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(hào):100123806(20030420337202雙振鏡掃描幾何失真的硬件校訂郭飛胡兵應(yīng)花山洪利民(華中科技大學(xué)激光技術(shù)與工程研究院,武漢,430074綱領(lǐng):經(jīng)過(guò)分析雙振鏡2維掃描光學(xué)系統(tǒng)的成像原理,導(dǎo)出此掃描系統(tǒng)幾何失真公式。依據(jù)失真公式設(shè)計(jì)電子線路,對(duì)失真進(jìn)行校訂,進(jìn)而獲取校訂后的圓滿圖形。這一校訂技術(shù)在激光標(biāo)志系統(tǒng)中獲取應(yīng)用。重點(diǎn)詞:激光標(biāo)志;雙振鏡掃描;幾何失真;硬件校訂中圖分類號(hào):TN249文件表記碼:AHardwarecorrectionfordistortion

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

3、出生。碩士研究生。主要從事激光標(biāo)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(duì)X2Y平面場(chǎng)進(jìn)行掃描的簡(jiǎn)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(chǎng)掃描時(shí)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(chǎng)上成像光束的焦點(diǎn)偏差。經(jīng)過(guò)在雙振鏡掃描系統(tǒng)后增添一個(gè)f物鏡,可以對(duì)焦點(diǎn)偏差進(jìn)行校訂,使得激光束可以聚焦在同一焦平面上,并對(duì)掃描系統(tǒng)進(jìn)行必定的失真校訂,但其沒(méi)法實(shí)現(xiàn)對(duì)X軸枕形失真的校訂,并產(chǎn)生Y軸方向的桶形失真?？稍鎏硪粋€(gè)校訂模塊對(duì)掃描系統(tǒng)的幾何失真進(jìn)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(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)來(lái)控制;而振鏡電機(jī)的偏轉(zhuǎn)是由D/A卡輸出的地點(diǎn)控制信號(hào)經(jīng)過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板來(lái)控制的。所以,計(jì)算機(jī)控制D/A輸出,進(jìn)而使光束依據(jù)設(shè)定的軌跡運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)主控計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)D/A變換將數(shù)字信號(hào)變換成模擬信號(hào)來(lái)控制振鏡偏轉(zhuǎn)時(shí)是依據(jù)以下的像點(diǎn)坐標(biāo)與振鏡擺角的線性關(guān)系來(lái)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(fù)號(hào)的采納與坐標(biāo)系的選擇相對(duì)應(yīng)。從下邊推導(dǎo)的像點(diǎn)坐標(biāo)與振鏡擺角關(guān)系中可以看到:從純幾何投影的角度來(lái)說(shuō),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(diǎn)的定位精度偏差進(jìn)而惹起幾何失真。從失真的對(duì)稱性來(lái)看,同軸光學(xué)系統(tǒng)的失真像差相對(duì)光軸擁有對(duì)稱性,可以經(jīng)過(guò)純光學(xué)的方法校訂,而雙振鏡2維掃描系統(tǒng)屬于非同軸的光學(xué)系統(tǒng),其產(chǎn)生的圖形失真不擁有軸對(duì)稱性,所以,不可以用純光學(xué)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(méi)法對(duì)掃描場(chǎng)幾何失真進(jìn)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(biāo)系中,X2Y為掃描場(chǎng)平面;坐標(biāo)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(dāng)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(diǎn)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(chǎng)平面的交點(diǎn)至坐標(biāo)原點(diǎn)的距離;為光芒交點(diǎn)在掃描場(chǎng)平面上的角坐標(biāo)。Fig.1Pre2:R=fR-1f(cos2xcos2y(2依據(jù)幾何關(guān)系可求出掃描場(chǎng)上任一點(diǎn)的坐標(biāo):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(shí)質(zhì)無(wú)校訂時(shí)激光標(biāo)志獲取的正方形圖案,此圖案與依據(jù)(3式和(4式計(jì)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(duì)上述兩式分別進(jìn)行級(jí)數(shù)張開(kāi),并數(shù)學(xué)辦理后獲取近似表達(dá)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(duì)應(yīng)y=0和x=0時(shí)的坐標(biāo)值。即:y=0時(shí),X=X0=f(2x(7x=0時(shí),Y=Y0=f(2y(8這正是無(wú)失真時(shí),掃描光點(diǎn)地點(diǎn)的兩個(gè)坐標(biāo)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(chǎng)的幾何失真公式,是設(shè)計(jì)失真校訂模塊電路的依據(jù)。校訂模塊電路設(shè)計(jì)依據(jù)上一節(jié)得出的幾何失真公式設(shè)計(jì)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(diǎn)信號(hào)為x,y,電子校訂后的信號(hào)為x,y在平面,場(chǎng)上掃描的地點(diǎn)為x,y。由(9式、(10式可得:x=x+c1xy2;y=y-c2x2。要實(shí)現(xiàn)校訂功能,需知足地點(diǎn)信號(hào)

9、與掃描場(chǎng)實(shí)質(zhì)地點(diǎn)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(hào)分別為x3,y3。關(guān)于此兩個(gè)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(shí)質(zhì)電路中的電位器調(diào)理到適合的地點(diǎn),即找到適合的c1,c2值,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)幾何失真的校訂。實(shí)質(zhì)電路中,乘法器由AD7344象限乘法器實(shí)現(xiàn),分別獲取x3y3,x3y32,-x32y3信號(hào)。再經(jīng)過(guò)分壓電路將乘法器2,3的輸出信號(hào)采納適合的比率反應(yīng)到OP07的負(fù)相輸入端,分別與y

10、,x信號(hào)構(gòu)成加法電路,使得x3=-(x+c1x3y32,y3=-(y-c2x32y3。另兩個(gè)OP07分別對(duì)x3,y3進(jìn)行(下轉(zhuǎn)第341頁(yè)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(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3。實(shí)驗(yàn)中,將532nm的綠光經(jīng)過(guò)焦距f為30mm的聚焦透鏡耦合到長(zhǎng)度為4mm的BBO晶體上,BBO晶體采納類臨界相位般配。Fig.3Theschematicofoutercavityfourth2frequency266nmultravioletlaserpulse當(dāng)LD抽運(yùn)功率為1.3W時(shí),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(jiàn)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(guò)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(gè)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(guó)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(qiáng),賈玉磊etal.物理學(xué)報(bào),2000,49(10:21062108.鄭權(quán),錢(qián)龍生.激光與紅外,2001,31(6:338340.姚建銓.非線性光學(xué)頻次變換及激光調(diào)諧技術(shù).北京:科學(xué)第一版社,1995:7374.(上接第338頁(yè)反相,實(shí)現(xiàn)x-x=3;y-y3=。這樣就達(dá)成了(11式的運(yùn)算,實(shí)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(jìn)一步說(shuō)明了該校訂方案的可行性。測(cè)試所用設(shè)施有