CN110596904B - 一种基于微柱状透镜阵列的激光平面生成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微柱状透镜阵列的激光平面生成装置。该装置包括激光光源模块、旋转棱镜模块、微柱状透镜阵列模块和调节机构；微柱状透镜阵列模块是由很多个微型柱状透镜紧密排列在聚甲基丙烯酸甲酯材料的平板波导衬底上构成的，激光光源模块发出一束准直的激光，旋转棱镜模块将激光的传输方向偏转90°，激光照射到微柱状透镜阵列模块后，透射后的激光光线会沿柱状透镜径向展宽，在空间中形成一个激光扇面；激光扇面的坡度和高低位置可以通过控制步进电机或者旋转棱镜模块灵活更改。本发明不仅凭借简单的装置可以实现激光平面的生成，而且可以方面灵活的控制激光平面的坡度和高度。

Description

一种基于微柱状透镜阵列的激光平面生成装置
技术领域
本发明涉及激光平面生成装置，具体涉及一种基于微柱状透镜阵列的激光平面生成装置。
背景技术
相比于白炽灯和发光二极管等传统光源，激光具有高亮度、高相干性、方向性好等优点，被广泛用于光学测距、光学定位、光学雷达、光学传感等领域。在很多场景中，使用一束激光就可以精确的测量出远处目标物的距离和方位，相比传统测量方式，激光测量不仅具有更高的精确度，而且结构更加紧凑，功耗更低。然而，受限于单束激光较窄的照射范围，无法满足很多场景的需求，例如当多个目标同时需要激光标定时，单束激光无法实现，此时就需要一个激光平面。激光平面在建筑工程和机械制造等方面具有广泛的应用，例如可以生成一个水平的激光平面作为参考面协助完成土地整平工作、水平地面的抹平工作以及室内装潢工作等，相比于传统的墨斗和经纬仪，借助激光平面不仅可以节省大量的人力物力，提高效率，而且还可以达到更好的效果。
然而，目前激光平面生成的方式主要是利用直角棱镜或者五角棱镜偏转激光器发出的光束，通过旋转电机带动棱镜快速旋转，继而在空间环境中生成一个扫描的激光平面。这种激光平面的生成方式被广泛地应用到了类似于激光扫平仪等仪器，虽然可以满足一些场景的使用需求，但是这种仪器由于包含电机而导致自身体积较大，比较重，能耗也比较大。
发明内容
为了克服上述不足，本发明的目的在于提供了一种基于微柱状透镜阵列的激光平面生成装置，利用PMMA材料制成的微柱状透镜阵列将激光光束沿柱状透镜径向展宽，在空间中形成一个激光扇面，通过控制步进电机驱动微柱状透镜阵列模块绕激光光轴旋转改变激光扇面的坡度以及控制旋转棱镜模块改变激光扇面的高度，与目前常用的激光平面生成方式相比，具有装置简单，易于调节的优点。
本发明公开了一种基于微柱状透镜阵列的激光平面生成装置，包括：激光光源模块，采用半导体激光二极管，并且在出射端安装了准直透镜结构，减小出射激光的发散角；旋转棱镜模块，接收所述激光光源模块的出射激光光线，利用镜面反射将激光传输方向偏转90°；微柱状透镜阵列模块，由很多个微型柱状透镜紧密排列在平板波导衬底上构成，将所述旋转棱镜模块出射的激光光线沿某一方向均匀展开，激光离开微柱状透镜阵列模块后在自由空间中形成一个激光扇面；调节结构，包括步进电机、螺纹块、丝杆和传动机构，螺纹块与所述微柱状透镜阵列模块连接，步进电机带动通过传动机构驱动丝杆上的螺纹块，继而带动所述微柱状透镜阵列模块旋转。
所述微柱状透镜阵列模块上的微型柱状透镜均具有相同的尺寸，柱状透镜的直径小于所述激光光源模块出射激光的光斑直径，当激光光线通过所述微柱状透镜后，所述展宽光线的长度会随着传播距离越来越大，在空间环境中形成一个激光扇面。
所述微柱状透镜阵列模块一端安装在螺纹块上，步进电机工作驱动所述微柱状透镜阵列模块绕激光光轴旋转，形成具有坡度的激光扇面。
所述微柱状透镜阵列模块的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，柱状透镜通过热塑成型，凸起部分为柱状透镜的一半。
所述激光光源模块的波长为635 nm或者532nm。
所述旋转棱镜模块为直角棱镜或者五角棱镜。
所述旋转棱镜模块沿激光光轴上下移动时，形成的激光扇面在空间中的高度位置发生响应变化。
与现有技术方案相比，本发明的有益效果：
1、本发明具有机械结构简单、装置体积小、易于安装调节、使用灵活方便等优点。
2、本发明可以通过控制调节结构，可以实现不同高度与不同坡度的激光平面，可以适用更多的场合，应用更加广泛。
附图说明
图1为本发明的基于微柱状透镜阵列的激光平面生成装置的模块组成框图；
图2为本发明的基于微柱状透镜阵列的激光平面生成装置的一种结构示意图；
图3为本发明的基于微柱状透镜阵列的激光平面生成装置的另一种结构示意图；
图4为本发明中微柱状透镜阵列模块的结构示意图；
图5为入射到微柱状透镜阵列的激光光斑图像；
图6为从微柱状透镜阵列出射的激光光斑图像。
图中：激光光源模块1、直角棱镜2、微柱状透镜阵列模块3、调节机构4、入射激光光线5、偏转激光光线6、激光扇面7、五角棱镜8。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明的基于微柱状透镜阵列的激光平面生成装置包括激光光源模块、旋转棱镜模块、微柱状透镜阵列模块和调节机构。
图2为本发明的基于微柱状透镜阵列的激光平面生成装置一种结构示意图，包括：激光光源模块1，采用半导体激光二极管，并且在出射端安装了准直透镜结构，减小出射激光的发散角，为了增加激光平面的可视度，激光光源选择为635nm波长的红光或者532nm波长的绿光；旋转棱镜模块采用的是直角棱镜2，利用镜面反射将从所述激光光源模块接收到的激光光线5偏转90°射出；直角棱镜可以沿着入射激光光线5上下移动，以达到调节激光平面高度的目的。微柱状透镜阵列模块3将所述旋转棱镜模块出射的激光光线6沿某一方向均匀展开，激光离开微柱状透镜阵列模块3后在自由空间中形成一个激光扇面7，激光扇面7与微柱状透镜的轴向垂直；调节结构4，包括步进电机、螺纹块、丝杆和传动机构，螺纹块与所述微柱状透镜阵列模块3连接，步进电机带动通过传动机构驱动丝杆上的螺纹块，继而带动所述微柱状透镜阵列模块3旋转，调节激光扇面7的坡度。
图3为本发明的基于微柱状透镜阵列的激光平面生成装置另一种结构示意图，包括：激光光源模块1，采用半导体激光二极管，并且在出射端安装了准直透镜结构，减小出射激光的发散角，为了增加激光平面的可视度，激光光源选择为635nm波长的红光或者532nm波长的绿光；旋转棱镜模块采用的是五角棱镜8，利用镜面反射将从所述激光光源模块接收到的激光光线5偏转90°射出；五角棱镜8可以沿着入射激光光线5上下移动，以达到调节激光平面高度的目的。微柱状透镜阵列模块3将所述旋转棱镜模块出射的激光光线6沿某一方向均匀展开，激光离开微柱状透镜阵列模块3后在自由空间中形成一个激光扇面7，激光扇面7与微柱状透镜的轴向垂直；调节结构4，包括步进电机、螺纹块、丝杆和传动机构，螺纹块与所述微柱状透镜阵列模块3连接，步进电机带动通过传动机构驱动丝杆上的螺纹块，继而带动所述微柱状透镜阵列模块3旋转，调节激光扇面7的坡度。
图4为本发明中微柱状透镜阵列模块的结构示意图，微柱状透镜阵列模块是由很多个微型柱状透镜紧密排列在平板波导衬底上构成，所述微柱状透镜阵列模块的材料可采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），柱状透镜通过热塑成型。
应用实施例
图5为入射到微柱状透镜阵列的激光光斑图像，通过ZEMAX光学仿真软件模拟入射到微柱状透镜阵列上的激光光斑，激光光源的波长设置为635nm，激光光斑直径为7mm，当激光未入射到微柱状透镜阵列模块之前，激光光斑不会发生变化，保持圆对称形状，图5为仿真得到的入射到微柱状透镜阵列的激光光斑图像。
图6为从微柱状透镜阵列出射的激光光斑图像。通过ZEMAX光学仿真软件模拟入射到微柱状透镜阵列上的激光光斑，激光光源的波长设置为635nm，激光光斑直径为7mm，微柱状透镜阵列模块中每个微型柱状透镜凸起部分的高度设置为0.05mm，宽度设置为0.32mm，仿真得到激光从微柱状透镜阵列出射并传输1000mm时激光光斑图像，如图6所；从图中结果可以看出，原本圆对称的激光光斑变为一条细长的激光线，激光线的长度大约为800mm，宽度等于入射激光光斑的直径为7mm。

