光束扫描检测法及二维快速激光扫描系统
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第!"卷 第#期 *"""年 +月
激光与红外 ,-./0 1 2)30-0/4
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描性能!如本文所用 的 =.检 流计式 振镜扫 描器"用
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作者简介:成向阳?;!>;<@(女(硕士(讲师(现主要从事红外 空 间 信息技术方面的科研工作’
收稿日期:;!!!<;*<;!
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激光与红外
第 .9卷
列又不能太稠密! 在 本 文 中 "我 们 提 出 了 一 个 简 单 易 行 的 办 法 #控
制激光器"在扫描指令函数的上升阶段等时间发射光 脉冲"而下降阶段不发!在光路上$%& 远处放置一接 收屏"屏上会出现一条由几个离散光点形成的扫描图 像 "直 接 体 现 了 实 际 扫 描 位 置 与 时 间 的 依 赖 关 系 "通 过记录并测量各光点在扫描图像上的位置来测量扫
314
来自百度文库
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364
324
31478$9:;时的扫描函数 35478%9:;时的扫描函数
36478$99:;时的扫描函数 32478$<9:;时的扫描函数
图$ 几个频率下的锯齿波扫描函数
利 用 上 述 方 法 "我 们 对 三 角 波 ’锯 齿 波 和 简 谐 波
做 了 研 究 "并 测 量 了 三 角 波 和 锯 齿 波 为 指 令 函 数 时 "
图< 点阵照片
1结 论 本 文 提 出 了 一 种 测 量 扫 描 函 数 的 方 法-并 利 用
它测量了 =<检 流计式 振镜扫 描系 统在几 种线性 指 令 下 的 扫 描 函 数 /结 果 表 明 -扫 描 函 数 与 指 令 函 数 之 间 的偏 差是不 容 忽 视 的-所 以 扫 描 函 数 的 测 量 是 很 重要的/本 文 介 绍 的 方 法 简 单 易 行-测 量 精 度 较 高且 适 用 于 任 何 波 段 .任 何 类 型 的 光 束 扫 描 /本 文 建 立 的快速 扫描 系统 为 反 射 式-理 论 上 使 用 于 任 何 光 源 的快速扫描成像系统/
如图$所示万!其方中数横据坐 标 为 归 一 化 扫 描 时 间"纵 坐 标
为归一化位移!
.-> 三角波为指令函数时的扫描函数3上升阶级4 三 角 波 驱 动 下 在 $9:;’%9:;’$99:;’$<9:;时
的 扫 描 函 数 如 图 >所 示 "其 中 横 坐 标 是 归 一 化 扫 描 时 间 "纵 坐 标 是 归 一 化 扫 描 位 移 !
我们采用的扫描镜是通用扫描公司生产的 =< 检 流 计 式 二 维 振 镜 扫 描 器-行 扫 描 器 作 :67>?简 谐 波 扫 描-帧 扫 描 器 作 :7>?的 <0阶 阶 梯 波 扫 描-控 制 激光器脉冲发射的方波序列是根据简谐扫描的位置 计 算 得 出 -三 路 控 制 信 号 由 同 一 信 号 板 生 成 /我 们 在 研 究 当 中 解 决 了 @:A行 扫 描 和 帧 扫 描 的 同 步 技 术 -0A 光脉 冲 和行扫描 的 同 步 技 术-<A空 间 均 匀 时 间 不 均 匀 扫描技术-得 到 了 每 秒 :7帧 的 <04 <0的 准 均 匀 点 阵/图<是实验室 中 像 素 点 阵 的 照 片-光 源 为 中 心 波 长61733 的半导体激光器-底片为0:B全色负片/
曲 线 "就 可 以 根 据 自 己 的 误 差 要 求 "选 取 合 适 的 扫 描
指令函数和扫描区域!
* 快速扫描系统
为 获 得 空 间 均 匀 分 布 的 扫 描 点 阵"通 常 可 采 用
两 种 方 式 #$-等 时 间 隔 发 射 光 脉 冲 "以 线 性 扫 描 函 数
扫 描 !在 理 想 的 线 性 扫 描 条 件 下 "等 时 间 隔 的 均 匀 光
一个二维快速激光扫描系统B
关 键 词 :扫 描 性 能 C检 测 方 法 C快 速 扫 描
中 图 分 类 号 :D)*"E
文 献 标 识 码 :-
F GHIJKLKMGHNOPQRSTUHNV WXNSOYPSXIRKS
Z[/)\ ]^_‘6<a_‘6(b-)\ [_^<c%‘6(,2)^‘6(.[-)\ D^d<&^_‘6(b-)\ e^
均 匀并 不对应 着 像 元 素 的 空 间 均 匀"而 须 根 据 简 谐
函数 波形计 算光 脉 冲 的 发 射 时 间"以 便 在 像 空 间 获
得均匀点阵!
