扫描振镜振动参数的测量系统和测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种扫描振镜振动参数的测量系统和方法，以解决现有技术测角范围小、频响低、精度低等问题。测量系统包括积分球光源、第一离轴抛物面反射镜、第二离轴抛物面反射镜、单点探测器、信号采集单元和时统设备。积分球光源的出光口处放有正弦光栅；第一离轴抛物面反射镜位于积分球光源的出射光路上；第二离轴抛物面反射镜位于第一离轴抛物面反射镜的出射光路上；待测扫描振镜位于第二离轴抛物面反射镜的出射光路上；单点探测器位于待测扫描振镜反射光束的汇聚点处，以接收正弦光栅像；时统设备用于将待测扫描振镜的电机与单点探测器的信号采集时间同步，并给出待测扫描振镜各角位置所对应的时刻；信号采集单元用于读取单点探测器的输出信号。
【专利说明】
扫描振镜振动参数的测量系统和测量方法
技术领域
[0001] 本发明属光电测量领域，涉及一种扫描振镜振动参数的测量系统和测量方法。
【背景技术】
[0002] 扫描振镜简称振镜，主要由控制电机和反射镜组成，由控制电机带动反射镜绕其 转轴作高速往复转动。振镜广泛应用于激加工、医疗领域，用于控制激光作用时间以实现激 光能量可控。近期，振镜也被用于补偿成像相机因场景或自身运动引入的像移，使成像相机 在运动过程中获得相当于凝视的成像效果。而振镜振动角速度的不准确将导致成像模糊， 极大地影响相机的成像效果。
[0003] 振镜的振动角速度、线性有效摆角、振动频率等振动参数是振镜应用过程中的主 要考核指标，也是评价其性能的关键指标。
[0004] 现有的振镜振动参数的测量多是基于高精度的跟踪系统，实现非接触测量，但系 统的测角范围不大，频率响应较低;而另外一些基于精密测角原理的测量系统，虽然测量速 度快、精度高、抗环境干扰能力强，但通常需要在振镜上安装辅助装置，而辅助装置的介入 会影响振镜本身的动态性能。
【发明内容】
[0005] 为解决【背景技术】中所提到的问题，本发明提供了一种测角范围大、频率响应快、测 量精度高、抗干扰能力强的扫描振镜振动参数的测量系统和测量方法。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] 扫描振镜振动参数的测量系统，它包括单点探测器、信号采集单元和时统设备;所 述时统设备用于将待测扫描振镜的电机与单点探测器的信号采集时间同步，并给出待测扫 描振镜振动到各角位置时对应的时刻;所述信号采集单元用于读取和分析单点探测器的输 出信号;其特殊之处在于:该测量系统还包括积分球光源、第一离轴抛物面反射镜和第二离 轴抛物面反射镜;所述积分球光源的出光口处放置有正弦光栅，正弦光栅的方向与待测扫 描振镜的振动方向平行;所述第一离轴抛物面反射镜位于积分球光源的出射光路上，与积 分球光源组成平行光管;所述第二离轴抛物面反射镜位于第一离轴抛物面反射镜的出射光 路上;待测扫描振镜位于第二离轴抛物面反射镜的出射光路上，将第二离轴抛物面反射镜 的出射光束折转;所述单点探测器位于待测扫描振镜反射光束的汇聚点处，用于接收正弦 光栅像;待测扫描振镜的振动会引起所述正弦光栅像的移动；
[0008] 所述第一离轴抛物面和第二离轴抛物面的焦距满足
[0010]式中，L为正弦光栅的横向尺寸，为第一离轴抛物面反射镜的焦距，f2为第二离轴 抛物面反射镜的焦距，1为单点探测器距扫描振镜振动面的垂轴距离，w为待测扫描振镜的 振动面的最大振动角范围；
[0011]所述单点探测器的前端设置有缝宽可调的狭缝，狭缝的宽度d满足
[0013]式中，κ为正弦光栅的周期；
[0014] 基于以上基本技术方案，本发明还作出如下优化：
[0015] 为了保证能量的有效利用，上述第一离轴抛物面反射镜和第二离轴抛物面反射镜 的口径相同。
[0016] 相对于其他光源，白光光源能量更强，因此对单点探测器的要求会较低，所需正弦 光栅的横向尺寸更小，采样更快，故上述积分球光源采用积分球白光光源。
