非機(jī)械式光束掃描技術(shù)的研究

1、非機(jī)械式光束掃描方法的研究The Study of Non-Mechanical Light-beamScanning Method學(xué)科專業(yè)：儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師： 第一章 緒論1.1 問(wèn)題來(lái)源在現(xiàn)代幾何量測(cè)量方法中，掃描測(cè)量是實(shí)現(xiàn)高精度幾何量測(cè)量的一種基本手段，在很多幾何量的測(cè)試儀器中都有應(yīng)用，而且是精度體現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如掃描測(cè)徑儀，IGPS 等。一般的講，這種掃描技術(shù)是在光路中安裝各種形式的折射或反射偏轉(zhuǎn)器，并利用這些偏轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)。在這些應(yīng)用中的一個(gè)典型應(yīng)用就是激光掃描測(cè)量直徑技術(shù)，該技術(shù)在工件外形尺寸測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用，最多的就是測(cè)量線材的直徑。如圖

2、 1-1 為轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)徑的原理圖。 圖1-1 反射式機(jī)械掃描原理圖激光器發(fā)射的光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直聚焦后成為平行光，把這個(gè)平行光作為掃描光源照射到掃描多面體的 o 點(diǎn)，掃描多面體由多個(gè)反射鏡組成，圖中掃描多面體的 o點(diǎn)和光電接收管的 o'點(diǎn)分別是前透鏡和后透鏡的焦點(diǎn)。所以光束在通過(guò)前透鏡后會(huì)成為平行光，再通過(guò)后透鏡后聚焦到 o'點(diǎn)。當(dāng)掃描多面體勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩透鏡之間就會(huì)形成勻速掃描的光束，多面體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，掃描光束會(huì)從下到上掃描。假如在兩透鏡之間加上一個(gè)被測(cè)物，掃描光束掃到被測(cè)物時(shí)就會(huì)被遮住，此時(shí)光電管沒(méi)有信號(hào)輸出。所以光電管就會(huì)輸出一個(gè)被被測(cè)物直徑調(diào)制的方波信號(hào)。從以上的測(cè)量原理可

3、以看出，無(wú)論最終計(jì)算形式怎樣，掃描測(cè)量都是把待測(cè)方向的幾何量測(cè)量(長(zhǎng)度)變?yōu)榱硪粋€(gè)方向的幾何量測(cè)量(馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度)，并通過(guò)一定的換算關(guān)系將這兩個(gè)幾何量聯(lián)系起來(lái)。在這些應(yīng)用中，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)角度的精確性及穩(wěn)定性直接決定了最終測(cè)量的精度，要提高速度和精度，馬達(dá)必須以更快的速度旋轉(zhuǎn)，這就對(duì)耐久度和可靠性有一定要求。但現(xiàn)有的掃描測(cè)量裝置都是由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸的方式實(shí)現(xiàn)的，因而會(huì)存在機(jī)械磨損、振動(dòng)、可控性及穩(wěn)定性差等先天缺陷，都不可避免的會(huì)造成測(cè)量精度的損失，很難實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、穩(wěn)定的高精度測(cè)量。所以本文對(duì)非機(jī)械式掃描的方法進(jìn)行了研究，制定出了基于光學(xué)相控技術(shù)和聲光偏轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)光束掃描的方案，并行了理論分析和實(shí)驗(yàn)。

4、1.2 激光掃描的基本原理由于激光掃描的用途不同，它的結(jié)構(gòu)也不相同。激光掃描裝置基本是由激光器、光學(xué)調(diào)制器、光束掃描器、控制器和接收裝置組成，其原理框圖如圖 1-2。 光束掃描器是激光掃描裝置中最重要的器件，因?yàn)閽呙杷俣?、掃描角度、光束的分辨率等掃描特性都是由光束掃描器決定的。光束偏轉(zhuǎn)器的種類包括旋轉(zhuǎn)棱鏡、電光偏轉(zhuǎn)器、聲光光偏轉(zhuǎn)器等，根據(jù)偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)方式的不同，激光掃描可分為機(jī)械掃描、聲光掃描和電光掃描等。接受裝置指的是條形碼掃描、信息光盤、打印輸出、圖像屏幕顯示等等。光學(xué)系統(tǒng)是掃描器的輔助部分，不同偏轉(zhuǎn)器的光學(xué)部分可能會(huì)不相同。圖1-2 激光掃描原理框圖第二章 二種光掃描方法介紹2.1 機(jī)械式

