專利名稱：單鏡光學(xué)掃描儀的制作方法
單鏡光學(xué)掃描儀技術(shù)領(lǐng)域
本公開涉及一種緊湊光學(xué)掃描儀，其具有單個移動鏡，該單個移動鏡被布置為以通過球形坐標(biāo)(方位角，傾角)給出的高精度將電磁束偏轉(zhuǎn)到空間中期望的方向。
背景技術(shù)：
通常，已知的用于在二維表面上掃描光束的掃描儀包括兩個鏡，其安裝為圍繞相互垂直的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而一個鏡沿著表面上的X軸掃描光束并且另一鏡沿著表面上的y 軸掃描光束。
具有單個移動鏡的掃描儀也是已知的，其中鏡被布置為圍繞兩個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。這樣的掃描儀的角偏轉(zhuǎn)的精度和范圍仍低于具有兩個鏡的掃描儀。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本公開的一個實施例，光學(xué)掃描儀設(shè)置有鏡，其被安裝為圍繞至少兩個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，以使入射在其上的電磁束被偏轉(zhuǎn)到由球坐標(biāo)(方位角，傾角)給出的空間中的期望的方向，每一個球坐標(biāo)可以在是例如90°寬的特定角度范圍內(nèi)變化。
掃描儀還可以包括第一致動器，用于圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)鏡；和第一驅(qū)動器，用于驅(qū)動第一致動器。
第一致動器可以是磁性致動器。
為了改進鏡的角位置的精度，掃描儀還可以包括第一角位置傳感器，用于感測圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸的鏡的角位置。
根據(jù)另一實施例，掃描儀還包括第二致動器，用于圍繞第二旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)鏡；和第二驅(qū)動器，用于驅(qū)動第二致動器。第二致動器可以是磁性致動器。
為了進一步改進鏡的角位置的精度，掃描儀包括第二角位置傳感器，用于感測圍繞第二旋轉(zhuǎn)軸的鏡的角位置。
角位置傳感器包括從例如包括傳感器線圈或者霍爾元件的磁性傳感器、光學(xué)傳感器和電容傳感器中選擇的至少一個。
根據(jù)另一實施例，掃描儀還包括控制器，用于控制第一和第二驅(qū)動器來驅(qū)動相應(yīng)的第一和第二磁性致動器以圍繞旋轉(zhuǎn)軸將鏡旋轉(zhuǎn)為相應(yīng)的特定角度。對于第一和第二磁性致動器中的每一個，控制器可以包括在閉合控制環(huán)路中，其中控制器從相應(yīng)的角位置傳感器接收帶有鏡的當(dāng)前角位置的度量的信號，并且控制磁性致動器的相應(yīng)驅(qū)動器以調(diào)整鏡的角位置直到來自各角位置傳感器的信號對應(yīng)于期望的位置。
各種安全系統(tǒng)也可以包括在掃描儀中，諸如監(jiān)視鏡的位置和例如來自鏡的背面的溫度反饋。
根據(jù)另一實施例，掃描儀還包括電子接口連接器，其連接到控制器以接收包含用于控制器的命令的電子信號，所述命令例如為指示期望的鏡的角位置(方位角，傾角)的命令，從而通過光學(xué)掃描儀輸出的電磁束可以響應(yīng)于通過電子接口連接器接收的作為電子信號的對應(yīng)的命令的序列來移動出期望的掃描圖案。
根據(jù)另一實施例，特定的命令指定掃描圖案的期望的持續(xù)時間，例如指定為在兩個命令的電磁束的角位置之間將經(jīng)過的時間。
根據(jù)本公開的又一方面，接口連接器被構(gòu)造為用于模擬信號的互連，對于所述模擬信號，特定電壓對應(yīng)于偏轉(zhuǎn)的電磁束的特定角度，例如可以命令方位角作為一個信號線的模擬電壓，并且可以命令傾斜角作為另一信號線的模擬電壓。
這樣，掃描儀可以接收適合于特定用途的模擬形式或者數(shù)字形式的命令，并且控制器可以控制通過掃描儀輸出的偏轉(zhuǎn)的電磁束以在特定的方位角和傾斜角范圍內(nèi)掃描任何任意掃描圖案。電磁束的強度可以或者可以不隨著掃描圖案變化。例如，電磁束可以在掃描的特定部分期間關(guān)閉。光學(xué)掃描儀可以包括為此目的的光閘?？梢酝ㄟ^控制器來控制該光閘。命令可以包括用于控制光閘的命令。
例如，輸出的電磁束可以經(jīng)過線性掃描圖案，在該線性掃描圖案中，通過輸出的電磁束照射的平面例如以交錯或者非交錯的方式從左到右逐行地經(jīng)過表面，其中在掃描的行之間或在蜿蜒圖案中可以或者可以不關(guān)閉電磁束。掃描圖案還可以包括但是不限于任意利薩如圖案、螺旋圖案以及圓形圖案。
優(yōu)選地，第一和第二旋轉(zhuǎn)軸基本上彼此垂直。或者，第一和第二旋轉(zhuǎn)軸可以彼此交叉。
優(yōu)選地，交叉點位于鏡的表面上，理想地位于鏡的表面的中心上。
根據(jù)另一實施例，掃描儀命令包括用于定位鏡以在球坐標(biāo)系中將電磁束偏轉(zhuǎn)到特定方向的命令。
