非機械式光束掃描技術(shù)的研究(共10頁)

1、非機械式光束掃描(somio)方法的研究The Study of Non-Mechanical Light-beamScanning Method學(xué)科專業(yè)：儀器(yq)科學(xué)與技術(shù)學(xué)生(xu sheng)姓名：學(xué)號：指導(dǎo)老師： 第一章 緒論(xln)1.1 問題(wnt)來源在現(xiàn)代幾何量測量方法中，掃描測量是實現(xiàn)(shxin)高精度幾何量測量的一種基本手段，在很多幾何量的測試儀器中都有應(yīng)用，而且是精度體現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如掃描測徑儀，IGPS 等。一般的講，這種掃描技術(shù)是在光路中安裝各種形式的折射或反射偏轉(zhuǎn)器，并利用這些偏轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)或振動實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)。在這些應(yīng)用中的一個典型應(yīng)用就是激光掃描測量直徑技

2、術(shù)，該技術(shù)在工件外形尺寸測量中得到了廣泛應(yīng)用，最多的就是測量線材的直徑。如圖 1-1 為轉(zhuǎn)鏡掃描測徑的原理圖。 圖1-1 反射式機械掃描原理圖激光器發(fā)射的光束經(jīng)過準(zhǔn)直聚焦后成為平行光，把這個平行光作為掃描光源照射到掃描多面體的 o 點，掃描多面體由多個反射鏡組成，圖中掃描多面體的 o點和光電接收管的 o點分別是前透鏡和后透鏡的焦點。所以光束在通過前透鏡后會成為平行光，再通過后透鏡后聚焦到 o點。當(dāng)掃描多面體勻速旋轉(zhuǎn)時，兩透鏡之間就會形成勻速掃描的光束，多面體逆時針旋轉(zhuǎn)時，掃描光束會從下到上掃描。假如在兩透鏡之間加上一個被測物，掃描光束掃到被測物時就會被遮住，此時光電管沒有信號輸出。所以光電管就

3、會輸出一個被被測物直徑調(diào)制的方波信號。從以上的測量原理可以看出，無論最終計算形式怎樣，掃描測量都是把待測方向的幾何(j h)量測量(長度)變?yōu)榱硪粋€方向的幾何量測量(馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度)，并通過一定的換算關(guān)系將這兩個幾何量聯(lián)系起來。在這些應(yīng)用中，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)角度的精確性及穩(wěn)定性直接決定了最終測量的精度，要提高速度(sd)和精度，馬達(dá)必須以更快的速度旋轉(zhuǎn)，這就對耐久度和可靠性有一定要求。但現(xiàn)有的掃描測量裝置都是由馬達(dá)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸的方式實現(xiàn)的，因而會存在機械磨損、振動、可控性及穩(wěn)定性差等先天缺陷，都不可避免的會造成測量精度的損失，很難實現(xiàn)長期、穩(wěn)定的高精度測量。所以本文對非機械式掃描的方法進(jìn)行了研究，制定出

4、了基于光學(xué)相控技術(shù)和聲光偏轉(zhuǎn)技術(shù)實現(xiàn)光束掃描的方案，并行了理論分析和實驗。1.2 激光(jgung)掃描的基本原理由于激光掃描的用途不同，它的結(jié)構(gòu)也不相同。激光掃描裝置基本是由激光器、光學(xué)調(diào)制器、光束掃描器、控制器和接收裝置組成，其原理框圖如圖 1-2。 光束掃描器是激光掃描裝置中最重要的器件，因為掃描速度、掃描角度、光束的分辨率等掃描特性都是由光束掃描器決定的。光束偏轉(zhuǎn)器的種類包括旋轉(zhuǎn)棱鏡、電光偏轉(zhuǎn)器、聲光光偏轉(zhuǎn)器等，根據(jù)偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)方式的不同，激光掃描可分為機械掃描、聲光掃描和電光掃描等。接受裝置指的是條形碼掃描、信息光盤、打印輸出、圖像屏幕顯示等等。光學(xué)系統(tǒng)是掃描器的輔助部分，不同偏轉(zhuǎn)器的

