一种基于双螺旋机制的超高速稳定激光扫描方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双螺旋机制的超高速稳定激光扫描方法及装置。本发明专利技术同时兼顾了激光扫描成像领域的大范围、高速和高精度的要求。通过设计双螺旋扫描轨迹，使得扫描轨迹在扫描过程中进行连续不断的扫描，提高扫描轨迹的平滑性，使二维激光扫描器件的第一轴和第二轴的镜面旋转运动，保持连续，有效降低了扫描器件运行过程中由于镜面旋转突变所需的调整时间，提高了扫描速度。并且，连续无突变的扫描，有益于延长扫描器件的使用寿命，以及大大提高了扫描的稳定性。提高了扫描的稳定性。提高了扫描的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双螺旋机制的超高速稳定激光扫描方法


[0001]本专利技术属于激光扫描成像领域，具体涉及一种基于双螺旋机制的超高速稳定激光扫描方法及装置。

技术介绍

[0002]激光点扫描是已经广泛应用于光学显微镜，雷达探测等各种领域。然而，及激光扫描的范围，速度和精度在很大程度上受到二维扫描器件有限的扫描角度、有限的频率带宽和稳定性的限制。
[0003]传统扫描方法包括李萨如扫描和光栅扫描技术。李萨如扫描，该扫描曲线是时域和频域都有延迟的余弦函数，此方法的缺点是存在漏扫区域，并且实现起来困难；第二种是光栅扫描，该扫描是激光按照顺序进行逐行扫描的方式，该方法的缺点是采用单向扫描，时间效率不高，并且需要快速大范围的回程，使得扫描稳定性下降；采用往复扫描，需要等待扫描器件响应，并且在整个扫描过程中镜面来回高频震动，降低二维扫描器件的使用寿命。此外，随着扫描速度的增加，由于存在非连续扫描，两种方式的稳定性都大大下降。