[0017] 对于测量系统，本发明还提供了另一技术方案，同样能实现发明目的:将上述技术 方案中的第一离轴抛物面反射镜和第二离轴抛物面反射镜整体由一透镜替代;相应的，正 弦光栅经该透镜后在单点探测器上所成的正弦光栅像与所述正弦光栅共辄;所述透镜的像 距和物距满足
[0019]所述狭缝的宽度d满足
[0021] 式中，f物为透镜的物距，f像为透镜的像距；
[0022] 基于上述测量系统，本发明还提供了一种测量扫描振镜振动参数的方法，其特殊 之处在于:该方法包括以下步骤：
[0023] 1)确定测量系统各组件的参数；
[0024] 1.1)测量系统采用离轴抛物面反射镜时，根据所述公式1和公式2确定测量系统各 组件的参数；
[0025] 1.2)测量系统采用离轴抛物面反射镜时，根据所述公式5和公式6确定测量系统各 组件的参数；
[0026] 2)将正弦光栅移出测量系统后，调整测量系统，使测量光轴打在待测扫描振镜的 振动中心；
[0027] 3)将正弦光栅切入测量系统，调整正弦光栅使正弦光栅的方向与待测扫描振镜的 振动方向平行；
[0028] 4)开启单点探测器、时统设备和信号采集单元，根据单点探测器的输出信号判断 是否需要调整正弦光栅的位置：
[0029] 4.1)若单点探测器的输出信号是幅值随时间变化的正弦信号，表明单点探测器的 信号采集点落在了正弦光栅像的峰值或谷值处，则需调整正弦光栅的位置；
[0030] 4.2)若单点探测器的输出信号为幅值随时间变化的准正弦信号，则不需调整正弦 光栅的位置，执行步骤5);否则，执行步骤4.1)
[0031] 5)计算单点探测器的输出信号的峰峰值所对应的空间角度w。：
[0032] 5.1)当测量系统采用离轴抛物面反射镜时：
[0034] 5.2)当测量系统采用离轴抛物面反射镜时：
[0036] 6)在待测扫描振镜的一个振动周期内，待测扫描振镜运动到最大振动角后反向 时，单点探测器输出信号中则表现为具有两个相邻的转向点A和转向点B，转向点A和转向点 B之间的信号对应的空间角为2W，W为振镜振动面的最大振角范围；
[0037] 7)将待测扫描振镜的电机与单点探测器信号采集的时间同步，得到待测扫描振镜 在零位wo时所对应的单点探测器输出信号中的位置；
[0038] 8)将转向点A和转向点B之间的输出信号转换成待测扫描振镜在一个振动周期内 的角位置wt随时间变化的关系：
[0039] wt=wo+wc X t 公式 4
[0040] 式中，t = 0，l，2···
[0041] 9)对所述公式4微分，即得到待测扫描振镜的振动角速度曲线，由该曲线可得到待 测扫描振镜的振动参数。
[0042] 上述步骤2)具体为：
[0043] 2.1)打开积分球光源，在积分球光源的出光口放置星点或者十字丝；
[0044] 2.2)开启待测扫描振镜并调整其位置，当落在待测扫描振镜上的光斑或者十字像 在振镜振动时不随振镜平移时，表明测量光轴打在待测扫描振镜的振动中心。
[0045] 本发明的优点是：
[0046] 1、本发明实现了扫描振镜参数的非接触测量;通过选择正弦光栅的横向尺寸和光 栅周期，可适用于不同振动角范围和角速度的扫描振镜的测量，适用范围广、测角范围大； 采用两个离轴抛物面反射镜相配合对正弦光栅成像，调试光路时易对准，且测量光路结构 相对稳定，测量精度高，抗干扰能力强;采用第一离轴抛物面反射镜作为目标靶的发射元 件，第二离轴抛物面反射镜作为目标靶的接收元件，易于得到高对比度的正弦光栅像，提高 了测量系统的灵敏度;单点探测器有达纳秒级的弛豫时间，故本发明适用于高频振动的扫 描振镜。
[0047] 2、本发明在测量时，在待测扫描阵镜上无需安装辅助装置，不影响振镜本身的动 态性能。
[0048] 3、采用积分球白光光源时，所需正弦光栅的横向尺寸较小，采样更快，相应的测量 速度也更快。
[0049] 4、本发明的另一技术方案采用一透镜替代两个离轴抛物面反射镜，亦可达到相同 的技术效果，只是此方案在光路调试时稍复杂。
【附图说明】
[0050] 图1是本发明的测量系统的组成示意图；
[0051] 图2是本发明的单点探测器的输出信号的示意图；
