CN211123624U - 连续旋转多面反射镜扫描控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种连续旋转多面反射镜扫描控制装置，包括刚性框架，刚性框架上设有驱动电机，驱动电机内设有转子，转子尾部设有光电编码器，转子的输出轴与多面支架的中心孔紧密配合，多面支架上设有反射镜片，刚性框架上设有激光器，激光器发出的激光束位于多面支架的法平面内，且指向转子输出轴的轴心，转子带动多面支架旋转时，激光束顺序被多面支架上的反射镜片偏转，形成的偏转反射光束在成像面上生成光斑扫描线。本实用新型不要求各反射面严格符合正多边形，多面反射镜加工、装配精度要求低、制造成本低、结构灵活易实现，可在各种功率等级的激光逐行扫描设备中推广应用。

Description

连续旋转多面反射镜扫描控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种3D打印领域，尤其是一种连续旋转多面反射镜扫描控制装置。

背景技术

连续旋转多面反射镜，作为一种高速逐行光学扫描部件，被广泛用于激光打印机硒鼓成像装置中，具有扫描速度快、运转平稳、机械振动及噪音低等显著优势。连续旋转多面反射镜包括驱动电机，以及安装在驱动电机输出轴上的多面反射镜。驱动电机带动多面反射镜连续旋转时，多面反射镜各反射面偏转，顺序驱动入射光束进行偏转反射，进而在成像面上形成光斑扫描线。多面反射镜连续旋转一圈，其外廓的全部反射镜，依次进入并脱离入射光束照射区域，使得反射光束偏转角发生连续交变，且交变次数与反射镜面总数一致，亦即反射光束偏转在成像面生成的扫描线数量，也和反射镜面总数一致。以六面反射镜为例，当驱动电机转速为6000转每分时，其全部反射镜面每秒可做600次重复扫描运动并生成600条扫描线，该速度远高于包括检流计型振镜在内的其它光学扫描部件。

另一方面，为确保各反射镜面生成的扫描线在成像面上完全重合，各反射镜面所构成多面体的正截面，必须是以驱动电机输出轴为中心的内切正多边形。不仅如此，还需在成像面边缘设置光电传感器，以接收反射光束、实现扫描线在成像面的边缘对齐。上述两个要求，前者意味着多面反射镜必须具备足够的形状精度，这直接导致现存多面反射镜普遍采用工艺复杂、成本高昂的超精密一体成形制程，在大功率激光扫描领域，反射镜还需兼顾散热、结构强度等其它因素，进一步增加了多面反射镜的制造难度并限制了应用范围。后者意味着在应用多面反射镜时，必须在成像区域设置光电传感器以产生行对齐信号，不仅结构布局局限性大，而且对齐效果不理想；这主要源于扫描线边缘单点对齐方式，对驱动电机转速的持续稳定性要求高，从而增加了驱动电机的控制复杂性。目前，针对高速、高精度光学逐行扫描需求，虽有现存传统高性能转镜扫描组件，但在大量中、低成本应用中，尚缺少一种对反射镜分度精度及其与旋转轴线平行度要求低，对驱动电机转速持续稳定性要求低，并且无需在旋转扫描装置外部设置行对齐传感器的连续旋转多面反射镜扫描控制方法。

实用新型内容

本实用新型要解决上述现有技术的缺点，提供一对反射镜分度精度及其与旋转轴线平行度要求低，对驱动电机转速持续稳定性要求低，并且无需在旋转扫描装置外部设置行对齐传感器的连续旋转多面反射镜扫描控制装置。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案：这种连续旋转多面反射镜扫描控制装置，包括刚性框架，刚性框架上设有驱动电机，驱动电机内设有转子，转子尾部设有光电编码器，转子的输出轴与多面支架的中心孔紧密配合，多面支架上设有反射镜片，刚性框架上设有激光器，激光器发出的激光束位于多面支架的法平面内，且指向转子输出轴的轴心，转子带动多面支架旋转时，激光束顺序被多面支架上的反射镜片偏转，形成的偏转反射光束在成像面上生成光斑扫描线。扫描控制器分别与驱动电机、光电编码器、激光器连接。

这种连续旋转多面反射镜扫描控制方法，扫描控制器发出电信号至驱动电机，以控制驱动电机带动编码器、多面体支架及其反射镜片连续旋转，扫描控制器接收编码器输出的脉冲信号与脉冲计数同步信号，解析得到表示转子实时角度位置的连续锯齿波脉冲计数值，扫描控制器在每个锯齿波周期内生成与多面支架面数量相同的行同步信号，分别用于各个反射镜片的单行逐像素扫描；扫描控制器在每个行同步信号周期内，根据本周期时钟计数值所处像素，将待投射单行像素图案的灰度值顺序输出为激光器的亮度控制信号，以实时控制激光束的亮度，使得反射光束在成像面上生成明暗分布与单行像素图案灰度值一致的扫描线。

