双振镜扫描几何失真的硬件校正(精)
双振镜点扫描三维形貌测量系统
第 ７期
光 学 精 密工 程
（ｐ ｉｓ ａ ｅ ｉｉ ｎ Ｅｎｇｎｅ ｒｎｇ ） ｔｃ ｎｄ Ｐｒ ｃｓｏ ｉ ｅｉ
Ｖｏ１ ８ Ｎ Ｏ ７ ．１ ．
２１ ０ ０年 ７月
Ｊ １２ １ ｕ． ０ ０
文 章编 号 １ ０ — ２ Ｘ（ ０ ０ ０ — ６ ８ ０ ０ ４９ ４ ２ １ ） ７ １ ４ — ６
Ｌ ｏ ｇ ＩＸｕ ｄ ｎ ，ＣＵ ＩＬ ｉ ｅ ，ＺＨＡＯ ｕ ｉ ，ＪＡＮＧ ｎ —ｈ Ｈ ｉ ｅ Ｉ ｊ Ｈｏ ｇｚ ｉ
（ ｃ ｏ ｌ Ｊ Ｉ ｓｒ ｍｅ ｔ ｔｏ ｃｅ ｃ Ｓ ｈ ｏ ｎ ｔｕ ｎａ ｉ ｎＳ ｉｎ ｅ＆ Ｏｐ ｏ ｅｅｔｏ ｉｓＥｎ ｎ ｅ ｉ ｇ． ｏ ｔ—ｌｃｒｎ ｃ ｇｉｅ ｒｎ
系 统 ， 用 专用 的二 维 平 面 靶标 在 测 量 空 间 内 自由摆 放 数 次 ， 据 靶 标 上特 征 点及 其像 点 问 的 位 置 关 系 ， 坐 标 系 转 换 利 根 以 为 基 础 实现 了测 量 系统 结 构 参 数 的 现 场标 定 。利 用李 萨如 图扫 描 模 式 分 别对 靶 标 平 面 、 已知 直 径 的球 面 及 石 膏 像 自由 曲 面进 行 了测 量 实验 。结 果 表 明 ， 量距 离 １ｍ 处 ， 量 点 到拟 合 平 面 的 距 离 误 差 均 值 为 ０ ７ ｎ 球 面 直 径 测 量 误 差 测 测 ． ０ｍｉ， 均 值 为 ０ ５ ｉ 测 量 距 离 １ ｌ ， 量 点 到 拟 合平 面 的距 离误 差均 值 为 １ ． ５ Ｔ。该 系 统 可用 于 远 距 离 大 尺 寸物 体 ．１ｌ Ｆｍ； ０ｎ 处 测 ８ ｌ ７ ｍｉ
双 振 镜 点 扫 描 三 维 形 貌 测 量 系统
双振镜扫描几何失真的硬件校正(精)
文章编号 :100123806(2003 0420337202双振镜扫描几何失真的硬件校正郭飞胡兵应花山洪利民(华中科技大学激光技术与工程研究院 , 武汉 ,430074摘要 :通过分析双振镜 2维扫描光学系统的成像原理 , 导出此扫描系统几何失真公式。
根据失真公式设计电子线路 , 对失真进行校正 , 从而获得校正后的完善图形。
这一校正技术在激光标记系统中得到应用。
关键词 :激光标记 ; 双振镜扫描 ; 几何失真 ; 硬件校正中图分类号 :TN249文献标识码 :AH ardw are correction for distortion of dual galvanometer scanningGuo Fei , Hu B i ng , Yi ng , L i m i (Institute of Laser Technology &Engineering Abstract :Though analyzing the distortion formula of the scanning system were educed. to correct the distortion and perfect pictures were in laser marking systems.K ey w ;dual scanning ;geometry distortion ;hardware correction作者简介 :郭飞 , 男 ,1978年 9月出生。
硕士研究生。
主要从事激光标刻技术的研究。
收稿日期 :2002211219; 收到修改稿日期 :2003201218引言双振镜扫描是一种在光栅或矢量模式下对 X 2Y 平面场进行扫描的简单、低成本方式。
这种扫描方式的主要缺点是其在双轴平面场扫描时存在固有的几何失真。
主要包括枕形失真、线性失真和在平面场上成像光束的焦点误差。
通过在双振镜扫描系统后增加一个f θ物镜 , 可以对焦点误差进行校正 , 使得激光束能够聚焦在同一焦平面上 , 并对扫描系统进行一定的失真校正 , 但其无法实现对 X 轴枕形失真的校正 , 并产生 Y 轴方向的桶形失真。
LDS激光打标机的振镜扫描失真分析及矫正
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##* 与聚焦镜的距离来实现聚焦补偿 ) FE & 使远离原点的
工中焦距变化较大产品的生产 要求 ( 因 此 & 文中采 用振镜后扫描方式 ( 其原理如图 # 所示& 激光束通过 动态聚 焦 镜 后& 先 经 过 聚 焦 物 透 镜 形 成 会 聚 光 束& 再通过 # ' O 转动振镜的偏转后& 在工作面上形成扫 描点(
