于可旋转镜架上，使得反射型补偿组件可整体旋转，内部的反射镜和补偿光栅的相对位置保持不变。
[0083]
进一步的，扫描光栅对包括两块相向旋转的平板透射光栅。
[0084]
一种光束扫描系统，包括扫描光栅对，被配置为偏转入射光路。
[0085]
进一步的，还包括补偿组件，被配置为补偿宽带光的色差。
[0086]
进一步的，补偿组件为包含反射补偿光栅的反射型补偿组件。
[0087]
实施例1
[0088]
以中心波长1053nm，带宽为30nm的激光通过刻线密度为240线/mm的一对光栅为例，其空间角度分布如图3所示，相比只有1053nm时的理想情况(如图2所示)，可见不同波长的光在出射角度上的差异。为了补偿这一差异，系统在前级需加入一对补偿光栅。
[0089]
首先根据扫描角度的要求，设计扫描光栅的参数。一般光栅的衍射级次都用第一级，即ρ越小越容易加工。如算例所示，假设对1053nm的光进行设计，θ的最大值要达到30
°
，由式(3)代入
[0090]
sin(30
°
)＝2
·1·
ρ
·
1053nm|cos((a+b)/2)|
[0091]
其中，|cos((a+b)/2)|最大值为1，则ρ的最小值为
[0092]
ρ＝sin(30
°
)/(2
·
1053nm)
[0093]
则ρ＝240。由式(5)可知，此时最大色差为约为1108.5μrad(取|cos((a+b)/2)|最大值为1)。假设系统中有扩束系统，扩束比为6，则补偿组件能产生的δθ
1max
要大于6
×
1108.5μrad，则结合式(3)和式(5)，补偿组件的衍射级次同样取1，ρ1取458时，可以满足色差补偿的要求。则由此确定了补偿光栅的刻线数ρ1。
[0094]
对扫描光栅对的任意旋转角度a和b，可由式(1)式(2)式(3)式(5)计算产生的色差大小δθ和方向p，则补偿光栅对的色差大小为δθ1＝6δθ，方向为p1＝p+180
°
，则同样由式(1)式(2)式(3)式(5)，可反解补偿光栅对的旋转角度a1和b1。
[0095]
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。