根 据 我 们 对 扫 描 振 镜 线 性 扫 描 性 能 的 检 测 "采
用方 式:无法做 到均匀 快 速 扫 描-我 们 采 用 方 式 0建 立 了 一 套 二 维 快 速 扫 描 系 统 -扫 描 速 度 为 每 秒 :7帧 每 帧 为 基 本 均 匀 的 <04 <0点 阵 /
;引 言 一般扫描器是在某种信号的控制下以某种轨迹
进行扫描运动的B我们把扫描器的实际运动位置 v随 时间 8变化的函数称为扫描函数 vw v?8@(而把扫描 器的预期运动位置 x随时间 8变化的函数称为扫 描 指令函数 xw x?8@B其中 vyx代表扫描角度(8是扫描 时 间 B常 用 的 扫 描 指 令 函 数 有 锯 齿 波 y三 角 波 和 简 谐 波B前两种是线性扫描(后一种是非线性扫描B无论哪 种 扫 描 器 (在 它 实 际 扫 描 过 程 中 (扫 描 函 数 与 指 令 函 数之间总是存在或大或小的误差(也就是说扫描器的 实 际 运 动 轨 迹 与 要 求 的 轨 迹 有 差 异 B低 频 时 偏 差 小 ( 对 实 际 应 用 影 响 不 大 (而 在 较 高 频 率 时 (差 异 之 大 可 能 会 使 扫 描 器 达 不 到 预 期 的 功 能zE(>{B因 此 有 必 要 实 测扫描函数B
根 据 扫 描 函 数 的 定 义(很 容 易 想 到 的 测 量 方 法 是 :用 两 个 接 成 }或 ~逻 辑 的 光 电 二 极 管 (一 只 放 在 扫 描 线 一 端 (另 一 只 在 扫 描 线 上 移 动 (测 量 并 记 录 每 次 移动的距离?扫描角@和光经过两个管的时间(依此来 测扫描函数B这种方法的缺点是精确测量两管间距的 设备比较复杂(只能说是一种原理简单而实现起来并 不 容 易 的 方 法 B另 一 种 方 法 是 :把 若 干 个 接 成 }或 ~逻 辑的光电二极管做成间隔均匀的阵列(测量并记录输 出 的 电 脉 冲 时 间 间 隔 (依 此 来 测 量 扫 描 函 数 B这 种 方 法避免了移动光电管位置的麻烦(但是又增加了线路 的复杂性及对各光电管对称性的要求(而且光电管阵
目 前 尚 未 见 报 导 测 量 扫 描 函 数 的 方 法B在 本 文 中(我们提 出 了 一 种 切 实 可 行 的 测 量 扫 描 函 数 的 方
法(并把这万种方方数法应据用于本实验室的 A!系列检流计
式 振 镜 扫 描 器 (进 行 了 一 系 列 相 关 的 测 量 研 究 B我 们
建立了一个二维快速激光扫描系统(获得了均匀分布 的!*| !*扫描点阵(每秒;"帧(可用于激光雷达等要 求快速扫描的系统中B * 扫描函数测量方法
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31478$9:;时的扫描函数 35478%9:;时的扫描函数
36478$99:;时的扫描函数 32478$<9:;时的扫描函数
图> 几个频率下的三角波扫描函数
.-. 讨 论
从 测 得 的 扫 描 函 数 曲 线 来 看"很 容 易 看 出 该 类
扫描 振镜在 某一 频 率 下"采 用 某 种 指 令 函 数 时 的 扫
光束扫描检测法及二维快速激光扫描系统
成向阳 王海虹 李 宁 尚铁梁 王 骐
?哈尔滨工业大学光电子技术研究所(哈尔滨 ;=""";@
摘 要:提出了一种检测光束扫描性能的方法(并用于光机扫描(测量几种频率下(指令函数为
三 角 波 和 锯 齿 波 时 (A!检 流 计 式 振 镜 扫 描 器 的 扫 描 函 数 B并 在 这 种 检 测 方 法 的 支 持 下 (建 立 了
在 $99:;时 就 能 明 显 看 出 存 在 线 性 偏 差 了 !再 看 图 >
可 知 三 角 波 为 指 令 函 数 的 情 况 "$9:;时 整 个 扫 描 阶
段 基 本 保 持 线 性"%9:;时 两 端 稍 有 偏 差"到 $99:;
时两 端能明 显看 出 存 在 弧 线 了!有 了 这 些 扫 描 函 数
=.系列检流计式振镜扫描器的扫描函数"结果如下!
