一种圆弧均布激光点生成装置的制作方法

1.本实用新型涉及激光标记定位技术领域，更具体地，涉及一种圆弧均布激光点生成装置。


背景技术：

2.可见激光广泛用于工业生产中的标记和定位。例如十字型激光图案普遍用于室内装修中的找正和定位；一字型激光常用于布料和纸张的裁切引导；点状激光一般用于工程中的方向引导，例如隧道挖掘和铁轨铺设等。
3.激光器的输出一般为准直光束，可以通过特定镜片组将其转变为一字、十字、阵列等形状。然而在特定的工程应用中，需要在圆弧上等角度均匀排布的的激光光点阵列。例如在煤矿巷道挖掘过程中：掘进面一般呈拱门型，由上半部半圆，下半部矩形的两部分组成。每次掘进面推进时，工人需要在半圆部分外周均布炸药，炸药间距依据炸药的效能，岩土层条件等因素精心设计，以特定间距安置炸药时，可以使得生产效率最优化。而在井下施工时常规标记方法难以实施，激光标记是最优的选择。
4.现有技术采用扫描振镜和激光搭配产生圆弧均布激光点，利用编程和分时工作的方式生成多个目标光点。具体的，振镜在某一时刻将激光束投影至远处成像面，生成一号目标光点，然后振镜快速转动至下一个位置，用发射激光产生二号目标光点，以此类推。但为了在视觉上同时产生多个在等角度圆弧均匀分布的目标光点，振镜需要快速运动，不仅运动控制机构复杂，目标光点存在拖影，而且不能在井下的高温环境中长时间工作。在现有技术另一方案中采用普通投影仪来投射图案，但投影仪在远距离工作时光强过低，且分辨率不高，目标光点容易模糊，同样存在结构复杂，发热量大的缺陷，无法在井下高温环境中长时间使用。
5.公开号为cn208688495u，公开日：2019
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02，提出的一种矿用隔爆型激光指向仪，通过切换不同焦距的透镜，实现激光光斑的大小调节，但该激光指向仪无法生成沿圆弧均匀分布的离散目标光点。


