激光扫描器
扫描成像问题分析
杨莉荣１ 袁芳２
１、廊坊职业技术学院电气工程系 ０６５０００２、北京工业大学数理学院 １０００２２
成，由转镜镜面的转动形成速度Ｖ１和由反射点在入射光方向的移动形成的速度Ｖ２。易得光斑在振镜上移动的距离为
Ｘ＝Ｌ×ｔｇ 速度Ｖ１为Ｖ１＝
其中。取Ｌ＝０．１ｍ，ω＝２３４３７．５ｒ・ｍｉｎ－１，ｎ＝４０，得Ｖ１随时间变化的关系如图２所示。可见在行扫描过程中速度是非线性的，在中间时刻ｔ＝３２μｓ速度最低，与始末点的速度差约为６ｍ・ｓ－１，扫描运动速度的不均匀性会造成扫描非线性畸变，这将引起扫描的几何失真，导致屏上像的畸变，从曝光量上讲，随时间的变化，屏上光强分布是中间强，两边
－Ｌ
缺少的部件；光电跟踪系统、激光投射系统等一系列应用中，都充分显示了其应用前景。
本文将对现有的适用于ＰＡＬ制式的激光扫描系统的原理和特性进行分析，目的是要寻求一种新的适用于大屏幕高清晰电视显示或激光投射系统的激光扫描器。
１．机械转镜扫描原理
在激光投射系统中，主要应用到激光的机械扫描技术。激光的机械转镜扫描的基本工作原理为：通过一个激光器发出一束光线，照射到一个旋转的棱镜或来回摆动的镜子上，反射后的光线射到振镜表面形成光斑，通过光电转换器转换成电信号。扫描原理示意图（图１所示），图中正ｎ边形是正六边形为ｔ时刻转镜的位置，转镜各面将入射的激光束反射到振镜上，振镜以ω＝５０Ｈｚ的频率绕其转轴来回摆动实现垂直扫描。图中直线ＡＣ为过Ａ点的多边形外接圆（图中的虚线圆）的切线。ａ为光线方向到轴心Ｏ的距离，ａ的大小可通过调整光束位置高低来改变．当光线在转镜镜面中心Ｍ点被反射，反射光线和入射方向垂直， 也就是和振镜的转轴垂直。图中Ａ＇点为入射光与多边形外接圆的交点，Ｂ点为ｔ时刻镜面的反射点，ｔ＝０ 时刻，两点重合。随着转镜转动，Ｂ点在镜面上不断移动，在转过一个面的过程中Ｂ点由逐渐远离Ａ＇点之后又回到Ａ＇点。因为在ＰＡＬ电视制式中，行频为１５６２５Ｈｚ，由此可得，转镜的转动角速度ω与面数ｎ间的关系为
，取ｎ＝４０，则ω＝２３４３７．
５ｒ．ｍｉｎ－１，即３９０．６２５ｒ．ｓ－１。
振镜上光斑的移动速度由两部分组
图３ 反射点在入射光方向移动的速度随
时间的变化关系
图１ 转镜振镜扫描系统结构原理示意图
图２ 镜面转动导致振镜上光斑速度随时
间的变化关系
引言
激光扫描技术不仅能应用于激光电视显示领域，而且应用于现代生活诸多领域中。商店收银台激光条码扫描是人们常见的激光扫描器；激光在线检验设备是激光扫描器的工业应用，如用激光扫描检测带钢表面的缺陷等；在人们经常使用的高速打印机中激光扫描器也是不可
弱。
行扫描过程中随着转镜转动，反射点不是空间的一个固定点，而是水平方向左右移动的，移动的速度也是非线性，而且由图３可见，在行扫描开始时的速度比结束时的速度大；而在行扫描时间中心，即在３２μｓ时刻速度并不为零，而是在大约３０．７４７７μｓ附近速度为０，即在３０．７４７７μｓ附近反射点就开始向Ａ＇移动，这说明反射点移动在行扫描过程中是非时间对称的，另外还可以得出光斑在反射镜面上的位置随时间变化关系如图４所示，图中虚线为参考直线。可见，光斑在镜面上的移动是非匀速的。在行扫描时间中点３２μｓ时刻，光斑不在反射镜面的中心。
ｌ＝。可见如果半径固定，则面数越
然不能实现。
多，转镜反射面长度就越短。然而面数增多会增加加工难度，而且反射面尺寸也不能太小，否则入射光束直径也必须很小，就增加了光束整形的难度，使系统变得复杂。由此表明多面体的面数须选择适当。