.-$ 锯齿波为指令函数时的扫描函数
锯 齿 波 是 进 行 栅 状 扫 描 最 理 想 的 扫 描 方 式"但
实际的锯齿波扫描函数不仅存在对指令函数的偏
差"而且存 在 回 扫 时 间"频 率 越 高"回 扫 时 间 所 占 比
例 越 大 !我 们 测 量 了 几 个 频 率 下 锯 齿 波 的 扫 描 函 数 "
参考文献
C:D EA=AFGHIJKA+LLMNOPQRLGOJIMFJIPPSHTCUDAFSPTVHT:WW6-:<&X,@:9Y 07A
C0D ZSHIM[)A=IHT\IMMA]ITSH^SI3 FJIPPOPQC=DA=IHJSM _SKKSH’PJA:W91@E\IHL1A
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FlOIQNXI:Dc^7_j8^i&dkj%56c85h_md8c%n%f^‘7hdi8^‘68cdhj%hdj8a%f8cd7i_‘‘dj(_‘n_hh&^dn8cdmd8c%n 8%%h8^i<mdic_‘^i7i_‘‘dj(.i_‘‘^‘6f5‘i8^%‘7%fA!6_&o_‘%md8dj7i_‘‘dj5‘ndj8cdnj^od%f8j^_‘6&d<p_od _‘n7_p<8%%8c<p_od^‘78j5i8^%‘f5‘i8^%‘7%f7dodj_&fjdq5d‘i^d7pdjdmd_75jdn’r‘ndj8cd75hh%j8^‘6%f8c^7 md8c%npdd78_k&^7cdn_8p%<n^md‘7^%‘_&j_h^n<7i_‘‘^‘6&_7dj7a78dm’ sHtuKQLO:7i_‘‘^‘6hj%hdj8aC^‘7hdi8^‘6md8c%nCj_h^n<7i_‘‘^‘6’
用此法"我们还可以观测扫描器的稳定性(只须在 扫描器静止状态下测量接收屏上光点直径"然后在扫 描器运动状态下测量光点的直径"即可得出扫描器在 该运动状态下的抖动"即可以测知其稳定性!
我们建立的这套扫描性能检测系统"扫描时间测 量精度) *+,"扫描点的位置测量精度) $-./&012! . 实验结果
脉 冲 对 应 空 间 均 匀 的 扫 描 点 阵 !这 种 方 法 简 单 易 行 "
但在 高频时 无法 保 持 线 性 扫 描"因 而 无 法 做 到 快 速
扫 描 !>-不 等 时 间 隔 发 射 光 脉 冲 "以 非 线 性 扫 描 函 数
扫 描 3简 谐 扫 描 4!在 简 谐 扫 描 条 件 下 "光 脉 冲 的 时 间
描 函 数 !这 样 实 现 起 来 较 容 易 "只 需 编 程 即 可 控 制 扫 描 指令函 数 和 光 脉 冲 发 射 信 号 的 同 步 输 出"且 很 直 观 "可 以 目 测 进 行 定 性 观 察 分 析 并 在 屏 上 直 接 测 量 ! 另外"在满足衍射极限条件下"可以很容易地增加屏上 像素的数目"提高测量精度!这种测量方法不受波长限 制"理论上适用于任何波段’任何类型的光束扫描!
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31478$9:;时的扫描函数 35478%9:;时的扫描函数
36478$99:;时的扫描函数 32478$<9:;时的扫描函数
图$ 几个频率下的锯齿波扫描函数
利 用 上 述 方 法 "我 们 对 三 角 波 ’锯 齿 波 和 简 谐 波
做 了 研 究 "并 测 量 了 三 角 波 和 锯 齿 波 为 指 令 函 数 时 "
图< 点阵照片
1结 论 本 文 提 出 了 一 种 测 量 扫 描 函 数 的 方 法-并 利 用
它测量了 =<检 流计式 振镜扫 描系 统在几 种线性 指 令 下 的 扫 描 函 数 /结 果 表 明 -扫 描 函 数 与 指 令 函 数 之 间 的偏 差是不 容 忽 视 的-所 以 扫 描 函 数 的 测 量 是 很 重要的/本 文 介 绍 的 方 法 简 单 易 行-测 量 精 度 较 高且 适 用 于 任 何 波 段 .任 何 类 型 的 光 束 扫 描 /本 文 建 立 的快速 扫描 系统 为 反 射 式-理 论 上 使 用 于 任 何 光 源 的快速扫描成像系统/
如图$所示万!其方中数横据坐 标 为 归 一 化 扫 描 时 间"纵 坐 标
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.-> 三角波为指令函数时的扫描函数3上升阶级4 三 角 波 驱 动 下 在 $9:;’%9:;’$99:;’$<9:;时
的 扫 描 函 数 如 图 >所 示 "其 中 横 坐 标 是 归 一 化 扫 描 时 间 "纵 坐 标 是 归 一 化 扫 描 位 移 !