[0052]图3是本发明的正弦光栅的示意图；
【具体实施方式】
[0053]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作详细的说明。
[0054]如图1所示，本发明所提供的扫描振镜振动参数的测量系统由测量光发射端和测 量光接收、分析端组成。
[0055] -、测量光发射端
[0056]测量光发射端包括积分球白光光源11和第一离轴抛物面反射镜13;积分球白光光 源11的出光口处放置有正弦光栅12,正弦光栅12的方向与待测扫描振镜3的振动方向平行； 第一离轴抛物面反射镜13位于积分球白光光源11的出射光路上，与积分球白光光源11组成 平行光管，将正弦光栅12成像于无穷远处。
[0057]二、测量光接收、分析端
[0058]测量光接收、分析端包括第二离轴抛物面反射镜21、单点探测器23、信号采集单元 24和时统设备25;
[0059]第二离轴抛物面反射镜21位于第一离轴抛物面反射镜13的出射光路上，接收来自 第一离轴抛物面反射镜13的平行光，并将正弦光栅成像于第二离轴抛物面反射镜21的焦平 面上；
[0060] 待测扫描振镜3位于第二离轴抛物面反射镜21的出射光路上，将第二离轴抛物面 反射镜21的出射光束折转；
[0061] 单点探测器23位于待测扫描振镜3反射光束的汇聚点处，用于接收正弦光栅像;另 外，考虑到单点探测器23的靶面尺寸有限，在单点探测器23的前端设置可调狭缝22,以提高 单点探测器23的空间采样能力，同时提高单点探测器23对能量响应的能力；
[0062]待测扫描振镜3的振动会引起单点探测器23所接收的正弦光栅像的移动，进而单 点探测器23的输出信号发生变化；
[0063]时统设备25用于将待测扫描振镜3的电机与单点探测器23的信号采集时间同步， 并给出待测扫描振镜3振动到各角位置时对应的时刻；
[0064]信号采集单元24用于读取单点探测器23的输出信号；
[0065]三、测量系统中各元件参数
[0066] 1、为保证在待测扫描振镜3的整个振动周期内，单点探测器23都能接收到正弦光 栅像，第一离轴抛物面和第二离轴抛物面的焦距满足
[0068]式中，L为正弦光栅的横向尺寸，为第一离轴抛物面反射镜的焦距，f2为第二离轴 抛物面反射镜的焦距，1为单点探测器距扫描振镜振动面的垂轴距离，w为待测扫描振镜的 振动面的最大振动角范围。
[0069] 2、在满足能量响应的要求时，狭缝的宽度d满足
[0071] 式中，κ为正弦光栅的周期。
[0072] 注:将上述测量系统中的第一离轴抛物面反射镜13和第二离轴抛物面反射镜21整 体由一透镜替代，也能完成发明目的，达到相同的技术效果。
[0073] 相应的，原测量系统中与第一离轴抛物面反射镜13和第二离轴抛物面反射镜21相 关的位置和参数也随之被所述透镜的位置和参数所替代，即新的位置关系和参数为:正弦 光栅12经该透镜后在单点探测器23上所成的正弦光栅像与正弦光栅12共辄;透镜的像距和 物距满足
[0075]可调狭缝22的宽度d满足
[0077]式中，f物为透镜的物距，f像为透镜的像距。
[0078]基于上述测量系统，本发明还提供了一种测量扫描振镜振动参数的方法，该方法 包括以下步骤：
[0079] 1)确定测量系统各组件的参数；
[0080] 1.1)若测量系统采用离轴抛物面反射镜，则根据上述公式1和公式2确定各组件的 参数；
[0081] 1.2)若测量系统采用透镜，则根据上述公式5和公式6确定各组件的参数；
[0082 ] 2)将正弦光栅移出测量系统后，调整测量系统，使测量光轴打在待测扫描振镜3的 振动中心；
[0083] 2.1)打开积分球白光光源11，在积分球白光光源11的出光口放置星点或者十字 丝；
[0084] 2.2)开启待测扫描振镜3并调整其位置，当落在待测扫描振镜3上的光斑或十字像 在振镜振动时不随振镜平移时，即表明测量光轴打在待测扫描振镜3的振动中心；
[0085] 3)将正弦光栅12切入测量系统，调整正弦光栅12使正弦光栅12的方向与待测扫描 振镜3的振动方向平行；
