一种光学透镜扫描装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种光学透镜扫描装置。

背景技术

目前的光学扫描装置主要有多面棱镜扫描器、声光扫描器、电光扫描器、振镜扫描器、双锲形棱镜扫描器等，其中，在激光打印机、激光雷达、投影仪、车载HUD、红外探测传感器等领域中，使用最为成熟、最为广泛的是多面棱镜旋转扫描器、振镜扫描、双锲形棱镜扫描器，然而，这几类扫描器都存在难以克服的缺点。

多面棱镜扫描器的扫描频率和扫描角度之间相互制约，即当提高扫描频率时必然导致扫描角度的减小；多面体棱镜需要通过高速马达带动以实现高速旋转；另外，高速马达的使用还会造成扫描器体积大，这和小型化低成本的设计趋势不符，且高速马达通常寿命较短。

振镜技术则由于其需要镜面围绕旋转轴反复震动，而轴多采用硅材料，在高速震荡长时间工作后容易出现材料疲劳，性能会下降，因此很难通过车规级的认证。

为了得到高质量高可靠性大扫描范围的光束操控，也有人采用双锲形棱镜旋转来操控光束，但是双锲棱镜旋转需要定制轴承和电机，体积大，重量重，成本高，这也和高性能要求，小型化设计，低成本的商业化目标相背，因此目前只有在军工业中被采用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光学透镜扫描装置，其结构简单稳定且成本低廉，可摆脱对于进口高速马达的依赖，而且，其扫描频率和扫描角度大可同时达到较高水平。

为解决上述技术问题，发明所采用的技术方案是提供一种光学透镜扫描装置，所述光学透镜扫描装置包括由N个聚光透镜构成的第一透镜阵列、由M 个散光透镜构成的第二透镜阵列和驱动组件，其中，N和M均为正整数；所述第一透镜阵列中的N个聚光透镜的中心分布在第一平面内，所述第二透镜阵列中的M个散光透镜的中心分布在第二平面内，所述第二平面平行于所述第一平面；所述驱动组件与所述第二透镜阵列连接，用于带动所述第二透镜阵列相对所述第一透镜阵列在所述第二平面上做直线往复运动；所述第二透镜阵列的往复运动的幅度大于等于一个所述散光透镜的直径；所述第二透镜阵列在所述第二平面上做直线往复运动的过程中所扫过的区域在所述第一平面上的正投影覆盖所述第一透镜阵列。通过采用上述技术方案的光学透镜扫描装置，将光源和第二透镜阵列分别布置在第一透镜阵列的左侧和右侧，光源发出的光线经第一透镜阵列的聚光透镜折射后照射到第二透镜阵列的散光透镜，通过驱动组件驱动第二透镜阵列做直线往复运动，可改变自第二透镜阵列的散光透镜射出的光线的路径，由此实现扫描。将所述散光透镜的直径记为D，可以理解的是，第二透镜阵列每移动一个D即完成一次完整的扫描，那么只要增加所述第二透镜阵列的往复运动的幅度，即可提高所述光学透镜扫描装置扫描频率。将聚光透镜与散光透镜的焦距分别记为f1和f2，可以理解的是，若散光透镜相对于聚光透镜产生位移△X，由几何光学原理可得出出射光束偏转角为：

本发明提供的光学透镜扫描装置中，所述第一透镜阵列中的N个聚光透镜的中心的连线为沿第一方向延伸的第一直线，所述第二透镜阵列中的M个散光透镜的中心的连线为沿第二方向延伸的第二直线上，所述第一方向与所述第二方向平行；所述驱动组件用于带动所述第二透镜阵列相对所述第一透镜阵列平行于所述第一直线做直线往复运动。

本发明提供的光学透镜扫描装置中，所述第一直线、所述第二直线和至少一个所述聚光透镜的主轴共面。

本发明提供的光学透镜扫描装置中，所述第一直线与所述第二直线异面，且所述第二直线与至少一个所述聚光透镜的主轴相交。

本发明提供的光学透镜扫描装置中，所述第一透镜阵列中的N个聚光透镜的中心的连线为沿第一方向延伸的第一直线，所述第二透镜阵列中的M个散光透镜的中心的连线为周期曲折线。

本发明提供的光学透镜扫描装置中，中心在所述周期曲折线的波峰或波谷上的所述散光透镜在所述第一平面上的正投影与至少一个所述聚光透镜具有延伸方向与所述第二透镜阵列的移动方向一致的公切线。