5、光學(xué)部分可能會不相同。圖1-2 激光掃描原理框圖第二章 二種光掃描方法(fngf)介紹2.1 機械式掃描(somio)機械掃描技術(shù)是目前最成熟的一種光偏轉(zhuǎn)技術(shù)。這種技術(shù)的原理是以反射鏡和折射鏡等作為他們的核心元件，利用他們的旋轉(zhuǎn)或震動形成掃描光束。如果只需要改變光束的方向，即可采用機械偏轉(zhuǎn)的方法。常用的機械掃描器是在光路中安裝各種形式的反射或折射零件，利用它們在空間的運動完成光束掃描。上節(jié)介紹的圖 1-1 就是一種機械掃描裝置。圖 1-3 所示是機械掃描裝置的基本原理，當(dāng)入射光束射到反射鏡后會出射反射光，當(dāng)這個反射鏡旋轉(zhuǎn)式，反射光的方向會跟著(gn zhe)發(fā)生改變，從而實現(xiàn)光束掃描的目的。圖

6、2-1 機械掃描原理圖雖然機械掃描裝置的結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜，價格昂貴，掃描速度慢，但它仍舊是目前最普遍的光束掃描方法，因為它對入射光沒有限制，適用于任何波長的光波，并且它的掃描范圍大，可以 360掃描，光損耗小，受溫度影響小。所以，它被廣泛應(yīng)用在激光掃描測量中，在各種顯示技術(shù)中也得到普遍應(yīng)用。2.2 電光(dingung)掃描電光偏轉(zhuǎn)是指光束在介質(zhì)中發(fā)生電光效應(yīng)從而使光束的傳播(chunb)方向發(fā)生改變。 電光效應(yīng)，指將物質(zhì)置于電場中時，物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。圖 1-4 所示是電光偏轉(zhuǎn)的原理圖，我們設(shè)晶體的厚度是d ，長度是L。圖2-2 電光(dingung)偏轉(zhuǎn)原理圖在電場的作用下，晶體的

7、上表面和下表面的折射率的差值。當(dāng)光束入射到晶體時，光的下面的光線(B 線)和上面的光線(A 線)在晶體中所經(jīng)歷的折射率不同，這就意味著 B 線和A 線在晶體中經(jīng)歷的時間也不相同。由于在晶體中經(jīng)歷的時間不同，所以光線 A 比光線 B 要落后一段距離，這說明光線射出晶體時，它的傳播方向相偏轉(zhuǎn)了一個角度。第三章 基于光學(xué)相控陣的激光掃描3.1 光學(xué)相控陣掃描裝置描述光學(xué)相控陣技術(shù)最重要的應(yīng)用就是光學(xué)相控陣激光雷達(dá)。普通雷達(dá)波束掃描的實現(xiàn)靠的是雷達(dá)天線的轉(zhuǎn)動，我們稱它為機械式掃描雷達(dá)。相控陣?yán)走_(dá)的掃描是通過電子控制實現(xiàn)的，成為電掃描。相控陣?yán)走_(dá)不同于機械掃描雷達(dá)，它不是靠機械轉(zhuǎn)動實現(xiàn)掃描的，而是通過控

8、制“移相器”來實現(xiàn)波束掃描的。相控陣?yán)走_(dá)是由成千上萬個輻射器組成的，我們在每個輻射器后面接上一個移相器，移相器等同于控制器是由計算機控制的。相控陣就是有許多移相器構(gòu)成的，由計算機控制的陣列，通過計算機控制移相器使天線的相位發(fā)生改變，這就是點掃描。3.2 光學(xué)相控陣掃描(somio)裝置原理如圖4-1所示是光學(xué)(gungxu)相控陣掃描器的結(jié)構(gòu)圖。這是一個近場干涉的規(guī)則光學(xué)相控陣掃描裝置,設(shè)出射光束(gungsh)發(fā)生干涉加強的點為A，則各個移相器發(fā)出的光束到A點的光程差不相等,這是自然非規(guī)則光學(xué)相控陣的概念。所以可以把非規(guī)則光學(xué)相控陣的概念引申,即所謂的非規(guī)則光學(xué)相控陣是指從各個移相器發(fā)出各光