5、掃描機(jī)械掃描技術(shù)是目前最成熟的一種光偏轉(zhuǎn)技術(shù)。這種技術(shù)的原理是以反射鏡和折射鏡等作為他們的核心元件，利用他們的旋轉(zhuǎn)或震動(dòng)形成掃描光束。如果只需要改變光束的方向，即可采用機(jī)械偏轉(zhuǎn)的方法。常用的機(jī)械掃描器是在光路中安裝各種形式的反射或折射零件，利用它們?cè)诳臻g的運(yùn)動(dòng)完成光束掃描。上節(jié)介紹的圖 1-1 就是一種機(jī)械掃描裝置。圖 1-3 所示是機(jī)械掃描裝置的基本原理，當(dāng)入射光束射到反射鏡后會(huì)出射反射光，當(dāng)這個(gè)反射鏡旋轉(zhuǎn)式，反射光的方向會(huì)跟著發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)光束掃描的目的。圖2-1 機(jī)械掃描原理圖雖然機(jī)械掃描裝置的結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜，價(jià)格昂貴，掃描速度慢，但它仍舊是目前最普遍的光束掃描方法，因?yàn)樗鼘?duì)入射光沒(méi)有

6、限制，適用于任何波長(zhǎng)的光波，并且它的掃描范圍大，可以 360°掃描，光損耗小，受溫度影響小。所以，它被廣泛應(yīng)用在激光掃描測(cè)量中，在各種顯示技術(shù)中也得到普遍應(yīng)用。2.2 電光掃描電光偏轉(zhuǎn)是指光束在介質(zhì)中發(fā)生電光效應(yīng)從而使光束的傳播方向發(fā)生改變。 電光效應(yīng)，指將物質(zhì)置于電場(chǎng)中時(shí)，物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。圖 1-4 所示是電光偏轉(zhuǎn)的原理圖，我們?cè)O(shè)晶體的厚度是d ，長(zhǎng)度是L。圖2-2 電光偏轉(zhuǎn)原理圖在電場(chǎng)的作用下，晶體的上表面和下表面的折射率的差值。當(dāng)光束入射到晶體時(shí)，光的下面的光線(B 線)和上面的光線(A 線)在晶體中所經(jīng)歷的折射率不同，這就意味著 B 線和A 線在晶體中經(jīng)歷的時(shí)間

7、也不相同。由于在晶體中經(jīng)歷的時(shí)間不同，所以光線 A 比光線 B 要落后一段距離，這說(shuō)明光線射出晶體時(shí)，它的傳播方向相偏轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。第三章 基于光學(xué)相控陣的激光掃描3.1 光學(xué)相控陣掃描裝置描述光學(xué)相控陣技術(shù)最重要的應(yīng)用就是光學(xué)相控陣激光雷達(dá)。普通雷達(dá)波束掃描的實(shí)現(xiàn)靠的是雷達(dá)天線的轉(zhuǎn)動(dòng)，我們稱它為機(jī)械式掃描雷達(dá)。相控陣?yán)走_(dá)的掃描是通過(guò)電子控制實(shí)現(xiàn)的，成為電掃描。相控陣?yán)走_(dá)不同于機(jī)械掃描雷達(dá)，它不是靠機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)掃描的，而是通過(guò)控制“移相器”來(lái)實(shí)現(xiàn)波束掃描的。相控陣?yán)走_(dá)是由成千上萬(wàn)個(gè)輻射器組成的，我們?cè)诿總€(gè)輻射器后面接上一個(gè)移相器，移相器等同于控制器是由計(jì)算機(jī)控制的。相控陣就是有許多移相器構(gòu)成的

8、，由計(jì)算機(jī)控制的陣列，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制移相器使天線的相位發(fā)生改變，這就是點(diǎn)掃描。3.2 光學(xué)相控陣掃描裝置原理如圖4-1所示是光學(xué)相控陣掃描器的結(jié)構(gòu)圖。這是一個(gè)近場(chǎng)干涉的規(guī)則光學(xué)相控陣掃描裝置,設(shè)出射光束發(fā)生干涉加強(qiáng)的點(diǎn)為A，則各個(gè)移相器發(fā)出的光束到A點(diǎn)的光程差不相等,這是自然非規(guī)則光學(xué)相控陣的概念。所以可以把非規(guī)則光學(xué)相控陣的概念引申,即所謂的非規(guī)則光學(xué)相控陣是指從各個(gè)移相器發(fā)出各光束之間的光程差互不相等。該裝置由移相器陣列、微透鏡陣列和電壓控制器組成。其中微透鏡單元的數(shù)目和移相器的數(shù)目相同。把一個(gè)移相器和與它對(duì)應(yīng)的微透鏡稱為相控單元。該裝置的原理是：當(dāng)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直的平行光束入射到移相器陣列后，通