根據(jù)本公開的另一方面，掃描儀還可以包括存儲器，其與控制器互連并且包含順序存儲的用于形成電磁束的掃描圖案集合的命令，并且其中，控制器被構(gòu)造為一旦接收到特定命令就從存儲器順序地讀取用于特定掃描圖案的命令，并且以電磁束在特定時間內(nèi)經(jīng)過期望的特定掃描圖案的方式順序地控制鏡的角位置。
特定時間可以是變化的并且可以由特定命令來設(shè)置。
根據(jù)又一實施例，光學(xué)掃描儀包括用于發(fā)射電磁束的源，例如但不限于固態(tài)激光器或者LED。控制器還可以被構(gòu)造用于控制該源?？刂破骺梢岳缈刂圃撛匆栽谔囟⊕呙鑸D案的掃描期間以變化的強度發(fā)射電磁束。例如，控制器可以被構(gòu)造為在掃描圖案的各部分期間關(guān)閉源。
根據(jù)本公開的另一實施例，光學(xué)掃描儀還包括用于與發(fā)射電磁束的源互連的光學(xué)連接器。
仍根據(jù)本公開的又一方面，光學(xué)掃描儀進一步包括聚焦透鏡，其定位在電磁束的傳播路徑中以將偏轉(zhuǎn)的電磁束聚焦在距光學(xué)掃描儀的特定距離處，例如在期望利用輸出的電磁束來掃描的表面處。
聚焦透鏡可以是可移動的，從而可以調(diào)整掃描儀和輸出的電磁束的焦點之間的距1 O
理想地，聚焦透鏡被安裝為與鏡一起旋轉(zhuǎn)，從而鏡和聚焦透鏡保持為相互固定的位置，而與鏡的當(dāng)前角位置無關(guān)，以用于改進偏轉(zhuǎn)的電磁束的聚焦。
鏡可以是拼接鏡，其用于將入射在其上的電磁束分成沿不同的單獨偏轉(zhuǎn)的傳播路徑傳播的多個偏轉(zhuǎn)的電磁束以增加表面的掃描速度。
根據(jù)本公開的又一實施例，光學(xué)掃描儀還包括光學(xué)傳感器，其感測從由偏轉(zhuǎn)的電磁束照射的表面接收的并且通過鏡偏轉(zhuǎn)到光學(xué)傳感器的電磁輻射。這樣，可以從由例如但不限于背散射輻射、反射輻射、熒光輻射、磷光輻射以及紅外輻射或者前述的組合的偏轉(zhuǎn)的電磁束掃描的表面來獲得反饋信號。
根據(jù)本公開的又一方面，控制器還被構(gòu)造為評估反饋信號，并且其還可以被構(gòu)造為響應(yīng)于評估的結(jié)果修改掃描圖案，例如，輸出的電磁束的強度。
電磁束可以是但不限于紅外光束或者可見光束。
使用單鏡用于電磁束的非平面偏轉(zhuǎn)具有很多優(yōu)點，諸如提供了短的總光學(xué)路徑、 非常短的從偏轉(zhuǎn)鏡到聚焦透鏡的距離、恒定的從旋轉(zhuǎn)點開始的路徑長度、減少的光學(xué)損耗、 當(dāng)與聚焦系統(tǒng)耦接時減少的束畸變、同一面中的束輸入和輸出、相同鏡尺寸情況下的更大的束路徑、放置聚焦系統(tǒng)的更靈活的選擇以及減小的物理尺寸。
在具有兩個鏡的掃描儀中，由于第一鏡的偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致第二鏡需要大于第一鏡，使得孔徑尺寸受到限制。在本掃描儀中避免了這一點。
同時，在具有兩個鏡的掃描儀中，兩個旋轉(zhuǎn)軸不交叉。這在兩個偏轉(zhuǎn)鏡之后使用聚焦透鏡時成為了問題。離旋轉(zhuǎn)軸的不等距離引起了聚焦束的不等并且增加的畸變。
而且，兩個鏡不能夠被放置得距離聚焦系統(tǒng)與一個鏡的系統(tǒng)一樣近，這產(chǎn)生了下述效果，具有兩個鏡的掃描儀表現(xiàn)出電磁束在聚焦透鏡上更大的位移。理想地，應(yīng)僅有角度在聚焦透鏡上變化。該位移使進入透鏡的束偏離中心，因此增加了畸變。
此外，兩個鏡將具有比一個鏡更高的損耗。
常規(guī)的單鏡掃描儀是基于壓電換能器，這導(dǎo)致更小的角度偏轉(zhuǎn)范圍和非閉合的環(huán)路控制。
優(yōu)選地，提供了一種將鏡、鏡致動器、反饋傳感器、驅(qū)動器、伺服控制器以及安全系統(tǒng)集成到一個單元中的非常緊湊的光學(xué)掃描儀。


當(dāng)結(jié)合附圖時，本公開的前述特征和優(yōu)點將更容易地理解，如從下面詳細描述的說明中更好地理解一樣，其中
圖1示意性地示出具有兩個鏡的常規(guī)光學(xué)掃描儀的基本操作原理；
圖2示意性地示出根據(jù)本公開的光學(xué)掃描儀的基本操作原理；
圖3是根據(jù)本公開的光學(xué)掃描儀的一部分的示意性透視圖4是根據(jù)本公開的光學(xué)掃描儀的另一部分的示意性透視圖5示意性地示出根據(jù)本公開的光學(xué)掃描儀的各電子部分；
圖6示意性地示出具有伺服控制環(huán)路的根據(jù)本公開的光學(xué)掃描儀的基本操作原理；
圖7示意性地示出在鏡和輸出之間具有和不具有聚焦透鏡的根據(jù)本公開的光學(xué)掃描儀的基本操作原理；
圖8示意性地示出具有安裝有鏡的聚焦透鏡的根據(jù)本公開的光學(xué)掃描儀的基本操作原理；
圖9示意性地示出在輸入和鏡之間具有聚焦透鏡的根據(jù)本公開的光學(xué)掃描儀的基本操作原理；
圖10示意性地示出具有拼接透鏡(segemented lens)的根據(jù)本公開的光學(xué)掃描儀的基本操作原理；以及
圖11示意性地示出包括檢測器的根據(jù)本公開的光學(xué)掃描儀的基本操作原理。
具體實施方式
