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非机械式光束扫描方法的研究TheStudyofNon-MechanicalLight-beamScanningMethod学科专业：仪器科学与技术学生姓名：学号：指导老师：第一章绪论1.1问题来源在现代几何量测量方法中，扫描测量是实现高精度几何量测量的一种基本手段，在很多几何量的测试仪器中都有应用，而且是精度体现的关键环节，如扫描测径仪，IGPS等。一般的讲，这种扫描技术是在光路中安装各种形式的折射或反射偏转器，并利用这些偏转器的旋转或振动实现光束偏转。在这些应用中的一个典型应用就是激光扫描测量直径技术，该技术在工件外形尺寸测量中得到了广泛应用，最多的就是测量线材的直径。如图1-1为转镜扫描测径的原理图。图1-1反射式机械扫描原理图激光器发射的光束经过准直聚焦后成为平行光，把这个平行光作为扫描光源照射到扫描多面体的o点，扫描多面体由多个反射镜组成，图中扫描多面体的o点和光电接收管的o'点分别是前透镜和后透镜的焦点。所以光束在通过前透镜后会成为平行光，再通过后透镜后聚焦到o'点。当扫描多面体匀速旋转时，两透镜之间就会形成匀速扫描的光束，多面体逆时针旋转时，扫描光束会从下到上扫描。假如在两透镜之间加上一个被测物，扫描光束扫到被测物时就会被遮住，此时光电管没有信号输出。所以光电管就会输出一个被被测物直径调制的方波信号。从以上的测量原理可以看出，无论最终计算形式怎样，扫描测量都是把待测方向的几何量测量(长度)变为另一个方向的几何量测量(马达的旋转角度)，并通过一定的换算关系将这两个几何量联系起来。在这些应用中，马达旋转角度的精确性及稳定性直接决定了最终测量的精度，要提高速度和精度，马达必须以更快的速度旋转，这就对耐久度和可靠性有一定要求。但现有的扫描测量装置都是由马达驱动旋转轴的方式实现的，因而会存在机械磨损、振动、可控性及稳定性差等先天缺陷，都不可避免的会造成测量精度的损失，很难实现长期、稳定的高精度测量。所以本文对非机械式扫描的方法进行了研究，制定出了基于光学相控技术和声光偏转技术实现光束扫描的方案，并行了理论分析和实验。1.2激光扫描的基本原理由于激光扫描的用途不同，它的结构也不相同。激光扫描装置基本是由激光器、光学调制器、光束扫描器、控制器和接收装置组成，其原理框图如图1-2。光束扫描器是激光扫描装置中最重要的器件，因为扫描速度、扫描角度、光束的分辨率等扫描特性都是由光束扫描器决定的。光束偏转器的种类包括旋转棱镜、电光偏转器、声光光偏转器等，根据偏转器偏转方式的不同，激光扫描可分为机械扫描、声光扫描和电光扫描等。接受装置指的是条形码扫描、信息光盘、打印输出、图像屏幕显示等等。光学系统是扫描器的辅助部分，不同偏转器的光学部分可能会不相同。图1-2激光扫描原理框图第二章二种光扫描方法介绍2.1机械式扫描机械扫描技术是目前最成熟的一种光偏转技术。这种技术的原理是以反射镜和折射镜等作为他们的核心元件，利用他们的旋转或震动形成扫描光束。如果只需要改变光束的方向，即可采用机械偏转的方法。常用的机械扫描器是在光路中安装各种形式的反射或折射零件，利用它们在空间的运动完成光束扫描。上节介绍的图1-1就是一种机械扫描装置。图1-3所示是机械扫描装置的基本原理，当入射光束射到反射镜后会出射反射光，当这个反射镜旋转式，反射光的方向会跟着发生改变，从而实现光束扫描的目的。图2-1机械扫描原理图虽然机械扫描装置的结构精密复杂，价格昂贵，扫描速度慢，但它仍旧是目前最普遍的光束扫描方法，因为它对入射光没有限制，适用于任何波长的光波，并且它的扫描范围大，可以360°扫描，光损耗小，受温度影响小。