9、過(guò)微透鏡時(shí)被聚焦到透鏡的焦點(diǎn)見(jiàn)，再?gòu)奈⑼哥R陣列的各焦點(diǎn)上向四周輻射光線。當(dāng)電壓控制器不向移相器陣列加補(bǔ)償電壓時(shí)，各焦點(diǎn)處光波的相位均相同，要想使光線在空間中某點(diǎn)干涉加強(qiáng)，則必須從各微透鏡焦點(diǎn)發(fā)出的光線在該點(diǎn)的光程差是零或者波長(zhǎng)的整數(shù)倍，因?yàn)闉橥哥R陣列的各個(gè)焦點(diǎn)到空間中某點(diǎn)的距離是固定的，即光線間的光程差是固定的，不可能使各光程差都滿足干涉加強(qiáng)條件，所以此時(shí)沒(méi)有干涉條紋。用電壓控制器對(duì)移相器進(jìn)行調(diào)制，在移相器陣列上加上所需電壓，使移相器內(nèi)部產(chǎn)生相位差補(bǔ)償，此時(shí)，在空間中需要的點(diǎn)上就會(huì)發(fā)生干涉加強(qiáng)，而其他地方相位差不可能同時(shí)滿足干涉加強(qiáng)條件而成為背景光，從而得到了所需要的光束偏轉(zhuǎn)。本裝置采用近場(chǎng)掃

10、描法,通過(guò)調(diào)制各個(gè)移相器的電位，使移相器做規(guī)則的排列,從而使光程差的計(jì)算變得容易，實(shí)現(xiàn)激光的掃描。圖3-1 光學(xué)相控裝置原理圖第四章 聲光偏轉(zhuǎn)器實(shí)現(xiàn)電光掃描聲光偏轉(zhuǎn)器系統(tǒng)由聲光偏轉(zhuǎn)器以及與其匹配的射頻驅(qū)動(dòng)器組成，射頻驅(qū)動(dòng)器的目的在于提供給聲光偏轉(zhuǎn)器高頻的信號(hào)，加載到聲光偏轉(zhuǎn)器中的換能器上，換能器就會(huì)輸出與其頻率相同的超聲波，這個(gè)頻率的超聲波會(huì)調(diào)制聲光介質(zhì)的折射率，使得入射光在通過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)頻率即可以改變衍射光的偏轉(zhuǎn)角，聲光偏轉(zhuǎn)器可以較精確地將入射光通過(guò)聲光衍射效應(yīng)使其在一定角度范圍內(nèi)進(jìn)行光學(xué)掃描。圖 5-1 所示是聲光偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)模型。圖4-1 聲光偏轉(zhuǎn)器原理結(jié)構(gòu)圖

11、聲光偏轉(zhuǎn)器是由壓電換能器和聲光介質(zhì)組成的。當(dāng)射頻驅(qū)動(dòng)器輸出某些特定頻率的信號(hào)載入驅(qū)動(dòng)換能器時(shí)，換能器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相同頻率的超聲波，并把這個(gè)超聲波傳到聲光介質(zhì)中，使聲光介質(zhì)內(nèi)的折射率發(fā)生變化，此時(shí)光束通過(guò)介質(zhì)后傳播方向就會(huì)發(fā)生改變。聲光偏轉(zhuǎn)器中的聲光介質(zhì)在超聲波的作用下會(huì)變得疏密交替，導(dǎo)致它的折射率也隨著發(fā)生了改變。于是，此時(shí)的聲光介質(zhì)就可以等效成為一個(gè)光柵，而且光柵各條紋之間的間距相等且與超聲波的波長(zhǎng)相等。于是當(dāng)光束通過(guò)這樣的介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生衍射，當(dāng)超聲波的頻率發(fā)生變化時(shí)，衍射光的方向、強(qiáng)度等特性也會(huì)隨著改變。第五章 幾種掃描方式的特點(diǎn) 1、機(jī)械式掃描的特點(diǎn) 機(jī)械式掃描的優(yōu)點(diǎn)是掃描范圍大，受溫度影

