用于聚焦激光束的設備和方法

文檔序號：2726895閱讀：178來源：國知局

專利名稱：用于聚焦激光束的設備和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于聚焦激光束的設備和方法。更具體地，本發(fā) 明涉及一種用于控制和自動調節(jié)激光束的聚焦距離的設備和方法。
本發(fā)明還涉及一種包括這種聚焦設備的編碼信息讀取器。
背景技術：
整個下面的說明書和附帶的權利要求中，術語"編碼信息讀取器" 用于指示任何能夠通過獲取和處理由目標本身散射的光信號而獲取有關目標的信息(諸如距離、體積、總尺寸或其標識數(shù)據(jù))的設備。術語"編碼信息"用于指示在光代碼中包含的全部標識數(shù)據(jù)。術語"光代碼"用于指示任何具有存儲編碼信息的功能的圖形表示。光代碼的一個具體實例包括線性碼或二維碼，其中通過具有預定形狀(例如正
方形、矩形或六邊形)的元素、由清晰元素(間隔，通常為白色)所
分隔的深色(通常為黑色)，諸如條形碼、堆疊碼(stacked code)和通常的二維碼、彩色碼(color code)等等的適當組合來對信息進行編碼。更一般地，術語"光代碼"還包括其它具有信息編碼功能的圖形樣式，包括清晰印刷的字符(字母、數(shù)字等)和特殊形狀的圖案(諸如標記、標志、簽名、指紋等)。術語"光代碼"還包括不僅在可見光的范圍內，而且在包含于紅外線和紫外線之間的波長范圍內可檢測的圖形表示。
為了示例的目的，并且為了使下面的說明書更清楚，下文將明確參考條形碼讀取器(線性讀取器)；當然，本領域的技術人員將理解地是所述的設備也可應用于不同的讀取器，諸如二維光代碼讀取器(矩陣或區(qū)域讀耳又器(matrix or area reader))。
本領域的技術人員還將理解地是本發(fā)明的聚焦設備可應用于除編碼信息讀取器之外的裝置。例如，本發(fā)明的設備可應用于激光切割/打標/焊接裝置，并且通?？蓱糜谌魏涡枨蠡蛐枰刂坪?或調節(jié)激光束的聚焦距離，以在不同的距離下實現(xiàn)最佳聚焦條件的裝置。
典型地，用于聚焦激光束的設備包括沿光發(fā)射路徑的激光束發(fā)射源和光學聚焦系統(tǒng)，所述光學聚焦系統(tǒng)典型地包括至少一個聚焦透鏡或聚焦鏡，適于以預定聚焦距離聚焦激光束。
眾所周知，光代碼讀取器的最大分辨率，即可檢測到的細節(jié)的最小尺寸取決于此光束聚焦距離處的光束直徑。
為了廣泛的應用，光代碼所處的距離以及因此光束必須被聚焦的距離不是預先確定的。因此必須使用能夠自動調節(jié)聚焦距離的設備。這種設備能夠擴大可達到最大分辨率的區(qū)域。這種設備也稱為自動聚焦設備。
在傳統(tǒng)的自動聚焦設備中，所需聚焦距離的自動調節(jié)是通過光源和光學聚焦系統(tǒng)的相對機械移動來實現(xiàn)的，或在變焦光學設備的情況下，其是由光學聚焦系統(tǒng)的一部分的相對機械移動來實現(xiàn)的。
在設備中，基于通過特殊檢測裝置所檢測到的并且代表含有待讀取信息的載體所處的距離的信號而啟動此機械移動，這樣的設備是已知的。
例如，US 4604739和US 5546710公開了用于包含在反射載體 (reflecting support)上的信息的讀取器的自動聚焦設備，其中所需的聚焦距離是基于指示反射載體的距離的信號而進行調節(jié)。此距離通過利用橫向干涉儀攔截并檢測由反射載體所反射的光束來計算。 US 4641020公開了用于包含在反射載體上的信息的讀取器的自動
聚焦設備，其中所需的聚焦距離是基于代表聚焦透鏡相對于發(fā)射源的位置的信號而進行調節(jié)。
US 6134199公開了用于包含在反射載體上的信息的讀取器的自動聚焦設備，其中所需的聚焦距離是基于代表反射載體的距離的信號而進行調節(jié)。此距離通過檢測由該載體反射并經(jīng)過設置在光發(fā)射路徑中的相同聚焦透鏡再校準(re-collimated)的光束來計算。
US 6621060 Bl公開了用于機械激光加工的自動聚焦設備，其中焦點校正是通過觀察由附屬激光束在零件表面上產(chǎn)生的光點來啟動 (actuated)的，其中該零件是要通過用于機械加工的激光束的聚焦透鏡來加工。
US 6728171 B2公開了用于成像裝置的自動聚焦設備，其中焦點校正是通過聚焦在聚焦透鏡的表面上并始終通過同一透鏡被傳感器所觀察到的附屬光束(accessory light beam)來啟動的。
在上述專利中描述的許多自動聚焦設備中，焦點位置是通過測量必須將焦點保持在其上的表面和焦點本身之間的相互位置來進行調節(jié) 的。
申請人已發(fā)現(xiàn)許多這樣的設備具有如下缺點只有當信息包含在反射載體上時才可使用，這是一種在有限種類的應用中發(fā)生的情況。
在其它現(xiàn)有的已知設備中，焦點位置是間接地通過測量光學聚焦
系統(tǒng)相對于發(fā)射源的相互位置，或在變焦光學設備的情形下，通過測量光學聚焦系統(tǒng)的一些元件相對于整個光學系統(tǒng)的相互位置來進行調節(jié)的。
申請人己發(fā)現(xiàn)這些設備具有如下缺點對光學聚焦系統(tǒng)和光源之間的相對定位的誤差，或在變焦光學設備的情形下，對光學聚焦系統(tǒng) 的元件之間的相對定位的誤差非常敏感。特別地，申請人已發(fā)現(xiàn)在這些設備中，例如由熱膨脹、機械間隙或振動所引起的光學聚焦系統(tǒng)的機械和光學部件的可能定位誤差或不需要的移動會導致在預期的和/或需要的聚焦距離的調節(jié)中出現(xiàn)誤差。
換句話說，申請人已證明上述誤差(或不需要的移動)導致聚焦點定位于不同于期望和/或需要的聚焦距離。
實際上，通過近軸近似(paraxial approximation)簡化光學系統(tǒng)的描述，聚焦點的位置q通過下式給出
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中f是用于聚焦的光學系統(tǒng)的焦距，p是光源相對于光學系統(tǒng)的
因此，與聚焦點相關聯(lián)的絕對誤差Aq為
<formula>formula see original document page 13</formula>其中八p是關于光學系統(tǒng)的定位的絕對誤差，Af是關于聚焦系統(tǒng) 的焦距的絕對誤差；特別地，在基于通過變焦啟動的光學系統(tǒng)中，Af 不等于零。
從上面的等式中可清楚地看到Ap和Af導致了聚焦點Aq的誤差。通常，誤差Ap和Af不是系統(tǒng)的，因為它們取決于如下的因素，諸如溫度，機械間隙，光學、電子或機械部件的結構參數(shù)的不可重復性。因此出現(xiàn)聚焦點實際位置的不確定；在現(xiàn)有的聚焦設備中，這種不確定迫使要使用更大直徑的光束，由此導致最大分辨率的降低。
申請人已進一步發(fā)現(xiàn)在上述的聚焦設備中，組裝和校準機械和光學部件的操作是相當困難的，因為它必須確保固定部件和移動部件之間精確的緊固公差(tightening tolerance)。這意味著要使用特別復雜的結構解決方案，由此明顯導致設備最終成本的增加以及設備尺寸的增大。對于用于聚焦系統(tǒng)的機械移動的設備出現(xiàn)類似的問題由于此設備必須確保在毫米或十分之一毫米的范圍內移動，所以它必須是高精度的。
US 6119942公開了用于通過激光束掃描的光代碼讀取器中的自動聚焦設備，其中焦點校正是通過測量預定距離處的激光束的直徑來確定的，此測量通過掃描光敏元件上的所述激光束并隨后測量掃描的持續(xù)時間來實現(xiàn)。
申請人已發(fā)現(xiàn)，在此設備中，由于光束直徑的變化與聚焦距離是弱相關的，所以通過光敏元件上的掃描來測量光束直徑從而對聚焦距離進行直接調節(jié)往往產(chǎn)生相當大的誤差。特別地，當聚焦距離接近發(fā) 射點時，此變化趨向于零，而此時通常需要更高的聚焦精度。實際上，在更靠近讀取器的距離處，通常要求能夠讀取更高分辨率的代碼，因此，高聚焦精度變得重要。申請人還發(fā)現(xiàn)，在此設備中，由于直徑檢測系統(tǒng)設置在掃描系統(tǒng)的下游、并處于掃描區(qū)域的邊緣位置，所以在掃描期間不能對聚焦距離執(zhí)行實時和連續(xù)地調節(jié)。對于每次掃描僅僅能夠執(zhí)行一次直徑測量，從而只能對聚焦距離進行一次調節(jié)。因此，在含有代碼的載體是曲線的情形中或在其它必須連續(xù)而精確地調節(jié)聚焦的情形中，這種調節(jié)系統(tǒng)不能以精確而可靠的方式適應聚焦距離。

