CN108489393B - 一种改进型α-β扫描方法 - Google Patents

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Abstract

一种改进型α‑β扫描方法，其步骤包括：首先使用示波器和波形发生器获取检流式振镜系统阶跃响应曲线，根据阶跃响应曲线计算检流式振镜系统的幅频响应特性，明确振镜系统的频率—相位之间的对应关系；然后使用上位机软件构造两个幅值变化规律一致、相位差恒为π/2、初始相位不同、初始相位与频率相关的α正弦信号和β正弦信号作为检流式振镜系统的控制信号，驱动振镜扫描运动最终实现扫描光斑以同心圆轨迹完成二维扫描；最后利用目标轨迹重构扫描图像。本发明将延迟相位补偿加入控制信号，提前抑制相位延迟引入的不良影响，具有实时校正由相位延迟所导致的成像畸变的优势。

Description

一种改进型α-β扫描方法
技术领域
本发明涉及光学共焦显微技术、激光加工技术、激光焊接技术等领域，具体涉及一种基于相位预校正的改进型α-β扫描方法。
背景技术
α-β扫描方法是一种激光光斑以同心圆轨迹完成扫描运动的光束扫描方法。对比于传统的光栅式扫描来说，采用α-β扫描方法获得的圆形视场与光学系统视场形式一致，可以充分利用光学系统的有效视场，在不产生冗余扫描的前提下最大程度地扩大共焦显微系统的扫描视场；此外由于使用正弦信号作为振镜控制信号，不仅可以提高扫描速度而且降低冲击对振镜的影响，提高检流式振镜系统的可靠性，延长检流式振镜系统的使用寿命。但是由于检流式振镜系统近似于一个二阶低通系统，在执行控制指令时由于机械惯性的作用出现动作延迟，从而导致在重构扫描图像的时候出现图像畸变。
因此，提出一种基于相位预补偿的改进型α-β扫描方法，本发明不仅继承了α-β扫描方法的大视场、低噪声、高可靠性优势，同时具有实时校正由相位延迟所导致的成像畸变的优势，无需后期进行软件补偿，对激光扫描成像系统观察与测量具有重要意义；此外该发明对于激光加工等需要精密定位光斑位置的技术具有重要的指导意义，克服了由检流式振镜机械惯性所导致的相位延迟对定位精度的影响。
发明内容
为了解决上述问题，通过分析检流式振镜系统传递函数得知检流式振镜系统幅频响应特性，即可获得相位—频率对应关系，通过该对应关系可计算有机械惯性所导致的相位延迟的大小，因此本发明提出了一种改进型α-β扫描方法，该方法不仅继承了α-β扫描方法的大视场、低噪声、高可靠性优势，同时该方法将延迟相位补偿加入控制信号，提前抑制相位延迟引入的不良影响，具有实时校正由相位延迟所导致的成像畸变的优势，并且使用目标轨迹重构扫描图像避免了使用振镜控制系统反馈信号所引入的随机误差，相比于未知大小的随机误差来说，可确定大小的相位延迟更容易校正；此外对于激光加工等需要精密定位光斑位置的技术具有重要的指导意义，克服了由检流式振镜机械惯性所导致的相位延迟对定位精度的影响。
本发明的目的是这样实现的：
改进型α-β扫描方法，其步骤包括：
(a)使用波形发生器生成阶跃信号u(t)输入到检流式振镜系统中，使用示波器测量检流式振镜系统单位阶跃响应曲线g(t)；
(b)根据步骤(a)所测的单位阶跃响应曲g(t)确定上升时间tr和超调量σp大小，然后根据上升时间tr和超调量σp计算无阻尼振荡频率ω0和阻尼系数ξ，最终确定振镜系统的传递函数
(c)根据步骤(b)中振镜系统的传递函数HGTS(s)确定振镜系统的相位—频率函数关系从而计算出扫描频率ω下延迟相位的大小
(d)将步骤(c)中计算的延迟相位作为检流式振镜控制信号α的初始相位，即 作为检流式振镜控制信号β的初始相位，
(e)将构造的控制信号α和β输入检流式振镜系统中，双轴振镜配合完成二维平面扫描；
(f)利用目标轨迹重构被测样品扫描图像。
上述的改进型α-β扫描方法，所述的振镜的相位—频率函数关系通过振镜系统传递函数确定的。