9、束之間的光程差互不相等。該裝置由移相器陣列、微透鏡陣列和電壓控制器組成。其中微透鏡單元的數(shù)目和移相器的數(shù)目相同。把一個移相器和與它對應(yīng)的微透鏡稱為相控單元。該裝置的原理是：當(dāng)經(jīng)過準(zhǔn)直的平行光束入射到移相器陣列后，通過微透鏡時被聚焦到透鏡的焦點見，再從微透鏡陣列的各焦點上向四周輻射光線。當(dāng)電壓控制器不向移相器陣列加補償電壓時，各焦點處光波的相位均相同，要想使光線在空間中某點干涉加強，則必須從各微透鏡焦點發(fā)出的光線在該點的光程差是零或者波長的整數(shù)倍，因為為透鏡陣列的各個焦點到空間中某點的距離是固定的，即光線間的光程差是固定的，不可能使各光程差都滿足干涉加強條件，所以此時沒有干涉條紋。用電壓控制器對

10、移相器進(jìn)行調(diào)制，在移相器陣列上加上所需電壓，使移相器內(nèi)部產(chǎn)生相位差補償，此時，在空間中需要的點上就會發(fā)生干涉加強，而其他地方相位差不可能同時滿足干涉加強條件而成為背景光，從而得到了所需要的光束偏轉(zhuǎn)。本裝置采用近場掃描法,通過調(diào)制各個移相器的電位，使移相器做規(guī)則的排列,從而使光程差的計算變得容易，實現(xiàn)激光的掃描。圖3-1 光學(xué)(gungxu)相控裝置原理圖第四章 聲光偏轉(zhuǎn)(pinzhun)器實現(xiàn)電光掃描聲光偏轉(zhuǎn)器系統(tǒng)由聲光偏轉(zhuǎn)器以及與其匹配的射頻驅(qū)動器組成，射頻驅(qū)動器的目的在于提供給聲光偏轉(zhuǎn)器高頻的信號，加載到聲光偏轉(zhuǎn)器中的換能器上，換能器就會輸出與其頻率相同的超聲波，這個頻率的超聲波會調(diào)制聲光

11、介質(zhì)的折射率，使得入射光在通過聲光介質(zhì)時會(sh hu)發(fā)生衍射現(xiàn)象，通過改變驅(qū)動頻率即可以改變衍射光的偏轉(zhuǎn)角，聲光偏轉(zhuǎn)器可以較精確地將入射光通過聲光衍射效應(yīng)使其在一定角度范圍內(nèi)進(jìn)行光學(xué)掃描。圖 5-1 所示是聲光偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)模型。圖4-1 聲光偏轉(zhuǎn)器原理結(jié)構(gòu)圖聲光偏轉(zhuǎn)器是由壓電換能器和聲光介質(zhì)組成的。當(dāng)射頻驅(qū)動器輸出某些特定頻率的信號載入驅(qū)動換能器時，換能器就會產(chǎn)生一個相同頻率的超聲波，并把這個超聲波傳到聲光介質(zhì)中，使聲光介質(zhì)內(nèi)的折射率發(fā)生變化，此時光束通過介質(zhì)后傳播方向(fngxing)就會發(fā)生改變。聲光偏轉(zhuǎn)器中的聲光介質(zhì)在超聲波的作用下會變得疏密交替，導(dǎo)致它的折射率也隨著發(fā)生了改變。于是

12、，此時的聲光介質(zhì)就可以等效成為一個光柵，而且光柵各條紋(tio wn)之間的間距相等且與超聲波的波長相等。于是當(dāng)光束通過這樣的介質(zhì)時會發(fā)生衍射，當(dāng)超聲波的頻率發(fā)生變化時，衍射光的方向、強度等特性也會隨著改變。第五章 幾種掃描方式(fngsh)的特點 1、機械式掃描的特點 機械式掃描的優(yōu)點是掃描范圍大，受溫度影響小，穩(wěn)定性好，然而當(dāng)掃描裝置的旋轉(zhuǎn)速度非常高是，將會有一系列的問題: (1)機械裝置中的掃描鏡面在高速旋轉(zhuǎn)是會使鏡面發(fā)生形變，從而使掃描光束的效果收到影響。(2)高速旋轉(zhuǎn)的掃描鏡面時會產(chǎn)生風(fēng)阻，由于風(fēng)阻的存在，將會有功率損耗在克服風(fēng)阻上，包括熱損耗和噪聲。 (3)當(dāng)轉(zhuǎn)鏡長時間的工作后，機