[0086] 4)开启单点探测器23、时统设备25和信号采集单元24,根据单点探测器23的输出 信号判断是否需要调整正弦光栅12的位置：
[0087] 4.1)若单点探测器23的输出信号是幅值随时间变化的正弦信号，表明单点探测器 23的信号采集点落在了正弦光栅像的峰值或谷值处(此时单点探测器23的输出信号被正弦 光栅像湮没），则调整正弦光栅12的位置；
[0088] 4.2)若单点探测器23的输出信号为如图2所示的幅值随时间变化的准正弦信号， 表明单点探测器23的信号采集点未落在正弦光栅像的峰值或谷值处，不需调整正弦光栅12 的位置，执行步骤5);否则，执行步骤4.1)
[0089] 5)计算单点探测器23的输出信号的峰峰值所对应的空间角度Wc;
[0090] 5.1)当测量系统采用离轴抛物面反射镜时：
[0092] 5.2)当测量系统采用离轴抛物面反射镜时：
[0094] 6)在待测扫描振镜3的一个振动周期内，待测扫描振镜3运动到最大振动角后反向 时，单点探测器23输出信号中则表现为具有两个相邻的转向点A和转向点B，转向点A和转向 点B之间的信号对应的空间角为2W，W为振镜振动面的最大振角范围，如图2所示；
[0095] 7)将待测扫描振镜3的电机与单点探测器23的信号采集时间同步，得到待测扫描 振镜3在零位wo时所对应的单点探测器23输出信号中的位置；
[0096] 8)将转向点A和转向点B之间的输出信号转换成待测扫描振镜3在一个振动周期内 的角位置wt随时间变化的关系：
[0097] wt=wo+wc X t 公式4
[0098] 式中，t = 0，l，2···
[0099] 9)对上述公式4微分，即得到待测扫描振镜的振动角速度曲线，由该曲线可得到待 测扫描振镜的振动参数。
【主权项】
1. 扫描振镜振动参数的测量系统，包括单点探测器、信号采集单元和时统设备;所述时 统设备用于将待测扫描振镜的电机与单点探测器的信号采集时间同步，并给出待测扫描振 镜振动到各角位置时对应的时刻;所述信号采集单元用于读取单点探测器的输出信号；其 特征在于： 还包括积分球光源、第一离轴抛物面反射镜和第二离轴抛物面反射镜； 所述积分球光源的出光口处放置有正弦光栅，正弦光栅的方向与待测扫描振镜的振动 方向平行； 所述第一离轴抛物面反射镜位于积分球光源的出射光路上，与积分球光源组成平行光 管;所述第二离轴抛物面反射镜位于第一离轴抛物面反射镜的出射光路上;待测扫描振镜 位于第二离轴抛物面反射镜的出射光路上，将第二离轴抛物面反射镜的出射光束折转;所 述单点探测器位于待测扫描振镜反射光束的汇聚点处，用于接收正弦光栅像;待测扫描振 镜的振动会引起所述正弦光栅像的移动； 所述第一离轴抛物面和第二离轴抛物面的焦距满足公乂 1 式中，L为正弦光栅的横向尺寸，fl为第一离轴抛物面反射镜的焦距，f2为第二离轴抛物 面反射镜的焦距，1为单点探测器距扫描振镜振动面的垂轴距离，W为待测扫描振镜的振动 面的最大振动角范围； 所述单点探测器的前端设置有缝宽可调的狭缝，狭缝的宽度d满足祭式2 式中，K为正弦光栅的周期。2. 根据权利要求1所述的扫描振镜振动参数的测量系统，其特征在于:所述第一离轴抛 物面反射镜和第二离轴抛物面反射镜的口径相同。3. 根据权利要求1或2所述的扫描振镜振动参数的测量系统，其特征在于:所述积分球 光源为积分球白光光源。4. 根据权利要求1或2所述的扫描振镜振动参数的测量系统，其特征在于:所述第一离 轴抛物面反射镜和第二离轴抛物面反射镜整体由一透镜替代； 相应的，所述正弦光栅经所述透镜后在单点探测器上所成的像与所述正弦光栅共辆； 所述透镜的像距和物距满足式中，f物为透镜的物距，跑为透镜的像距。5. 根据权利要求3所述的扫描振镜振动参数的测量系统，其特征在于:所述第一离轴抛 物面反射镜和第二离轴抛物面反射镜整体由一透镜替代； 相应的，所述正弦光栅经所述透镜后在单点探测器上所成的像与所述正弦光栅共辆； 所述透镜的像距和物距满足式中，f物为透镜的物距，跑为透镜的像距。