２．３ 转镜的面数对于曝光量的影响由于振镜上的光斑的移动速度Ｖ是由转镜镜面的转动引起反射光束转动形成的。由前面讨论易得ｔ时刻光斑在振镜上位置与初始ｔ＝０时刻位置间的距离为
ｘ＝Ｌ×ｔｇ
－Ｌ
结束语
前面以４０面转镜－振镜系统为例，讨论了其工作原理及性质，可以发现，对
任意时刻速度为
图４ 反射点在镜面上移动距离随时间的
变化关系
其中，０≤ｔ≤６４μｓ，若取ｎ＝４０，由式（１）得ω＝７８１．２５πｒａｄ／ｓ，再取Ｌ＝０．１ｍ，得光斑移动速度随时间变化关系如图２所示。可见，在行扫描过程中速度是非线性的，在中间时刻３２μｓ速度最低。这将导致屏上像的畸变，因为曝光量与光斑的移动速度成反比。事实上，不管ｎ为多少，ｔ＝３２μｓ时速度总是最低，即画面曝光量最大。用Ｒ表示行扫描初始ｔ＝０时刻与ｔ＝３２μｓ时刻速度之比，可以表示画面曝光量的均匀性。
Ｒ＝
＝
图５ 考虑入射光束直径的扫描结构示意
图
２．机械扫描系统的性质
２．１ 平面转镜面数对激光束宽度的要求
如图５所示，设入射到振镜棱Ａ上的激光束的直径为２ｄ。当激光束的中心入射到棱Ａ上时，光束的上边缘入射到反射面１上的Ａ１点，到棱Ａ距离为ｌ１，光束的下边缘入射到反射面２上的Ａ２点，到棱Ａ的距离为ｌ２。由图中几何关系可得
，
在ＰＡＬ电视制式中，行扫描周期为６４μｓ，其中正程时间为５２．２，逆程时间为１１．８。所以要实现无畸变扫描，必须满足
其中ｌ为多面转镜的反射面长度，这个不等式实际上给出了入射光束直径与反射面实际长度的关系。对面数为４０，半径为４０ｍｍ的多面体转镜，由以上关系可计算得光斑直径２ｄ不得超过０．８１ｍｍ。
由于光束的直径所导致的振镜上形成的双光斑，必须加以消除，否则造成画面左右两边缘模糊不清。
２．２ 对于转镜面数的讨论
以上已经根据几何光学原理讨论了转镜－振镜系统的扫描结构原理，
作出Ｒ－ｎ图，见图６。
由此可见，转镜面数越多，上式比值越接近于１，画面曝光量越均匀，也就是图像畸变量越小。所以，转镜面数越多，越有利于获得曝光量均匀的画面。
２．４ 平面转镜扫描的发散角
仍以六面体转镜来说明扫描光束的发散角度问题。如图７所示，对于圆心角为６０°的正六边形，对于平行于ｘ轴入射的光束，在初始入射点处（镜面１上边缘处）其反射光束如图中黑线所示，当镜面转过６０°后，与初始状态重合，此时反射光束为图中蓝线所示，则两条反射光线的夹角θ即为扫描的发散角，此时为１２０°。对于其他任意ｎ边形，其外接圆的圆心角为
，则都有它的发散角为
。所
图６ 曝光量均匀性与转镜面数Ｒ的关系
其中，ｎ≥３，可见面数越少转速越高，但过高的转速对电机的要求高，对所用制作材料的机械强度的要求也高，同时由于棱角小，风阻大，会造成“啸叫”等问题。所以实际使用的转镜一般都多于６个反射面。转镜的每个反射面长度为
以ｎ越小则发散角越大，这样对于将图象投射于镜头之上的投影显示系统或新型液镜彩电的研制会带来困难。尽管随着ｎ值的增加，发散角度会有所减小，但由于加工精度的问题，在生产加工制程中仍
图７ 六面体转镜系统的发散角度示意图