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机床与液压
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双振镜激光扫描的误差分析及校正方法
Error Analysis and Correction Methods of Dual Galvanometer Scanning
（1. Air Force Engineering University， Xi’ an 710077， China； 2. Xi’ an Communication Institute， Xi’ an 710106， China）
由图1可知xy轴分别转动角后扫描光束在xoy平面内的扫描线端点坐标为ydtan2?xedsec2tan21对应的yx反射镜的摆角分别为2arctanyd12arctandsec2e?????当摆角不变时坐标xy的值会随着摆角作1x2相应的变化令tan2cc为常数对式1变形整理后得xce2cd2y2d213显然扫描轨迹为双曲线即所谓的枕形畸变如图2所示这是光学元件无法消除的非线性几何畸变
y
(x - ce )2 y 2 - 2 =1 (cd)2 d
（3）
聚焦误差会影响光斑直径的变化， 从而影响扫 描的质量。从式 （9） 可以看出， 目标范围一定时， 要
2(α 2 + β 2 + 2α 2 β 2)d + 2α 2 e
（9）
β 的值就需要增大 d 的值， 减 小α 、 从而减小聚焦
误差。对于物镜后扫描方式来说， 利用动态聚焦模 块可以有效校正二维扫描系统的聚焦误差， 但这 种 方式只能在小范围内获得满意的结果。对于
第4期
韩万鹏等： 双振镜激光扫描的误差分析及校正方法
15
1 双振境平面扫描误差分析
1.1 枕形误差
二维振镜扫描是利用安装在 2 个互相垂直伺服 转机上的平面反射镜绕互成角度， 围绕转轴转动， 使扫描光束按照一定角度和速度向 x、 y 轴 2 个方向 扫描， 实现目标空间平面扫描的扫描方式。 由图 1 可知， x、 y 轴分别转动α 、 扫描光 β 角后， 束在 XOY 平面内的扫描线端点坐标为
激光振镜扫描图形失真及校正方法
Graphic Distortion Analysis and Correction Arithmetic Research on Laser Galvanometer Scanning
ZHAO Qun，WANG Chao，YANG Jinhua
（Laboratory of Contemporary Optical Measure Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022） Abstract：According to the graphic distortion of the laser galvanom，the reasons of distortion are discussed and the pincushion distortion is derived. A kind of conic calibration model and a kind of calibration model of graphic distortion in common is analysed.A algorithm based on compensating angle error to scanning angle is proposed.The result which proved the consistence comparing with point coordinates compensation methods is appropriate for the lidar scanning imaging system. Key wods：galvanom scanning；distortion quafric curve；coordinate transformation；angle compensation
二维振镜扫描系统调向误差分析
Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｅｒｒｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ２Ｄ ｇａｌｖａｎｏｍ ｅｔｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
Ｑｉｎ Ｍ ｅｎｇｚｅ ，Ｘｉａｏ Ｃｈｅｎｇ。，Ｚｈａｎｇ Ｄｏｎｇｘｉａｏ。