在下面將參考其中示出本公開的示例性實施例的附圖更全面地描述本公開。附圖是示意性地的并且為了清楚起見而進行了簡化，并且附圖僅示出了理解本公開所需的細節(jié)，而省略了其它細節(jié)。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記用于相同或相應(yīng)的部分。
除了所示的實施例之外，本公開可以以不同的形式實施并且不應(yīng)該被理解為限于在此闡述的實施例。
在下面的描述中，闡述了特定的細節(jié)以便于提供各種公開的實施例的完全的理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解的是，可以在沒有這些特定細節(jié)中的一個或多個的情況下實施實施例，或者利用其它方法、組件、材料等等來實施。在其它情況下，沒有示出或者描述公知的結(jié)構(gòu)或者組件或者與光學(xué)掃描儀相關(guān)的結(jié)構(gòu)和組件，包括但不限于鏡和光源，以使得避免不必要地混淆實施例的描述。
除非另有描述，在如下說明書和權(quán)利要求中，單詞“包括”將被理解為開放式含義， 即包括但不限于。前述也適用于單詞“包含”和“具有”。
本說明書中提及的“一個實施例”或者“實施例”表示與實施例相關(guān)的描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或者特性被包括在至少一個實施例中。因此，在說明書中各處出現(xiàn)的表述“在一個實施例中”或者“在實施例中”未必指代同一實施例。此外，在一個或多個實施例中可以以任何適合的方式組合特定的特征、結(jié)構(gòu)或者特性。
以下描述用于僅使用一個鏡沿著兩個垂直的軸偏轉(zhuǎn)光束的裝置。通過圍繞公共旋轉(zhuǎn)點使鏡成角度來偏轉(zhuǎn)束。僅使用一個鏡來偏轉(zhuǎn)光束具有很多優(yōu)點，包括短的總光學(xué)路徑、 非常短的從偏轉(zhuǎn)鏡到聚焦透鏡的距離、恒定的從旋轉(zhuǎn)點開始的路徑長度、減少的光學(xué)損耗、 當(dāng)與聚焦系統(tǒng)耦接時減少的束畸變、同一面中的束輸入和輸出、相同鏡尺寸情況下的更大的束路徑、放置聚焦系統(tǒng)的更靈活的選擇以及減小的物理尺寸
傳統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)基于在光學(xué)路徑中順序放置的兩個電流計。一個電流計和鏡在一個軸中偏轉(zhuǎn)，并且另一電流計和第二鏡在第二軸中偏轉(zhuǎn)。該方法適用于很多應(yīng)用但是具有一些缺點。
由于第一鏡的偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致第二鏡需要大于第一鏡。這限制了射束孔徑(beam aperture)尺寸。
兩個軸將不共享公共旋轉(zhuǎn)點。這在兩個偏轉(zhuǎn)鏡之后使用聚焦透鏡時成為了問題。 離旋轉(zhuǎn)點的不等距離引起聚焦的束的不等且增加的畸變。
兩個鏡不能夠被放置為距離聚焦系統(tǒng)與一個鏡的系統(tǒng)一樣近，從而增加了聚焦透鏡上的平行移位。理想地，應(yīng)只有角度在聚焦透鏡上變化。平行移位使進入透鏡的束偏離中心，因此增加了畸變。
兩個鏡將具有比一個鏡更高的損耗。
已經(jīng)存在具有一個鏡的束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，但是這些系統(tǒng)基于壓電技術(shù)，并且提供了更小的角度偏轉(zhuǎn)和非閉合的環(huán)路控制。
該裝置使用磁性馬達來在入射束的軸中旋轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)鏡。該系統(tǒng)隨后被安裝在圍繞垂直于第一軸的軸旋轉(zhuǎn)第一系統(tǒng)和鏡的第二系統(tǒng)上。這使得兩個軸堆疊并且他們能夠在兩個軸上偏轉(zhuǎn)束，同時每個旋轉(zhuǎn)軸在鏡表面通過鏡的中心。
每個軸具有反饋系統(tǒng)以確定鏡的旋轉(zhuǎn)位置。該系統(tǒng)能夠以各種方式實施。一種實施是作為磁性反饋系統(tǒng)-該系統(tǒng)固有地對光學(xué)擾動免疫，這在偏轉(zhuǎn)高功率光學(xué)束時是有利的。另一種實施可以是光學(xué)反饋系統(tǒng)或電容。每種系統(tǒng)具有優(yōu)點和缺點。在該裝置中，由于缺少對于光學(xué)輻射的敏感性而選擇磁性系統(tǒng)。
在基于雙軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的傳統(tǒng)電流計中，每個電流計必須具有放大控制信號的驅(qū)動器和產(chǎn)生驅(qū)動器信號并且從閉合環(huán)路位置傳感器接收反饋的控制器。
這些驅(qū)動器和控制器是添加到完整系統(tǒng)大部分的正常分離的單元。在這里示出的裝置中，伺服控制器和磁性電機的驅(qū)動器被內(nèi)置在單元中。這意味著整個偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)是完全自包含的和非常緊湊的。各種安全系統(tǒng)也被內(nèi)置在單元中，諸如監(jiān)視鏡位置和從偏轉(zhuǎn)鏡的后側(cè)反饋的溫度。