發(fā)明內容
因此，申請人已考慮提供一種自動聚焦設備的問題，該設備應當是小尺寸、不貴、快速，具有高分辨率和精度，并且該設備對光學聚焦系統(tǒng)的機械和光學部件之間的任何定位誤差或不需要的移動和/或確定光學聚焦系統(tǒng)的焦距時所產(chǎn)生的誤差應當是不敏感的，從而實現(xiàn)對聚焦距離的精確和可靠的(如需要，連續(xù)和實時的)自動調節(jié)。
在其第一方面中，本發(fā)明因此涉及一種用于聚焦激光束的設備，所述設備包括
沿光發(fā)射路徑的激光束發(fā)射源；
用于將所述激光束聚焦在位于聚焦距離處的聚焦點的第一聚焦裝
置；
用于調節(jié)所述聚焦點相對于所述設備的位置的裝置；
用于檢測對所述調節(jié)裝置起反饋作用的所述聚焦距離的裝置，其中所述檢測裝置檢測離開所述第一聚焦裝置的光束的代表所述聚焦距
離的參數(shù)特性；
其特征在于所述特性參數(shù)是離開所述第一聚焦裝置的光束的波
陣面曲率半徑。
有利地，在本發(fā)明的設備中，將聚焦距離調節(jié)至所需值的自動調節(jié)完全基于對代表實際聚焦距離的參數(shù)的直接檢測，特別是通過離開第一聚焦裝置的光束的波陣面曲率半徑的直接檢測。這種直接檢測充當對用于調節(jié)聚焦點位置的裝置的反饋，從而改變其位置。新啟動的聚焦距離的檢測和對用于調節(jié)聚焦點位置的裝置的反饋持續(xù)到得到所需的聚焦距離為止。因此，可能的定位誤差和/或可能導致實際聚焦距離不同于期望聚焦距離的機械和光學部件的不需要的移動被適當?shù)貦z 測到，從而能夠精確并可靠地對所需的聚焦距離進行調節(jié)。
從制造的觀點來看，這有利地提供了如下可能性使用簡單、便宜而又簡潔的解決方案，同時增加最大可達到的分辨率。例如，聚焦
裝置還可包括單一的非球面鏡頭，可選地由塑性材料構成。此透鏡的位置可通過簡單的音圈(voice-coil)進行調節(jié)。可選地，調節(jié)裝置可利用壓電傳動裝置(piezoelectric actuator)或雙壓電晶片彎曲機(bimorph piezoelectric bender)制造，透鏡設置在其自由端上。聚焦裝置還可使用可變焦透鏡，諸如液體透鏡或可變形的表面反射鏡(surface mirror)制成。
有利地，根據(jù)本發(fā)明，實際聚焦距離的檢測僅基于聚焦光束的光學性質的分析，并且特別地基于離開聚焦裝置的光束的波陣面曲率半徑的分析。實際上，在遠離聚焦點的區(qū)域中，聚焦光束的波陣面由球冠組成，該球冠具有等于聚焦距離的曲率半徑，這里的波陣面指的是在光束輻射的電磁場表現(xiàn)相同相位的那些點的空間中的幾何位置。有利地，因此對離開聚焦裝置的光束的波陣面曲率半徑的檢測允許直接測量要得到的實際聚焦距離。
在本發(fā)明的設備的優(yōu)選實施例中，上述檢測裝置計算所述聚焦距離的值。
優(yōu)選地，檢測裝置包括
預定厚度和折射率的玻璃板，所述玻璃板設置在第一聚焦裝置下游的光發(fā)射路徑中，適于生成沿相對于光發(fā)射路徑傾斜的光反射路徑傳播的反射光束，所述反射光束被一對部分重疊的光束所限定并且其限定了干涉區(qū)域；
光電探測器裝置，其設置在所述光反射路徑中，并適于生成代表所述干涉區(qū)域的參數(shù)特性的信號；
用于處理所述信號從而生成指示所述曲率半徑的信號的裝置。
因此曲率半徑的檢測是通過使用任何傳統(tǒng)的干涉儀，即任何能夠在由單一光束生成的兩個光束之間產(chǎn)生干涉的儀器，以及使用傳統(tǒng)的光電探測器和處理器裝置來實現(xiàn)的。有利地，光電探測器和處理器裝
置提供代表所述干涉區(qū)域的并且指示聚焦光束的所述波陣面曲率半徑的電信號，并因此提供實際聚焦距離的測量。
優(yōu)選地，玻璃板相對于光發(fā)射路徑以45。設置，因為在該角度下，用于檢測代表聚焦距離的信號的裝置具有更小的機械總體尺寸，并具有反射光束的良好重疊。實際上，用小于45°的角度布置板將意味著
更大的機械總體尺寸，而用大于45。的角度布置板將意味著反射光束
的重疊更小。
優(yōu)選地，干涉區(qū)域的所述參數(shù)特性是由位于光反射路徑中的觀察面上的所述干涉區(qū)域所限定的多個干涉條紋的空間頻率。實際上，已知的是在垂直于反射光束傳播方向的觀察面上產(chǎn)生的干涉圖樣包括多個平行的條紋，并具有正弦的強度分布，其頻率取決于入射到觀察面上的波陣面的曲率半徑。此曲率半徑與聚焦光束的波陣面曲率半徑相關，因此與實際的聚焦距離相關。
在本發(fā)明的設備的優(yōu)選實施例中，光電探測器裝置包括沿條紋連續(xù)的方向設置在觀察面上的光敏元件陣列。例如，光電探測器裝置包
括CCD傳感器。有利地，在這種情況下，對條紋系統(tǒng)頻率的確定是通過沿條紋連續(xù)的方向依次測量來自每個光敏元件的信號而實現(xiàn)的。對測量的時間序列的頻率的測量與多個條紋的空間頻率通過光敏元件陣列的掃描速度而直接相關，這一點根據(jù)本說明書的后續(xù)部分將清晰地顯現(xiàn)。一旦已知光敏元件陣列的掃描速度，并且檢測到上述的時間序
列，就由此能夠計算多個條紋的空間頻率，從而計算聚焦光束的波陣面的曲率半徑。
在可選實施例中，觀察面包括至少一個狹長切口，所述狹長切口適于允許所述干涉區(qū)域的至少一部分通過，光電探測器裝置包括至少一個光敏元件，所述光敏元件設置在所述至少一個狹長切口下游的所述光反射路徑中。
在此情形中，優(yōu)選地，所述至少一個狹長切口是矩形的，其較短邊沿所述條紋連續(xù)的方向定向。更優(yōu)選地，沿所述條紋連續(xù)的方向，所述至少一個狹長切口具有這樣的尺寸，使得對于條紋頻率的預定范圍，在干涉區(qū)域的所述至少一個部分處，所述反射光束的光強的積分函數(shù)是單調的。
特別地，在本發(fā)明的設備的第一可選實施例中，上述的觀察面包括單一的狹長切口，光電探測器裝置包括單一的光敏元件。在這種情
形下，優(yōu)選地，所述單一的狹長切口具有一對平行于所述干涉區(qū)域的第一對稱軸的較長邊，所述第一對稱軸垂直于所述條紋連續(xù)的方向，并且所述單一的狹長切口在相對于所述干涉區(qū)域的第二對稱軸的所述觀察面的相對側上延伸，所述第二對稱軸平行于所述條紋連續(xù)的方向。更確切地，所述較長邊對中的一個較長邊與所述第一對稱軸重合。具體地，在此實施例中，狹長切口優(yōu)選設置在由上述干涉區(qū)域的第一和第二對稱軸所定義在觀察面上的參考系的第一和第四象限上，并具有與所述第一對稱軸重合的較長邊?？蛇x地，狹長切口可設置在第二和第三象限上。
在本發(fā)明的設備的第二可選實施例中，觀察面包括兩個狹長切口，而光電探測器裝置包括兩個光敏元件，所述兩個狹長切口中的每一個對應一個光敏元件。在這種情況中，優(yōu)選地，兩個狹長切口分別形成在相對于所述干涉區(qū)域的第一對稱軸的觀察面的相對側上，所述第一對稱軸垂直于條紋連續(xù)的方向，并且更優(yōu)選地，兩個狹長切口具有與第一對稱軸重合的較長邊，并形成在相對于干涉區(qū)域的第二對稱軸的相對側上，所述第二對稱軸平行于條紋連續(xù)的方向。確切地，在此實施例中，一個狹長切口優(yōu)選設置在由上述干涉區(qū)域的第一和第二對稱軸定義在觀察面上的參考系的第二 (或第一)象限上，而另一狹長切口設置在第四(或第三)象限上。
可選地，兩個狹長切口相對于第一對稱軸對稱設置，并相對于第一對稱軸以預定距離隔開。具體地，在此實施例中，一個狹長切口設置在由上述干涉區(qū)域的第一和第二對稱軸定義在觀察面上的參考系的第一和第四象限上，而另一狹長切口設置在第二和第三象限上。
在本發(fā)明的設備的另一實施例中，不管所用光敏元件的類型和數(shù) 量如何，沿光反射路徑，在板和觀察面之間設有旋轉多面鏡，并可選地在板和旋轉多面鏡之間設置至少一個偏轉鏡。有利地，在這種情形中，條紋系統(tǒng)的空間頻率與以線性速度通過所述至少一個狹長切口的干涉區(qū)域的光強的調制頻率直接關聯(lián)，其中反射光束以所述線性速度在狹長切口上移動(此線性速度又與多邊形轉子的旋轉速度關聯(lián))，這一點將從本說明書的后續(xù)部分清晰地顯現(xiàn)出來。