技术实现要素：

6.本实用新型为克服上述现有技术所述的无法生成沿圆弧均匀分布的离散激光点，以及现有的生成沿圆弧分布的离散激光点设备结构复杂发热量大的缺陷，提供一种圆弧均布激光点生成装置。
7.为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下：
8.一种圆弧均布激光点生成装置，包括：激光光源、聚焦镜、反射镜狭缝、准直镜；
9.所述反射镜狭缝由第一反射镜及第二反射镜构成，两个所述平面反射镜的反射面相对设置，每一平面反射镜均包括一条直线边缘，两平面反射镜的两条直线边缘紧贴在同一直线公共边上，两平面反射镜形成一个反射面相对的锐角夹角结构，反射镜狭缝在直线公共边方向的一端为入射面，另一端为出射面；
10.所述聚焦镜设置在所述反射镜狭缝的入射面的一侧，所述准直镜设置在所述反射镜狭缝的出射面的一侧，准直镜的焦平面与反射镜狭缝的入射面重合，准直镜的主光轴与反射镜狭缝的直线公共边同轴，所述聚焦镜的焦点位于反射镜狭缝的入射面上，且在入射面处反射镜狭缝边缘夹角的角平分线上；
11.所述激光光源发射出准直激光，所述准直激光的方向与所述聚焦镜的主光轴平行，所述准直激光经过聚焦镜得到一聚焦激光点a，所述聚焦激光点a位于所述反射镜狭缝的入射面，所述聚焦激光点a的出射光线经过反射镜狭缝中的第一反射镜及第二反射镜反射，形成聚焦激光点a的若干个镜像，准直镜对聚焦激光点a及其镜像同时进行成像，将聚焦激光点a投影到工作面上形成沿圆弧或半圆或整圆排布的目标光点阵列。
12.本技术方案中，两平面反射镜的反射面相对设置，构成一个反射镜狭缝，准直激光通过聚焦镜到达反射镜狭缝的入射面，经过反射镜狭缝后进入准直镜，得到圆弧分布的出射激光，本发明一种激光点的生成装置及生成方法，通过调节聚焦镜的数值孔径、准直激光入射角度、反射镜狭缝夹角，调整目标光点数量和位置，内部光学元件固定设置，设备工作时内部组件无需运动，机构简单可靠，对震动和温度不敏感，可以更好地适用于工业环境。
13.进一步地，所述平面反射镜为镀铝反射镜。
14.进一步地，所述反射镜狭缝的两个平面反射镜的反射面积相同。
15.进一步地，所述准直镜垂直于主光轴截面的形状为圆形，直径为25.4mm。
16.进一步地，所述准直镜的焦距为50mm。
17.进一步地，所述准直镜为双胶合消色差透镜。
18.进一步地，所述聚焦镜垂直于主光轴截面的形状为圆形，直径为9mm。
19.进一步地，所述聚焦镜的焦距为12mm。
20.进一步地，所述聚焦镜为非球面透镜。
21.进一步地，所述激光光源为100mw红色二极管激光器模块，激光光源输出为准直激光。
22.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：两平面反射镜的反射面相对设置，构成一个反射镜狭缝，准直激光通过聚焦镜到达反射镜狭缝的入射面，经过反射镜狭缝后进入准直镜，得到圆弧分布的出射激光，本发明一种激光点的生成装置及生成方法，通过调节聚焦镜的数值孔径、准直激光入射角度、反射镜狭缝夹角，调整目标光点数量和位置，内部光学元件固定设置，设备工作时内部组件无需运动，机构简单可靠，对震动和温度不敏感，可以更好地适用于工业环境。
附图说明
23.图1为圆弧均布激光点生成装置结构示意图；
24.图2为圆弧均布激光点生成装置的zy平面投影图；
25.图3为反射镜狭缝入射面示意图；
26.其中：1、聚焦镜；2、反射镜狭缝；21、第一反射镜；22、第二反射镜；3、准直镜；4、入射面；5、出射面。
具体实施方式
27.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
28.为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
29.对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
30.下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。
31.实施例1
32.本实施例的一种激光点的生成装置及生成方法结构如图1所示，包括：激光光源、聚焦镜1、反射镜狭缝2、准直镜3；所述反射镜狭缝2由第一反射镜21及第二反射镜22构成，两个所述平面反射镜的反射面相对设置，每一平面反射镜均包括一条直线边缘，两平面反射镜的两条直线边缘紧贴在同一直线公共边上，两平面反射镜形成一个反射面相对的锐角夹角结构，反射镜狭缝2在直线公共边方向的一端为入射面4，另一端为出射面5；
33.所述聚焦镜1设置在所述反射镜狭缝2的入射面4的一侧，所述准直镜3设置在所述反射镜狭缝2的出射面5的一侧，所述准直镜3的焦平面与反射镜狭缝2的入射面4重合，准直镜3的主光轴与反射镜狭缝2的直线公共边同轴，所述聚焦镜1的焦点位于反射镜狭缝2的入射面4上，且在入射面4处反射镜狭缝2边缘夹角的角平分线上。
34.本实施例的一种激光点的生成装置及生成方法的zy平面投影如图2所示，激光光源发射出准直激光，所述准直激光的方向与所述聚焦镜1的主光轴平行，准直激光通过聚焦镜1，在入射面4上形成一个聚焦激光点a，且本实施例中聚集激光点a位于入射面4处反射镜狭缝2边缘夹角的角平分线上。
35.以聚焦激光点a为物点，聚焦激光点a的出射光在反射镜狭缝2中的第一反射镜21及第二反射镜22反射，形成聚焦激光点a的若干个镜像，聚焦激光点a与多个镜像均以反射镜狭缝2的顶角为圆心，形成圆形排列，且均位于入射面4上，所述入射面4亦为准直镜3的焦平面，如图2所示，准直镜3的焦距为f3，准直镜3与入射面4的距离为f3。