上述的改进型α-β扫描方法，所述的延迟相位大小可以通过振镜的相位—频率函数关系式计算所得。通过确定检流式振镜系统的相频响应特性确定延迟相位大小与输入控制信号频率的函数关系。
上述的改进型α-β扫描方法，将延迟相位大小补偿至振镜系统控制信号α和β中，即振镜控制信号α的初始相位为对应扫描频率下延迟相位的大小振镜控制信号β的初始相位为
上述的改进型α-β扫描方法，所述的振镜系统控制信号α构造函数式为振镜系统控制信号β构造函数式为其中，k为扫描轨迹圈数，Δr为控制信号幅值增量。
上述的改进型α-β扫描方法，其特征在于，目标轨迹是在无相位延迟下的激光光斑轨迹，即使用初始相位0的α′＝kΔrsin(ωt)和初始相位为π/2的β′＝kΔrsin(ωt+π/2)重构扫描图像。
有益效果：本发明同现有α-β圆周扫描方法相比，不仅继承了圆周扫描方法的大视场、低噪声、高可靠性优势，同时该发明将延迟相位补偿加入控制信号，提前抑制相位延迟带来的不良影响，具有实时校正由相位延迟所导致的成像畸变的优势，无需后期进行软件补偿，并且使用目标轨迹重构扫描图像避免了使用振镜控制系统反馈信号所引入的随机误差，相比于未知大小的随机误差来说，可确定大小的相位延迟更容易校正；此外该方法对于激光加工等需要精密定位光斑位置的技术具有重要的指导意义，克服了由检流式振镜机械惯性所导致的相位延迟对定位精度的影响。
附图说明
图1是改进型α-β扫描方法流程图。
具体实施方式
根据本发明的一具体实施例，提供改进型α-β扫描方法，用于完成共焦显微系统二维无畸变扫描。
请参照图1，图1为改进型α-β扫描方法流程图。
该实施例包括以下步骤：
(a)使用波形发生器生成阶跃信号u(t)输入到检流式振镜系统中，使用示波器测量检流式振镜系统单位阶跃响应曲线g(t)；
(b)根据步骤(a)所测的单位阶跃响应曲g(t)确定上升时间tr和超调量σp大小，然后根据上升时间tr和超调量σp计算无阻尼振荡频率ω0和阻尼系数ξ，最终确定振镜系统的传递函数
(c)根据步骤(b)中振镜系统的传递函数HGTS(s)可确定振镜系统的相位—频率函数关系从而可以计算扫描频率ω下延迟相位的大小
(d)将步骤(c)中计算的延迟相位作为检流式振镜控制信号α的初始相位，即 作为检流式振镜控制信号β的初始相位，
(e)将构造的控制信号α和β输入检流式振镜系统中，双轴振镜配合完成二维平面扫描；
(f)利用目标轨迹重构被测样品扫描图像。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化或方法改进，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种改进型α-β扫描方法，其特征在于，包括：
(a)使用波形发生器生成阶跃信号u(t)输入到检流式振镜系统中，使用示波器测量检流式振镜系统单位阶跃响应曲线g(t)；
(b)根据步骤(a)所测的单位阶跃响应曲线g(t)确定上升时间tr和超调量σp大小，然后根据上升时间tr和超调量σp计算无阻尼振荡频率ω0和阻尼系数ξ，最终确定振镜系统的传递函数
(c)根据步骤(b)中振镜系统的传递函数HGTS(s)确定振镜系统的相位—频率函数关系从而计算扫描频率ω下延迟相位的大小
(d)将步骤(c)中计算的延迟相位作为检流式振镜控制信号α的初始相位，即 作为检流式振镜控制信号β的初始相位，k为扫描轨迹圈数，Δr为控制信号幅值增量；
(e)将构造的控制信号α和β输入检流式振镜系统中，双轴振镜配合完成二维平面扫描；
(f)利用目标轨迹重构被测样品扫描图像。
2.根据权利要求1所述的改进型α-β扫描方法，其特征在于，所述目标轨迹是在无相位延迟下的激光光斑轨迹，即使用初始相位0的α′＝kΔrsin(ωt)和初始相位为π/2的β′＝kΔrsin(ωt+π/2)重构扫描图像。
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