有利地，旋轉多面鏡可與作用于折射光束的多面鏡是同一多面鏡，
其中所述折射光束用于在待讀取的光代碼上掃掠(sweep)此光束。
在本發(fā)明的設備的優(yōu)選實施例中，玻璃板包括反射材料的相對的
平坦平行面(opposite plane-parallel faces)。
在一不同的實施例中，玻璃板包括彼此形成角度e以使得光束能夠重疊的反射材料的相對平面。在這種情況下，條紋系統(tǒng)將根據(jù)在板
具有平坦平行面的情況下相對于條紋連續(xù)的方向成角度a而定向。有利地，此角度a的檢測與離開聚焦裝置的波陣面曲率半徑直接關聯(lián)，
這一點將從本說明書的后續(xù)部分清晰地顯現(xiàn)。
在本發(fā)明的設備的又一優(yōu)選實施例中，檢測裝置包括鏡狀表面，其設置在所述第一聚焦裝置的下游，并相對于所述光
發(fā)射路徑傾斜，從而將聚焦光束的邊緣部分向后返回到與所述發(fā)射源
不同的位置中；
探測器裝置，其感測向后返回的所述激光束的入射位置，以生成
代表所述入射位置的信號，所述探測器裝置與所述發(fā)射源整體相關聯(lián)；用于處理所述信號以生成指示所述聚焦距離的信號的裝置。
有利地，在這種情形中，聚焦距離可通過檢測向后傳輸?shù)墓馐?擊(impinge)位置傳感器的位置的變化來檢測，這一點將從本說明書的后續(xù)部分清晰地顯現(xiàn)。
在其第二方面中，本發(fā)明涉及用于聚焦激光束的設備，所述設備包括-
沿光發(fā)射路徑的激光束發(fā)射源；
用于將所述激光束聚焦在位于聚焦距離處的聚焦點的第一聚焦裝
置；
用于調節(jié)所述聚焦點相對于所述設備的位置的裝置；
用于檢測對所述調節(jié)裝置起反饋作用的所述聚焦距離的裝置，其中所述檢測裝置包括
預定厚度和折射率的板，所述板沿所述光發(fā)射路徑設置在所述第一聚焦裝置下游，并適于生成沿相對于所述光發(fā)射路徑傾斜的光反射路徑傳播的反射光束；
第二聚焦裝置，其設置在所述光反射路徑中，用于在預定距離處聚焦所述反射光束；
光闌，其設置在所述第二聚焦裝置下游的所述光反射路徑中，具有與所述反射光束同中心的孔，從而僅僅允許所述反射光束的中心部分由此通過，其中當所述第一聚焦裝置在最大或最小聚焦距離處聚焦由所述發(fā)射源發(fā)射的光束時，在所述光闌處，所述孔具有與所述反射光束的直徑相等的直徑；
光電探測器裝置，其設置在所述光闌下游的所述光反射路徑中，適于當聚焦距離增加或減少時，生成代表所述反射光束的所述中心部
分的光強變化的信號；
用于處理所述信號以生成指示所述聚焦距離的信號的裝置。
有利地，在上述的聚焦設備中，聚焦距離可通過檢測當聚焦距離增加或減少時通過光闌圓孔的光束的光強變化來檢測，這一點將從本說明書的后續(xù)部分清晰地顯現(xiàn)。
優(yōu)選地，上述處理裝置計算所述聚焦距離的值。
優(yōu)選地，板包括相對的平坦平行面，更優(yōu)選地，對所述相對面中的一個用抗反射涂層進行處理。
在其第三方面中，本發(fā)明涉及一種用于聚焦激光束的方法，所述方法包括如下步驟
沿光發(fā)射路徑發(fā)射激光束；
將所述激光束聚焦在位于聚焦距離處的聚焦點中；檢測所述聚焦距離；
根據(jù)所檢測到的聚焦距離調節(jié)所述聚焦點的位置；其中，檢測聚焦距離的步驟包括檢測聚焦光束的代表所述聚焦距
離的的參數(shù)特性的步驟，所述特性參數(shù)是所述聚焦光束的波陣面曲率半徑。
有利地，此方法可利用上述類型的聚焦設備執(zhí)行，因此它具有上文參考此設備提及的所有有利特征。
優(yōu)選地，檢測聚焦距離的步驟以及基于所檢測到的聚焦距離調節(jié) 聚焦點位置的步驟被反復執(zhí)行，直至達到所需的聚焦距離。
在本發(fā)明的方法的優(yōu)選實施例中，檢測聚焦距離的步驟包括計算所述距離的值的步驟。
優(yōu)選地，檢測所述聚焦距離的步驟包括如下步驟-產(chǎn)生沿相對于光發(fā)射路徑傾斜的光反射路徑傳播的反射光束，所
述反射光束包括一對部分重疊的光束，并且所述反射光束限定了干涉區(qū)域；
檢測所述反射光束，以生成代表所述干涉區(qū)域的參數(shù)特性的信號；處理所述信號，以生成指示所述曲率半徑的信號。
優(yōu)選地，上述處理步驟包括確定由干涉區(qū)域在位于光反射路徑中的觀察面上所限定的多個干涉條紋的空間頻率的步驟。
優(yōu)選地，上述確定空間頻率的步驟包括如下步驟選擇所述干涉區(qū)域的至少一個部分，以生成代表所述干涉區(qū)域的
所述至少一個部分的光強的信號；
計算在干涉區(qū)域的所述至少一個部分處的所述反射光束的光強的積分。
優(yōu)選地，所述干涉區(qū)域的所述至少一個部分是矩形部分，其較短邊沿條紋連續(xù)的方向定向。更優(yōu)選地，沿所述條紋連續(xù)的方向，所述干涉區(qū)域的所述至少一個部分具有這樣的尺寸，即，可使得對于條紋頻率的預定范圍，在干涉區(qū)域的所述至少一個部分處，所述反射光束的光強的積分函數(shù)是單調的。
在本發(fā)明的方法的可選實施例中，檢測聚焦距離的步驟包括如下步驟-
沿相對于光發(fā)射路徑傾斜的光路，向后返回聚焦光束的邊緣部分；通過檢測裝置檢測向后返回的激光束的所述邊緣部分，以生成代表所述向后返回的邊緣部分撞擊檢測裝置的位置的信號；處理所述信號，以生成指示所述聚焦距離的信號。
在其第四方面中，本發(fā)明涉及一種用于聚焦激光束的方法，所述方法包括如下步驟
沿光發(fā)射路徑發(fā)射激光束；
將所述激光束聚焦在位于聚焦距離處的聚焦點中；檢測所述聚焦距離；
根據(jù)所檢測到的聚焦距離調節(jié)所述聚焦點的位置；其中，檢測聚焦距離的步驟包括如下步驟
生成沿相對于所述光發(fā)射路徑傾斜的光反射路徑傳播的反射光
束；
在預定距離處聚焦所述反射光束；
選擇通過光闌的所述反射光束的中心部分，所述光闌具有與所述反射光束同中心的圓孔，并且當發(fā)射光束在最大或最小聚焦距離處聚焦時，在所述光闌處，所述圓孔的直徑等于所述反射光束的直徑；
檢測反射光束的所述中心部分，以當聚焦距離減小或增加時，生成代表所述反射光束的所述中心部分的光強變化的信號；
處理所述信號，以生成指示所述聚焦距離的信號。
在本發(fā)明的方法的優(yōu)選實施例中，檢測聚焦距離的步驟包括計算所述聚焦距離的值的步驟。
在其第五方面中，本發(fā)明涉及一種包括上述類型的聚焦設備的編碼信息讀取器。
這種讀取器具有上文參考本發(fā)明的聚焦設備所描述的所有有利特征。

根據(jù)下文參考附圖作出的一些優(yōu)選實施例的詳細描述，本發(fā)明的設備和方法的其它特征和優(yōu)點將會更清晰地顯現(xiàn)。在這些附圖中圖l是根據(jù)本發(fā)明的聚焦設備的示意圖；圖2是代表本發(fā)明設備的第一實施例的一部分的的示意圖；圖3是圖2的設備的一些部件的示意圖4是代表從圖3的部件中出來的光束及其在觀察面上的投影的示
意圖5顯示了在不同條件下，從圖3的部件中出來的光束的中心部分在觀察面上所產(chǎn)生的光學效果；
圖6是代表本發(fā)明設備的第二實施例的一部分的示意圖；圖7是圖6的設備的部件的示意圖8是可用于圖6的設備中的部件的示意圖，該部件作為圖7的部件的替代物；
圖9是代表本發(fā)明設備的第三實施例的一部分的示意圖；圖10是圖9的設備的部件的示意圖ll是代表本發(fā)明設備的第四實施例的一部分的示意圖12是代表本發(fā)明設備的第五實施例的一部分的示意圖13顯示了在不同操作條件下，從圖3的部件之一的變形中出來的光束的中心部分在觀察面上所產(chǎn)生的光學效果；
圖14是代表本發(fā)明設備的第六實施例的一部分的示意圖15是代表根據(jù)本發(fā)明的另一聚焦設備的示意圖。
具體實施例方式
在圖1中，附圖標記l指示根據(jù)本發(fā)明的用于聚焦激光束的設備。特別地，設備l是自動聚焦設備，即能夠控制和自動調節(jié)所需的激光束的聚焦距離的設備。
優(yōu)選地，設備l意欲用于編碼信息讀取器中，并且更優(yōu)選地，用于條形碼讀取器中。
