扫描振镜振动参数的测量系统和测量方法技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属光电测量领域，涉及一种扫描振镜振动参数的测量系统和测量方法。
技术介绍
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。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。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。
技术实现思路
为解决
技术介绍
中所提到的问题，本专利技术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。本专利技术的技术方案是：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；所述第一离轴抛物面和第二离轴抛物面的焦距满足式中，L为正弦光栅的横向尺寸，f1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，l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满足式中，K为正弦光栅的周期；基于以上基本技术方案，本专利技术还作出如下优化：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。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。对于测量系统，本专利技术还提供了另一技术方案，同样能实现专利技术目的：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轭；所述透镜的像距和物距满足所述狭缝的宽度d满足式中，f物为透镜的物距，f像为透镜的像距；基于上述测量系统，本专利技术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：1)确定测量系统各组件的参数；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；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；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；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wc：5.1)当测量系统采用离轴抛物面反射镜时：5.2)当测量系统采用离轴抛物面反射镜时：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＝w0+wc×t 公式4式中，t＝0,1,2…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。上述步骤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心。本专利技术的优点是：1、本专利技术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，故本专利技术适用于高频振动的扫描振镜。2、本专利技术在测量时，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。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。4、本专利技术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。附图说明图1是本专利技术的测量系统的组成示意图；图2是本专利技术的单点探测器的输出信号的示意图；图3是本专利技术的正弦光栅的示意图；具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作详细的说明。如图1所示，本专利技术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。一、测量光发射端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。二、测量光接收、分析端测量光接收、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；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；待测扫描振镜3本文档来自技高网...

【技术保护点】
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式中，L为正弦光栅的横向尺寸，f1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，l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满足式中，K为正弦光栅的周期。...

【技术特征摘要】
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式中，L为正弦光栅的横向尺寸，f1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，l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轭；所述透镜的像距和物距满足所述狭缝的宽度d满足式中，f物为透镜的物距，f像为透镜的像距。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轭；所述透镜的像距和物距满足所述狭缝的宽度d满足式中，f物为透镜的物距，f像为透镜的像距。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：包括以下步骤：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心；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61