該設(shè)計是非常獨特的，這是因為其傳統(tǒng)上已經(jīng)非常難以利用鏡中心中的公共基準(zhǔn)點實現(xiàn)鏡的二維角度調(diào)整。
需要克服的另一重要的問題在于一個軸將產(chǎn)生是另一軸的函數(shù)的束角偏移。該影響通過使用實時地計算產(chǎn)生線性移動所需的補償?shù)募煽刂破鱽淼窒?br> 對于單鏡偏轉(zhuǎn)(deflector)，通過第一軸移動用于第二軸的電機。重要的是，在該第二電機中減少機械慣性，從而能夠?qū)崿F(xiàn)鏡的不到一毫秒的從點到點的快速移動。這已經(jīng)通過將移動塊的大部分移動到旋轉(zhuǎn)的中心從而降低旋轉(zhuǎn)塊所需的力來實現(xiàn)。
該緊湊單鏡設(shè)計使得在醫(yī)療手持裝置中實現(xiàn)新應(yīng)用。由于結(jié)合大孔徑的非常短的光學(xué)路徑，因此與傳統(tǒng)的兩鏡設(shè)計相比能夠獲得更小的光點尺寸。
另一應(yīng)用是手持標(biāo)記裝置，其能夠利用電池進行操作并且特征在于引向待標(biāo)記表面的內(nèi)置激光。
圖1示意性地示出了具有兩鏡的常規(guī)光學(xué)掃描儀的基本操作原理。電磁束1入射在第一鏡3上，其中，該第一鏡3被安裝為圍繞垂直于圖的平面并且在示出的入射點9處與鏡相交的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。在鏡3的反射之后，束1朝向第二鏡5傳播并且進一步朝向待掃描的目標(biāo)表面7傳播，其中，該第二鏡5被安裝為圍繞圖的平面中沿著示出的用于反射的第二鏡5的截面延伸的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。應(yīng)注意的是，在第二鏡5被保持在固定位置的情況下，束1 通過第一鏡3的旋轉(zhuǎn)沿著平行于X的線被掃描。同樣，在第一鏡3保持在固定位置的情況下，束1通過第二鏡5的旋轉(zhuǎn)沿著平行于Y的線被掃描。
圖1主要用于揭示與具有兩個鏡的常規(guī)光學(xué)掃描儀相關(guān)的各種問題，諸如(a)由于第一鏡的偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致第二鏡需要大于第一鏡，從而限制了孔徑尺寸；(b)兩個旋轉(zhuǎn)軸不交叉，導(dǎo)致到可能的聚焦透鏡的不等距離，這又導(dǎo)致了聚焦的束的不等且增加的畸變；以及 (c)兩個鏡不能夠被放置為距離聚焦系統(tǒng)與在單鏡掃描儀中一樣近，從而增加了跨聚焦透鏡的平行移位位移。理想地，應(yīng)只有入射角度會變化。平行移位使進入透鏡的束偏離中心， 因此增加了畸變；兩個鏡具有比一個鏡更高的損耗。
通常，本公開涉及一種具有光學(xué)掃描儀的裝置，光學(xué)掃描儀被構(gòu)造為包括鏡、圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸來旋轉(zhuǎn)鏡的第一致動器、感測圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸的鏡的角位置的第一角位置傳感器、圍繞第二旋轉(zhuǎn)軸來旋轉(zhuǎn)鏡的第二致動器以及感測圍繞第二旋轉(zhuǎn)軸的鏡的角位置的第二角位置傳感器。裝置還包括控制器，其耦接到第一和第二驅(qū)動器并且構(gòu)造為驅(qū)動相應(yīng)的第一和第二致動器以將鏡圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)到如相應(yīng)的第一和第二角位置傳感器感測的相應(yīng)的特定角度。
圖2示意性地示出根據(jù)本公開的光學(xué)掃描儀的基本操作原理。電磁束1入射鏡13 上，其中，該鏡13被安裝為圍繞垂直于圖的平面延伸并且在示出的入射點15處與鏡相交的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。此外，鏡13被安裝為圍繞圖的平面中沿著示出的鏡13的截面延伸的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，用于反射并朝著待掃描的目標(biāo)表面7進一步傳播；并且因此，示出的入射點15構(gòu)成了鏡13的樞轉(zhuǎn)點，其為當(dāng)鏡13旋轉(zhuǎn)時保持固定的鏡表面的唯一的點。應(yīng)注意的是，當(dāng)鏡13 不圍繞在圖的平面中延伸的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，束1通過圍繞垂直于圖的平面延伸的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而沿著與X平行的線被掃描。同樣，當(dāng)鏡13不圍繞垂直于圖延伸的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時；電磁束1通過圍繞在圖的平面中延伸的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而沿著與Y平行的線被掃描。