具体的说：本实用新型编码器脉冲分辨率为m、每圈产生1个脉冲计数同步信号，驱动电机带动编码器与多面支架连续旋转时，扫描控制器解析编码器脉冲信号，生成最小值为0、最大值为m-1的连续锯齿波脉冲计数值；令多面支架的反射镜片数量为n，并定义连续锯齿波脉冲计数值为0时，激光器所发出光束指向1号反射镜片，则全部n个反射镜片按旋转方向依次定义为1号至n号，则当连续锯齿波脉冲计数值分别等于0，m/n，2m/n…((n-1)*m)/n}时，扫描控制器产生{1，2…n-1，n}号镜片的行同步信号；在每个行同步信号周期内，扫描控制器进一步根据扫描线总像素k分割该周期的总时钟数，从而得到1号至k号像素的时钟计数区间，扫描控制器进而根据实时时钟计数值，顺序匹配得到应投射像素号，并将的应投射像素的灰度值输出至激光器，以调整激光器输出光束亮度，从而在成像面上生成与单行总像素为k的激光光斑扫描线；驱动电机带动1号至n号反射镜片连续转动时，每个反射镜片在与其所对应的行同步信号周期内，均在成像面上生成一条单行总像素为k的扫描线。

本实用新型的扫描控制器，当脉冲计数同步信号生效时，可以0至m-1之间的任意初始值进行后续的脉冲计数，当脉冲计数值得到最大值m时自动归零，并重新从0递增计数；本实用新型的扫描控制器可在0至m-1之间，根据投射需求调整初始值大小，进而改变脉冲计数值为0时，1号反射镜片在成像面上的反射光斑位置，使得反射光斑位置与成像面1号像素重合；本实用新型的扫描控制器调整连续锯齿波脉冲计数初值时，可同时改变全部反射镜片在成像面所生成扫描线的起点位置，使得扫描线起点与成像面1号像素重合，本实用新型调整扫描线起点在成像面位置的过程，无需精细调整激光器安装位置。

本实用新型的扫描控制器根据多面支架旋转时，解析编码器脉冲信号所得连续锯齿波脉冲计数值，每圈生成n个行同步信号，并对多面支架上的全部反射镜片唯一编码为1号至n号；本实用新型多面支架上各反射镜片发生分度偏差时，即每个反射镜片所分割圆周角度不等于360°/n时，扫描控制器可在生成1号至n号反射镜片的行同步信号时，在连续锯齿波脉冲计数值的理想n等分点：{0，m/n，2m/n…((n-1)*m)/n}，叠加反射镜片分度补偿值{P1，P2…Pn-1，Pn},已修正反射镜片分度偏差，使得全部反射镜片的扫描线起点，在成像面上的起点均与1号像素重合。

本实用新型各反射镜片与多面支架正截面发生垂直偏差时，1号至n号反射镜片在成像面的扫描线处于不同行位置，扫描控制器可根据1号至n号反射镜片所生成扫描线，偏离理想行位置的幅度，建立行补偿序列{L1，L2…Ln-1，Ln},进而在连续逐行投射多行平面图案时，根据激光器实际照射反射镜片的唯一编码i(1≤i≤n)，将行补偿序列{L1，L2…Ln-1，Ln}中对应元素值叠加至当前理想投射行号，用叠加后的行号从待投射平面图案的提取单行行像素图案，并逐像素将灰度值输出为激光器亮度控制信号，以实时调整成像面的扫描光斑亮度；本实用新型驱动电机带动多面支架及反射镜片连续旋转时，扫描控制器在不同反射镜片的行同步信号周期内，以行补偿序列{L1，L2…Ln-1，Ln}，修正从待投射平面图案中提取单行像素图案的行序号，确保在各反射镜片在成像面上实际生成的扫描线，其行位置与待投射平面图案的理想行位置一致。

本实用新型的扫描控制器采用上一行同步信号周期的总时钟数，分割当前行同步信号周期的1至k像素时钟数，驱动电机只需保持相邻两个行同步信号周期的转速稳定即可，无需在旋转过程中保持转速持续稳定；本实用新型多面支架的分度偏差，即多面支架的面夹角加工偏差，可通过分度补偿序列{P1，P2…Pn-1，Pn}精确补偿，不影响各反射镜片在成像面上所生成扫描线的重合精度；本实用新型反射镜片与多面支架正截面的垂直偏差，可通过行补偿序列{L1，L2…Ln-1，Ln}精确补偿，扫描控制器进行连续逐行扫描多行平面图案时，成像面的扫描线不会发生行错位、行混叠的情况。