我们采用的扫描镜是通用扫描公司生产的 =< 检 流 计 式 二 维 振 镜 扫 描 器-行 扫 描 器 作 :67>?简 谐 波 扫 描-帧 扫 描 器 作 :7>?的 <0阶 阶 梯 波 扫 描-控 制 激光器脉冲发射的方波序列是根据简谐扫描的位置 计 算 得 出 -三 路 控 制 信 号 由 同 一 信 号 板 生 成 /我 们 在 研 究 当 中 解 决 了 @:A行 扫 描 和 帧 扫 描 的 同 步 技 术 -0A 光脉 冲 和行扫描 的 同 步 技 术-<A空 间 均 匀 时 间 不 均 匀 扫描技术-得 到 了 每 秒 :7帧 的 <04 <0的 准 均 匀 点 阵/图<是实验室 中 像 素 点 阵 的 照 片-光 源 为 中 心 波 长61733 的半导体激光器-底片为0:B全色负片/
曲 线 "就 可 以 根 据 自 己 的 误 差 要 求 "选 取 合 适 的 扫 描
指令函数和扫描区域!
* 快速扫描系统
为 获 得 空 间 均 匀 分 布 的 扫 描 点 阵"通 常 可 采 用
两 种 方 式 #$-等 时 间 隔 发 射 光 脉 冲 "以 线 性 扫 描 函 数
扫 描 !在 理 想 的 线 性 扫 描 条 件 下 "等 时 间 隔 的 均 匀 光
一个二维快速激光扫描系统B
关 键 词 :扫 描 性 能 C检 测 方 法 C快 速 扫 描
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均 匀并 不对应 着 像 元 素 的 空 间 均 匀"而 须 根 据 简 谐
函数 波形计 算光 脉 冲 的 发 射 时 间"以 便 在 像 空 间 获
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根 据 我 们 对 扫 描 振 镜 线 性 扫 描 性 能 的 检 测 "采
用方 式:无法做 到均匀 快 速 扫 描-我 们 采 用 方 式 0建 立 了 一 套 二 维 快 速 扫 描 系 统 -扫 描 速 度 为 每 秒 :7帧 每 帧 为 基 本 均 匀 的 <04 <0点 阵 /
;引 言 一般扫描器是在某种信号的控制下以某种轨迹
进行扫描运动的B我们把扫描器的实际运动位置 v随 时间 8变化的函数称为扫描函数 vw v?8@(而把扫描 器的预期运动位置 x随时间 8变化的函数称为扫 描 指令函数 xw x?8@B其中 vyx代表扫描角度(8是扫描 时 间 B常 用 的 扫 描 指 令 函 数 有 锯 齿 波 y三 角 波 和 简 谐 波B前两种是线性扫描(后一种是非线性扫描B无论哪 种 扫 描 器 (在 它 实 际 扫 描 过 程 中 (扫 描 函 数 与 指 令 函 数之间总是存在或大或小的误差(也就是说扫描器的 实 际 运 动 轨 迹 与 要 求 的 轨 迹 有 差 异 B低 频 时 偏 差 小 ( 对 实 际 应 用 影 响 不 大 (而 在 较 高 频 率 时 (差 异 之 大 可 能 会 使 扫 描 器 达 不 到 预 期 的 功 能zE(>{B因 此 有 必 要 实 测扫描函数B
根 据 扫 描 函 数 的 定 义(很 容 易 想 到 的 测 量 方 法 是 :用 两 个 接 成 }或 ~逻 辑 的 光 电 二 极 管 (一 只 放 在 扫 描 线 一 端 (另 一 只 在 扫 描 线 上 移 动 (测 量 并 记 录 每 次 移动的距离?扫描角@和光经过两个管的时间(依此来 测扫描函数B这种方法的缺点是精确测量两管间距的 设备比较复杂(只能说是一种原理简单而实现起来并 不 容 易 的 方 法 B另 一 种 方 法 是 :把 若 干 个 接 成 }或 ~逻 辑的光电二极管做成间隔均匀的阵列(测量并记录输 出 的 电 脉 冲 时 间 间 隔 (依 此 来 测 量 扫 描 函 数 B这 种 方 法避免了移动光电管位置的麻烦(但是又增加了线路 的复杂性及对各光电管对称性的要求(而且光电管阵
目 前 尚 未 见 报 导 测 量 扫 描 函 数 的 方 法B在 本 文 中(我们提 出 了 一 种 切 实 可 行 的 测 量 扫 描 函 数 的 方