所以，它被广泛应用在激光扫描测量中，在各种显示技术中也得到普遍应用。2.2电光扫描电光偏转是指光束在介质中发生电光效应从而使光束的传播方向发生改变。电光效应，指将物质置于电场中时，物质的光学性质发生变化的现象。图1-4所示是电光偏转的原理图，我们设晶体的厚度是d，长度是L。图2-2电光偏转原理图在电场的作用下，晶体的上表面和下表面的折射率的差值。当光束入射到晶体时，光的下面的光线(B线)和上面的光线(A线)在晶体中所经历的折射率不同，这就意味着B线和A线在晶体中经历的时间也不相同。由于在晶体中经历的时间不同，所以光线A比光线B要落后一段距离，这说明光线射出晶体时，它的传播方向相偏转了一个角度。第三章基于光学相控阵的激光扫描3.1光学相控阵扫描装置描述光学相控阵技术最重要的应用就是光学相控阵激光雷达。普通雷达波束扫描的实现靠的是雷达天线的转动，我们称它为机械式扫描雷达。相控阵雷达的扫描是通过电子控制实现的，成为电扫描。相控阵雷达不同于机械扫描雷达，它不是靠机械转动实现扫描的，而是通过控制“移相器”来实现波束扫描的。相控阵雷达是由成千上万个辐射器组成的，我们在每个辐射器后面接上一个移相器，移相器等同于控制器是由计算机控制的。相控阵就是有许多移相器构成的，由计算机控制的阵列，通过计算机控制移相器使天线的相位发生改变，这就是点扫描。3.2光学相控阵扫描装置原理如图4-1所示是光学相控阵扫描器的结构图。这是一个近场干涉的规则光学相控阵扫描装置,设出射光束发生干涉加强的点为A，则各个移相器发出的光束到A点的光程差不相等,这是自然非规则光学相控阵的概念。所以可以把非规则光学相控阵的概念引申,即所谓的非规则光学相控阵是指从各个移相器发出各光束之间的光程差互不相等。该装置由移相器阵列、微透镜阵列和电压控制器组成。其中微透镜单元的数目和移相器的数目相同。把一个移相器和与它对应的微透镜称为相控单元。该装置的原理是：当经过准直的平行光束入射到移相器阵列后，通过微透镜时被聚焦到透镜的焦点见，再从微透镜阵列的各焦点上向四周辐射光线。当电压控制器不向移相器阵列加补偿电压时，各焦点处光波的相位均相同，要想使光线在空间中某点干涉加强，则必须从各微透镜焦点发出的光线在该点的光程差是零或者波长的整数倍，因为为透镜阵列的各个焦点到空间中某点的距离是固定的，即光线间的光程差是固定的，不可能使各光程差都满足干涉加强条件，所以此时没有干涉条纹。用电压控制器对移相器进行调制，在移相器阵列上加上所需电压，使移相器内部产生相位差补偿，此时，在空间中需要的点上就会发生干涉加强，而其他地方相位差不可能同时满足干涉加强条件而成为背景光，从而得到了所需要的光束偏转。本装置采用近场扫描法,通过调制各个移相器的电位，使移相器做规则的排列,从而使光程差的计算变得容易，实现激光的扫描。图3-1光学相控装置原理图第四章声光偏转器实现电光扫描声光偏转器系统由声光偏转器以及与其匹配的射频驱动器组成，射频驱动器的目的在于提供给声光偏转器高频的信号，加载到声光偏转器中的换能器上，换能器就会输出与其频率相同的超声波，这个频率的超声波会调制声光介质的折射率，使得入射光在通过声光介质时会发生衍射现象，通过改变驱动频率即可以改变衍射光的偏转角，声光偏转器可以较精确地将入射光通过声光衍射效应使其在一定角度范围内进行光学扫描。图5-1所示是声光偏转器的结构模型。图4-1声光偏转器原理结构图声光偏转器是由压电换能器和声光介质组成的。当射频驱动器输出某些特定频率的信号载入驱动换能器时，换能器就会产生一个相同频率的超声波，并把这个超声波传到声光介质中，使声光介质内的折射率发生变化，此时光束通过介质后传播方向就会发生改变。声光偏转器中的声光介质在超声波的作用下会变得疏密交替，导致它的折射率也随着发生了改变。