（１．Ｎｏ．６３９０８ Ｔｒｏｏｐｓ ｏｆ ＰＬＡ ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕｎｇ ０５００００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｃａｍｐｕｓ ｏｆ Ａｒｍｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００００，Ｃｈｉｎａ；
收 稿 日期 ：２０１７—０８—０６； 修 回 日期 ：２０１７—１１—２２ 基 金 项 目 ：国 防科 技 项 目基 金 作 者 简 介 ：陈 志斌 （１９６５一），男 ，湖南 益 阳 人 ，博 士 ，研 究 员 ，主要 从 事 光 电 信 息 探 测 与 传 输 研 究 工 作 。
第 ３９卷 第 ２期 ２０１８年 ３月
文 章 编 号 ：１００２—２０８２（２０１８）０２—０１８０—０７
应 用 光 学 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ
Ｖ ｏ１．３９ Ｎ Ｏ．２ Ｍ ａｒ． ２Ｏ１８
维 振 镜 扫 描 系 统 调 向误 差 分 析
二 陈志斌 ，范 磊 ，肖文 健 。，秦 梦 泽 ，肖 程 。，张 冬 晓
引 言
光束扫描 是 对 光 束 方 向精 确 控 制 和 定 位 的技 术 ，该技术被 广泛应 用于激 光雷 达 、激 光雕 刻 、自 由空 间光通 信等领 域 。 目前 主流 的光束扫 描技 术有
多面棱 镜 扫 描 、电 光 扫 描 、声 光 扫 描 和 二 维 振 镜 扫 描 。多 面棱镜 扫描 的扫 描速度 快 、扫描 范 围大 、分 辨 率高 ，但 多面棱 镜 体 积大 ，加 工工 艺 要 求 较高 ，价 格 昂贵 。电光偏 转器和声光偏转器 的扫描 速度非常快 ，
一种激光标刻系统几何畸变的校正方法[发明专利]
![一种激光标刻系统几何畸变的校正方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/ac39775a24c52cc58bd63186bceb19e8b8f6ec29.png)
(10)申请公布号 (43)申请公布日 2015.01.28C N 104318047A (21)申请号 201410411814.4(22)申请日 2014.08.18G06F 19/00(2011.01)B23K 26/362(2014.01)G06F 17/10(2006.01)(71)申请人辽宁大学地址110000 辽宁省沈阳市沈北新区道义南大街58号(72)发明人宫元九 李阳 赵雪英 窦春轶朱红宁 尹凤杰(74)专利代理机构沈阳杰克知识产权代理有限公司 21207代理人罗莹(54)发明名称一种激光标刻系统几何畸变的校正方法(57)摘要本发明提供了一种激光标刻系统几何畸变的校正方法，包含下述步骤：(a)利用目标标刻坐标计算扫描振镜偏转角度的估值；(b)以扫描振镜偏转角度的估值为初值，依据扫描振镜的扫描几何公式进行迭代计算，利用迭代终止时所得的振镜偏转角度数值解与偏转角度估值的差值进行补偿运算；计算所得的补偿值与利用实际标刻坐标计算所得的扫描振镜偏转角度估值的代数和即为实际标刻坐标所对应的扫描振镜偏转角度。
该方法提出的依据扫描振镜数值解建立适当规模的误差校正表，并选择合适的插值算法能够使得经校正后的几何畸变误差满足标刻加工精度的要求，而且校正精度通过离线仿真是可验证的、可控的。
(51)Int.Cl.权利要求书2页 说明书5页 附图1页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书5页 附图1页(10)申请公布号CN 104318047 A1.一种激光标刻系统几何畸变的校正方法，其特征在于：至少包含下述步骤：(a)离线时，利用目标标刻坐标计算扫描振镜偏转角度的估值，并以该估值为初值，依据扫描振镜的扫描几何公式进行迭代计算，利用迭代终止时所得的振镜偏转角度数值解与偏转角度估值的差值建立校正表；(b)在线时，利用目标标刻坐标计算扫描振镜偏转角度的估值，使用步骤(a)所得的校正表对所得的扫描振镜偏转角度估值进行补偿；其中步骤(a)包括选取有限的、有代表性的目标标刻点坐标及其对应的振镜偏转角度数值解与偏转角度估值的差值分别建立x 振镜与y 振镜的校正表；其中步骤(b)包括根据目标标刻坐标通过校正表的查找与插值计算获得扫描振镜偏转角度的补偿值，该补偿值与根据实际标刻坐标计算所得的扫描振镜偏转角度估值的代数和即为目标标刻坐标所对应的扫描振镜偏转角度；所述步骤(a)、步骤(b)中的扫描振镜偏转角度的估值计算过程如下：设目标标刻坐标为x