本发明提供的光学透镜扫描装置中，所述聚光透镜为具有聚光效果的梯度折射率透镜，所述散光透镜为具有散光效果的梯度折射率透镜。

本发明提供的光学透镜扫描装置中，M的取值大于N的取值。

本发明提供的光学透镜扫描装置中，所述光学透镜扫描装置包括多个所述第一透镜阵列，多个所述第一透镜阵列并排叠加在一起。

本发明提供的光学透镜扫描装置中，所述光学透镜扫描装置包括多个所述第二透镜阵列，多个所述第二透镜阵列并排叠加在一起。

本发明提供的光学透镜扫描装置中，所述光学透镜扫描装置还包括由M 个光路变向器构成的第三透镜阵列；所述驱动组件与所述第三透镜阵列连接，用于带动所述第二透镜阵列和所述第三透镜阵列同步的相对所述第一透镜阵列在所述第二平面上做直线往复运动。

本发明提供的光学透镜扫描装置中，所述第一透镜阵列中的N个聚光透镜的中心的连线为沿第一方向延伸的第一直线，所述第二透镜阵列中的M个散光透镜的中心的连线为沿第二方向延伸的第二直线上，所述第一方向与所述第二方向平行；所述第一直线、所述第二直线和至少一个所述聚光透镜的主轴共面；所述第三透镜阵列中的M个光路变向器的中心的连线为周期曲折线。

本发明提供的光学透镜扫描装置中，所述光路变向器在所述第二平面上的正投影为长方形。本实施例中，中心在所述周期曲折线的波峰或波谷上的所述光路变向器在所述第二平面上的正投影的侧边与至少一个所述散光透镜的侧边重叠。

实施本发明的光学透镜扫描装置至少可以达到以下有益效果：所述光学透镜扫描装置包括由N个聚光透镜构成的第一透镜阵列、由M个散光透镜构成的第二透镜阵列和驱动组件，其中，N和M均为正整数；所述第一透镜阵列中的N个聚光透镜的中心分布在第一平面内，所述第二透镜阵列中的M个散光透镜的中心分布在第二平面内，所述第二平面平行于所述第一平面；所述驱动组件与所述第二透镜阵列连接，用于带动所述第二透镜阵列相对所述第一透镜阵列在所述第二平面上做直线往复运动；所述第二透镜阵列的往复运动的幅度大于等于一个所述散光透镜的直径；所述第二透镜阵列在所述第二平面上做直线往复运动的过程中所扫过的区域在所述第一平面上的正投影覆盖所述第一透镜阵列。所述光学透镜扫描装置具有结构简单稳定且成本低廉的优点，而且，所述光学透镜扫描装置可摆脱对于进口高速马达的依赖，只需通过改变第二透镜阵列的振幅以及散光透镜的焦距即可使得其扫描频率和扫描角度同时达到业内较高水平。

附图说明

为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1实施例一提供的光学透镜扫描装置的结构示意图；

图2实施例一提供的驱动组件的正视示意图；

图3a至图3c示出了本实施例一提供的光学透镜扫描装置的扫描原理；

图4为实施例二提供的光学透镜扫描装置的结构示意图；

图5为实施例三提供的光学透镜扫描装置的结构示意图；

图6为实施例四提供的光学透镜扫描装置中，所述第二透镜阵列在所述第一平面上的正投影与所述第一透镜阵列的位置关系示意图；

图7为实施例四提供的驱动组件的正视示意图；

图8为实施例五提供的驱动组件的正视示意图；

图9为实施例五提供的光学透镜扫描装置中，所述第二透镜阵列在所述第一平面上的正投影与所述第一透镜阵列的位置关系示意图；

图10实施例六提供的光学透镜扫描装置的结构示意图；

图11实施例六提供的光学透镜扫描装置中，所述第三透镜阵列在所述第二平面上的正投影与所述第二透镜阵列的位置关系示意图；

图12a至图12c中分别示出了三组相对应的散光透镜和光路变向器的位置关系示意图；

图13a至图13c分别示出了光线经过图12a至图12c中的对应的散光透镜和光路变向器的光路示意图。

具体实施方式中的附图标号说明：

具体实施方式

为了便于理解发明，下面将参照相关附图对发明进行更全面的描述。附图中给出了发明的典型实施例。但是，发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制发明。