通過適當(dāng)?shù)乜刂茋@每個旋轉(zhuǎn)軸的角旋轉(zhuǎn)的量，可以通過目標(biāo)表面7上輸出的電磁束繪制任意掃描圖案。僅由相對于每個旋轉(zhuǎn)軸的角位置的精度和實際角分辨率來限制， 就可以通過電磁束1照射目標(biāo)表面7上的任一點，并且電磁束可以根據(jù)掃描儀的用戶的需要從目標(biāo)表面上的任一點移動到目標(biāo)表面上的任意其它點，并且因此，可以利用電磁束1 在目標(biāo)表面7上繪制任意掃描圖案。
圖3是更詳細地示出光學(xué)掃描儀的一部分的示意性透視圖。驅(qū)動線圈17與相應(yīng)的磁體19協(xié)作，用于圍繞基本上平行于入射的電磁束1延伸的第一旋轉(zhuǎn)軸6來旋轉(zhuǎn)鏡13， 即圍繞幾乎藏在反饋磁體23下面鏡13后面的軸承來旋轉(zhuǎn)鏡13。軸承21表示基本上垂直于第一旋轉(zhuǎn)軸延伸的第二旋轉(zhuǎn)軸4?；魻栐?5與反饋磁體23協(xié)作以將與第一旋轉(zhuǎn)軸相關(guān)的鏡的實際角位置信發(fā)信號給圖5中所示的控制器35。
圖4是更詳細地示出光學(xué)掃描儀的略微不同的部分的示意性透視圖。驅(qū)動線圈四與磁體27協(xié)作以與用于圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸6來旋轉(zhuǎn)鏡13的圖3中示出的磁體和驅(qū)動線圈的操作類似的方式圍繞基本上垂直于入射電磁束1(圖3中示出)延伸的第二旋轉(zhuǎn)軸4(圖3 中示出)來旋轉(zhuǎn)鏡。
圖5示意性地示出根據(jù)本公開的光學(xué)掃描儀的各電子、機械和光學(xué)部分。示出的掃描儀是非常緊湊的光學(xué)掃描儀，其中鏡13、第一和第二致動器17和四、反饋傳感器25和 41、驅(qū)動器37、伺服控制器35和安全系統(tǒng)39被集成到封閉在單個殼體31中的單元中。如圖3和圖4中所示，鏡13被安裝為圍繞兩個相互垂直的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而入射在其上的諸如光或者紅外束的電磁束能夠在由球坐標(biāo)(方位角，傾角)給出的空間中被偏轉(zhuǎn)到期望的方向，每個球坐標(biāo)可以在例如為90°寬的特定角范圍內(nèi)變化。光學(xué)掃描儀可以例如用于掃描利用由掃描儀輸出的偏轉(zhuǎn)電磁束來掃描目標(biāo)表面7。通過適當(dāng)?shù)乜刂茋@每個旋轉(zhuǎn)軸的角旋轉(zhuǎn)的量，可以通過目標(biāo)表面7上輸出的電磁束繪制任意掃描圖案。僅由相對于每個旋轉(zhuǎn)軸的鏡13的角位置的精度和實際角分辨率來限制，就可以通過電磁束1照射目標(biāo)表面7 上的任一點，并且電磁束可以根據(jù)掃描儀的用戶的需要從目標(biāo)表面上的任一點移動到目標(biāo)表面上的任意其它點，并且因此，可以利用電磁束1在目標(biāo)表面7上繪制任意掃描圖案。
用戶通過電子接口 33控制掃描圖案，通過該電子接口 33，電子信號被發(fā)送到控制器35，該電子信號包含鏡的下一角位置以及從而通過輸出的電磁束照射的目標(biāo)表面7上的點的位置。電子信號還可以包含指定用于在接連的角位置之間移動鏡的時間的時間值?？刂破?5還可以包括用于存儲各種預(yù)定掃描圖案作為鏡13的預(yù)定角位置的序列的存儲器。 每個存儲的掃描圖案可以由控制器在接收到特定命令時執(zhí)行。該特定命令可以包括指定例如關(guān)注的掃描圖案的持續(xù)時間的時間值。在光學(xué)掃描儀包括例如但是不限于固態(tài)激光器或者LED的電磁輻射源的情況下，控制器還可以被構(gòu)造為用于控制源，例如由源發(fā)射的電磁束的強度，例如控制器可以在掃描期間打開或者關(guān)閉源，從而例如生成目標(biāo)表面7上的點的掃描圖案。
在電磁輻射源位于掃描儀的殼體的外部的情況下，控制器可以通過電子接口輸出控制信號，用于以與對包括在掃描儀中的源所述的相同的方式控制外部源。掃描儀還可以包括由控制器控制的光閘(未示出)以在掃描期間打開和關(guān)閉輸出的電磁束。如前所述，包括存儲的掃描圖案在內(nèi)的掃描圖案可以包括但是不限于可以是交錯或者非交錯的，并且可以在同一方向或者相反方向上連續(xù)地或者以另外的順序或者隨機地掃描的逐行掃描圖案、 圓形掃描圖案、多邊形掃描圖案或者螺旋掃描圖案或者上述中的兩種或者更多的組合進行掃描。
還如圖3和圖4中所示，光學(xué)掃描儀具有第一和第二磁性致動器，其包括通過由控制器35控制的相應(yīng)驅(qū)動器37驅(qū)動的驅(qū)動器線圈17和四。驅(qū)動器線圈17和四通過相應(yīng)的驅(qū)動器產(chǎn)生使驅(qū)動電流穿過他們的磁場，并且他們的磁場與位置接近于驅(qū)動器線圈17 和四的磁體的磁場相互作用，從而他們的相互位置能夠通過控制器35的控制來進行調(diào)整。 這樣，第一驅(qū)動器線圈運行以圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸來旋轉(zhuǎn)鏡13，并且第二驅(qū)動器線圈運行以圍繞與第一旋轉(zhuǎn)軸垂直并且在示出的光學(xué)掃描儀中的鏡13的表面的中心處與第一旋轉(zhuǎn)軸相交的第二旋轉(zhuǎn)軸來旋轉(zhuǎn)鏡13。