d ,y d ，f·θ透镜的焦距为f ，扫描振镜偏转角度的估值计算如下：式中：分别为x 振镜、y 振镜偏转角度的估值所述步骤(a)中的迭代计算过程如下：迭代初值：迭代公式：式中：x d ,y d 为标刻点的坐标，f 为f·θ透镜的焦距，αn 与βn 分别是第n 次迭代计算所得的x 振镜与y 振镜偏转角度，αn+1与βn+1分别是第n+1次迭代计算所得的x 振镜与y 振镜偏转角度；所述步骤(a)中与当前标刻点对应的振镜偏转角度数值解与偏转角度估值的差值计算过程如下：式中：Δα与Δβ分别是x 振镜与y 振镜偏转角度数值解与偏转角度估值的差值，αd 与βd 分别是迭代终止时所得的x 振镜与y 振镜偏转角度数值解；所述步骤(b)中的振镜偏转角度补偿计算α＝xd /2f+LUTα(xd,yd)β＝yd /2f+LUTβ(xd,yd)式中，α与β分别是为目标标刻坐标所对应的x振镜与y振镜偏转角度，LUTα(·)与LUTβ(·)分别是根据目标标刻坐标xd,yd通过校正表的查找与插值计算获得的x振镜与y振镜偏转角度的补偿值。
激光振镜扫描误差及其校正算法研究
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在这一算法之下#通过二次曲线两个端点及弧顶点坐标 来确定其表达式" 首先对最大误差二次曲线的拟合表达式 予以确定后#通过反向畸变获取校正曲线的表达式" 假定 _ 轴与 e轴误差量均存在线性变化#能够明确其他各条直线的 误差无线及反向校正曲线" 在具体的操作过程中#误差曲线 弧顶点和假设模型位置存在一定偏差#往往会沿畸变方向进 行平移" 弧顶点决定了误差曲线#所以在具体实施过程中需 要确保误差曲线的表达式更加简化#或者可以选取中心点定 作弧顶点#这种算 法 得 到 的 误 差 量 要 比 实 际 误 差 量 大# 所 以 需要引入校正系数予以调整" 经过不断的调试之后以确定 合适的系数#之后 再 向 校 正 之 后 的 坐 标 点 进 行 扫 描 输 入# 以 初步整形振镜扫描图形#有效校正误差"
产生相应误差#导致扫描的图形存在畸变失真的情况#这是 一种几何上的畸变"
激光振镜扫描的误差本质上是算法导致的畸变#同光学 元件所导致的误差存在差异#是一种由于近似&简化系统控 制所引发的误差.)/ " 激光振镜在扫描中产生的畸变是一种 典型的图形畸变#即扫描点坐标同实际坐标点之间存在的误 差" 针对这种误差#一般应当采取硬件校正或是软件校正进 行处理#大多数都会采取软件算法予以校正" 同硬件校正相 比#软件校正更加节约成本#同时还有有效解决由于近似&简 化而导致的几何畸变#能够有效校正振镜系统存在的误差" 软件校正着眼于整个振镜系统存在的误差#立足于精确度的 相关要求#这对各种影响因素引发的误差予以适当修正.(/ "
激光振镜扫描图形失真及校正方法
采用二次多项式代替原来的线性关系， 可将式 (8)式(9)转化为： x æ ì ⋅ e ± d 2 + y 2 ö + m 1 x + m 2 y + m 3 xy ïx ′ = ø k è í ï x x = n + n + n ′ 1 2y 3 y îy (10) 这就是理论点和失真点之间的二阶关系。
光束经过镜 2 后的偏转角为 2θ y 。当激光束垂直射 到工作台时， 激光束在工作台面上的投影为 (0， 0) 点， 此时镜 1 与镜 2 的偏转角 θ x 和 θ 分别为零。当
y
激光束射到工作面上的任一点 ( x，y ) 时， 可以得出
1 振镜扫描系统失真原因分析
1.1 映射关系非线性 如图 1 所示的坐标系中， 激光束入射方向平行 于 X 轴， 其偏 X 轴振镜(镜 1)以平行于 Z 的轴转动， θ θ Y 转角为 x ， 光束经过镜 1 反射后的偏转角为 2 x ； 轴振镜(镜 2)以平行于 X 的轴转动， 其偏转角为 θ y ，
2( p， - q)、 正方形顶点的位置坐标为别为 1( p，q)、 （x，y） 3( - p，q) 、 4( - p， - q) ， 畸变坐标为 ， 以x
若镜 1 固定且 θ x ≠0， 令 2 θ x =a， 则由式 （1） 有：
( x - e ⋅ a) y2 - 2 =1 2 d (d ⋅ a)
（6）
n2 = k3 (m1 x + m2) + k 4 。由此得出点 ( x，y) 和 ( x ′ ， y ′ )的关系式：