36.准直镜3对聚焦激光点a及a的镜像同时进行成像，将目标光点投影到远处的工作面上，在工作面形成沿圆弧或半圆或整圆排布的目标光点阵列。
37.反射镜狭缝2入射面4的xy平面投影如图3所示。反射镜狭缝2由第一反射镜21和第二反射镜22组成。聚焦激光点a位于入射面4上。聚焦激光点a经过第一反射镜21的反射后成像为a1点；聚焦激光点a经过第二反射镜22的反射后成像为a2点；a1点再经过第二反射镜22反射成像为a12；a2点经过第一反射镜21反射成像为a21；以此类推。a点到第一反射镜21的角度为α，到第二反射镜22角度为β。可得a到a1角度为2α，a到a2角度为2β。要使目标光点等角度均布，应调整a点位置，使得α＝β，即聚集激光点a位于入射面4处反射镜狭缝2边缘夹角的角平分线上，此时所有目标光点的分布角度均为2α。
38.需要注意的是，并不是所有镜像点都会被准直镜3投影出来。其原因是，光线在反射镜狭缝2中传播时，可能并不存在某一镜像的真实路径，或者说：这个像点的光无法抵达反射镜狭缝2的出射光阑，因此出射激光在工作面上形成沿圆弧或半圆或整圆排布的目标光点阵列。
39.像点的可见性分析如下：激光在反射镜狭缝2的入射面4形成聚焦激光点a，抵达出
射面5时，已经过z轴方向的传播，扩散为光斑spa。spa的形状、位置，可由聚焦镜1的数值孔径na，激光光源的入射角度θ等参数计算得到，这里不再累述。系统的出射光阑与入射光阑相同，均为第一反射镜21与第二反射镜22的夹角。由于出射光阑限制，能真实实现的出射光为spa位于第一反射镜21与第二反射镜22夹角中间的部分。同理，镜像a12在出射面5上的光斑为spa12，由于a12与a为旋转对称，因此spa与spa12亦为旋转对称关系。a12能存在的出射光亦为spa12在第一反射镜21与第二反射镜22夹角中间的部分。进一步可画出spa21、spa1212、spa2121等，分析可得到：本实施例中，镜像a1212，a21212至a2121的光斑与第一反射镜21、第二反射镜22夹角并没有交集，因此这些镜像的光并不能从出射光阑中射出，因而不能被投影出来。系统最终的成像为在半圆弧上等角度分布的7个目标光点。若要使上述未出现的目标光点得以呈现，则应调整聚焦镜1的数值孔径na、激光光源的入射角度θ、反射镜狭缝2的狭缝长度l等参数，以调节出射面上的光斑spa的大小和位置。仅当spa的某一个镜像如spax，与出射光阑存在交集时，其所对应的光点ax才是可见的。本分析方法用于调整目标光点的可见性，使得系统按需要生成在圆弧、半圆和乃至整圆排布上的目标光点阵列。
40.本实施例中，所述反射镜狭缝2的两个平面反射镜为大小相同的矩形；两个所述平面反射镜均为镀铝反射镜；所述准直镜3的直径为25.4mm，50mm焦距的双胶合消色差透镜；所述聚焦镜1的直径为9mm，12mm焦距的非球面透镜；所述激光光源为100mw红色二极管激光器模块，激光光源输出为8mm直径的准直激光。
41.反射镜狭缝2的第一反射镜和第二反射镜均可以进行单独的精确调节，以调整反射镜狭缝2的夹角，而该夹角也决定了目标光点的分布角和目标光点的数量。采用本实施例的光学元件参数，最终系统实现了在20m距离上，投影出直径为5m的半圆上均布的目标光点，目标光点数量可从10个调节至50个，分布角从3.6度调节至18度。
42.实施例2
43.本实施例提出了一种激光点的生成方法，所述方法包括步骤：
44.s1、调整聚焦镜1的数值孔径na、激光光源的入射角度θ、反射镜狭缝2的狭缝长度l；
45.s2、启动激光光源发射准直激光；
46.s3、准直激光经过聚焦镜1得到聚焦激光点a，所述聚焦激光点a位于所述反射镜狭缝2的入射面4；
47.且所述聚焦激光点a位于入射面4处反射镜狭缝2边缘夹角的角平分线上；通过将聚焦激光点a设置在所述角平分线上，使工作面上的目标光点之间的间隔等角度均匀分布；
48.s4、所述聚焦激光点a的出射光线经过反射镜狭缝2的第一反射镜21及第二反射镜22反射，形成聚焦激光点a的若干个镜像；
49.所述聚焦激光点a的出射光线在反射镜狭缝2内经反射，形成聚焦激光点a的多个镜像，聚焦激光点a与所述多个镜像均以反射镜狭缝2夹角的顶点为圆心，形成圆形排列，具体地，多个镜像的形成过程为：
50.反射镜狭缝2由第一反射镜21和第二反射镜22组成；聚焦激光点a位于入射面4上；聚焦激光点a经过第一反射镜21的反射后成像为a1点；聚焦激光点a经过第二反射镜22的反射后成像为a2点；a1点再经过第二反射镜22反射成像为a12；a2点经过第一反射镜21反射成像为a21；以此类推。
51.s5、准直镜3对聚焦激光点a及其镜像同时进行成像，将聚焦激光点a投影到工作面上形成沿圆弧或半圆或整圆排布的目标光点阵列。
52.通过调节反射镜狭缝2的夹角，改变工作面上目标光点间隔的分布角。
53.本发明所述一种激光点的生成装置及生成方法，内部光学元件固定设置，设备工作时内部组件无需运动，机构简单可靠，对震动和温度不敏感，可以更好地适用于工业环境。
54.相同或相似的标号对应相同或相似的部件。
55.附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
56.显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。