12、響小，穩(wěn)定性好，然而當(dāng)掃描裝置的旋轉(zhuǎn)速度非常高是，將會(huì)有一系列的問(wèn)題: (1)機(jī)械裝置中的掃描鏡面在高速旋轉(zhuǎn)是會(huì)使鏡面發(fā)生形變，從而使掃描光束的效果收到影響。(2)高速旋轉(zhuǎn)的掃描鏡面時(shí)會(huì)產(chǎn)生風(fēng)阻，由于風(fēng)阻的存在，將會(huì)有功率損耗在克服風(fēng)阻上，包括熱損耗和噪聲。 (3)當(dāng)轉(zhuǎn)鏡長(zhǎng)時(shí)間的工作后，機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)降低，從而導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變差，因此需要對(duì)旋轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行反復(fù)平衡矯正。 (4)當(dāng)機(jī)械掃描裝置道速旋轉(zhuǎn)至，會(huì)使他的壽命變短，只能在短時(shí)間內(nèi)使用，增大成本。 除此之外，對(duì)轉(zhuǎn)鏡的要求很高，它本身的工藝很復(fù)雜，制作工藝也會(huì)帶來(lái)一系列的問(wèn)題: a)加工鏡面屬于機(jī)械加工，所以鏡面的表面會(huì)產(chǎn)生有規(guī)則的麻點(diǎn)

13、或劃痕， 從而影響反射光束的質(zhì)量。 b)密封問(wèn)題。若密封的不緊，就會(huì)產(chǎn)生噪聲，而且空中的灰塵、微粒等落在鏡面上后，會(huì)影響反射光束的質(zhì)量，從而引起所得圖像的抖動(dòng)。 通過(guò)以上分析，我們可以看出，機(jī)械掃描并不適合用于超高分辨率、超高速的場(chǎng)合。 2、電光掃描特點(diǎn) 電光掃描器的掃描速度是由材料的響應(yīng)速度決定的，所以采用理想的電光材料就能是掃描器的掃描速度很高。例如，當(dāng)電光偏轉(zhuǎn)器是用壓電陶瓷 PLZT 制成的時(shí)，它的掃描速度就可以達(dá)到 109rad/min 以上。然而電光掃描器的掃描范圍一般都很小，很難達(dá)到實(shí)際需求。 3、聲光掃描 聲光掃描的原理是通過(guò)控制調(diào)節(jié)聲波的頻率從而使衍射光的方向發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，進(jìn)

14、而得到連續(xù)掃描的光束。聲光掃描采用電子控制的方法，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入到聲光偏轉(zhuǎn)器的頻率來(lái)改變輸出光的偏轉(zhuǎn)角度。與光學(xué)相控陣列相比，聲光偏轉(zhuǎn)器件功耗低，帶寬大，重量輕，體積小，在穩(wěn)定性、控制難度、小型化等方面都有顯著的優(yōu)勢(shì)。 4、光學(xué)相控掃描 光學(xué)相控掃描技術(shù)是一種電子掃描技術(shù)，通過(guò)控制各個(gè)調(diào)制單元中的光波的相位，是出射光在某個(gè)特定的方向干涉加強(qiáng)，而其他方向光強(qiáng)為零，從而改變光的傳播方向。由此可見(jiàn)，光學(xué)相控掃描裝置不存在機(jī)械結(jié)構(gòu)，所以光學(xué)相控陣沒(méi)有機(jī)械掃描的缺陷，并且降低了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，大幅度提高了掃描速度。第六章 結(jié)論目前在精密激光掃描測(cè)量中應(yīng)用最多的是機(jī)械掃描，但是其自身存在著很大的局限性，不

15、適合高速掃描的場(chǎng)合。電光掃描可以達(dá)到很高的掃描速度，但是其掃描角度較小，限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用。光學(xué)相空陣實(shí)現(xiàn)激光掃描有如下優(yōu)點(diǎn)：掃描速度快，掃描的分辨率和對(duì)比率高，掃描精度高，性能穩(wěn)定，制作成本低。然而，光學(xué)相空陣作為一項(xiàng)新興的技術(shù)，國(guó)內(nèi)的研究還很不成熟，正處在一種探索階段。聲光掃描技術(shù)作為相對(duì)成熟的技術(shù)，它具有體積小、帶寬大、重量輕、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，在穩(wěn)定程度、小型化、控制難度等方面也有明顯的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，它也存在不足，掃描速度慢，很難實(shí)現(xiàn)高速掃描，掃描角度小等。參考文獻(xiàn)1丁曉華. 非機(jī)械式光束掃描方法的研究D.天津大學(xué),2013.2孫長(zhǎng)庫(kù)，葉聲華 編著，激光測(cè)量技術(shù)，天津大學(xué)出版社，20013Jiang Tao,Yu Zhenglin, Cao Guohua, Xu Hongji, The effect of