此时， 光束在 y 轴没有畸变。由式 （5） 和式 （6） 得出失真图形的校正函数为： x æ 2 ì ⋅ d + y 2 + eö ïx ′ = ø k è （7） í ï = ′ îy y 假设理论上的直线为 y = k1 x + k2 ， 失真后的直 线为 y ′ = k3 x ′ + k 4 ， 两条直线经过平移后得到 n1 y +
双振镜扫描的最小二乘与网格法混合校正模型
双振镜扫描的最小二乘与网格法混合校正模型韩万鹏;蒙文;李云霞;李大为【摘要】为了使2维振镜扫描系统在大角度扫描状态下减小非线性畸变误差,针对纯理论校正无法克服系统自身各种误差的缺陷,提出了基于坐标角度映射关系的校正模型.利用曲面最小二乘拟合的方法,建立坐标点的误差补偿曲面可以有效提高校正精度,仿真测试的平均误差在15μm左右,利用分段线性插值插入网格校正表可以大幅提高扫描速率,扫描速率达到25m/s左右.结果表明,该模型对于扫描非线性实时动态校正有一定的效果.%In order to decrease nonlinear distortion error in the state of wide-angle scanning of a two-dimension galvanometer scanning system, aiming at the defects of various errors in the system itself which cannot be overcame absolutely by single theoretical correction model, the correction model based on mapping connection between coordinates and angles was put forward. The error compensation surface of coordinate points was established by means of the least square surface fitting method, and the correction precision was effectively improved, the error of test points could be limited around 15μm. The scanning speed can be obviously increased by the grid correction table plugged by piecewise linear interpolation in the scanning plane, and the scanning speed can get to 25m/s or so. Simulation results show that the model is effective for real-time dynamic adjusting of nonlinear scanning.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2012(036)002【总页数】5页(P179-182,187)【关键词】激光技术;振镜扫描;综合误差;最小二乘;网格;校正模型【作者】韩万鹏;蒙文;李云霞;李大为【作者单位】空军工程大学电讯工程学院,西安710077;空军工程大学电讯工程学院,西安710077;空军工程大学电讯工程学院,西安710077;空军工程大学电讯工程学院,西安710077【正文语种】中文【中图分类】TN249随着光学扫描振镜系统向激光精密标刻、激光快速成型、激光调阻、激光切割、激光钻孔、激光刻线、激光舞台等诸多领域的拓展应用，高精度[1]和实时性成为了衡量激光振镜系统性能越来越重要的指标和要求。
一种投影几何失真校正的硬件架构设计
一种投影几何失真校正的硬件架构设计
任力飞;谢翔;李国林
【期刊名称】《微电子学与计算机》
【年(卷),期】2015(32)11
【摘要】针对投影式移动设备的投影图像几何失真问题,提出了一种基于图像变形算法的投影图像几何失真校正的硬件架构,并针对硬件实时性及功耗问题提出了解决方法.本架构设计了基于奇偶存储机制的双行缓存,实现了片外插值像素的并行获取,降低读取延时;基于数据复用原理设计了冗余消除单元,有效避免片外像素的重复读取及功耗,读取次数平均减少61.5%,减小读取功耗;存储空间消耗仅为11.9kB.本设计还引用了无除法的中点算法进行坐标的透视变换,并设计了坐标变换查找表,实现了像素的低复杂度片外和行缓存寻址.