本实施例提供了一种光学透镜扫描装置。参见图1，图1为本实施例提供的光学透镜扫描装置的结构示意图，如图1所示，所述光学透镜扫描装置包括由N个聚光透镜201构成的第一透镜阵列200、由M个散光透镜301构成的第二透镜阵列300和驱动组件400，其中，N和M均为正整数。本实施例中，在图1中可以看到，所述聚光透镜201的数量N为2，所述散光透镜301 的数量M为5。当然，在其他的实施例中，聚光透镜201的数量N和散光透镜301的数量M还可以是其它任意的正整数。所述第一透镜阵列200中的N 个聚光透镜201的中心分布在第一平面内，所述第二透镜阵列300中的M个散光透镜301的中心分布在第二平面内，所述第二平面平行于所述第一平面。所述驱动组件400与所述第二透镜阵列300连接，用于带动所述第二透镜阵列300相对所述第一透镜阵列200在所述第二平面上做直线往复运动。在这里，继续参见图1，所述第一透镜阵列200中的N个聚光透镜201的中心的连线为沿第一方向延伸的第一直线，所述第二透镜阵列300中的M个散光透镜 301的中心的连线为沿第二方向延伸的第二直线上，所述第一方向与所述第二方向平行，所述第一直线、所述第二直线和至少一个所述聚光透镜201的主轴共面，所述驱动组件400用于带动所述第二透镜阵列300相对所述第一透镜阵列200平行于所述第一直线做直线往复运动。本实施例中，继续参见图1，所述驱动组件400包括其包括平行所述第一直线延伸的导轨401、可沿所述导轨401移动的安装于所述导轨401上的透镜框402、固定在所述透镜框 402相对的上下两端的第一磁条403和第二磁条404、设置在所述第一磁条 403的上侧第一电磁体405、以及设置在所述第二磁条404的下侧的第二电磁体406。参见图2，图2为本实施例提供的驱动组件400的正视示意图，如图2所示，所述透镜框402的中部具有M个阵列排布的透镜孔4021，M个所述透镜孔4021的中心分别在第二直线上，所述第二透镜阵列300的M个散光透镜301分别固定在M个所述透镜孔4021内。应当理解的是，所述导轨401不会对所述散光透镜301形成阻挡，即经所述散光透镜301折射出的光线不会被所述导轨401阻挡。在这里，当所述第一电磁体405通正向电流时所述第一电磁体405与所述第一磁条403相吸，当所述第一电磁体405通反向电流时所述第一电磁体405与所述第一磁条403相斥；当所述第二电磁体406通正向电流时所述第二电磁体406与所述第二磁条404相吸，当所述第二电磁体406通反向电流时所述第二电磁体406与所述第二磁条404相斥。如此，当所述第一电磁体405通正向电流、所述第二电磁体406通反向电流时所述透镜框402将在磁力作用下向上移动；当所述第二电磁体406通正向电流、所述第一电磁体 405通反向电流时所述透镜框402将在磁力作用下向下移动，如此，通过周期性切换电流方向所述驱动组件400即可驱动所述第二透镜阵列300在所述第一直线上做往复移动。最为关键的是，本实施例中，所述第二透镜阵列300的往复运动的幅度大于等于一个所述散光透镜301的直径，而且所述第二透镜阵列300在所述第二平面上做直线往复运动的过程中所扫过的区域在所述第一平面上的正投影覆盖所述第一透镜阵列200。

由上可知，采用本实施例提供的光学透镜扫描装置时，可将光源100和第二透镜阵列300分别布置在第一透镜阵列200的左侧和右侧，参见图3a至图3c，图3a至图3c示出了本实施例提供的光学透镜扫描装置的扫描原理，光源100发出的光线经第一透镜阵列200的聚光透镜201折射后照射到第二透镜阵列300的散光透镜301，通过驱动组件400驱动第二透镜阵列300做直线往复运动，可改变自第二透镜阵列300的散光透镜301射出的光线的路径，由此实现扫描。将所述散光透镜301的直径记为D，可以理解的是，第二透镜阵列 300每移动一个D即完成一次完整的扫描，那么只要增加所述第二透镜阵列 300的往复运动的幅度，即可提高所述光学透镜扫描装置扫描频率。将聚光透镜201与散光透镜301的焦距分别记为f1和f2，可以理解的是，继续参见图3c，若散光透镜301相对于聚光透镜201产生位移△X，由几何光学原理可得出出射光束偏转角为：

进一步的，所述聚光透镜201为具有聚光效果的梯度折射率透镜，所述散光透镜301为具有散光效果的梯度折射率透镜。通过采用梯度折射率透镜，可以保证聚光透镜201和散光效果的表面趋近于平面，如此可以进一步减小聚光透镜201和散光效果的间距，有利于进一步减小所述光学透镜扫描装置的体积，增大所述光学透镜扫描装置的扫描角度。