6. 基于权利要求1所述的测量系统测量扫描振镜振动参数的方法，其特征在于:包括W 下步骤： 1) 根据所述公式1和公式2确定测量系统各组件的参数； 2) 将正弦光栅移出测量系统后，调整测量系统，使测量光轴打在待测扫描振镜的振动 中屯、； 3) 将正弦光栅切入测量系统，调整正弦光栅使正弦光栅的方向与待测扫描振镜的振动 方向平行； 4) 开启单点探测器、时统设备和信号采集单元，根据单点探测器的输出信号判断是否 需要调整正弦光栅的位置： 4.1) 若单点探测器的输出信号是幅值随时间变化的正弦信号，表明单点探测器的信号 采集点落在了正弦光栅像的峰值或谷值处，则需调整正弦光栅的位置； 4.2) 若单点探测器的输出信号为幅值随时间变化的准正弦信号，则不需调整正弦光栅 的位置，执行步骤5);否则，执行步骤4.1) 5) 计算单点探测器的输出信号的峰峰值所对应的空间角度W。：公式； 6) 在待测扫描振镜的一个振动周期内，待测扫描振镜运动到最大振动角后反向时，单 点探测器输出信号中则表现为具有两个相邻的转向点A和转向点B，转向点A和转向点B之间 的信号对应的空间角为2W，W为振镜振动面的最大振角范围； 7) 将待测扫描振镜的电机与单点探测器信号采集的时间同步，得到待测扫描振镜在零 位W0时所对应的单点探测器输出信号中的位置； 8) 将转向点A和转向点B之间的输出信号转换成待测扫描振镜在一个振动周期内的角 位置wt随时间变化的关系： wt=wo+Wc X t 公式4 式中，t = 0，l，2... 9) 对所述公式4微分，即得到待测扫描振镜的振动角速度曲线，由该曲线可得到待测扫 描振镜的振动参数。7. 根据权利要求6所述的测量扫描振镜振动参数的方法，其特征在于:所述步骤2)具体 为： 2.1) 打开积分球光源，在积分球光源的出光口放置星点或者十字丝； 2.2) 开启待测扫描振镜并调整其位置，当落在待测扫描振镜上的光斑或者十字像在振 镜振动时不随振镜平移时，表明测量光轴打在待测扫描振镜的振动中屯、。8. 基于权利要求4所述的测量系统测量扫描振镜振动参数的方法，其特征在于:包括W 下步骤： 1) 根据所述公式5和公式師角定测量系统各组件的参数； 2) 将正弦光栅移出测量系统后，调整测量系统，使测量光轴打在待测扫描振镜的振动 中屯、； 3) 将正弦光栅切入测量系统，调整正弦光栅使正弦光栅的方向与待测扫描振镜的振动 方向平行； 4) 开启单点探测器、时统设备和信号采集单元，根据单点探测器的输出信号判断是否 需要调整正弦光栅的位置： 4.1) 若单点探测器的输出信号是幅值随时间变化的正弦信号，表明单点探测器的信号 采集点落在了正弦光栅像的峰值或谷值处，则需调整正弦光栅的位置； 4.2) 若单点探测器的输出信号为幅值随时间变化的准正弦信号，则不需调整正弦光栅 的位置，执行步骤5);否则，执行步骤4.1) 5) 计算单点探测器的输出信号的峰峰值所对应的空间角度W。：公式7 6) 在待测扫描振镜的一个振动周期内，待测扫描振镜运动到最大振动角后反向时，单 点探测器输出信号中则表现为具有两个相邻的转向点A和转向点B，转向点A和转向点B之间 的信号对应的空间角为2W，W为振镜振动面的最大振角范围； 7) 将待测扫描振镜的电机与单点探测器信号采集的时间同步，得到待测扫描振镜在零 位W0时所对应的单点探测器输出信号中的位置； 8) 将转向点A和转向点B之间的输出信号转换成待测扫描振镜在一个振动周期内的角 位置wt随时间变化的关系： wt=wo+Wc X t 公式4 式中，t = 0，l，2... 9) 对所述公式4微分，即得到待测扫描振镜的振动角速度曲线，由该曲线可得到待测扫 描振镜的振动参数。
【文档编号】G01H9/00GK106092302SQ201610443918
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】李坤, 陈永权, 赵建科, 薛勋, 刘尚阔, 曹昆, 段亚轩, 李晶, 王争锋, 昌明
【申请人】中国科学院西安光学精密机械研究所