【总页数】6页(P15-20)
【关键词】投影几何失真校正;图像变形算法;硬件架构;缓存设计
【作者】任力飞;谢翔;李国林
【作者单位】清华大学微电子与纳电子学系;清华大学电子工程系
【正文语种】中文
【中图分类】TP31
【相关文献】
1.基于仿射投影的弹载图像几何失真校正方法 [J], 岳冬雪;黄新生;谭红力
2.双振镜扫描几何失真的硬件校正 [J], 郭飞;胡兵;应花山;洪利民
3.多投影仪显示系统的几何失真校正方法 [J], 寇勇;刘直芳
4.一种投影显示图像颜色失真校正方法 [J], 丁莹;范静涛;朱纪洪
5.基于硬件加速的几何失真校正研究 [J], 邓向阳;张立民;曹新建
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
激光标刻系统几何失真的校正方法
激光标刻系统几何失真的校正方法
宫元九;夏斐;孙嘉兴
【期刊名称】《电子测量技术》
【年(卷),期】2014(0)11
【摘要】激光标刻系统的复合几何畸变并非其固有缺陷,畸变产生的原因在于简化的、近似的系统控制策略。
依据扫描振镜的扫描几何公式,采用最速下降法解算了
扫描振镜偏转角度的数值解,实现了目标标刻坐标到扫描振镜偏转角度的精确映射。
在扫描振镜偏转角度数值解的基础上,利用扫描振镜复合几何畸变的对称特性性,通
过在第1象限建立适当规模的误差校正表并采用插值算法进行失真校正。
仿真实
验结果表明,该方法能够在4象限实现满足精度要求的失真校正。
通过将目标标刻
坐标转换为归一化坐标,使得该校正方法对于不同焦距的扫描振镜具有广泛的适用性。
【总页数】4页(P25-28)
【关键词】振镜;几何失真;最速下降法
【作者】宫元九;夏斐;孙嘉兴
【作者单位】辽宁大学信息学院;沈阳海派激光科技有限公司;辽宁大学物理学院【正文语种】中文
【中图分类】TP278;TN249
【相关文献】
D光学系统几何失真校正方法研究 [J], 黄细平;汪红志
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3.一种基于虚拟键盘图像坐标变换的几何失真校正方法 [J], 张金;成媛媛;李洋;刘晓威
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5.激光标刻系统几何失真的校正方法 [J], 宫元九;夏斐;孙嘉兴
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文章编号 :100123806(2003 0420337202双振镜扫描几何失真的硬件校正郭飞胡兵应花山洪利民(华中科技大学激光技术与工程研究院 , 武汉 ,430074摘要 :通过分析双振镜 2维扫描光学系统的成像原理 , 导出此扫描系统几何失真公式。
根据失真公式设计电子线路 , 对失真进行校正 , 从而获得校正后的完善图形。
这一校正技术在激光标记系统中得到应用。
关键词 :激光标记 ; 双振镜扫描 ; 几何失真 ; 硬件校正中图分类号 :TN249文献标识码 :AH ardw are correction for distortion of dual galvanometer scanningGuo Fei , Hu B i ng , Yi ng , L i m i (Institute of Laser Technology &Engineering Abstract :Though analyzing the distortion formula of the scanning system were educed. to correct the distortion and perfect pictures were in laser marking systems.K ey w ;dual scanning ;geometry distortion ;hardware correction作者简介 :郭飞 , 男 ,1978年 9月出生。
硕士研究生。
主要从事激光标刻技术的研究。
收稿日期 :2002211219; 收到修改稿日期 :2003201218引言双振镜扫描是一种在光栅或矢量模式下对 X 2Y 平面场进行扫描的简单、低成本方式。
这种扫描方式的主要缺点是其在双轴平面场扫描时存在固有的几何失真。
主要包括枕形失真、线性失真和在平面场上成像光束的焦点误差。