設備l包括用于沿光發(fā)射路徑10a發(fā)射激光束10的源2和用于將激光束聚焦在聚焦點F中的裝置3，聚焦點F位于相對于裝置5的預定聚焦距離D處，所述裝置5用于檢測在設備1中適當設置的聚焦距離，下文將對其進行描述。
用于發(fā)射激光束的源2是傳統(tǒng)類型的，因此此處將不再詳述。
聚焦裝置3也是傳統(tǒng)類型的，因此將不在此處對它們進行詳細描述。然而根據(jù)本發(fā)明，這種聚焦裝置可以是比用于傳統(tǒng)自動聚焦設備中的裝置更簡單和更便宜的類型例如，聚焦裝置3可包括單一的非球面透鏡，可選地由塑性材料構成。聚焦裝置3還可使用可變焦透鏡，諸如液體透鏡或可變形的表面反射鏡制成。
聚焦裝置3或者，在變焦光學設備的情況下，它的一些部件可操作
與移動裝置4相關聯(lián)。這種移動裝置適于控制聚焦裝置3 (或者，在變焦光學設備的情況下，它的一些部件)相對于發(fā)射源2的移動，用于調節(jié)聚焦點F的聚焦距離D。
移動裝置4也是傳統(tǒng)類型的，因此將不在此處對它們進行詳細描述。然而根據(jù)本發(fā)明，由于在本發(fā)明的設備中，移動的精度不像現(xiàn)有技術的設備中那樣非常關鍵，所以移動裝置4可以是比通常用于傳統(tǒng)自動聚焦設備中的裝置更簡單和更便宜的類型。
例如，移動裝置4可由簡單的音圈或壓電傳動裝置組成。可選地，移動裝置4可利用雙壓電晶片彎曲機制造，透鏡設置在其自由端上。
本發(fā)明的聚焦設備1還包括用于直接檢測聚焦距離D的裝置，該裝置用附圖標記5指示。這種裝置5檢測聚焦距離，生成代表所檢測距離的信號，并可選地計算此距離的值。
如圖1中所示，檢測裝置5對移動裝置4起反饋的作用，用于調節(jié)聚焦裝置3相對于光源2的位置，從而將聚焦點F的聚焦距離D從實際測量值改變?yōu)椴煌闹怠?br> 優(yōu)選地，實際聚焦距離D的檢測以及隨后由移動裝置4控制的聚焦裝置3的位置調節(jié)被反復執(zhí)行，直至檢測到所需的聚焦距離。
根據(jù)本發(fā)明，檢測裝置5檢測離開聚焦裝置3的光束的代表聚焦距
離D的參數(shù)特性，聚焦裝置3在該聚焦距離D處聚焦光束10。此檢測使用設置在光發(fā)射路徑10a中、并適于生成代表離開聚焦裝置3的光束的已檢測參數(shù)特性的信號的適當檢測裝置，以及用于處理所述信號以生成指示實際聚焦距離D的信號并可選地計算其數(shù)值的裝置來執(zhí)行。在本說明書的下文中將對該檢測和處理裝置進行詳細描述。
根據(jù)本發(fā)明，由檢測裝置5檢測的特性參數(shù)是離開聚焦裝置3的光束10的波陣面曲率半徑。實際上，在遠離聚焦點F的區(qū)域中，即在聚焦裝置3的緊接著的下游區(qū)域中，聚焦光束10的波陣面由球冠組成，該球冠具有與聚焦距離D相等的曲率半徑R。
因此，在聚焦裝置的緊接著的下游區(qū)域處對光束10的波陣面曲率半徑的檢測提供了對實際聚焦距離D的直接測量。
例如，如圖2和圖3中所見，在此情形下，檢測裝置5包括帶有分別用附圖標記20a和20b指示的平坦平行面的板20，該板20具有預定的厚度和折射率，設置在聚焦裝置3下游的光發(fā)射路徑10a中。特別地，板20 距聚焦裝置3的距離遠小于此裝置3聚焦光束10的聚焦距離D。
板20以優(yōu)選等于45。的預定角度a相對于光發(fā)射路徑10a傾斜。此板20充當光學干涉儀它因此產(chǎn)生沿基本平行于光發(fā)射路徑10a的光路 11a傳播的折射光束ll和用附圖標記12和13指示的一對反射光束，該對反射光束沿圖3和圖4中用附圖標記12a和13a指示的各自的光路傳播，彼此平行并相對于光發(fā)射路徑10a傾斜角度2a (具體參見圖3)。
實驗已經(jīng)證明光束12和13具有彼此相當?shù)墓鈴姡⒋笥趶陌?0中射出的二次折射光束的光強的量，所述二次折射光束由從光束13發(fā)起在板20中開始的二次折射鏈(the chain of secondary refractions )而產(chǎn)生。
二次折射光束的存在因此可忽略不計。
選擇板20、發(fā)射源2和聚焦裝置3，使得板20的厚度和由源2發(fā)射的光束10的直徑與由聚焦裝置3產(chǎn)生的聚焦距離D相比來說是很小的。在這些情況下，光束12和13部分重疊。反射光束14由此產(chǎn)生，在其對應于光束12和13的重疊區(qū)的中央部分，反射光束14顯現(xiàn)出干涉區(qū)域15(見圖3和圖4)。
在觀察面P上，干涉區(qū)域15限定了沿方向x彼此相接的多個干涉條紋。
在觀察面P處，光束12和13的波陣面具有曲率半徑Rp;此半徑比聚焦光束10的波陣面曲率半徑R小的量等于觀察面P距板20的距離1 (見圖 3)。而光束13的波陣面曲率半徑Rp比光束12的波陣面曲率半徑Rp小的量T等于進入板20的光束13所經(jīng)過的附加路徑。如果r是板20的折射角， h是其厚度，則此附加路徑等于T二2h/cos(r)。由于h選擇為遠小于聚焦距離D，所以量T是可以忽略不計的。因此，可認為觀察面P處兩個光束 12和13的波陣面曲率半徑Rp相等。
圖4清晰地顯示了由部分重疊的光束12和光束13限定的干涉區(qū)域 15以及光束12和光束13在觀察面P上的投影。光路12a和13a以距離s間隔。在面P上定義了笛卡爾坐標軸x-y的參考系，其中原點位于干涉區(qū)域 15的中心，x軸平行于干涉條紋彼此相接的方向，y軸平行于條紋本身，并在干涉區(qū)域15的中心延伸，而z軸平行于光路12a和13a的傳播方向但面向相對于傳播方向相反的方向。光束12和13之間的相位差通過沿z軸測量的此光束12和13的波陣面之間的距離而非常近似地給出。
圖5顯示了例如當聚焦距離D改變時，千涉區(qū)域15在觀察面P上的光分布。干涉條紋清晰可見。所示情形可參照如下情況所使用的板具有平坦平行面，板的厚度為lmm，對于658nm波長的折射率n二1.8，所述板相對于光發(fā)射路徑傾斜45° ，其中由發(fā)射源發(fā)射的光束具有 2mm的直徑。刻度以mm表示，兩個折射光束之間的距離s等于0.604mm。
光束12和13在觀察面P上的波陣面包括兩個半徑為Rp^R—l的球冠，分別為該光束12和13的波陣面而由下式給出
<formula>formula see original document page 28</formula>
以及
由于條件&!>>〉3適用，此處s是沿光路12a和13a的x方向的距離，
所以該波陣面可估計如下
(x — s/2)2+少2以及
<formula>formula see original document page 28</formula>
兩個波陣面之間的相位差因此由下式給出
<formula>formula see original document page 28</formula>
在觀察面P上定義的x-y參考系中，光束12和13的波陣面之間的相位差在y軸上因此非常接近于零。
在觀察面P上產(chǎn)生并包括多個平行于y軸的干涉條紋的干涉圖樣的強度分布等于
<formula>formula see original document page 28</formula>
此處A是每個光束12和13的強度。因此分布曲線是正弦曲線，頻率取決于光束12和13的波陣面曲率半徑Rp。
因此，在觀察面P上并沿x方向的平行條紋系統(tǒng)的空間頻率的測量
提供了對聚焦光束10的波陣面曲率半徑的直接測量，從而提供了對實際聚焦距離D的直接測量。
為此，在本發(fā)明的設備l的優(yōu)選實施例中，檢測裝置5包括位于光
反射路徑中的板20下游的適當光電探測器30，該光電探測器30適于產(chǎn) 生代表沿觀察面P的x方向的條紋系統(tǒng)的空間頻率的信號。此外，提供了適于處理上述信號以生成代表實際聚焦距離D的信號的適當處理裝置(圖中未示，例如微處理器或微控制器)?？蛇x地，此處理裝置還可提供代表實際聚焦距離D的數(shù)值。
在圖2和圖3中所示的特定優(yōu)選實施例中，光電探測器30特別包括沿x方向排列在觀察面P上的光敏元件陣列，統(tǒng)一用附圖標記31指示。例如這些光敏元件是CCD傳感器的一部分。在這種情況下，條紋系統(tǒng) 沿x方向的空間頻率的確定通過沿x方向依序測量來自每個光敏元件31 的信號來實現(xiàn)。實際上，對測量的時間序列的頻率的檢測與條紋系統(tǒng) 的空間頻率通過光敏元件陣列31的掃描速度而直接關聯(lián)。實際上，條紋系統(tǒng)的空間頻率由下式給出