技术实现思路

[0004]（一）要解决的技术问题针对现有扫描方式的不足之处，本专利技术提出了一种基于双螺旋机制的超高速稳定激光扫描方法及装置，通过优化二维扫描器件的镜面的旋转方式，避免扫描过程中二维扫描器件来回高频震动，以此降低二维扫描器件的阶跃响应的影响，减小对二维扫描器件带宽的要求，提高扫描效率以及稳定性，最终实现大范围、高精度的快速扫描。
[0005]（二）技术方案本专利技术为解决其技术问题，提供了一种基于双螺旋机制的超高速稳定激光扫描方法及装置，具体技术方案如下。
[0006]一种基于双螺旋机制的超高速稳定激光扫描方法及装置，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，预先设定扫描距离D，即X
‑
Y二维激光扫描器件的扫描中心点和待扫描平面的垂直距离；步骤S2，确定X
‑
Y二维激光扫描器件的扫描角度与待扫描平面上的点(x, y)之间的映射关系：；；；
；其中，扫描角度和分别表示二维激光扫描器件在X轴和Y轴的扫描角度，和分别表示X轴和Y轴的扫描角度的幅值，和分别表示扫描区域在X轴和Y轴方向上的最大距离；步骤S3，预先设定单次螺旋扫描时间T和单次螺旋扫描中螺旋的圈数N，并基于T和N确定扫描的角频率:;步骤S4，设计双螺旋扫描轨迹；设定所需单次螺旋扫描的次数为n，n为正整数；每次双螺旋扫描分为两个阶段，当n为奇数时，扫描处于双螺旋的第一阶段，控制二维激光扫描器件的镜面偏转，实现扫描光束从扫描中心点开始，从内向外螺旋扫描；当n为偶数时，扫描处于双螺旋的第二阶段，控制二维激光扫描器件的偏转，实现扫描光束从外向内螺旋扫描，回到扫描中心点；第一阶段和第二阶段均采用逆时针方向扫描，两个阶段在扫描轨迹上保持连续且平滑；步骤S5，基于预先设定参数和根据预先设定参数获取的参数，确定扫描轨迹和实现该扫描轨迹的二维激光扫描器件的双轴偏转角度；根据所使用的二维扫描器件的控制方式设置扫描所需的扫描角度的对应驱动信号，控制扫描镜面按照设置的扫描轨迹进行偏转，从而实现目标轨迹的光线扫描。
[0007]优选地，步骤S4中，X轴和Y轴的扫描角度和的具体计算公式如下：;;其中t表示时间，表示绝对值，表示大于等于的最小整数，a和b表示扫描螺旋线的类型，和分别为X轴和Y轴方向上的扫描幅值，;。
[0008]优选地，通过改变a和b的值来控制扫描螺旋线的类型：设定时，采用等角螺旋双螺旋扫描；设定时，采用等线螺旋双螺旋扫描；设定，时，采用费马螺旋双螺旋扫描。
[0009]优选地，步骤S4中，将第一阶段和第二阶段的逆时针方向扫描替换为顺时针方向扫描，两个阶段在扫描轨迹上保持连续且平滑。
[0010]一种基于双螺旋机制的超高速稳定激光扫描装置，其采用前述的基于双螺旋机制的超高速稳定激光扫描方法进行扫描。
[0011]（三）有益效果相对于现有技术而言，本专利技术具备显著积极的技术效果，其有益效果至少体现在以下几个方面。第一，本专利技术提出的扫描方法解决了二维扫描器件用于超快速激光扫描的若干问题，例如无法忽略的阶跃响应延时问题和快速往返造成的扫描死区现象，以及降低了高频扫描控制信号对于二维扫描器件的带宽的极高要求，上述问题的解决使得二维扫描器件能够用于对扫描范围、速度和精度具有较高要求的场合。第二，该方案可以通过简单的变化设置轨迹的参数，实现不同模式的双螺旋扫描，以实现对于各种不同场合的应用。第三，该方法对于绝大多数的二维扫描器件均有良好的试用性，从技术上易于实现，可以有效提高现有扫描系统的扫描速度和扫描精度。第四，连续平滑的扫描轨迹避免了现有技术中由于突变或者间断的扫描导致的剧烈震动而造成的损害二维扫描器件现象，有益于延长硬件使用寿命。并且平滑扫描轨迹带来的二维扫描器件的镜面的偏转角度的连续变化，降低由于扫描器件本身有限的响应带宽带来的扫描的失真，极大的提高了光束扫描的准确度。第五，该扫描方式极大的缓解了在高速扫描中，二维扫描器件的镜面由于高速偏转带来的镜面变形，以及过大的驱动扭矩，以及避免了扫描器件制动造成的时间浪费。
附图说明
[0012]图1为本专利技术的方法流程图；图2为系统扫描示意图；图3为双螺旋扫描示意图；图4为等角螺旋双螺旋扫描轨迹图及双轴控制信号示意图；图5为等线螺旋双螺旋扫描及双轴控制信号示意图；图6为费马螺旋双螺旋扫描及双轴控制信号示意图。
实施方式
[0013]本专利技术为了解决其技术问题，提供了一种基于双螺旋机制的超高速稳定激光扫描方法及装置。下面结合说明书附图，通过具体实施方式来进一步说明本专利技术的技术方案。
[0014]如图1和图2所示，以单镜面二维扫描器件为例，该基于双螺旋机制的超高速稳定激光扫描方法包括以下步骤：步骤S1、如图1所示，首先确保扫描镜面中心点O
’
与扫描平面XOY中心点O的连线与扫描平面XOY重合，确定线段O
’
O的距离D；步骤S2，确定X
‑
Y二维激光扫描器件的扫描角度与待扫描平面上的(x, y)之间的映射关系：；；
；；其中，扫描角度和分别表示二维激光扫描器件在X轴和Y轴的扫描角度，和分别表示X轴和Y轴的扫描角度的幅值，和分别表示扫描区域在X轴和Y轴方向上的最大距离。由于光学角偏转为机械角偏转的两倍，故如图2所示，镜面的实际偏转角度为所设置光学扫描角度的一半；步骤S3，预先设定单次螺旋扫描时间T和单次螺旋扫描中螺旋的圈数N，并基于T和N确定扫描的角频率，即镜面转动的频率；步骤S4，设计双螺旋扫描轨迹；如图3所示，设定所需单次螺旋扫描的次数为n，n为正整数；每次双螺旋扫描分为两个阶段，当n为奇数时，扫描处于双螺旋的第一阶段，控制二维激光扫描器件的镜面偏转，实现扫描光束从扫描中心点开始，从内向外螺旋扫描；当n为偶数时，扫描处于双螺旋的第二阶段，控制二维激光扫描器件的镜面偏转，实现扫描光束从外向内螺旋扫描，回到扫描中心点；第一阶段和第二阶段均采用逆时针方向扫描，两个阶段在扫描轨迹上保持连续且平滑；步骤S5，基于前述步骤设定和获取的参数，确定二维扫描器件的驱动信号，控制扫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双螺旋机制的超高速稳定激光扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，预先设定扫描距离D，即X
‑
Y二维激光扫描器件的扫描中心点和待扫描平面的垂直距离；步骤S2，确定X
‑
Y二维激光扫描器件的扫描角度与待扫描平面上的点(x, y)之间的映射关系:;;;;其中，扫描角度和分别表示二维激光扫描器件在X轴和Y轴的扫描角度，和分别表示X轴和Y轴的扫描角度的幅值，和分别表示扫描区域在X轴和Y轴方向上的最大距离；步骤S3，预先设定单次螺旋扫描时间T和单次螺旋扫描中螺旋的圈数N，并基于T和N确定扫描的角频率:;步骤S4，设计双螺旋扫描轨迹；设定所需单次螺旋扫描的次数为n，n为正整数；每次双螺旋扫描分为两个阶段，当n为奇数时，扫描处于双螺旋的第一阶段，控制二维激光扫描器件的镜面偏转，实现扫描光束从扫描中心点开始，从内向外螺旋扫描；当n为偶数时，扫描处于双螺旋的第二阶段，控制二维激光扫描器件的偏转，实现扫描光束从外向内螺旋扫描，回到扫描中心点；第一阶段和第二阶段均采用逆时针方向扫描，两个阶段在扫描轨迹上保持连续且平滑；步骤S5，基于预先设定参数和根据预先设定参数获取的参数，确定扫描...

【专利技术属性】
技术研发人员：奚磊，李林阳，梁笑，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：