表样１０ｍｉｎ内硫化氢脱去率随氮气流速的变化关系。从图中可以看出，随着氮气流速升高，脱气率呈先升高再下降趋势。载气流速太低，对原油搅动较小，不利于将油样中的Ｈ２Ｓ气体带出；而载气流速过高，不利于吸收液对Ｈ２Ｓ进行吸收转化。原油中硫化氢含量不同，最佳氮气流速也有所不同，综合看来，氮气最佳流速为０．１５～０．２５ Ｌ／ｍｉｎ。２．２ 载气吹脱时间对硫化氢脱去率的影响为了选出最优的载气吹脱时间，在２Ｌ／ｍｉｎ的载气流速下，分别测量了５、１０、１５、２０ｍｉｎ内硫化氢的脱去率。从图３可以看出，１０ｍｉｎ内两种原油样品内的硫化氢脱去率均可达到９７．５％以上，硫化氢脱去已相对完全。
２．３ 载气脱硫化氢和真空脱硫化氢效果对比载气法脱硫化氢的方法与传统真空法相比具有安全、易行等优点，因此我们进一步对两种方法的脱气效率进行了比较。表１中Ｉ号样品，载气法的脱去硫化氢气体的效率明显高于真空法；表２中ＩＩ号样品，载气法脱气效率与真空法相近，比真空法略低。从这些数据可以看出，对于硫化氢含量较高的原油样品，载气法脱去硫化氢具有明显优势，这主要是氮气可以对样品起到搅拌作用，短时间内可以带出大量硫化氢气体，而硫化氢含量较低的原油样品则很容易在真空条件下脱去硫化氢。２．４ 硫化氢质量测定中的注意事项因为碘量法在使用时有诸多的干扰因素和各种人为因素造成的误差，在实验中应注意以下几个问题：（１）．测高含量硫化
氢吸收装置至少应该连接两个以上吸收瓶
（为避免吸收不完全），如果硫化氢含量较高则吸收速度相应放慢，以保证吸收完全。在吸收过程中应避免日光直射。（２）．防止碘的挥发和Ｉ－被氧化，应加入过量碘（理论量的２～３倍），滴定速度既不能太快也不能太慢，终点拖长或提前，对分析结果均有影响，滴定时避免阳光直射。（３）．正确配置硫代硫酸钠标准溶液，为防止被氧化，固有的机械结构的特点，会造成屏上行
扫描方向移动速度为非线性和非时间对称性，使扫描图象发生畸变或曝光量不匀，同时转镜的面数也会影响曝光量，再加上转镜的反射面的宽度对光束的直径也会有一定的要求，反射光线的扫描方向变化较大，而且结构复杂，生产加工的精度要求较均高，成本较高。因此希望找到一种扫描角度更小，能够实现激光束平移扫描，光斑移动速度更为均匀，加工更为方便的适用于新型激光电视的扫描系统。
激光扫描器
扫描成像问题分析
杨莉荣１ 袁芳２
１、廊坊职业技术学院电气工程系 ０６５０００２、北京工业大学数理学院 １０００２２
成，由转镜镜面的转动形成速度Ｖ１和由反射点在入射光方向的移动形成的速度Ｖ２。易得光斑在振镜上移动的距离为
Ｘ＝Ｌ×ｔｇ 速度Ｖ１为Ｖ１＝
其中。取Ｌ＝０．１ｍ，ω＝２３４３７．５ｒ・ｍｉｎ－１，ｎ＝４０，得Ｖ１随时间变化的关系如图２所示。可见在行扫描过程中速度是非线性的，在中间时刻ｔ＝３２μｓ速度最低，与始末点的速度差约为６ｍ・ｓ－１，扫描运动速度的不均匀性会造成扫描非线性畸变，这将引起扫描的几何失真，导致屏上像的畸变，从曝光量上讲，随时间的变化，屏上光强分布是中间强，两边
－Ｌ
缺少的部件；光电跟踪系统、激光投射系统等一系列应用中，都充分显示了其应用前景。
本文将对现有的适用于ＰＡＬ制式的激光扫描系统的原理和特性进行分析，目的是要寻求一种新的适用于大屏幕高清晰电视显示或激光投射系统的激光扫描器。
１．机械转镜扫描原理