示出的光學(xué)掃描儀還具有鏡位置反饋傳感器25和41，即霍爾元件傳感器，每個傳感器感測關(guān)注的霍爾元件傳感器處的磁場的大小并且將對應(yīng)的傳感器信號輸出到控制器 35，從而能夠通過控制器35確定霍爾元件傳感器的當(dāng)前位置，以使控制器能夠用作如圖6 中進一步示出的伺服控制器，以將鏡13與每個旋轉(zhuǎn)軸相關(guān)的角位置調(diào)整為等于通過電子接口 33電子接收到的或者存儲在控制器35的掃描存儲器中的期望的角位置(方位角，傾角)。這樣，控制器35非常精確地控制鏡13的角位置。安全系統(tǒng)39可以包括監(jiān)視鏡位置和在鏡13背面感測的鏡溫度。
接口連接器還可以被構(gòu)造為用于模擬信號的互連，對于模擬信號，特定電壓對應(yīng)于偏轉(zhuǎn)的電磁束的特定角度，例如方位角可以被命令為一個信號線的模擬電壓，而傾斜角可以被命令為另一信號線的模擬電壓。這樣，掃描儀可以接收適合于特定用途的模擬形式或者數(shù)字形式的命令，并且控制器可以控制由掃描儀輸出的偏轉(zhuǎn)的電磁束以在特定方位角和傾斜角范圍內(nèi)掃描任何任意的掃描圖案。
圖7-9示意性地示出在電磁束的傳播路徑中具有聚焦透鏡的圖2-6中所示的光學(xué)掃描儀的基本操作原理。
圖7的左側(cè)部分示出不具有聚焦透鏡的光學(xué)掃描儀，其可以用于例如離掃描儀較大距離處的目標(biāo)表面7的掃描，并且圖7的右側(cè)部分示出了具有位于聚焦透鏡45的光學(xué)掃描儀，該聚焦透鏡45位于圖2-6中所示的光學(xué)掃描儀的電磁束的傳播路徑中以將離光學(xué)掃描儀特定距離處的偏轉(zhuǎn)的電磁束聚焦在例如想要利用輸出的電磁束來被掃描的目標(biāo)表面。 聚焦透鏡可以是可移動的，從而可以調(diào)整掃描儀和輸出的電磁束的焦點之間的距離。
圖8示出聚焦透鏡45，其被安裝為與鏡13 —起旋轉(zhuǎn)，從而鏡13和聚焦透鏡45被保持在相互固定的位置而與鏡13的當(dāng)前角位置無關(guān)，用于以增加移動鏡組件的重量為代價的偏轉(zhuǎn)的電磁束的改進聚焦。
圖9示出聚焦透鏡45，其被安裝在輸入和鏡之間，從而以增加從透鏡45到目標(biāo)表面的距離為代價消除了由于束在透鏡表面上的移動導(dǎo)致的光學(xué)畸變。聚焦透鏡45可以是可移動的，從而可以調(diào)整掃描儀和輸出的電磁束的焦點之間的距離。
圖10示意性地示出圖2-9中示出的光學(xué)掃描儀的基本操作原理，其中，鏡47是拼接鏡，其用于將入射在其上的電磁束分為沿著不同單獨偏轉(zhuǎn)的傳播路徑傳播的多個偏轉(zhuǎn)的電磁束49，以增加表面的掃描速度，這是因為掃描圖案的各種部分被同時掃描。
圖11示意性地示出了圖2-10中所示的光學(xué)掃描儀的基本操作原理，其進一步包括光學(xué)傳感器53，它用于感測從通過偏轉(zhuǎn)的電磁束照射的表面7接收的并且通過鏡偏轉(zhuǎn)到光學(xué)傳感器的電磁輻射。這樣，可以從通過例如但不限于背散射輻射、反射輻射、熒光輻射、 磷光輻射或紅外輻射、或者前述中的兩種或更多種的組合的偏轉(zhuǎn)的電磁束所掃描的表面來獲得反饋信號。在示出的光學(xué)掃描儀中，控制器還被構(gòu)造為用于評估反饋信號，并且響應(yīng)于執(zhí)行的評估結(jié)果修改掃描圖案，例如，輸出的電磁束的強度。
使用單鏡用于電磁束的非平面偏轉(zhuǎn)具有很多優(yōu)點，諸如短的總光學(xué)路徑、非常短的從偏轉(zhuǎn)鏡到聚焦透鏡的距離、恒定的從旋轉(zhuǎn)點開始的路徑長度、減少的光學(xué)損耗、當(dāng)與聚焦系統(tǒng)耦接時減少的束畸變、同一面中的束輸入和輸出、相同鏡尺寸情況下的更大的束路徑、放置聚焦系統(tǒng)的更靈活的選擇以及減小的物理尺寸。
盡管已經(jīng)結(jié)合特定實施例描述了本公開，但是本公開不應(yīng)被理解為在任何方面限于示出的示例。
如從前述中容易理解的，該獨特的設(shè)計通過使用在鏡表面處圍繞公共基準(zhǔn)點樞轉(zhuǎn)的單鏡打破了使兩個分離的電流計用于二維掃描的傳統(tǒng)。
該新的單元通過將外部控制器和驅(qū)動器集成到小的立方體內(nèi)而完全消除了對于外部控制器和驅(qū)動器的需要，在一個具有Ixlxl英寸的尺寸的實施例中，其由單個5V電源供電以便于使用。掃描儀具有用于掃描圖案的內(nèi)置存儲器并且能夠完全獨立地進行操作或者能夠經(jīng)由SPI串行命令鏈接到主機處理器，以進行完全和靈活的控制。通過消除對于大的和復(fù)雜的驅(qū)動器系統(tǒng)的需要，掃描儀通常在掃描期間使用小于IW的功率。