实用新型有益的效果是：本实用新型不要求各反射面严格符合正多边形，多面反射镜加工、装配精度要求低、制造成本低、结构灵活易实现，可在各种功率等级的激光逐行扫描设备中推广应用。

附图说明

图1为本实用新型实施例的总体结构示意图；

图2为本实用新型实施例的控制信号连接图；

图3为本实用新型实施例扫描控制器的行同步信号生成逻辑图；

图4为本实用新型实施例扫描控制器的像素分割与激光驱动逻辑图；

图5为本实用新型实施例扫描控制器的反射镜片垂直偏差补偿逻辑图；

附图标记说明：刚性框架1，驱动电机2，转子3，光电编码器4，正交脉冲信号41，脉冲计数同步信号42，多面支架5，反射镜片一51，反射镜片二52，反射镜片三53，激光器6，激光束7，偏转反射光束8，成像面9，光斑扫描线10，扫描控制器100，解码单元101，行同步信号发生单元102，行同步信号1021，分度补偿寄存器103，周期测量单元104，像素时钟计算单元105，单行像素分割单元106，激光驱动单元107，行选择单元108，垂直补偿寄存器109，平面图案缓冲区110。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1，一种连续旋转多面反射镜扫描控制装置，刚性框架1上有驱动电机2，驱动电机2内有转子3，转子3尾部有光电编码器4，转子3的输出轴与多面支架5(本实施例中多面支架为3面)的中心孔紧密配合，转子3可带动编码器4、多面支架5同步旋转；多面支架5上有反射镜片一51、反射镜片二52、反射镜片三53，多面支架5可带动反射镜片51、53及53同步旋转；刚性框架1上有激光器6，激光器6发出的激光束7位于多面支架5的法平面内，且指向转子3输出轴的轴心；多面支架5旋转时，激光束7顺序被反射镜片51、52及53偏转反射，偏转反射光束8在成像面9上生成光斑扫描线10。

如图2，扫描控制器100与驱动电机2连接，扫描控制器100与编码器4连接，扫描控制器100与激光器6连接。本实用新型所述的控制方法为：扫描控制器100发出电信号至驱动电机2，以控制驱动电机2带动编码器4、多面体支架5，以及反射镜片51、52、53连续旋转；扫描控制器100接收编码器4输出的脉冲信号与脉冲计数同步信号，解析得到表示转子3实时角度位置的连续锯齿波脉冲计数值；扫描控制器100在每个锯齿波周期内生成3个行同步信号，分别用于反射镜片51、52及53的单行逐像素扫描；扫描控制器100在每个行同步信号周期内，根据本周期时钟计数值所处像素，将待投射单行像素图案的灰度值顺序输出为激光器6的亮度控制信号，以实时控制激光束7的亮度，使得反射光束8在成像面9上生成明暗分布与单行像素图案灰度值一致的扫描线10。

如图3，编码器4输出正交脉冲信号41、脉冲计数同步信号42，连接至扫描控制器100的解码单元101，正交脉冲信号41驱动解码单元101的计数寄存器单调递增，脉冲技术同步信号42驱动解码单元101，对计数寄存器设置范围为0至m/3的初值，以对齐扫描线起点与成像面1号像素位置；计数寄存器数值达到编码器4的最大计数值m后自动清零，编码器4连续转动时，解码单元101计数寄存器的值为连续锯齿波函数；解码单元101输出计数寄存器值至行同步信号发生单元102，分度补偿寄存器103输出反射镜片51、52、53分度偏差补偿值P1、P2、P3，至行同步信号发生单元102，行同步信号发生单元102判断解码单元101计数寄存器值分别等于P1、P1+m/3以及P1+2m/3时，输出反射镜片51、52、53的行同步信号1021。

如图4，行同步信号发生单元102输出行同步信号至周期测量单元104，以计量相邻两个行同步信号间隔的总时钟数；周期测量单元104输出总时钟数至像素时钟计算单元105，像素时钟计算单元105根据总时钟数、入射及反射光路参数，计算单行扫描线各像素的时钟计数区间，并将所得像素时钟区间表输出至单行像素分割单元106；行同步信号发生单元102输出行同步信号至单行像素分割单元106，驱动单行像素分割单元106对像素索引寄存器赋初值1，并对像素时钟计数器清零；当像素时钟计数器与像素时钟区间表的值匹配时，单行像素分割单元106将像素索引寄存器值，修改为像素时钟区间表发生匹配的像素号；单行像素分割单元106输出像素索引寄存器值至激光驱动单元107，激光驱动单元107根据像素索引寄存器值，将单行像素缓冲区对应像素的灰度值，输出为激光器6的亮度控制信号，以实时调整激光束7的亮度。