值得一提的是，对于红外光源100，我们可以采用折射率更大的硅基材料制作所述梯度折射率透镜，从而获得大扫描范围。

进一步的，为了使所述第二透镜阵列300往复运动一次即可实现多次扫描，我们可以将M的取值设计为大于N的取值的。例如，当M取值为5，N 的取值为1时，将第二透镜阵列300的振幅设计为5D，那么，所述第二透镜阵列300往复运动一次即可实现10扫描。可以总结到，当M/N＝k，且第二透镜阵列300的振幅设计为k时，k的值越大，所述第二透镜阵列300往复运动一次扫描的次数越大，有利于提高所述光学透镜扫描装置的扫描频率。

综上可知，本实施例提供的所述光学透镜扫描装置可以用于高频率、大角度的线扫描，可以应用在激光打印机等领域。

实施例二

本实施例提供了一种光学透镜扫描装置。参见图4，图4为本实施例提供的光学透镜扫描装置的结构示意图，如图4所示，本实施例提供的所述光学透镜扫描装置与实施例一的区别在于，所述光学透镜扫描装置包括多个所述第一透镜阵列200，多个所述第一透镜阵列200并排叠加在一起。如此可以更好的将自光源100射出的光线调整为平行光。

实施例三

本实施例提供了一种光学透镜扫描装置。参见图5，图5为本实施例提供的光学透镜扫描装置的结构示意图，如图5所示，本实施例提供的所述光学透镜扫描装置与实施例一的区别在于，所述光学透镜扫描装置包括多个所述第二透镜阵列300，多个所述第二透镜阵列300并排叠加在一起。为了进一步提高扫描角度，通过叠加第二透镜阵列300来实现对扫描角度的扩大，从而可以将常规微透镜扫描的角度(FOV)从15°-30°拓展到90°-120°。

实施例四

本实施例提供了一种光学透镜扫描装置，本实施例提供的所述光学透镜扫描装置与实施例一的区别在于，所述第一直线与所述第二直线异面，且所述第二直线与至少一个所述聚光透镜201的主轴相交。参见图6，图6为本实施例提供的光学透镜扫描装置中，所述第二透镜阵列300在所述第一平面上的正投影与所述第一透镜阵列200的位置关系示意图，在图6中可以看到，由于所述第一直线与所述第二直线是异面的关系，所述第二透镜阵列300的散光透镜301在所述第一平面上的正投影301′的中心的连线(图6中的长画短画线)与所述第一直线会形成一定的夹角。优选的，所述第二透镜阵列300 的最外端的两个散光透镜301在所述第一平面上的正投影301′与至少一个所述聚光透镜201具有延伸方向与所述第二透镜阵列300的移动方向一致的公切线。相应的，所述透镜框402的透镜孔4021的排布也有对应的改变，参见图 7，图7为本实施例提供的驱动组件400的正视示意图，如图7所示，所述透镜框402的中部的M个阵列排布的透镜孔4021的中心的连线不再与所述导轨 401平行了，而是异面的关系。继续参见图6，可以看到，所述第二透镜阵列 300的最上侧的散光透镜301在所述第一平面上的正投影301′与两个所述聚光透镜201具有一与所述第一直线平行的第一公切线，所述第二透镜阵列300 的最下侧的散光透镜301在所述第一平面上的正投影301′与两个所述聚光透镜201具有一与所述第一直线平行的第二公切线，所述第一公切线与所述第二公切线平行，自然的，所述第一公切线与所述第二公切线的距离等于所述聚光透镜201的直径。如此，可以理解的是，当所述驱动组件400驱动所述第二透镜阵列300相对所述第一透镜阵列200平行于所述第一直线做直线往复运动时，可以实现面扫描。需要说明的是，本实施例的光学透镜扫描装置扫描所得到的扫描面的连续程度与所述第二透镜阵列300所包含的散光透镜301 的数量相关，所述第二透镜阵列300所包含的散光透镜301的数量越大，所得到的扫描面的连续程度越高，面扫描效果越好。

综上可知，本实施例的光学透镜扫描装置，仅通过驱动所述第二透镜阵列300在一个维度上进行往复运动即可实现高质量的面扫描，极大的简化了扫描装置的内部结构、提高了产品的稳定性、可以压缩成本、满足扫描器未来设计的小型化的趋势。可以理解的是，本实施例提供的所述光学透镜扫描装置在激光雷达等领域有巨大的应用前景。