<formula>formula see original document page 29</formula>
如果光敏元件31的陣列沿x方向具有恒定間距并等于px，并且此光敏元件陣列31的掃描速度等于SR (像素/秒)，則來自光敏元件陣列31
的連續(xù)讀數(shù)的信號的時間頻率是
一旦已檢測到該時間頻率，則處理裝置生成電信號，根據(jù)所使用的處理裝置，該電信號可以是與所檢測到的時間頻率成比例的電流或電壓。將此信號與對應于所要求和/或所需要的聚焦距離的參考值相比較。在設備l的校準步驟中預先確定函數(shù)，所述函數(shù)將參考值與聚焦光
束的波陣面曲率半徑R相關聯(lián)、并因此與聚焦距離相關聯(lián)。此函數(shù)取決于所用調節(jié)裝置的類型，該調節(jié)裝置可包括例如音圈類型的移動線圈組，或壓電傳動裝置。基于與參考值的比較，生成代表所需聚焦距離與實際聚焦距離之間的差的信號；然后當需要時，將此信號用于對調節(jié)聚焦距離的裝置的反饋。
處理裝置還可提供操作者可讀取的所檢測到的實際聚焦距離D的數(shù)值。
圖6顯示了本發(fā)明的設備1的可選實施例。此實施例與上述實施例的唯一區(qū)別在于在此實施例中，代替光敏元件陣列31，光電探測器
裝置包括一對用附圖標記32和33指示的光電二極管，其設置在觀察面P 的下游，并適于檢測干涉區(qū)域15的不同部分。
在此情形中，觀察面P由具有一對矩形狹長切口34、 35的屏幕100 組成。光電二極管32和33分別設置在各自的狹長切口34、 35處。狹長切口34、 35允許干涉區(qū)域15的兩個不同部分通過。此部分的每一個通過各自的光電二極管32、 33來檢測。
圖7清晰地顯示了光束12和13在觀察面P上的投影。能夠看到設置在各自光電二極管32和33前面的狹長切口34和35。
在這種情形中，通過計算兩個狹長切口34和35處的光強分布的積分之間的差5來確定條紋系統(tǒng)沿x方向的空間頻率。實際上圖7中顯示了兩個狹長切口的優(yōu)選布置，其中狹長切口34和35從相對于x軸和y軸的相對側延伸。特別地，狹長切口的較長邊與y軸重合但面向相對于x 軸的相對側，而較短邊平行于x軸但面向相對于y軸的相對側。具體地，在此實施例中，狹長切口34在定義于觀察面P上的參考系x-y的第四象限上延伸，而狹長切口35在該參考系的第二象限上延伸。
選擇狹長切口34和35沿x方向的尺寸L以使得在位于狹長切口處的干涉區(qū)域15的部分處，光強積分的差的函數(shù)對于條紋頻率的預定范圍
是單調的。
在狹長切口34和35處的光分布積分的計算中，由于y上的相關性 (the dependence on y)由倍增常數(shù)(multiplicative constant)所纟合出，所以選擇原點位于干涉區(qū)域15的中心點的參考系x-y使得考慮變量x就
足夠了。
如果L是狹長切口沿x方向的寬度，則在觀察面P上產(chǎn)生的干涉圖樣的強度分布函數(shù)在邊界O和L之間的積分如下式給出
<formula>formula see original document page 31</formula>因此，此積分之間的差為
<formula>formula see original document page 31</formula>
當聚焦距離的范圍(因此，曲率半徑Rmin和Rmax的范圍)被限定時，只有當積分尺寸L小于^^，^in)達到第一相對最大值的值時，函數(shù)^(Z)是單調的。當滿足此條件時，由光電二極管32和33生成的信號差與聚焦距離D成比例。
申請人已發(fā)現(xiàn)使用具有平坦平行面的厚度為lmm、對于658nm波長的折射率n^1.8、相對于光發(fā)射路徑傾斜45。的板，如果所需的聚焦范圍是800到1600mm，則狹長切口的寬度L必須小于1.02mm，然而如果該范圍是500到1600mm，則寬度L必須小于0.81mm，而如果該范圍是200 到1600mm，則寬度L必須小于0.52mm。
一旦己計算出上述的差S ，處理裝置生成與此差成比例的信號(具體來說，是電流或電壓，取決于所用處理裝置)。將此信號與對應于所要求和/或所需要的聚焦距離的參考值相比較。對于先前的實施例，將參考值與波陣面曲率半徑相關聯(lián)，從而與聚焦距離相關聯(lián)的函數(shù)在設備l的校準步驟中被預先確定，并且其取決于所用移動裝置的類型。
基于與參考值的比較，生成代表所需聚焦距離與實際聚焦距離之間的差的信號；然后當需要時，將此信號用于對調節(jié)聚焦距離的裝置的反饋。
處理裝置還可提供操作者可讀取的所檢測到的實際聚焦距離D的數(shù)值。
在圖8中所示的可選實施例中，兩個狹長切口34、 35相對于y軸對稱延伸，并相對于所述軸以預定間距d隔開。具體地，在此實施例中，狹長切口34設置在參考系x-y的第一和第四象限，然而狹長切口35設置在所述參考系的第二和第三象限。至于其余的，所有參考圖6的實施例所作的說明都適用。然而，因為兩個狹長切口34和35不與y軸鄰接，所以積分區(qū)域更小，所以此可選實施例沒有前述的實施例有利。實際上，在條紋頻率的變化相等的情況下，在調節(jié)移動中，圖7的配置能夠使函數(shù)J(工)產(chǎn)生更大的變化，由此產(chǎn)生更高的靈敏度并因此產(chǎn)生更高的精度。
圖9顯示了另一可選實施例，其與圖6的實施例的區(qū)別僅僅在于檢測裝置30包括設置在屏幕100中的單一的光電二極管36和單一的狹
長切口37。
圖10清晰地顯示了光束12和13在觀察面P上的投影。能夠看到設置在光電二極管36前面的狹長切口37。
在這種情形中，通過計算狹長切口37處的光強分布的積分來確定條紋系統(tǒng)沿x方向的空間頻率。實際上圖10中顯示了狹長切口37的優(yōu)選布置，其中狹長切口37的較長邊與y軸重合，并且該狹長切口在相對于 x軸的觀察面P的相對側上延伸。具體地，在此實施例中，狹長切口37 在定義于觀察面P上的參考系x-y的第一和第四象限上延伸，但是它也可以在第二和第三象限上延伸。選擇狹長切口37沿x方向的尺寸L以使得在狹長切口37處，干涉區(qū)域15的部分的積分函數(shù)對于條紋頻率的預定范圍是單調的。
一旦已計算出上述積分，處理裝置生成與此積分成比例的信號。對于先前的實施例，將此信號與對應于所要求和/或所需要的聚焦距離的參考值相比較。將參考值與波陣面曲率半徑相關聯(lián)，從而與聚焦距離相關聯(lián)的函數(shù)在設備l的校準步驟中被預先確定，并且其取決于所用移動裝置的類型。
基于與參考值的比較，生成代表所需聚焦距離與實際聚焦距離之間的差的信號；然后當需要時，將此信號用于對調節(jié)聚焦距離的裝置的反饋。
處理裝置還可提供操作者可讀取的所檢測到的實際聚焦距離D的數(shù)值。
一種解決方案(圖中未示)使用單一的矩形狹長切口，該狹長切口具有兩個平行于y軸的較長邊，但所述邊均不與y軸重合。所有參考
圖9的實施例所作的說明均適用于此解決方案。
圖ll顯示了本發(fā)明的設備l的另一可選實施例。此實施例與上述所有實施例的區(qū)別僅僅在于在板20和觀察面P之間的光反射路徑中，設置了傳統(tǒng)的旋轉多面鏡40。
圖ll顯示了一特定實施例，其中光電探測器裝置30包括光電二極
管36，而觀察面P包括具有對應的狹長切口37的屏幕100，如上文參考圖9所述的實施例中那樣。
在圖ll的實施例中，使干涉區(qū)域15通過狹長切口37。此通過確定了干涉區(qū)域15的光強的調制。令Vs為線性速度，使光束12和14以該線性速度Vs在狹長切口37上移動，穿過狹長切口37的干涉區(qū)域15的部分的調制頻率通過下式給出
<formula>formula see original document page 34</formula>
此處f;是條紋系統(tǒng)沿x方向的空間頻率。
一旦檢測到調制頻率fm，處理裝置計算空間頻率并生成與此頻率
成比例的信號。對于上述的實施例，將此信號與對應于所要求和/或所需要的聚焦距離的參考值相比較。
基于與參考值的比較，生成代表所需聚焦距離與實際聚焦距離之
間的差的信號；然后當需要時，將此信號用于對調節(jié)聚焦距離的裝置
的反饋。
處理裝置還可提供操作者可讀取的所檢測到的實際聚焦距離D的數(shù)值。