掃描儀單元被設(shè)計為在醫(yī)療手持裝置、診斷裝備、各種工業(yè)使用以及要求光學(xué)束的偏轉(zhuǎn)的很多其它應(yīng)用中使用。掃描儀能夠執(zhí)行多達每秒500點的二維點移動，以快速地暴露具有離散點的圖案，或者能夠執(zhí)行連續(xù)的移動以產(chǎn)生任何所需要的形狀。
光學(xué)布局通過將光學(xué)束保持為非常短并且在單個平面內(nèi)來極大地簡化了手持件的設(shè)計，這與常規(guī)的掃描儀結(jié)構(gòu)不同。還通過僅具有單鏡而改進了光傳輸。
掃描儀單元對于雜散光學(xué)輻射完全不敏感，并且具有掃描鏡和多個內(nèi)置安全系統(tǒng)的閉合環(huán)路控制，諸如用于掃描儀狀態(tài)指示的板上診斷LED、過溫保護、正確鏡位置檢測以及鏡故障檢測。11
該單元在成本上顯著低于作為對比的具有外部驅(qū)動器和控制器的基于電流計的系統(tǒng)，并且不要求任何校準(zhǔn)或者調(diào)整。
在一個實施例中，掃描儀被提供有寬帶涂層鏡以用于在幾乎任何波長的光的情況下使用，但是能夠裝配有用于非常高功率的操作或者其它特定要求的定制的鏡。
可以使用開發(fā)套件，其特征在于用于將設(shè)計圖案和將圖案下載到掃描儀中的基于 PC的軟件應(yīng)用程序和編程硬件。套件能夠用作開始與掃描儀集成的快速方式以及一旦集成完成用于編程和測試的產(chǎn)品支持系統(tǒng)。套件與激光源、聚焦透鏡、光源和演示圖案和文檔配套提供。
通過所附權(quán)利要求闡述本公開的范圍。在權(quán)利要求中，術(shù)語“包括”或“包含”不排除其它可能的元件或者步驟。而且，單數(shù)形式的術(shù)語不應(yīng)該被理解為排除復(fù)數(shù)形式。與在附圖中表示的元件相關(guān)的在權(quán)利要求中使用的附圖標(biāo)記也不應(yīng)該被理解為限制本公開的范圍。此外，在不同權(quán)利要求中提及的單獨的特征可以被有利地進行組合，并且在不同權(quán)利要求中提及的這些特征不排除不可能和有利的特征的組合。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)掃描儀，包括鏡，被安裝為圍繞至少兩個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)； 第一致動器，圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)所述鏡； 第一驅(qū)動器，驅(qū)動所述第一致動器；第一角位置傳感器，感測圍繞所述第一旋轉(zhuǎn)軸的所述鏡的角位置； 第二致動器，圍繞第二旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)所述鏡； 第二驅(qū)動器，驅(qū)動所述第二致動器；第二角位置傳感器，感測圍繞所述第二旋轉(zhuǎn)軸的所述鏡的角位置； 控制器，耦接到所述第一和所述第二驅(qū)動器并且被構(gòu)造為驅(qū)動所述相應(yīng)的第一和第二致動器以將所述鏡圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)到如所述相應(yīng)的第一和第二角位置傳感器感測的相應(yīng)的特定角度；以及電子接口連接器，耦接到所述控制器以接收用于控制所述第一和第二驅(qū)動器的電子信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)掃描儀，其中所述第一和第二旋轉(zhuǎn)軸基本上彼此垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)掃描儀，其中所述第一和第二旋轉(zhuǎn)軸彼此交叉。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)掃描儀，其中交叉點基本上位于所述鏡的表面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)掃描儀，其中所述交叉點基本上位于所述鏡的表面的中心上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)掃描儀，其中電子信號包括命令，所述命令包括用于將所述鏡定位為將入射在其上的電磁束偏轉(zhuǎn)到球坐標(biāo)系統(tǒng)中特定方向的命令。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)掃描儀，還包括存儲器，所述存儲器與所述控制器互連并且適于存儲掃描圖案集合，并且其中，一旦經(jīng)由所述電子信號接收到特定命令，控制器從所述存儲器讀取特定掃描圖案并以入射在所述鏡上的電磁束在特定時間內(nèi)經(jīng)過所述特定掃描圖案的方式順序地控制所述鏡的角位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)掃描儀，其中所述特定時間是可變的并且由特定時間命令設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)掃描儀，還包括用于發(fā)射電磁束的源。