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激光振镜、扫描振镜。这是一种高速扫描的器件,在激光打标设备上早已成熟应用。它机构简单体积小(无正弦机构),定位精度高(定位角偏差约2''),扫描速度极快(毫秒级),成本低。据有关资料介绍,核聚变中高速多波段紫外光谱检测已有使用。
光学振镜工作原理
振镜是一种优良的矢量扫描器件。它是一种特殊的摆动电机,基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩,但与旋转电机不同,其转子上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩,大小与转子偏离平衡位置的角度成正比,当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时,电磁力矩与回复力矩大小相等,故不能象普通电机一样旋转,只能偏转,偏转角与电流成正比,与电流计的相似,故振镜又叫电流计扫描器(galvanomet ric scanner)。

图中, a ,b 是振镜,通过转动振镜a和b可以使入射光束投影到XY平面的指定位置。
具体x,y的坐标计算公式如下:
设 x 轴和y 轴反射镜之间的距离为e , y 振镜的轴线到视场平面坐标原点的距离为 d ,当 x , y 轴的光学偏转角分别为x 和y 时,视场平面上相应光点坐标为( x , y) ,且当 x = y = 0 时,x =y = 0 ,则

振镜a,b的偏转角θx 和θy与振镜a,b的控制电压Vx和Vy的关系为:
θx=kx*vx
θy=ky*vy
其中,Kx,Ky是系数。
所以通过控制Vx和Vy就可以控制振镜a,b的偏转角度。
光学振镜系统
激光振镜、扫描振镜系统是由驱动控制器与振镜电机模组构成的一个高精度、高速度伺服控制系统。
激光振镜、扫描振镜系统一般是由处理器、功率放大器、振镜电机、光电传感器、信号解调器组成的闭环控制系统。
如下图:

振镜电机器件图如下所示:

其中,弹簧负载为施加复位力矩的机械扭簧机构。
谐振镜工作原理
共振现象
一个具有与某物体固有频率相同频率的周期性外力作用于该物体,会使得该物体与该力在这个频率下同步振动,这样会使得物体振动的振幅增大。
固有频率
也称为自然频率,指物体做自由振动时,其位移随时间按正弦或余弦规律变化。(每个物体都有自己的固有频率,因为物体会向外辐射能量,物质分子是在不断运动的,只是我们不易察觉)。

共振频率
当系统受到的外界激励频率在固有频率附近时,会引发共振,此时系统的频率就称为共振频率。在共振频率下,很小的周期振动便可产生很大的振动,因为系统在这个过程中储存了动能。

那么当物体受到的外界频率与固有频率不一致时,由于物体的运动周期存在相位差,使物体振动的方向可能相反,会抵消掉一部分振幅带来的影响。

一个物体正在发生周期性的运动,它本身具有一个固有频率,只需要在跟随它的周期性,朝相同方向稍微施加一点力,就可以维持一个很大振幅的运动。
相反,如果不按物体固有频率,胡乱施加推力,不仅不能逐渐增加振幅,还会迅速使振幅下降。
弦乐器的共鸣箱,无线电的电谐振,包括电台,通过天线发射出的短波/长波信号,收音机通过将天线频率调至和电台电波信号相同频率来引起共振,从而接收信号,这些都是利用共振工作的。

采用与振镜近似的结构设计,但利用机械结构的共振原理,实现高速扫描的偏摆机构,被命名为1D谐振镜;从外形上看,谐振镜与振镜很相似,但带动镜片旋转的谐振杆更细更长,为保证在高速谐振过程中的运动面型精度,往往采用特殊材料例如金属铍(特点:坚硬、重量轻)来加工非常薄的反射镜片;由于这些特殊的加工工艺,使谐振镜能在保证±6°以上的机械行程情况下,达到4kHz-12kHz的扫描频率。
与振镜不同,谐振镜的位置编码器反馈的位置信号,不再与控制主令进行差分运算,仅作为回传信号发送至上位机,在工作过程中,谐振镜无法精密定位,其运动过程完全遵照共振原理,按正弦波往复运动,其运动频率是固定的,但其幅值可调。
谐振镜的设计结构其实是多种多样的,由于驱动方式比较简单,所以谐振镜驱动控制部分成本可以控制得比较低;但频率越高的谐振镜,工艺难度越大,加工成本越高。
光学振镜的应用
舞台激光图案
激光振镜、扫描振镜是一种很成熟的光路扫描器件,现在一些双光束分光光度计中将它用于光路切换,速度极快。工作时步进动作看上去像在高速振动,因此叫命名为振镜。较为成熟的是激光扫描,一般应用于舞台激光图案显示等演出场合。

舞台激光图案
工业领域
由于振镜具有扫描角度较大,分辨率高、重复定位精度高和响应频率快等特点,所以在激光打标行业(具有图像处理功能)具有广泛的应用。

安防领域
光学振镜这类精密器件多用于军工方向,但随着时代发展,有很多技术从军用逐渐向警用和民用转移,例如红外全景监控系统。
利用安装于码头、塔台、山顶的360°扫描云台,将全景红外成像拼接记录的图像处理体系,在现代安防领域越来越受到重视。

在红外全景监控系统中,方位向云台一直处于360°匀速旋转运动状态,不做任何处理的情况下,拍出来的单幅图像会带很严重的拖影,而拼接出来的图像是完全模糊的;因此,需要用动态稳像技术让图像更清晰,在云台运动过程中,根据运动的积分数据,利用一套摆扫反射装置,按拍摄帧率进行反向运动补偿;而实现这套补偿运动的装置,可以用快反镜,也可以用更经济实惠的振镜。

全景成像振镜动态稳像系统工作原理图
智能驾驶领域
振镜在智能驾驶领域也有着重要的应用方向——智能感知技术:激光雷达。
激光雷达在智能驾驶中主要用于探测周围环境信息,振镜便是其不可缺少的器件,在TOF激光雷达领域,体积比较小的微型振镜通常会作为激光雷达慢轴来使用。

振镜+转镜的激光雷达扫描器
谐振镜的应用
医疗及工业领域
1D高频谐振镜的一个典型应用场景,是医疗及工业领域中用于成像的激光扫描共聚焦显微成像系统;最初这个方向是尝试用振镜进行扫描,但很快大家发现,在大行程工作的时候,振镜的扫描频率很难上100Hz,远远达不到扫描帧数的要求;有的公司就经过长时间的技术及工艺探索,用谐振镜实现了这一类超高速激光扫描应用。

智能驾驶领域——激光雷达
在激光雷达应用领域,由于1D谐振镜可以轻易达到1kHz以上的扫描应用,就有激光雷达制造商尝试用谐振镜来设计激光雷达快轴,在对定位精度要求不高的激光雷达扫描场合,将谐振镜作为快轴,振镜作为慢轴的激光雷达扫描器,具有线数高,集成性高,体积小的特点,在大光斑激光雷达扫描领域,被越来越多的企业和研究单位青睐。

摆动焊和摆扫切割
采用特殊柔性结构的双轴激光雷达扫描器,工作类似于快反镜,但其工作频率比快反镜高得多、而且成本低,虽然频率固定(≥1kHz),但幅值可调;在激光加工的特殊应用领域,例如摆动焊和摆扫切割,有着广泛用途和市场空间。

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