所有上述的實施例都具有如下優(yōu)點允許聚焦距離的連續(xù)檢測，并因此可實時調節(jié)此距離。這可能要歸功于如下事實用于檢測聚焦距離的裝置設置在用于掃描激光束的裝置的上游，因此它們是彼此完全無關的。
圖12顯示了本發(fā)明的設備1的又一可選實施例。此實施例與圖ll 的實施例的區(qū)別僅僅在于旋轉多面鏡40與掃描折射光束11的鏡是同
一鏡，所述折射光束用于掃掠(sweep)待讀取的光代碼。在此實施例中，在板20和多邊形轉子40之間的光反射路徑中，設置了偏轉鏡41。至于其余的，所有參考圖ll中示出的實施例所作的說明均適用。
可選地，代替光電二極管36，而設置光導(諸如光導纖維)是可能的，所述光導將光強的調制傳送到用于檢測由光代碼散射的光的相同光電二極管。在這種情形下，鏡41和狹長切口37的定位必須使得來自光導的強度調制的檢測暫時不同于由光代碼散射的光的檢測。
由于對于檢測聚焦距離和檢測光代碼的信息內容使用同一光電二極管，所以此實施例是特別有利的。
圖13顯示了在本發(fā)明的設備1的另一實施例的情形下，干涉區(qū)域15 在觀察面P上的光分布。此實施例與其它實施例的區(qū)別僅僅在于代替具有平坦平行面，板20包括彼此形成角度e的平面，從而允許光束的重疊?？梢钥吹礁缮鎱^(qū)域15沿相對于x軸傾斜預定角度a的m方向在面P 上形成了彼此相接的平行條紋系統(tǒng)。
在所示的特定實例中，所使用的板由SchottBK7玻璃構成，板的厚度為lmm，角度e為O.l。，幾個測量結果是隨著聚焦距離的改變(因此，聚焦光束的波陣面曲率半徑R改變)而作出的。能夠看到隨著曲率半徑的改變，條紋的傾角a改變。
此條紋系統(tǒng)的空間頻率實際上與角度a通過如下關系而相關聯(lián):
這里s是觀察面P上光路12a和13a之間的距離。
因此條紋系統(tǒng)的旋轉角度a的測量與聚焦光束10的波陣面曲率半徑直接關聯(lián)。用于確定角度a的方法例如在US 4604739和US 5446710 中進行了描述。在這兩個專利中，由光載體(optical support)反射的波陣面的曲率半徑的檢測由四象限光電二極管(quadrant photodiode)，即由四個并排設置的光敏元件組成的光電二極管來執(zhí)行。由條紋旋轉而產(chǎn)生的信號在四個光敏元件上的差與條紋的旋轉角度相關聯(lián)，并因此與聚焦光束的波陣面曲率半徑相關聯(lián)。可選地，角度a的測量可通過其它類型的傳感器或利用適當布置在光電二極管前的狹長切口來執(zhí) 行。特別地，狹長切口可平行于x軸設置，如圖13中所示。
在上述的不同實施例中，本發(fā)明的設備l允許執(zhí)行聚焦激光束的方法，所述方法包括步驟如下
沿光發(fā)射路徑10a發(fā)射激光束10; 將激光束10聚焦在位于聚焦距離D處的聚焦點F;
檢測實際聚焦距離D;
根據(jù)所檢測到的當前聚焦距離D來調節(jié)上述聚焦點F的位置；
其中，檢測聚焦距離的步驟包括檢測聚焦光束的代表所述聚焦距離的參數(shù)特性的步驟，所述特性參數(shù)是所述聚焦光束的波陣面曲率半徑。
檢測聚焦距離D的步驟以及基于所檢測到的聚焦距離D調節(jié)聚焦點F的位置的步驟被反復執(zhí)行，直至達到所需的聚焦距離。
檢測聚焦距離D的步驟可包括計算此距離的實際值的步驟。
檢測聚焦距離D的步驟具體包括如下步驟
產(chǎn)生沿相對于光發(fā)射路徑10a傾斜的光反射路徑傳播的反射光束 14，所述反射光束14包括一對部分重疊的光束12和13，并且所述反射
光束14限定了干涉區(qū)域15;
檢測反射光束14，以生成代表所述干涉區(qū)域15的參數(shù)特性的信號；處理上述信號，以生成指示實際聚焦距離D的信號。
上述處理步驟具體包括確定干涉區(qū)域15在位于光反射路徑中的觀察面P上所限定的多個干涉條紋的空間頻率的步驟，所述干涉條紋沿著條紋連續(xù)的方向彼此相接。
確定所述多個條紋的空間頻率的步驟具體包括如下步驟
選擇干涉區(qū)域15的至少一個部分，以生成代表干涉區(qū)域15的所述至少一個部分的光強的信號；
對于空間頻率的預定范圍，計算干涉區(qū)域15的所述至少一個部分的光強的積分。
在圖14中示出的本發(fā)明的設備1的另一實施例中，檢測裝置5包括與孔徑光闌220相關聯(lián)的鏡狀表面200，該孔徑光闌220沿光發(fā)射路徑10a 設置在聚焦裝置3的下游。此鏡狀表面200相對于光發(fā)射路徑10a傾斜，從而通過同一聚焦裝置3將聚焦光束10的邊緣部分205向后返回到與發(fā) 射源2不同的位置上。由于在任何情形下，光束10都被孔徑光闌220攔截，該孔徑光闌220需要為要求的應用而給予光束適宜的直徑，所以從光束10中除去的所述邊緣部分205并不改變光束10的特征。
檢測裝置5還包括光傳感器210，光傳感器210與光束10的發(fā)射源2 整體相關聯(lián)，并感測向后返回的邊緣部分205的入射位置，以生成代表此入射位置的變化的信號。例如，光傳感器210可以是傳統(tǒng)的PSD?？?br> 選地，傳感器可由諸如CCD的光敏元件陣列組成。
在鏡狀表面200相對于光發(fā)射路徑10a的傾斜角相等的情況下，通過鏡狀表面200向后返回的光束的邊緣部分205的入射位置取決于聚焦激光束的曲率半徑，并因此取決于實際聚焦距離D。如果鏡狀表面200 不傾斜，則向后返回的光束部分205將回到源2，這將是與焦點共軛的點。代替地，鏡狀表面200的傾斜將向后返回的光束部分205移動到相對于源2的分散位置(decentralised position)。一旦建立預定的傾斜角，對此光束部分205撞擊光傳感器210的位置的檢測因此提供了對實際聚焦距離的測量。
適當?shù)奶幚硌b置處理由光傳感器210生成的信號，以生成與向后返回的邊緣部分205的入射位置成比例的信號。將此信號與對應于所要求和/或所需要的聚焦距離的參考值相比較。對于先前的實施例，將參考值與波陣面曲率半徑相關聯(lián)(通過光傳感器210上的邊緣部分205的入射位置)，從而與聚焦距離相關聯(lián)的函數(shù)在設備l的校準步驟中被預先確定，并且其取決于所用移動裝置的類型。
基于與參考值的比較，生成代表所需聚焦距離與實際聚焦距離之間的差的信號；然后當需要時，將此信號用于對調節(jié)聚焦距離的裝置的反饋。
處理裝置還可提供操作者可讀取的所檢測到的實際聚焦距離D的數(shù)值。
同樣，此實施例具有如下優(yōu)點允許聚焦距離的連續(xù)檢測，以及因此能夠實時調節(jié)此距離。
在圖14的實施例中，本發(fā)明的設備l允許執(zhí)行聚焦激光束的方法，所述方法包括步驟如下
沿光發(fā)射路徑10a發(fā)射激光束10;
將激光束10聚焦在位于聚焦距離D處的聚焦點F; 檢測實際聚焦距離D;
根據(jù)所檢測到的當前聚焦距離D來調節(jié)上述聚焦點F的位置；其中，檢測聚焦距離的步驟包括如下步驟
沿相對于光發(fā)射路徑10a傾斜的光路，向后返回聚焦光束的邊緣部分205;
通過位置傳感器210檢測此向后返回的邊緣部分205，以生成代表所述位置的信號，其中在所述位置處所述向后返回的邊緣部分205撞擊位置傳感器210;
處理所述信號，以生成代表實際聚焦距離D的信號。
檢測聚焦距離D的步驟以及基于所檢測到的聚焦距離D調節(jié)聚焦點F的位置的步驟被反復執(zhí)行，直至達到所需的聚焦距離。
檢測實際聚焦距離D的步驟可包括計算此距離的實際值的步驟。
圖15顯示了聚焦設備1，除了上述的發(fā)射源2和聚焦裝置3之外，該設備l包括具有預定厚度和折射率、并設有平坦平行面的板50。對此面中的一個進行處理，從而產(chǎn)生沿相對于光發(fā)射路徑傾斜的各自光反射路徑傳播的單一反射光束lll。特別地，可利用抗反射涂層(antireflective coating)對面20a進行處理或者可利用反射涂層對面20b部分地進行處理，或者對兩者均進行處理。
在反射光路中設有用于聚焦反射光束111的裝置60，此裝置60適于在預定距離處聚焦反射光束lll。在反射光路中，在聚焦裝置60的下游設有光闌70，光闌70具有與反射光束111同中心的孔80，從而僅允許所述光束的中心部分由此通過。在光闌70處，孔80具有在如下操作狀態(tài) 下所測量的與反射光束lll的直徑相等的直徑即，其中聚焦裝置3在最大或最小聚焦距離D處(即，對應于兩個所需聚焦端面Dmin和Dmax
