双振镜扫描几何失真的硬件校正.docx

第 27 卷 第 4 期 2003 年 8 月 激 光 技 术 LASER TECHNOLO GY Vol. 27 ,No. 4 August ,2003 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 : A Hardware correction for distortion of dual galvanometer scanning Guo Fei , Hu Bing , Ying Huashan , Hong L iming ( Institute of Laser Technology Engineering , HUST ,Wuhan ,430074) Abstract : Though analyzing the imaging theory of dual galvanometer scanning system ,the distortion formula of the scanning system were educed. Based on the formula ,one circuit was designed to correct the distortion and perfect pictures were achieved. This correcting technology has been used in laser marking systems. Key words : laser marking ;dual galvanometer scanning ;geometry distortion ; hardware correction 引 言 双振镜扫描是一种在光栅或矢量模式下对 X2 Y 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 fθ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 、fθ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 。 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 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 = ( + 2 fωx) ; Y = ( + 2 fωy) 。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 fθ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 , X2Y 为扫描场平 面 ;坐标轴 X , Z 分别与振镜 y 和振镜