雙振鏡掃描幾何失真的硬件校正(精)

1、文章編號：100123806(2003 0420337202雙振鏡掃描幾何失真的硬件校正郭飛 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摘要：通過分析雙振鏡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。根據(jù)失真公式設(shè)計電 子線路，對失真進行校正，從而獲得校正后的完善圖形。這一校正技術(shù)在激光標記系統(tǒng)中得到應(yīng)用。關(guān)鍵詞：激光標記；雙振鏡掃描；幾何失真；硬件校正中圖分類號:TN249文獻標識碼:AH ardw are correct ion for distortio n of dual galva no meter sea nningGuo Fei , Hu

2、 B i ng , Yi ng , L i m i (In stitute of Laser Tech no logy &Engin eeri ngAbstract :Though an alyz ing the distortio n formula of the sea nning system were educed.to correct the distortio n and p erfect p ictures were in laser marki ng systems.K ey w ;dual sca nning ;geometry distortio n ;hardwa

3、re correcti on作者簡介：郭飛,男,1978年9月出生。碩士研究 生。主要從事激光標刻技術(shù)的研究。收稿日期:2002211219;收到修改稿日期：2003201218雙振鏡掃描是一種在光柵或矢量模式下對X 2丫平面場進行掃描的簡單、低成本方式。這種掃描方式的主要缺點是其在雙軸平面場掃描時存在固有的幾何失真。主要包括枕形失真、線性失真和在平面場上成像光束的焦點誤差。通過在雙振鏡掃描系 統(tǒng)后增加一個f物鏡，可以對 焦點誤差進行校正，使得激光束能夠聚焦在同一焦平面上，并對掃描系統(tǒng)進行一定 的失真校正，但其無法實現(xiàn)對X軸枕形失真的校正，并產(chǎn)生丫軸方向的桶形失真。可增加一個校正模塊對掃描系統(tǒng)

4、的幾何失真進行校正以獲得完善的結(jié)果。1失真產(chǎn)生的原因物鏡前雙振鏡掃描系統(tǒng)主要由高精度伺服電機、電機驅(qū)動板、反射鏡、f 0物鏡及直流電源組成。其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卡輸出的位置控制信號通過電機驅(qū)動板來控制的。因此,計算機控制D/A輸 出，從而使光束按照設(shè)定的軌跡運行。當主控計算機通過D/A轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號來控制振鏡偏轉(zhuǎn)時是 按照如下的像點坐 標與振鏡擺角的線性關(guān)系來處理的,即:X =(+2f CD X ; 丫 =(+2fCD y。式中,f為物鏡焦距；DX D分別為兩振鏡偏轉(zhuǎn)角度；正負號的選取與坐標系的選擇相對應(yīng)。從下面推導(dǎo)的像點坐標與振鏡擺角關(guān)系中

5、可以 看到：從純幾何投影的角度來。從失說,在3 X和CD y均不為0的情況下上述關(guān)系只是近似,只不過CD X和CD y越小則近 似程度越高。所以，這將造成掃描像點的 定位精度誤差從而引起幾何失真 真的對稱性來看，同軸光學(xué)系統(tǒng)的失真像差相對光軸具有對稱 性，可以通過純光學(xué) 的方法校正，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 具有軸對稱性，所以，不能用純光學(xué)的方法加以校 正。在物鏡前掃描系統(tǒng)中透鏡 的畸變被用作補償非線性掃描誤差，無法對掃描場幾何失真進行補償。2 失真校正的依據(jù)位于f物鏡前的正交雙振鏡掃描系統(tǒng)如圖1所示。在所建立的直角坐標系 中,X 2Y為掃描場平 面；坐標軸

6、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 , 丫 , Z軸的單位方向矢量分別為i , j , k ,則對于以i方向入射的光線A , 當振鏡X和振鏡y第27卷 第4期2003年8月LASERTECHNOLO(1GYVol. 27,No. 4August ,2003分別在起始位置上偏轉(zhuǎn)3 X ,C角度后，系統(tǒng)出射光 線的單位方向矢量為1:A " =(sin2 3 x(cos2 3 X cos2 3i +(cos2 3 X sin2 3 y j +1 11 I叮Fig. 1R =f0 Rf(cos23 x cos2 1 y (2令：0為出射光線與Z軸的夾角；R為以0

7、F角出射 的光線與掃描場平面的交點至坐標原點的距離；為光線交點在掃描場平面上的角坐標Pre 2:根據(jù)幾何關(guān)系可求出掃描場上任一點的坐標X =R cos © =f sin2 i x1aoss2 i x cos2 i y x(1-cos 22 3 x cos 22 -1/2/(3 Y =R sin © =f sin2 i y cos2 i x cos-1(cos2 3 x cos2 3 y x(1-cos 22 3 x cos 22 -32/(4圖2是實際無校正時激光標記得到的正方形圖案此圖案與根據(jù)（3式和（4式計算而作出的圖案相 符，即在X軸方向存在枕形失真，丫軸方向產(chǎn)生桶形