如图5，行同步信号发生单元102输出行同步信号至行选择单元108，垂直补偿寄存器109输出反射镜片51、52、53的行偏差补偿值：L1、L2、L3，至行选择单元108；行选择单元108将待投射平面图案的理想行号，与当前行同步信号对应反射镜片的行偏差补偿值叠加，得到当前待投射平面图案的实际应投射行号，并根据实际应投射行号从平面图案缓冲区110，映射单行像素灰度值至单行像素缓冲区。

本实用新型的连续旋转多面反射镜扫描控制方法，其驱动电机编码器仅用于生成与反射镜片数量一致的行同步信号，编码器脉冲分辨率与单行扫描像素密度无关，即无需采用高分辨率编码器，不仅硬件成本低，而且可支持的最大工作转速高；本实用新型的连续旋转多面反射镜扫描控制方法，对每个行同步信号周期的总时钟数进行分割，实现对激光器亮度的逐像素控制，可实现的单行像素密度仅受限于行同步信号周期的总时钟数，提升扫描控制器的工作时钟频率，即可实现更高的单行像素分辨率。本实用新型多面反射镜的分度偏差与垂直偏差，均可通过扫描控制器的寄存器参数有效补偿，因此对多面反射镜的加工及装配精度要求低，在中、低成本应用中具有良好推广前景。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种连续旋转多面反射镜扫描控制装置，包括刚性框架(1)，刚性框架(1)上设有驱动电机(2)，驱动电机(2)内设有转子(3)，其特征是：转子(3)尾部设有光电编码器(4)，转子(3)的输出轴与多面支架(5)的中心孔紧密配合，多面支架(5)上设有反射镜片，刚性框架(1)上设有激光器(6)，激光器(6)发出的激光束(7)位于多面支架(5)的法平面内，且指向转子(3)输出轴的轴心，转子(3)带动多面支架(5)旋转时，激光束(7)顺序被多面支架(5)上的反射镜片偏转，形成的偏转反射光束(8)在成像面(9)上生成光斑扫描线(10)。

2.根据权利要求1所述的连续旋转多面反射镜扫描控制装置，其特征是：扫描控制器(100)分别与驱动电机(2)、光电编码器(4)、激光器(6)连接。

3.根据权利要求2所述的连续旋转多面反射镜扫描控制装置，其特征是：扫描控制器(100)包括解码单元(101)、行同步信号发生单元(102)、分度补偿寄存器(103)，编码器(4)输出正交脉冲信号(41)、脉冲计数同步信号(42)至解码单元(101)，解码单元(101)与行同步信号发生单元(102)连接，分度补偿寄存器(103)输出各反射镜片的分度偏差补偿值至行同步信号发生单元(102)，行同步信号发生单元(102)输出反射镜片的行同步信号(1021)。

4.根据权利要求3所述的连续旋转多面反射镜扫描控制装置，其特征是：扫描控制器(100)包括周期测量单元(104)、像素时钟计算单元(105)，单行像素分割单元(106)，激光驱动单元(107)，行同步信号发生单元(102)输出行同步信号至周期测量单元(104)，周期测量单元(104)输出总时钟数至像素时钟计算单元(105)，像素时钟计算单元(105)根据总时钟数、入射及反射光路参数，计算单行扫描线各像素的时钟计数区间，并将所得像素时钟区间表输出至单行像素分割单元(106)，行同步信号发生单元(102)输出行同步信号至单行像素分割单元(106)，单行像素分割单元(106)输出像素索引寄存器值至激光驱动单元(107)，激光驱动单元(107)根据像素索引寄存器值，将单行像素缓冲区对应像素的灰度值，输出为激光器(6)的亮度控制信号，以实时调整激光束(7)的亮度。

5.根据权利要求4所述的连续旋转多面反射镜扫描控制装置，其特征是：扫描控制器(100)包括行选择单元(108)，垂直补偿寄存器(109)，平面图案缓冲区(110)，行同步信号发生单元(102)输出行同步信号至行选择单元(108)，垂直补偿寄存器(109)输出反射镜片行偏差补偿值至行选择单元(108)，行选择单元(108)将待投射平面图案的理想行号，与当前行同步信号对应反射镜片的行偏差补偿值叠加，得到当前待投射平面图案的实际应投射行号，并根据实际应投射行号从平面图案缓冲区(110)，映射单行像素灰度值至单行像素缓冲区。

6.根据权利要求1-5任意一条权利要求所述的连续旋转多面反射镜扫描控制装置，其特征是：所述多面支架(5)上设有三个反射镜片。

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