13、械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會降低，從而導(dǎo)致機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變差，因此需要對旋轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行反復(fù)平衡矯正。 (4)當(dāng)機械掃描裝置道速旋轉(zhuǎn)至，會使他的壽命變短，只能在短時間內(nèi)使用，增大成本。 除此之外，對轉(zhuǎn)鏡的要求很高，它本身的工藝很復(fù)雜，制作工藝也會帶來一系列的問題: a)加工鏡面屬于機械加工，所以鏡面的表面會產(chǎn)生有規(guī)則的麻點或劃痕， 從而影響反射光束的質(zhì)量。 b)密封問題。若密封的不緊，就會產(chǎn)生噪聲，而且空中的灰塵、微粒等落在鏡面上后，會影響反射光束的質(zhì)量，從而引起所得圖像的抖動。 通過以上分析，我們可以看出，機械掃描并不適合用于超高分辨率、超高速的場合。 2、電光(dingung)掃描特點 電光掃描器的掃描

14、速度是由材料的響應(yīng)速度決定的，所以采用理想的電光材料就能是掃描器的掃描速度很高。例如，當(dāng)電光偏轉(zhuǎn)器是用壓電陶瓷 PLZT 制成的時，它的掃描速度就可以(ky)達(dá)到 109rad/min 以上。然而(rn r)電光掃描器的掃描范圍一般都很小，很難達(dá)到實際需求。 3、聲光掃描 聲光掃描的原理是通過控制調(diào)節(jié)聲波的頻率從而使衍射光的方向發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而得到連續(xù)掃描的光束。聲光掃描采用電子控制的方法，通過調(diào)節(jié)輸入到聲光偏轉(zhuǎn)器的頻率來改變輸出光的偏轉(zhuǎn)角度。與光學(xué)相控陣列相比，聲光偏轉(zhuǎn)器件功耗低，帶寬大，重量輕，體積小，在穩(wěn)定性、控制難度、小型化等方面都有顯著的優(yōu)勢。 4、光學(xué)相控掃描 光學(xué)相控掃描技術(shù)

15、是一種電子掃描技術(shù)，通過控制各個調(diào)制單元中的光波的相位，是出射光在某個特定的方向干涉加強，而其他方向光強為零，從而改變光的傳播方向。由此可見，光學(xué)相控掃描裝置不存在機械結(jié)構(gòu)，所以光學(xué)相控陣沒有機械掃描的缺陷，并且降低了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，大幅度提高了掃描速度。第六章 結(jié)論目前在精密激光掃描測量中應(yīng)用最多的是機械掃描，但是其自身存在著很大的局限性，不適合高速掃描的場合。電光掃描可以達(dá)到很高的掃描速度，但是其掃描角度較小，限制了其在實際中的應(yīng)用。光學(xué)相空陣實現(xiàn)激光掃描有如下優(yōu)點：掃描速度快，掃描的分辨率和對比率高，掃描精度高，性能穩(wěn)定，制作成本低。然而，光學(xué)相空陣作為一項新興的技術(shù)，國內(nèi)的研究還很不

16、成熟，正處在一種探索階段。聲光掃描技術(shù)作為相對成熟的技術(shù)，它具有體積小、帶寬大、重量輕、功耗低的優(yōu)點，在穩(wěn)定程度、小型化、控制難度等方面也有明顯的優(yōu)勢。當(dāng)然，它也存在不足，掃描速度慢，很難實現(xiàn)高速掃描，掃描角度小等。參考文獻(xiàn)1丁曉華. 非機械式光束(gungsh)掃描方法的研究D.天津大學(xué),2013.2孫長庫，葉聲華 編著(binzh)，激光測量技術(shù)，天津大學(xué)出版社，20013Jiang Tao,Yu Zhenglin, Cao Guohua, Xu Hongji, The effect of scanning speed fluctuation to the precision of size measurement by laser scanning, Lasers & Electro Optics & The