动态聚焦激光振镜扫描系统的误差分析及图形校正算法.pdf

份态象金激疙非在镜扫描系统份钱差令祈怠⑤荷乡镇正算法

文世峰，史玉升，谢 军

(华中科技大学材料学院塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室，湖北武汉 430074)

摘 要:动态聚焦激尤振镜扫描系统广泛应用于大幅面激尤扫描领域，在实现振镜高速扫描的同时，

必须要保证扫描图形的精度。本文从动态聚焦激光振镜扫描系统的原理入手，分析了动态聚焦激光振镜

扫描系统图形误差产生的原因，并给出了扫描图形的误差校正模型和精确校正算法，并在华中科技大学

快速成型中心的粉末烧结快速成型设备上进行了试验验证。

关键词:振镜;动态聚焦;误差校正;算法

中固分类号 :TN 24 文献标志码 :A

Error Analysis and Graphics Calibration Arithmetic of Laser

Galvanometer Scanner System with Dynamic Focus

WEN Shife吨 .SHI Yusher鸣 .XIE Jun

CMaterial Sciellce and Technology Institute. Huazhong University of Science and Technology. Wuh且n 430074. China)

Abstract , Laser galvanometer scanner system with dynamic focus is widely used in the field of laser scanning with big

work field. The accuracy of scanning graphics is very important when the sca.nner scans quickly. This paper a.nalyzes the

reasons of generating scanning error of laser galvanometer scanner system with dynamic focus based on the theory of the

system. and brings out the calibration arithmetic. According to this. we experiment on the selective la.ser sintering ma.chine

in the rapid production department of Huazhong university.

Key words ,Galvanometer scanner , Dyna.mic focus , Error calibration , Arithmetic

激光扫描技术是激光技术应用领域发展的一个

重点方向。振镜式激光扫描方式以其快速、精确的

特点得到了广泛的应用。在振镜式激光扫描过程中

要考虑很多因素，就拿扫描视场来说，要考虑优化组

合聚焦光斑的大小、扫描面积、焦深、工作距离和扫

描线性度等因素，才能扫描出效果很好的图形。由

于受扫描模型、机械安装以及控制系统的影响，动态

聚焦激光振镜扫描系统必须经过图形校正才能在工

作面上扫描出精确图形。本文分析了系统误差产生

的原因，并给出了图形校正的精确算法。

1 系统原理

在振镜扫描系统中，为了在扫描场上获得较大

的激光能量密度，一般需要对激光器出来的光束进

行聚焦处理。在大视场扫描中，为了纠正扫描平面

上点的聚焦误差，通常需要在振镜系统前端加入动

态聚焦系统;激光器发射的光束经过扩束镜之后，得

到均匀的平行光束，再经过动态聚焦镜聚焦，依次投

射到 X 、Y 轴振镜上，最后经过 2 个振镜，二次反射

到工作台面上，形成扫描平面上的扫描点。理论上，

我们可以通过控制振镜式激光扫描系统镜片的相互

协调偏转来实现平面上任意复杂罔形的扫描。振镜

式激光扫描也存在着原理性的误差，即扫描畸变，我

们可以采用软件编程的方法来消除畸变。

2 聚焦误差分析

动态聚焦振镜式平面扫描过程中存在着聚焦误

差和枕形误差。如图 1 所示，如果聚焦镜为静态聚

焦，则激光束的聚焦面为以振镜为中心的一个球面，

由于激光束聚焦有一定的焦深，当扫描面较小时，离

焦误差在可以忍受范围内。而当扫描幅面较大时，

必须通过动态聚焦的方式来补偿离焦误差。

固 1 离焦误差去意图

动态聚焦振镜式激光扫描时存在着扫描图形的

线性失真和非线性失真，特别是当扫描区域较大时，

严重影响了激光扫描的加工质量，也给进一步分析

处理带来困难。而描述理想图和畸变图之间的地址

映射关系的平面坐标变换方法能够很好地解决这个

问题。在图 2 所示的坐标系中，当振镜 X 轴和 Y 轴

偏转角为零