法(并把这万种方方数法应据用于本实验室的 A!系列检流计
式 振 镜 扫 描 器 (进 行 了 一 系 列 相 关 的 测 量 研 究 B我 们
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314
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36478$99:;时的扫描函数 32478$<9:;时的扫描函数
图> 几个频率下的三角波扫描函数
.-. 讨 论
从 测 得 的 扫 描 函 数 曲 线 来 看"很 容 易 看 出 该 类
扫描 振镜在 某一 频 率 下"采 用 某 种 指 令 函 数 时 的 扫
光束扫描检测法及二维快速激光扫描系统
成向阳 王海虹 李 宁 尚铁梁 王 骐
?哈尔滨工业大学光电子技术研究所(哈尔滨 ;=""";@
摘 要:提出了一种检测光束扫描性能的方法(并用于光机扫描(测量几种频率下(指令函数为
三 角 波 和 锯 齿 波 时 (A!检 流 计 式 振 镜 扫 描 器 的 扫 描 函 数 B并 在 这 种 检 测 方 法 的 支 持 下 (建 立 了
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锯 齿 波 是 进 行 栅 状 扫 描 最 理 想 的 扫 描 方 式"但
实际的锯齿波扫描函数不仅存在对指令函数的偏
差"而且存 在 回 扫 时 间"频 率 越 高"回 扫 时 间 所 占 比
例 越 大 !我 们 测 量 了 几 个 频 率 下 锯 齿 波 的 扫 描 函 数 "
参考文献
C:D EA=AFGHIJKA+LLMNOPQRLGOJIMFJIPPSHTCUDAFSPTVHT:WW6-:<&X,@:9Y 07A
C0D ZSHIM[)A=IHT\IMMA]ITSH^SI3 FJIPPOPQC=DA=IHJSM _SKKSH’PJA:W91@E\IHL1A
?2‘78^858d%fgh8%</&di8j%‘^i7([_jk^‘2‘78^858d%fDdic‘%&%6a([_jk^‘;=""";@
FlOIQNXI:Dc^7_j8^i&dkj%56c85h_md8c%n%f^‘7hdi8^‘68cdhj%hdj8a%f8cd7i_‘‘dj(_‘n_hh&^dn8cdmd8c%n 8%%h8^i<mdic_‘^i7i_‘‘dj(.i_‘‘^‘6f5‘i8^%‘7%fA!6_&o_‘%md8dj7i_‘‘dj5‘ndj8cdnj^od%f8j^_‘6&d<p_od _‘n7_p<8%%8c<p_od^‘78j5i8^%‘f5‘i8^%‘7%f7dodj_&fjdq5d‘i^d7pdjdmd_75jdn’r‘ndj8cd75hh%j8^‘6%f8c^7 md8c%npdd78_k&^7cdn_8p%<n^md‘7^%‘_&j_h^n<7i_‘‘^‘6&_7dj7a78dm’ sHtuKQLO:7i_‘‘^‘6hj%hdj8aC^‘7hdi8^‘6md8c%nCj_h^n<7i_‘‘^‘6’
用此法"我们还可以观测扫描器的稳定性(只须在 扫描器静止状态下测量接收屏上光点直径"然后在扫 描器运动状态下测量光点的直径"即可得出扫描器在 该运动状态下的抖动"即可以测知其稳定性!
我们建立的这套扫描性能检测系统"扫描时间测 量精度) *+,"扫描点的位置测量精度) $-./&012! . 实验结果
脉 冲 对 应 空 间 均 匀 的 扫 描 点 阵 !这 种 方 法 简 单 易 行 "
但在 高频时 无法 保 持 线 性 扫 描"因 而 无 法 做 到 快 速
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扫 描 3简 谐 扫 描 4!在 简 谐 扫 描 条 件 下 "光 脉 冲 的 时 间
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