8、失真0190-21)07ChiM Av4ucniK Journal Ebdjuti匸 Publishtns "Jquk. All ridtb rcwnreJ.Fig. 2 Square gained by laser marki ng without correct ion對上述兩式分別進行級數(shù)展開，并數(shù)學(xué)處理后得到近似表達式為：X =f (2 o x +C 1 o x oy(5 Y =f (2-Cy2 co x 2coy(6式中,C 1, C 2為正常數(shù)。設(shè)X 0, Y 0分別對應(yīng)o y=0和o x =0時的坐標值。即：o y =0寸,X =X 0=f (2(7 o x =時，丫

9、=丫 0=f (2(8這正是無失真時，掃描光點位置的兩個坐標分量。因此，由(5式(8式可以得X =X 0+c 1X 0Y 0(9 Y =Y 0-c 2X 02(10式中，c 1, c 2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)計失真校正模塊電路的依據(jù)。3 校正模塊電路設(shè)計根據(jù)上一節(jié)得出的幾何失真公式設(shè)計電子校正 模塊，電路框圖如圖3所示|'W4-M7China. Acadoruc Jocmol EiETcttonk PubLuhm Mwbc. All mcrvucLFig. 3 Diagram of correcti on circuitA mult ip licati o

10、n 1 B mult ip ilicatio n 2C mult ip licati on 3假設(shè)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的位置信號為x , y ,電子校 正后的信號為x' , y在平面場上掃描的位置為x ，y 。由（9 式、（10 式可得：X =x +c 1x ' y ' 2y -c 2x 2要實現(xiàn)校正功能，需滿足位置信號與掃描場實 際位置相符，即:x =x ，y=y 。需使：x =x +c 1x yy '（設(shè)電路中反相器1和2的輸出信號分別為x 3, y 3。3對于此兩個反相器而言x 3=-(x +c 1x 3y 32y 3=-(y -c 2x 32y 3（12由反相

11、器3和4可得：x -x=3; y勺3=13聯(lián)系（12式和（13式可知，此電路能滿足（11式,只需將實際電路中的電位器 調(diào)節(jié)到適當?shù)奈恢?，即找到合適的C 1, C 2值，便可實現(xiàn)對幾何失真的校正。實際電路中,乘法器由AD7344象限乘法器實 現(xiàn),分別獲得x 3y 3, x 3y 32, -x32y 3信號。再通過分壓電路將乘法器2,3的輸出信號選取適當?shù)谋?例反饋到OP07的負相輸入端,分別與y , x信號構(gòu) 成加法電路,使得x 3=-（x +c 1x 3y 32 , y 3=-(y -C 2x 3o"2y 3。另兩個OP07分別對x進行（下轉(zhuǎn)第341頁833 激技 術(shù)2003年8月B

12、BO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的綠光通過焦 距f為30mm的聚焦透鏡耦合到長度為4mm的BBO晶體上,BBO晶體采用I類臨界相位匹配。Fig. 3 The schematic of outer cavity fourth 2freque ncy 266nmultraviolet laser pu Ise當LD抽運功率為1.3W時,得到了平均功率為1. 1mW、脈沖寬度為12ns、峰值功率為7. 3W的266nm紫外激光,其中,從532nm到266nm的光2光轉(zhuǎn)換效率為3. 8%,而從1064nm到266nm0switehed infrared的光

13、2光轉(zhuǎn)換效率為0. 7%。266nm紫外激光的脈沖波形見Fig. 4The waveform of outer cavity doubled 266nm ultraviolet laserpu Ise50n s/div圖4。用自聚焦透鏡將1.3W的LD泵浦光耦合到Nd : YA G上,得到了峰值功率為750W，脈沖寬度為16ns的1064nm脈沖激光。經(jīng)過KTP和BBO晶體倍頻,得到了峰值功率為7. 3W、平均功率為1. 1mW、脈沖寬度為 12ns的266nm紫外激光,其中,從532nm到266nm和從1064nm到266nm的光2光轉(zhuǎn)換效率分別為3. 8%和0. 7%。整個激光器體 積小,

14、結(jié)構(gòu)緊湊,成本低,有利于LD泵浦固體紫外激光器的實用化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展考文獻1 Y Z , J Q E ,1995, Q E31:2 :3132.:國防工業(yè)出版社，2002:1,Ku ng A H. IEEE J QE ,1997,33(11 :20212028. 5 K on do K ,Oka M , Wada H et al . OptLett ,1998,23(3 :195197.6 K ojima T , K onno S Fujikawa S et al . Opt Lett ,2000,25(1 :5860. 7 何京良，盧興強，賈玉磊et al .物理學(xué)報,2000,49(10 :21062108.8 鄭 權(quán)，錢龍生.激光與紅外,2001,31(6 :338340.9姚建銓.非線性光學(xué)頻率變換及激光調(diào)諧技術(shù).北京：科學(xué)出版社,1995:7374.(上接第338頁反相，實現(xiàn)x -x=0switched infrared3; y-y =。這樣就完成了(11式的運算，實現(xiàn)了掃描失真的校正。Fig. 4 Square gained by laser marki ng with correct ion圖4為加入校正后掃描得出的正方形圖案，比較圖4和圖2,進