雙振鏡掃描幾何失真硬件校正

1、雙振鏡掃描幾何失真的硬件校訂(精)雙振鏡掃描幾何失真的硬件校訂(精)17/17雙振鏡掃描幾何失真的硬件校訂(精)文章編號:100123806(20030420337202雙振鏡掃描幾何失真的硬件校訂郭飛胡兵應花山洪利民(華中科技大學激光技術(shù)與工程研究院,武漢,430074綱領(lǐng):經(jīng)過分析雙振鏡2維掃描光學系統(tǒng)的成像原理,導出此掃描系統(tǒng)幾何失真公式。依據(jù)失真公式設(shè)計電子線路,對失真進行校訂,進而獲取校訂后的圓滿圖形。這一校訂技術(shù)在激光標志系統(tǒng)中獲取應用。重點詞:激光標志;雙振鏡掃描;幾何失真;硬件校訂中圖分類號:TN249文件表記碼:AHardwarecorrectionfordistortion

2、ofdualgalvanometerscanningGuoFei,HuBing,Ying,Limi(InstituteofLaserTechnology&EngineeringAbstract:Thoughanalyzingthedistortionformulaofthescanningsystemwereeduced.tocorrectthedistortionandperfectpictureswereinlasermarkingsystems.Keyw;dualscanning;geometrydistortion;hardwarecorrection作者簡介:郭飛,男,1978年9月

3、出生。碩士研究生。主要從事激光標刻技術(shù)的研究。收稿日期:2002211219;收到改正稿日期:2003201218前言雙振鏡掃描是一種在光柵或矢量模式下對X2Y平面場進行掃描的簡單、低成本方式。這類掃描方式的主要弊端是其在雙軸平面場掃描時存在固有的幾何失真。主要包含枕形失真、線性失真和在平面場上成像光束的焦點偏差。經(jīng)過在雙振鏡掃描系統(tǒng)后增添一個f物鏡,可以對焦點偏差進行校訂,使得激光束可以聚焦在同一焦平面上,并對掃描系統(tǒng)進行必定的失真校訂,但其沒法實現(xiàn)對X軸枕形失真的校訂,并產(chǎn)生Y軸方向的桶形失真。可增添一個校訂模塊對掃描系統(tǒng)的幾何失真進行校訂以獲取圓滿的結(jié)果。失真產(chǎn)生的原由物鏡前雙振鏡掃描系

4、統(tǒng)主要由高精度伺服電機、電機驅(qū)動板、反射鏡、f物鏡及直流電源構(gòu)成。此中反射鏡是由振鏡電機來控制;而振鏡電機的偏轉(zhuǎn)是由D/A卡輸出的地點控制信號經(jīng)過電機驅(qū)動板來控制的。所以,計算機控制D/A輸出,進而使光束依據(jù)設(shè)定的軌跡運轉(zhuǎn)。當主控計算機經(jīng)過D/A變換將數(shù)字信號變換成模擬信號來控制振鏡偏轉(zhuǎn)時是依據(jù)以下的像點坐標與振鏡擺角的線性關(guān)系來辦理的,即:X=(+2fx;Y=(+2fy。式中,f為物鏡焦距;x,分y別為兩振鏡偏轉(zhuǎn)角度;正負號的采納與坐標系的選擇相對應。從下邊推導的像點坐標與振鏡擺角關(guān)系中可以看到:從純幾何投影的角度來說,在x和y均不為0的狀況下上述關(guān)系但是近似,只但是x和y越小則近似程度越高

5、。所以,這將造成掃描像點的定位精度偏差進而惹起幾何失真。從失真的對稱性來看,同軸光學系統(tǒng)的失真像差相對光軸擁有對稱性,可以經(jīng)過純光學的方法校訂,而雙振鏡2維掃描系統(tǒng)屬于非同軸的光學系統(tǒng),其產(chǎn)生的圖形失真不擁有軸對稱性,所以,不可以用純光學的方法加以校訂。在物鏡前掃描系統(tǒng)中透鏡的畸變被用作賠償非線性掃描偏差,沒法對掃描場幾何失真進行賠償。失真校訂的依據(jù)位于f物鏡前的正交雙振鏡掃描系統(tǒng)如圖1所示。在所成立的直角坐標系中,X2Y為掃描場平面;坐標軸X,Z分別與振鏡y和振鏡x的轉(zhuǎn)軸平行;Z軸為光軸。設(shè)X,Y,Z軸的單位方向矢量分別為i,j,k,則關(guān)于以i方向入射的光芒A,當振鏡x和振鏡y第27卷第4期

6、2003年8月激光技術(shù)LASERTECHNOLOGYVol.27,No.4August,2003分別在初步地點上偏轉(zhuǎn)x,角y度后,系統(tǒng)出射光芒的單位方向矢量為1:A=(sin2xi+(cos2xsin2yj+(cos2xcos2k(1令:R為出射光芒與Z軸的夾角;R為以R角出射的光芒與掃描場平面的交點至坐標原點的距離;為光芒交點在掃描場平面上的角坐標。Fig.1Pre2:R=fR-1f(cos2xcos2y(2依據(jù)幾何關(guān)系可求出掃描場上任一點的坐標:X=Rcos=fsin2-x1(cos2xcos2y(1-cos22xcos22-1/2y(3Y=Rsin=fsin2ycos2xcos-1(co