Claims (2)

1.一种基于微柱状透镜阵列的激光平面生成装置，其特征在于：包括激光光源模块、旋转棱镜模块、微柱状透镜阵列模块和调节机构；
所述的激光光源模块，采用半导体激光二极管，半导体激光二极管的出射端设有准直透镜结构，减小出射激光的发散角；
所述的旋转棱镜模块，接收所述激光光源模块的出射激光光线，利用镜面反射将激光传输方向偏转90°；
所述的微柱状透镜阵列模块，由多个微型柱状透镜紧密排列在平板波导衬底上构成，将所述旋转棱镜模块出射的激光光线均匀展开，形成一个激光扇面；
所述的调节机构，包括步进电机、螺纹块、丝杆和传动机构，螺纹块与所述微柱状透镜阵列模块连接，步进电机带动通过传动机构驱动丝杆上的螺纹块，继而带动所述微柱状透镜阵列模块旋转；
所述微柱状透镜阵列模块上的微型柱状透镜均具有相同的尺寸，柱状透镜的直径小于所述激光光源模块出射激光的光斑直径；
所述微柱状透镜阵列模块的材料采用聚甲基丙烯酸甲酯，柱状透镜通过热塑成型，柱状透镜的部分凸出平板波导衬底，其余部分与平板波导衬底合为一体；
所述微柱状透镜阵列模块一端安装在螺纹块上，步进电机工作驱动所述微柱状透镜阵列模块绕激光光轴旋转，形成具有坡度的激光扇面；
所述旋转棱镜模块为直角棱镜或者五角棱镜；
所述旋转棱镜模块可沿激光光轴上下移动。
2.如权利要求1所述的激光平面生成装置，其特征在于：所述激光光源模块的波长为635 nm或者532nm。
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