通过在双振镜扫描系统后增加一个f θ物镜 , 可以对焦点误差进行校正 , 使得激光束能够聚焦在同一焦平面上 , 并对扫描系统进行一定的失真校正 , 但其无法实现对 X 轴枕形失真的校正 , 并产生 Y 轴方向的桶形失真。
可增加一个校正模块对扫描系统的几何失真进行校正以获得完善的结果。
1失真产生的原因物镜前双振镜扫描系统主要由高精度伺服电机、电机驱动板、反射镜、f θ物镜及直流电源组成。
其中反射镜是由振镜电机来控制 ; 而振镜电机的偏转是由D/A 卡输出的位置控制信号通过电机驱动板来控制的。
因此 , 计算机控制 D/A 输出 , 从而使光束按照设定的轨迹运行。
当主控计算机通过 D/A 转换将数字信号转换成模拟信号来控制振镜偏转时是按照如下的像点坐标与振镜摆角的线性关系来处理的 , 即:X =(+2f ωx ; Y =(+2fωy 。
式中 , f 为物镜焦距; ωx, ωy 分别为两振镜偏转角度 ; 正负号的选取与坐标系的选择相对应。
从下面推导的像点坐标与振镜摆角关系中可以看到 :从纯几何投影的角度来说 , 在ωx 和ωy 均不为 0的情况下上述关系只是近似 , 只不过ωx 和ωy 越小则近似程度越高。
所以 , 这将造成扫描像点的定位精度误差从而引起几何失真。
从失真的对称性来看 , 同轴光学系统的失真像差相对光轴具有对称性 , 可以通过纯光学的方法校正 , 而双振镜 2维扫描系统属于非同轴的光学系统 , 其产生的图形失真不具有轴对称性 , 所以 , 不能用纯光学的方法加以校正。
在物镜前扫描系统中透镜的畸变被用作补偿非线性扫描误差 , 无法对扫描场几何失真进行补偿。
2失真校正的依据位于f θ物镜前的正交双振镜扫描系统如图 1所示。
在所建立的直角坐标系中 , X 2Y 为扫描场平面 ; 坐标轴 X , Z 分别与振镜 y 和振镜 x 的转轴平行 ; Z 轴为光轴。
设 X , Y , Z 轴的单位方向矢量分别为 i , j , k , 则对于以 i 方向入射的光线 A , 当振镜 x 和振镜 y第 27卷第 4期2003年 8月激光技术LASER TECHNOLOGYVol. 27,No. 4August ,2003分别在起始位置上偏转ωx , ωy 角度后 , 系统出射光线的单位方向矢量为 [1]:A ″ =(sin2ωxi +(cos2ωx sin2ωy j +(cos2ωx cos2ωy k(1令:θR 为出射光线与 Z 轴的夹角 ; R 为以θR 角出射的光线与扫描场平面的交点至坐标原点的距离; φ为光线交点在扫描场平面上的角坐标。
Fig. 1 Pre 2:R =f θR f -1(cos2ωx cos2ωy (2根据几何关系可求出扫描场上任一点的坐标 :X =R cos φ=f sin2ωx cos -1(cos2ωx cos2ωy ×(1-cos 22ωx cos 22ωy -1/2(3 Y =R sin φ=f sin2ωy cos2ωx cos-1(cos2ωx cos2ωy ×(1-cos 22ωx cos 22ωy -1/2(4图 2是实际无校正时激光标记得到的正方形图案 ,此图案与根据 (3 式和 (4 式计算而作出的图案相符 , 即在 X 轴方向存在枕形失真 , Y 轴方向产生桶形失真。
Fig. 2 Square gained by laser marking without correction对上述两式分别进行级数展开 , 并数学处理后得到近似表达式为 :X =f (2ωx +C 1ωx ωy2(5 Y =f (2ωy -C 2ωx 2ωy(6式中 , C 1, C 2为正常数。
设 X 0, Y 0分别对应ωy =0和ωx =0时的坐标值。
即:ωy =0时, X =X 0=f (2ωx(7 ωx =0时, Y =Y 0=f (2ωy(8这正是无失真时 , 扫描光点位置的两个坐标分量。
因此 , 由 (5 式~(8 式可以得出 :X =X 0+c 1X 0Y 02(9 Y =Y 0-c 2X 02Y 0(10式中 , c 1, c 2也为正常数。
上述两式即是扫描场的几何失真公式 , 是设计失真校正模块电路的依据。
3校正模块电路设计根据上一节得出的几何失真公式设计电子校正模块 , 电路框图如图 3所示。