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)掃描儀，還包括光學(xué)連接器，所述光學(xué)連接器用于與發(fā)射電磁束的源互連。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)掃描儀，還包括聚焦透鏡，所述聚焦透鏡位于電磁束的傳播路徑中，以將所述電磁束聚焦在距所述光學(xué)掃描儀的特定距離處。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)掃描儀，其中，所述聚焦透鏡是可移動的。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)掃描儀，其中，所述聚焦透鏡被安裝為與所述鏡一起旋轉(zhuǎn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)掃描儀，其中，所述鏡包括拼接鏡，所述拼接鏡用于將入射在其上的電磁束分為沿著不同單獨偏轉(zhuǎn)的傳播路徑傳播的多個偏轉(zhuǎn)的電磁束。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)掃描儀，還包括光學(xué)傳感器，所述光學(xué)傳感器用于感測從通過所述掃描儀照射的表面接收的并且通過所述鏡偏轉(zhuǎn)到所述光學(xué)傳感器中的電磁輻射。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)掃描儀，其中，所述鏡偏轉(zhuǎn)紅外光。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)掃描儀，其中，所述鏡偏轉(zhuǎn)可見光束。
18.一種裝置，包括光學(xué)掃描儀，所述光學(xué)掃描儀包括 鏡；第一致動器，圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)所述鏡；第一角位置傳感器，感測圍繞所述第一旋轉(zhuǎn)軸的所述鏡的角位置；第二致動器，圍繞第二旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)所述鏡；第二角位置傳感器，感測圍繞所述第二旋轉(zhuǎn)軸的所述鏡的角位置；以及控制器，耦接到所述第一和第二驅(qū)動器并且被構(gòu)造為驅(qū)動所述相應(yīng)的第一和第二致動器以將所述鏡圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)到如所述相應(yīng)的第一和第二角位置傳感器感測的相應(yīng)的特定角度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述第一和第二旋轉(zhuǎn)軸在所述鏡的表面上的交叉點處彼此交叉。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，還包括存儲器，所述存儲器與所述控制器互連并且適于存儲掃描圖案集合，并且其中，一旦經(jīng)由電子信號接收到特定命令，所述控制器從所述存儲器讀取特定掃描圖案并以入射在所述鏡上的電磁束在特定時間內(nèi)經(jīng)過所述特定掃描圖案的方式順序地控制所述鏡的角位置。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，還包括聚焦透鏡，所述聚焦透鏡位于電磁束的傳播路徑中，以將所述電磁束聚焦在距所述光學(xué)掃描儀的特定距離處。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中，所述鏡包括拼接鏡，所述拼接鏡用于將入射在其上的電磁束分為沿著不同單獨偏轉(zhuǎn)的傳播路徑傳播的多個偏轉(zhuǎn)的電磁束。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有光學(xué)掃描儀的裝置，該光學(xué)掃描儀被構(gòu)造為包括鏡、圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸來旋轉(zhuǎn)鏡的第一致動器、感測圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸的鏡的角位置的第一角位置傳感器、圍繞第二旋轉(zhuǎn)軸來旋轉(zhuǎn)鏡的第二致動器、感測圍繞第二旋轉(zhuǎn)軸的鏡的角位置的第二角位置傳感器以及控制器，其耦接到第一和第二驅(qū)動器并且被構(gòu)造為驅(qū)動相應(yīng)的第一和第二致動器以將鏡圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)到如相應(yīng)的第一和第二角位置傳感器感測的相應(yīng)的特定角位置。
文檔編號G02B26/10GK102483519SQ201080031684
公開日2012年5月30日 申請日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月29日
發(fā)明者卡斯伯·多勒瑞斯, 比亞爾尼·阿薩 申請人:因特西蒂創(chuàng)新公司