之一)聚焦由發(fā)射源2發(fā)射的光束10。
在反射光路中，光電二極管90設置在光闌70的下游。此光電二極
管90適于生成與聚焦距離D雙向唯一地相關(bi-uniquely correlated)的信號，具體地，當聚焦距離D減小或增加時，此信號代表反射光束lll 的中心部分的光強變化。實際上，當此聚焦距離減小或增加時，裝置 60在與前述操作條件不同的距離處聚焦反射光束111，從而確定光闌70 處反射光束111的直徑的增加量以及通過孔80的此光束的部分的相應減少量。
適當?shù)奶幚硌b置處理由光電二極管90生成的信號，以生成與反射光束lll的中心部分的光強變化成比例的信號。通過在此信號的多個值與相對應的多個聚焦距離之間的已知關系而生成此信號。此關系是在校準步驟期間預先確定的。
然后當需要時，將此信號用于對調節(jié)聚焦距離的裝置的反饋。
此實施例具有如下優(yōu)點允許聚焦距離的連續(xù)檢測，并且因此能夠實時調節(jié)此距離。這可能要歸功于如下事實用于檢測聚焦距離的裝置設置在用于掃描激光束的裝置的上游，因此它們是彼此完全無關的。
在圖15的實施例中，本發(fā)明的設備l允許執(zhí)行聚焦激光束的方法，
所述方法包括步驟如下
沿光發(fā)射路徑10a發(fā)射激光束10;
將激光束10聚焦在位于聚焦距離D處的聚焦點F; 檢測實際聚焦距離D;
根據(jù)所檢測到的當前聚焦距離D來調節(jié)上述聚焦點F的位置；其中，檢測聚焦距離的步驟包括如下步驟
生成沿相對于所述光發(fā)射路徑(10a)傾斜的反射光路傳播的反射
光束(111); ' 在預定距離處聚焦所述反射光束(111);
選擇通過光闌(70)的所述反射光束(111)的中心部分，所述光闌(70)具有與所述反射光束(111)同中心的圓孔(80)，并且當發(fā) 射光束(10)被在最大或最小聚焦距離(D)處聚焦時，孔(80)的直徑等于所述反射光束(111)的直徑；
檢測反射光束(111)的所述中心部分，以當聚焦距離(D)減小或增加時，生成代表所述反射光束(111)的所述中心部分的光強變化的信號；
處理所述信號，以生成指示所述聚焦距離(D)的信號。
檢測聚焦距離D的步驟以及基于所檢測到的聚焦距離D調節(jié)聚焦點F的位置的步驟被反復執(zhí)行，直至達到所需的聚焦距離。
檢測實際聚焦距離D的步驟可包括計算此距離的實際值的步驟。
有利地，在上述的不同實施例中，本發(fā)明的設備l能夠精確和可靠地自動(并且，如果需要，則連續(xù)和實時)調節(jié)所需的聚焦距離，而與可能出現(xiàn)的定位誤差和/或設備本身的機械和光學部件的不需要的移動和/或確定光學聚焦系統(tǒng)的焦距時所產(chǎn)生的誤差無關。
權利要求
1.一種用于聚焦激光束的設備(1)，所述設備包括沿光發(fā)射路徑(10a)的激光束(10)的發(fā)射源(2)；用于將所述激光束(10)聚焦在位于聚焦距離(D)處的聚焦點(F)中的第一聚焦裝置(3)；用于調節(jié)所述聚焦點(F)相對于所述設備(1)的位置的裝置(4)；用于檢測對所述調節(jié)裝置(4)起反饋作用的所述聚焦距離(D)的裝置(5)，其中所述檢測裝置(5)檢測離開所述第一聚焦裝置(3)的所述光束(10)的代表所述聚焦距離(D)的參數(shù)特性；其特征在于所述特性參數(shù)是離開所述第一聚焦裝置(3)的所述光束(10)的波陣面曲率半徑。
2. 根據(jù)權利要求1所述的設備(1)，其中，所述檢測裝置計算所述聚焦距離(D)的值。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的設備(1)，其中，所述檢測裝置 (5)包括預定厚度和折射率的玻璃板(20)，其設置在所述第一聚焦裝置 (3)下游的所述光發(fā)射路徑(10a)中，并適于生成沿相對于所述光發(fā) 射路徑(10a)傾斜的反射光路傳播的反射光束(14)，所述反射光束 (14)由一對部分重疊的光束(12， 13)所限定，并且所述反射光束 (14)限定了干涉區(qū)域(15) ，光電探測器裝置(30)，其設置在所述反射光路中，并適于生成代表所述干涉區(qū)域(15)的參數(shù)特性的信號；用于處理所述信號從而生成指示所述曲率半徑的信號的裝置。
4. 根據(jù)權利要求3所述的設備(1)，其中，所述干涉區(qū)域(15) 的所述參數(shù)特性是所述干涉區(qū)域(15)在位于所述反射光路中的觀察面(P)上所限定的多個干涉條紋的空間頻率。
5. 根據(jù)權利要求4所述的設備(1)，其中，所述光電探測器裝置(30)包括沿所述條紋連續(xù)的方向(x)設置在所述觀察面(P)上的光敏元件陣列(31)。
6. 根據(jù)權利要求4所述的設備(1)，其中，所述觀察面(P)包括至少一個狹長切口 (34， 35， 37)，所述狹長切口適于允許所述干涉區(qū)域(15)的至少一部分通過，而所述光電探測器裝置(30)包括至少一個光敏元件(32， 33， 36)，所述光敏元件設置在所述至少一個狹長切口 (34， 35， 37)下游的所述反射光路中。
7. 根據(jù)權利要求6所述的設備(1)，其中，所述至少一個狹長切口 (34， 35， 37)是矩形的，其較短邊沿所述條紋連續(xù)的方向(x) 定向。
8. 根據(jù)權利要求7所述的設備(1)，其中，沿所述條紋連續(xù)的所述方向(x)，所述至少一個狹長切口 (34, 35， 37)具有這樣的尺寸，即，可使得對于條紋頻率的預定范圍，在干涉區(qū)域(15)的所述至少一個部分處，所述反射光束(14)的光強的積分函數(shù)是單調的。
9. 根據(jù)權利要求6到8的任一項所述的設備(1)，其中，所述觀察面(P)包括單一的狹長切口 (37)，而所述光電探測器裝置(30) 包括單一的光敏元件(36)。
10. 當取決于權利要求7或8時根據(jù)權利要求9所述的設備(1 )，其中，所述單一狹長切口 (37)具有一對平行于所述干涉區(qū)域(15) 的第一對稱軸(y)的較長邊，所述第一對稱軸(y)垂直于所述條紋連續(xù)的所述方向(x)，并且所述單一狹長切口 (37)在相對于所述干涉區(qū)域(15)的第二對稱軸(x)的所述觀察面(P)的相對側上延伸，所述第二對稱軸(x)平行于條紋連續(xù)的所述方向(x)。
11. 根據(jù)權利要求10所述的設備(1)，其中，所述較長邊對的一個較長邊與所述第一對稱軸(y)重合。
12. 根據(jù)權利要求6到8的任一項所述的設備(1)，其中，所述觀察面(P)包括兩個狹長切口 (34， 35)，而所述光電探測器裝置(30) 包括兩個光敏元件(32， 33)，所述兩個狹長切口 (34， 35)的每一個對應一個光敏元件。
13. 當取決于權利要求7或8時根據(jù)權利要求12所述的設備(1)，其中，所述兩個狹長切口 (34， 35)形成在相對于所述干涉區(qū)域(15) 的第一對稱軸(y)的所述觀察面(P)的相對側上，所述第一對稱軸(y)垂直于條紋連續(xù)的所述方向(x)。
14. 根據(jù)權利要求13所述的設備(1)，其中，所述兩個狹長切口 (34， 35)具有與所述第一對稱軸(y)重合的較長邊，并且所述兩個狹長切口 (34， 35)形成在相對于所述干涉區(qū)域(15)的第二對稱軸(x)的相對側上，所述第二對稱軸(x)平行于條紋連續(xù)的所述方向(x)。
15. 根據(jù)權利要求13所述的設備(1)，其中，所述兩個狹長切口 (34， 35)在相對于所述干涉區(qū)域(15)的第二對稱軸(x)的所述觀察面(P)的相對側上相對于所述第一對稱軸(y)對稱地延伸，并相對于所述第一對稱軸(y)以預定距離隔開，所述第二對稱軸(x) 平行于條紋連續(xù)的所述方向(x)。
16. 根據(jù)權利要求4到15的任一項所述的設備(1)，進一步包括旋轉多面鏡(40)，其設置在所述板(20)和所述觀察面(P)之間的所述反射光路中。
17. 根據(jù)權利要求16所述的設備(1)，進一步包括至少一個偏轉鏡(41)，其設置在所述板(20)和所述旋轉多面鏡(40)之間的所述反射光路中，其中所述旋轉多面鏡(40)也對由所述板(20)產(chǎn) 生的折射光束起作用。
