基于二维扫描振镜的光束动态调控及轨迹匹配优化关键技术研究.pdfVIP

摘要

摘要

随着现代光学扫描系统对扫描精度、扫描线性度、快速响应特性和长期稳

定性的要求越来越高，激光光束的动态调控与扫描轨迹精度提升成为一大研究

热点，扫描振镜因其误差影响因素多、精密要求极高等原因，对光束动态性能

进行调控以及扫描路径的超精密控制等技术一直难有突破。因此，如何降低振

镜系统的扫描误差，提高光束抵达规定位置的响应度和复杂路径的扫描准确度、

维持系统稳定性等成为该领域所有研究人员所面临的巨大挑战。

针对以上问题，本文基于二维扫描振镜进行了光束动态调控及轨迹匹配优

化关键技术等研究。首先对二维振镜在静态位置控制方面的能力进行了系统分

析。基于二维振镜系统的构成、工作原理和光路结构，建立激光束投影坐标理

论模型，并通过双轴静态标定实验确立振镜扫描位移与输入电压之间的映射关

系，分析静态空间位置准确性与图形畸变的成因并提出改善措施。进一步研究

二维振镜系统在动态条件下的性能，通过频率响应测试评估二维振镜在不同激

励信号输入下的动态响应能力，得到二维振镜系统单轴的最优工作频率范围，

再结合圆形轨迹扫描实验对振镜动态特性进行一个综合评估。

考虑到二维振镜在扫描复杂轨迹时对于连续性和速度控制方面的需求，本

文针对折线轨迹提出一种基于LAL轨迹的扫描控制策略，在折线轨迹角点处精

确平滑过渡以提高扫描路径的连续性，减少因角速度突变引起的动态误差。此

外，还针对螺旋线轨迹提出了一种均匀扫描控制方案，通过合理设计螺旋参数

来确保激光束在扫描全程维持恒定的径向螺距和扫描速度，适应从精密小范围

至快速大面积扫描的需求。以上两种策略均利用数值模拟方法验证其有效性。

结合理论研究结果，基于LabVIEW平台设计二维振镜系统轨迹扫描控制软

件，使用模块化设计分别实现对直线、圆形、折线和单/双螺旋线的扫描控制。

使用NIPCI6221数据采集卡与二维振镜进行连接，针对不同轨迹类型和参数进

行扫描测试，结果显示该扫描控制软件具有高精度控制能力和良好的轨迹适应

性，能够实现简单轨迹的RMSE误差小于1%，复杂轨迹小于3%，显著改善传

统扫描技术中常见的问题，如扫描速度突变导致的激光束能量堆积和螺旋线轨

迹分辨率与扫描速度矛盾等问题，为二维振镜系统的优化设计和应用开发等领

域提供坚实的技术基础。

关键词：二维扫描振镜；激光扫描；静态标定；动态调控；路径设计

--I

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

Abstract

Asmodernopticalscanningsystemsincreasinglydemandhigherscanning

precision,linearity,rapidresponse,andlong-termstability,dynamiccontrolof

laserbeamsandenhancementofscanningtrajectoryprecisionhavebecome

significantresearchfocuses.Scanninggalvanometers,criticalduetotheir

multipleerrorfactorsandhighprecisionrequirements,haveseenlimited

breakthroughsindynamicbeamperformancecontrolandultra-precisescanning

pathcontrol.Consequently,reducingscanningerrorsingalvanometersystems,

enhancingbeamresponsetodesignatedlocations,andmaintainingsystem

stabilityposesubstantialchallengesforresearchers.

Addressingtheseissues,thispaperexploreskeytechniquesforbeam