实施例五

本实施例提供了一种光学透镜扫描装置，本实施例提供的所述光学透镜扫描装置与实施例一的区别在于，所述第一透镜阵列200中的N个聚光透镜 201的中心的连线为沿第一方向延伸的第一直线，所述第二透镜阵列300中的 M个散光透镜301的中心的连线为周期曲折线，优选的，中心在所述周期曲折线的波峰或波谷上的所述散光透镜301在所述第一平面上的正投影与至少一个所述聚光透镜201具有延伸方向与所述第二透镜阵列300的移动方向一致的公切线。相应的，所述透镜框402的透镜孔4021的排布也有对应的改变，参见图8，图8为本实施例提供的驱动组件400的正视示意图，如图8所示，所述透镜框402的中M个阵列排布的透镜孔4021的中心的连线为周期曲折线，本实施例中，参见图8中长画短画线所示，所述周期曲折线为正弦线。当然，在一些其他的实施例中，所述周期曲折线也可以是呈锯齿状的折线。参见图9，图9为本实施例提供的光学透镜扫描装置中，所述第二透镜阵列300在所述第一平面上的正投影与所述第一透镜阵列200的位置关系示意图，在图9中可以看到，由于所述第二透镜阵列300中的M个散光透镜301的中心的连线为周期曲折线，那么，所述第二透镜阵列300的M个散光透镜301 在所述第一平面上的正投影301′的中心的连线(图9中的长画短画线)也是周期曲折线。而且，中心在所述周期曲折线的波峰上的所述散光透镜301在所述第一平面上的正投影301′与两个所述聚光透镜201具一与所述第一直线平行的第三公切线，中心在所述周期曲折线的波谷上的所述散光透镜301在所述第一平面上的正投影301′与两个所述聚光透镜201具一与所述第一直线平行的第四公切线，自然的，所述第一公切线与所述第二公切线的距离等于所述聚光透镜201的直径。

可以理解的是，与实施例四类似，本实施例的光学透镜扫描装置中，当所述驱动组件400驱动所述第二透镜阵列300相对所述第一透镜阵列200平行于所述第一直线做直线往复运动时，同样可以实现面扫描。通过增加所述第二透镜阵列300所包含的散光透镜301的数量，可以提高所得到的扫描面的连续程度越高，优化面扫描效果，可应用到激光雷达等领域。

实施例六

本实施例提供了一种光学透镜扫描装置，本实施例提供的所述光学透镜扫描装置与实施例一的区别在于：参见图10，所述光学透镜扫描装置还包括由M个光路变向器501构成的第三透镜阵列500；所述驱动组件400与所述第三透镜阵列500连接，用于带动所述第二透镜阵列300和所述第三透镜阵列 500同步的相对所述第一透镜阵列200在所述第二平面上做直线往复运动；所述第一透镜阵列200中的N个聚光透镜201的中心的连线为沿第一方向延伸的第一直线，所述第二透镜阵列300中的M个散光透镜301的中心的连线为沿第二方向延伸的第二直线上，所述第一方向与所述第二方向平行；所述第一直线、所述第二直线和至少一个所述聚光透镜201的主轴共面；所述第三透镜阵列500中的M个光路变向器501的中心的连线为周期曲折线。由于所述第三透镜阵列500中的M个光路变向器501的中心的连线为周期曲折线，那么，所述第三透镜阵列500的M个光路变向器501在所述第二平面上的正投影501’的中心的连线(图11中的长画短画线)也是周期曲折线。在这里，所述聚光透镜201为方形的凸透镜，所述散光透镜301为方形的凹透镜，所述光路变向器501为三棱镜。可以理解的是，所述散光透镜301在所述第二平面上的正投影为长方形或正方形，所述光路变向器501在所述第二平面上的正投影为长方形。本实施例中，参见图11，中心在所述周期曲折线的波峰或波谷上的所述光路变向器501在所述第二平面上的正投影的侧边与至少一个所述散光透镜301的侧边重叠。

为了便于理解，在图12a至图12c中分别示出了三组相对应的散光透镜 301和光路变向器501的位置关系示意图。参见图13a至图13c，图13a至图 13c分别示出了光线经过图12a至图12c中的对应的散光透镜301和光路变向器501的光路示意图，其中，图13a至图13c中的空心箭头线表示光路。可以看到，随着散光透镜301和光路变向器501的相对位置不同，自所述散光透镜301和射出的光线的角度也会随之改变。可以理解的是，所述光路变向器501的作用在于将自所述聚光透镜201射出的光线在垂直于所述第二平面的平面内进行偏转。如此，可以理解的是，本实施例的光学透镜扫描装置中，当所述驱动组件400驱动所述第二透镜阵列300和所述第三透镜阵列500同步的相对所述第一透镜阵列200平行于所述第一直线做直线往复运动时，可以实现面扫描。

上面结合附图对发明的实施例进行了描述，但是发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于发明的保护之内。