18. 根據(jù)權利要求3到17的任一項所述的設備(1)，其中，所述板(20)包括反射材料的相對的平坦平行面(20a， 20b)。
19. 根據(jù)權利要求3到17的任一項所述的設備(1)，其中，所述板(20)包括反射材料的相對的平面(20a， 20b)，所述相對的平面彼此形成角度e 。
20. 根據(jù)權利要求1或2所述的設備(1)，其中所述檢測裝置(5) 包括鏡狀表面(200)，其設置在所述第一聚焦裝置(3)的下游，并相對于所述光發(fā)射路徑(10a)傾斜，從而將所述聚焦光束(10)的邊緣部分(205)向后返回到與所述發(fā)射源不同的位置中；探測器裝置(210)，其感測向后返回的所述聚焦光束(10)的所述邊緣部分(205)的入射位置，以生成代表所述入射位置的信號，所述探測器裝置(210)與所述發(fā)射源(2)整體相關聯(lián)；用于處理所述信號以生成指示所述聚焦距離(D)的信號的裝置。
21. —種用于聚焦激光束的設備(1)，包括沿光發(fā)射路徑(10a)的激光束(10)的發(fā)射源(2); 用于將所述激光束(10)聚焦在位于聚焦距離(D)處的聚焦點(F)中的第一聚焦裝置(3);用于調節(jié)所述聚焦點(F)相對于所述設備(1)的位置的裝置(4);用于檢測對所述調節(jié)裝置(4)起反饋作用的所述聚焦距離(D) 的裝置(5)，其中所述檢測裝置(5)包括預定厚度和折射率的板(50)，所述板(50)沿所述光發(fā)射路徑 (10a)設置在所述第一聚焦裝置(3)的下游，并適于生成沿相對于所述光發(fā)射路徑(10a)傾斜的反射光路傳播的反射光束(111);第二聚焦裝置(60)，其設置在所述反射光路中，用于在預定距離處聚焦所述反射光束(111);光闌(70)，其設置在所述第二聚焦裝置(60)下游的所述反射光路中，具有與所述反射光束(111)同中心的孔(80)，從而僅允許所述反射光束(111)的中心部分由此通過，其中當所述第一聚焦裝置 (3)在最大或最小聚焦距離(D)處聚焦由所述發(fā)射源(2)發(fā)射的所述光束(10)時，在所述光闌(70)處，所述孔(80)具有與所述反射光束(111)的直徑相等的直徑；光電探測器裝置(90)，其設置在所述光闌(70)下游的所述光反射路徑中，并適于當聚焦距離(D)增加或減少時，生成代表所述反射光束(111)的所述中心部分的光強變化的信號；用于處理所述信號以生成指示所述聚焦距離(D)的信號的裝置。
22. 根據(jù)權利要求21所述的設備(1)，其中，所述處理裝置計算所述聚焦距離(D)的值。
23. 根據(jù)權利要求21或22所述的設備(1)，其中，所述板(50) 包括相對的平坦平行面，對所述相對面中的一個用抗反射涂層進行處理。
24. —種用于聚焦激光束的方法，所述方法包括如下步驟沿光發(fā)射路徑(10a)發(fā)射激光束(10);將所述光束(10)聚焦在位于聚焦距離(D)處的聚焦點(F);檢測所述聚焦距離(D);根據(jù)所檢測到的聚焦距離(D)來調節(jié)所述聚焦點(F)的位置；其中，檢測聚焦距離(D)的步驟包括檢測聚焦光束(10)的代表所述聚焦距離(D)的參數(shù)特性的步驟，所述特性參數(shù)是所述聚焦光束 (10)的波陣面曲率半徑。
25. 根據(jù)權利要求24所述的方法，其中，檢測聚焦距離(D)的步驟以及基于所檢測到的聚焦距離(D)來調節(jié)聚焦點(F)的位置的步驟被反復執(zhí)行，直至達到所需的聚焦距離(D)。
26. 根據(jù)權利要求24或25所述的方法，其中，檢測聚焦距離(D) 的步驟包括計算所述聚焦距離(D)的值的步驟。
27. 根據(jù)權利要求24到26的任一項所述的方法，其中，檢測聚焦距離(D)的步驟包括如下步驟生成沿相對于所述光發(fā)射路徑(10a)傾斜的反射光路傳播的反射光束(14)，所述反射光束(11)包括一對部分重疊的光束(12， 13) 并且所述反射光束(11)限定了干涉區(qū)域(15);檢測所述反射光束(14)，以生成代表所述干涉區(qū)域(15)的參數(shù)特性的信號；處理所述信號，以生成指示所述曲率半徑的信號。
28. 根據(jù)權利要求27所述的方法，其中，所述處理步驟包括確定所述干涉區(qū)域(15)在位于所述反射光路中的觀察面(P)上所限定的多個干涉條紋的空間頻率。
29. 根據(jù)權利要求28所述的方法，其中，所述確定所述多個條紋的空間頻率的步驟包括如下步驟選擇所述干涉區(qū)域(15)的至少一個部分，以生成代表所述干涉區(qū)域(15)的所述至少一個部分的光強的信號；計算干涉區(qū)域(15)的所述至少一個部分的光強的積分。
30. 根據(jù)權利要求29所述的方法，其中，所述干涉區(qū)域(15)的所述至少一個部分是矩形部分，其較短邊沿條紋連續(xù)的方向(x)定向。
31. 根據(jù)權利要求30所述的方法，其中，沿條紋連續(xù)的所述方向(x)，所述干涉區(qū)域(15)的所述至少一個部分具有這樣的尺寸，艮P，可使得對于條紋頻率的預定范圍，干涉區(qū)域(15)的所述至少一個部分的光強的積分函數(shù)是單調的。
32. 根據(jù)權利要求24到26的任一項所述的方法，其中，所述檢測聚焦距離(D)的步驟包括如下步驟沿相對于所述光發(fā)射路徑UOa)傾斜的光路，向后返回所述聚焦光束(10)的邊緣部分(205);通過檢測裝置(210)檢測向后返回的所述邊緣部分(205)，以生成代表所述位置的信號，在該位置處向后返回的所述聚焦光束(10) 的所述邊緣部分(205)撞擊所述檢測裝置(210);處理所述信號，以生成指示所述聚焦距離(D)的信號。
33. —種用于聚焦激光束的方法，所述方法包括如下步驟沿光發(fā)射路徑(10a)發(fā)射激光束(10);將所述光束(10)聚焦在位于聚焦距離(D)處的聚焦點(F); 檢測所述聚焦距離(D);根據(jù)所檢測到的聚焦距離(D)來調節(jié)所述聚焦點(F)的位置；其中，檢測聚焦距離(D)的步驟包括如下步驟生成沿相對于所述光發(fā)射路徑(10a)傾斜的反射光路傳播的反射光束(111);在預定距離處聚焦所述反射光束(111);選擇通過光闌(70)的所述反射光束(111)的中心部分，所述光闌(70)具有與所述反射光束(111)同中心的圓孔(80)，并且當發(fā) 射光束(10)被在最大或最小聚焦距離(D)處聚焦時，在所述光闌(70) 處，所述圓孔(80)的直徑等于所述反射光束(111)的直徑；檢測反射光束(111)的所述中心部分，以當聚焦距離(D)減小或增加時，生成代表所述反射光束(111)的所述中心部分的光強變化的信號；處理所述信號，以生成指示所述聚焦距離(D)的信號。
34. 根據(jù)權利要求33所述的方法，其中，檢測聚焦距離(D)的步驟包括計算所述聚焦距離(D)的值的步驟。
35. —種編碼信息讀取器，其包括根據(jù)權利要求1到23的任一項所述的聚焦設備(1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于聚焦激光束的設備(1)。設備(1)包括用于沿光發(fā)射路徑(10a)發(fā)射激光束(10)的源(2)、用于將所述激光束(10)聚焦在聚焦點(F)的裝置(3)以及用于調節(jié)所述聚焦點(F)的位置的裝置(4)。設備(1)還包括用于檢測對所述調節(jié)裝置(4)起反饋作用的聚焦距離(D)的裝置(5)。聚焦距離(D)通過檢測離開聚焦裝置(3)的光束(10)的代表此聚焦距離(D)的參數(shù)特性而被檢測。此特性參數(shù)是聚焦光束(10)的波陣面曲率半徑。本發(fā)明的設備能夠精確和可靠地自動調節(jié)所需的聚焦距離，而與可能出現(xiàn)的定位誤差和/或設備本身的機械和光學部件的不需要的移動無關。如果需要，此調節(jié)可以是連續(xù)和實時的。
文檔編號G02B7/28GK101351734SQ200680049890
公開日2009年1月21日申請日期2006年12月18日優(yōu)先權日2005年12月30日
發(fā)明者加布里埃萊·科拉因申請人:數(shù)據(jù)邏輯公開有限公司

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