Fig. 3 Diagram of correction circuitA — multiplication 1B — multipilication 2C — multiplication 3假设经 D/A 转换后的位置信号为 x , y , 电子校正后的信号为x ′ , y ′ , 在平面场上扫描的位置为x ″ ,y ″ 。
由 (9 式、 (10 式可得:x ″ =x ′ +c 1x ′ y ′ 2; y ″ =y ′ -c 2x ′ 2y ′ 。
要实现校正功能 , 需满足位置信号与扫描场实际位置相符 , 即:x =x ″ , y=y ″ 。
需使 :x =x ′ +c 1x ′ y ′ 2; y =y ′ -c 2x ′ 2y ′ (11 设电路中反相器 1和 2的输出信号分别为 x 3, y 3。
对于此两个反相器而言 , 有 :x 3=-(x +c 1x 3y 32y 3=-(y -c 2x 32y 3(12 由反相器 3和 4可得 :x ′ =-x 3; y ′ =-y 3(13联系 (12 式和 (13 式可知 , 此电路能满足 (11 式 , 只需将实际电路中的电位器调节到适当的位置 , 即找到合适的 c 1, c 2值 , 便可实现对几何失真的校正。
实际电路中 , 乘法器由 AD7344象限乘法器实现 , 分别获得 x 3y 3, x 3y 32, -x 32y 3信号。
再通过分压电路将乘法器 2,3的输出信号选取适当的比例反馈到OP07的负相输入端 , 分别与 y , x 信号构成加法电路 , 使得 x 3=-(x +c 1x 3y 32 , y 3=-(y -c 2x 32y 3 。
另两个 OP07分别对 x3, y 3进行(下转第 341页833激光技术 2003年 8月BBO 腔外 4倍频 266nm 脉冲紫外激光系统的实验装置见图 3。
实验中 , 将 532nm 的绿光通过焦距 f 为 30mm 的聚焦透镜耦合到长度为 4mm 的 BBO 晶体上 ,BBO 晶体采用Ⅰ类临界相位匹配。
Fig. 3 The schematic of outer cavity fourth 2frequency 266nmultraviolet laser pulse当 LD 抽运功率为 1. 3W 时 ,得到了平均功率为 1. 1mW 、脉冲宽度为 12ns 、峰值功率为 7. 3W 的 266nm 紫外激光 , 其中 , 从 532nm 到 266nm 的光 2光转换效率为 3. 8%, 而从 1064nm 到 266nm的光 2光转换效率为 0. 7%。
266nm 紫外激光的脉冲波形见Fig. 4 The waveform of outer cavity doubled 266nm ultraviolet laserpulse 50ns/div图 4。
4结论用自聚焦透镜将 1. 3W 的 LD 泵浦光耦合到 Nd ∶ YA G 上 , 得到了峰值功率为 750W , 脉冲宽度为 16ns 的 1064nm 脉冲激光。
经过 KTP 和 BBO 晶体倍频 , 得到了峰值功率为 7. 3W 、平均功率为 1. 1mW 、脉冲宽度为12ns 的 266nm 紫外激光 , 其中 , 从 532nm 到 266nm 和从 1064nm 到 266nm 的光 2光转换效率分别为 3. 8%和 0. 7%。
整个激光器体积小 , 结构紧凑 , 成本低 , 有利于LD 泵浦固体紫外激光器的实用化和产业化发展。
参考文献[1] Y Z , J Q E ,1995, Q E31:[2 :31~32. []. . :国防工业出版社 ,2002:1.J , Kung A H. IEEE J QE ,1997,33(11 :2021~2028. [5] K ondo K ,Oka M , Wada H et al . OptLett ,1998,23(3 :195~197.[6] K ojima T , K onno S ,Fujikawa S et al . Opt Lett ,2000,25(1 :58~60. [7]何京良 , 卢兴强 , 贾玉磊 et al . 物理学报 ,2000,49(10 :2106~2108.[8]郑权 , 钱龙生 . 激光与红外 ,2001,31(6 :338~340.[9]姚建铨 . 非线性光学频率变换及激光调谐技术 . 北京 :科学出版社 ,1995:73~74.(上接第 338页反相 , 实现x ′ =-x3; y ′ =-y 3。