7、s2xcos2y(1-cos22xcos22-1/2y(4圖2是實質(zhì)無校訂時激光標志獲取的正方形圖案,此圖案與依據(jù)(3式和(4式計算而作出的圖案符合,即在X軸方向存在枕形失真,Y軸方向產(chǎn)生桶形失真。Fig.2Squaregainedbylasermarkingwithoutcorrection對上述兩式分別進行級數(shù)張開,并數(shù)學辦理后獲取近似表達式為:X=f(2x+C1xy2(5Y=f(2-Cy2x2y(6式中,C1,C2為正常數(shù)。設(shè)X0,Y0分別對應y=0和x=0時的坐標值。即:y=0時,X=X0=f(2x(7x=0時,Y=Y0=f(2y(8這正是無失真時,掃描光點地點的兩個坐標重量。所以,由

8、(5式(8式可以得出:X=X0+c1X0Y02(9Y=Y0-c2X02Y0(10式中,c1,c2也為正常數(shù)。上述兩式即是掃描場的幾何失真公式,是設(shè)計失真校訂模塊電路的依據(jù)。校訂模塊電路設(shè)計依據(jù)上一節(jié)得出的幾何失真公式設(shè)計電子校訂模塊,電路框圖如圖3所示。Fig.3DiagramofcorrectioncircuitAmultiplication1Bmultipilication2Cmultiplication3假定經(jīng)D/A變換后的地點信號為x,y,電子校訂后的信號為x,y在平面,場上掃描的地點為x,y。由(9式、(10式可得:x=x+c1xy2;y=y-c2x2。要實現(xiàn)校訂功能,需知足地點信號

9、與掃描場實質(zhì)地點吻合,即:x=x,y=y。需使:x=x+c1xy-c2x;y=y2(11設(shè)電路中反相器1和2的輸出信號分別為x3,y3。關(guān)于此兩個反相器而言,有:x3=-(x+c1x3y32y3=-(y-c2x32y3(12由反相器3和4可得:x-x=3;y-y3(13=聯(lián)系(12式和(13式可知,此電路能知足(11式,只要將實質(zhì)電路中的電位器調(diào)理到適合的地點,即找到適合的c1,c2值,即可實現(xiàn)對幾何失真的校訂。實質(zhì)電路中,乘法器由AD7344象限乘法器實現(xiàn),分別獲取x3y3,x3y32,-x32y3信號。再經(jīng)過分壓電路將乘法器2,3的輸出信號采納適合的比率反應到OP07的負相輸入端,分別與y

10、,x信號構(gòu)成加法電路,使得x3=-(x+c1x3y32,y3=-(y-c2x32y3。另兩個OP07分別對x3,y3進行(下轉(zhuǎn)第341頁833激光技術(shù)2003年8月BBO腔外4倍頻266nm脈沖紫外激光系統(tǒng)的實驗裝置見圖3。實驗中,將532nm的綠光經(jīng)過焦距f為30mm的聚焦透鏡耦合到長度為4mm的BBO晶體上,BBO晶體采納類臨界相位般配。Fig.3Theschematicofoutercavityfourth2frequency266nmultravioletlaserpulse當LD抽運功率為1.3W時,獲取了均勻功率為1.1mW、脈沖寬度為12ns、峰值功率為7.3W的266nm紫外激

11、光,此中,從532nm到266nm的光2光變換效率為3.8%,而從1064nm到266nm的光2光變換效率為0.7%。266nm紫外激光的脈沖波形見Fig.4Thewaveformofoutercavitydoubled266nmultravioletlaserpulse50ns/div圖4。4結(jié)論用自聚焦透鏡將1.3W的LD泵浦光耦合到NdYAG上,獲取了峰值功率為750W,脈沖寬度為16ns的1064nm脈沖激光。經(jīng)過KTP和BBO晶體倍頻,獲取了峰值功率為7.3W、均勻功率為1.1mW、脈沖寬度為12ns的266nm紫外激光,此中,從532nm到266nm和從1064nm到266nm的光

12、2光變換效率分別為3.8%和0.7%。整個激光器體積小,構(gòu)造緊湊,成本低,有益于LD泵浦固體紫外激光器的適用化和家產(chǎn)化發(fā)展。參考文件YZ,JQE,1995,QE31:2:3132.:國防工業(yè)第一版社,2002:1.J,KungAH.IEEEJQE,1997,33(11:20212028.5KondoK,OkaM,WadaHetal.OptLett,1998,23(3:195197.KojimaT,KonnoS,FujikawaSetal.OptLett,2000,25(1:5860.7何京良,盧興強,賈玉磊etal.物理學報,2000,49(10:21062108.鄭權(quán),錢龍生.激光與紅外,2001,31(6:338340.姚建銓.非線性光學頻次變換及激光調(diào)諧技術(shù).北京:科學第一版社,1995:7374.(上接第338頁反相,實現(xiàn)x-x=3;y-y3=。這樣就達成了(11式的運算,實現(xiàn)了掃描失真的校訂。Fig.4Squaregainedbylasermarkingwithcorrection圖4為加入校訂后掃描得出的正方形圖案,比較圖4和圖2,進一步說明了該校訂方案的可行性。測試所用設(shè)施有