于是，此时的声光介质就可以等效成为一个光栅，而且光栅各条纹之间的间距相等且与超声波的波长相等。于是当光束通过这样的介质时会发生衍射，当超声波的频率发生变化时，衍射光的方向、强度等特性也会随着改变。第五章几种扫描方式的特点1、机械式扫描的特点机械式扫描的优点是扫描范围大，受温度影响小，稳定性好，然而当扫描装置的旋转速度非常高是，将会有一系列的问题:(1)机械装置中的扫描镜面在高速旋转是会使镜面发生形变，从而使扫描光束的效果收到影响。(2)高速旋转的扫描镜面时会产生风阻，由于风阻的存在，将会有功率损耗在克服风阻上，包括热损耗和噪声。(3)当转镜长时间的工作后，机械结构的稳定性会降低，从而导致机械结构的稳定性变差，因此需要对旋转装置进行反复平衡矫正。(4)当机械扫描装置道速旋转至，会使他的寿命变短，只能在短时间内使用，增大成本。除此之外，对转镜的要求很高，它本身的工艺很复杂，制作工艺也会带来一系列的问题:a)加工镜面属于机械加工，所以镜面的表面会产生有规则的麻点或划痕，从而影响反射光束的质量。b)密封问题。若密封的不紧，就会产生噪声，而且空中的灰尘、微粒等落在镜面上后，会影响反射光束的质量，从而引起所得图像的抖动。通过以上分析，我们可以看出，机械扫描并不适合用于超高分辨率、超高速的场合。2、电光扫描特点电光扫描器的扫描速度是由材料的响应速度决定的，所以采用理想的电光材料就能是扫描器的扫描速度很高。例如，当电光偏转器是用压电陶瓷PLZT制成的时，它的扫描速度就可以达到109rad/min以上。然而电光扫描器的扫描范围一般都很小，很难达到实际需求。3、声光扫描声光扫描的原理是通过控制调节声波的频率从而使衍射光的方向发生一定的偏转，进而得到连续扫描的光束。声光扫描采用电子控制的方法，通过调节输入到声光偏转器的频率来改变输出光的偏转角度。与光学相控阵列相比，声光偏转器件功耗低，带宽大，重量轻，体积小，在稳定性、控制难度、小型化等方面都有显著的优势。4、光学相控扫描光学相控扫描技术是一种电子扫描技术，通过控制各个调制单元中的光波的相位，是出射光在某个特定的方向干涉加强，而其他方向光强为零，从而改变光的传播方向。由此可见，光学相控扫描装置不存在机械结构，所以光学相控阵没有机械扫描的缺陷，并且降低了系统的结构复杂度，大幅度提高了扫描速度。第六章结论目前在精密激光扫描测量中应用最多的是机械扫描，但是其自身存在着很大的局限性，不适合高速扫描的场合。电光扫描可以达到很高的扫描速度，但是其扫描角度较小，限制了其在实际中的应用。光学相空阵实现激光扫描有如下优点：扫描速度快，扫描的分辨率和对比率高，扫描精度高，性能稳定，制作成本低。然而，光学相空阵作为一项新兴的技术，国内的研究还很不成熟，正处在一种探索阶段。声光扫描技术作为相对成熟的技术，它具有体积小、带宽大、重量轻、功耗低的优点，在稳定程度、小型化、控制难度等方面也有明显的优势。当然，它也存在不足，扫描速度慢，很难实现高速扫描，扫描角度小等。参考文献[1]丁晓华.非机械式光束扫描方法的研究[D].天津大学,2013.[2]孙长库，叶声华编著，激光测量技术，天津大学出版社，2001[3]JiangTao,YuZhenglin,CaoGuohua,XuHongji,Theeffectofscanningspeedfluctuationtotheprecisionofsizemeasurementbylaserscanning,Lasers&ElectroOptics&ThePacificRimConferenceonLasersandElectro-Optics,2009:1~2[4]徐林，张健，吴丽莹，液晶光学相阵列相移单元的电压-相移特性，红外与激光工程，2007，36（6）：932~935