在激光投射系统中，主要应用到激光的机械扫描技术。激光的机械转镜扫描的基本工作原理为：通过一个激光器发出一束光线，照射到一个旋转的棱镜或来回摆动的镜子上，反射后的光线射到振镜表面形成光斑，通过光电转换器转换成电信号。扫描原理示意图（图１所示），图中正ｎ边形是正六边形为ｔ时刻转镜的位置，转镜各面将入射的激光束反射到振镜上，振镜以ω＝５０Ｈｚ的频率绕其转轴来回摆动实现垂直扫描。图中直线ＡＣ为过Ａ点的多边形外接圆（图中的虚线圆）的切线。ａ为光线方向到轴心Ｏ的距离，ａ的大小可通过调整光束位置高低来改变．当光线在转镜镜面中心Ｍ点被反射，反射光线和入射方向垂直， 也就是和振镜的转轴垂直。图中Ａ＇点为入射光与多边形外接圆的交点，Ｂ点为ｔ时刻镜面的反射点，ｔ＝０ 时刻，两点重合。随着转镜转动，Ｂ点在镜面上不断移动，在转过一个面的过程中Ｂ点由逐渐远离Ａ＇点之后又回到Ａ＇点。因为在ＰＡＬ电视制式中，行频为１５６２５Ｈｚ，由此可得，转镜的转动角速度ω与面数ｎ间的关系为
，取ｎ＝４０，则ω＝２３４３７．
５ｒ．ｍｉｎ－１，即３９０．６２５ｒ．ｓ－１。
振镜上光斑的移动速度由两部分组
图３ 反射点在入射光方向移动的速度随
时间的变化关系
图１ 转镜振镜扫描系统结构原理示意图
图２ 镜面转动导致振镜上光斑速度随时
间的变化关系
引言
激光扫描技术不仅能应用于激光电视显示领域，而且应用于现代生活诸多领域中。商店收银台激光条码扫描是人们常见的激光扫描器；激光在线检验设备是激光扫描器的工业应用，如用激光扫描检测带钢表面的缺陷等；在人们经常使用的高速打印机中激光扫描器也是不可
弱。
行扫描过程中随着转镜转动，反射点不是空间的一个固定点，而是水平方向左右移动的，移动的速度也是非线性，而且由图３可见，在行扫描开始时的速度比结束时的速度大；而在行扫描时间中心，即在３２μｓ时刻速度并不为零，而是在大约３０．７４７７μｓ附近速度为０，即在３０．７４７７μｓ附近反射点就开始向Ａ＇移动，这说明反射点移动在行扫描过程中是非时间对称的，另外还可以得出光斑在反射镜面上的位置随时间变化关系如图４所示，图中虚线为参考直线。可见，光斑在镜面上的移动是非匀速的。在行扫描时间中点３２μｓ时刻，光斑不在反射镜面的中心。
ｌ＝。可见如果半径固定，则面数越
然不能实现。
多，转镜反射面长度就越短。然而面数增多会增加加工难度，而且反射面尺寸也不能太小，否则入射光束直径也必须很小，就增加了光束整形的难度，使系统变得复杂。由此表明多面体的面数须选择适当。
２．３ 转镜的面数对于曝光量的影响由于振镜上的光斑的移动速度Ｖ是由转镜镜面的转动引起反射光束转动形成的。由前面讨论易得ｔ时刻光斑在振镜上位置与初始ｔ＝０时刻位置间的距离为
ｘ＝Ｌ×ｔｇ
－Ｌ
结束语
前面以４０面转镜－振镜系统为例，讨论了其工作原理及性质，可以发现，对
任意时刻速度为
图４ 反射点在镜面上移动距离随时间的
变化关系
其中，０≤ｔ≤６４μｓ，若取ｎ＝４０，由式（１）得ω＝７８１．２５πｒａｄ／ｓ，再取Ｌ＝０．１ｍ，得光斑移动速度随时间变化关系如图２所示。可见，在行扫描过程中速度是非线性的，在中间时刻３２μｓ速度最低。这将导致屏上像的畸变，因为曝光量与光斑的移动速度成反比。事实上，不管ｎ为多少，ｔ＝３２μｓ时速度总是最低，即画面曝光量最大。用Ｒ表示行扫描初始ｔ＝０时刻与ｔ＝３２μｓ时刻速度之比，可以表示画面曝光量的均匀性。
Ｒ＝
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图５ 考虑入射光束直径的扫描结构示意
图
２．机械扫描系统的性质
２．１ 平面转镜面数对激光束宽度的要求
如图５所示，设入射到振镜棱Ａ上的激光束的直径为２ｄ。当激光束的中心入射到棱Ａ上时，光束的上边缘入射到反射面１上的Ａ１点，到棱Ａ距离为ｌ１，光束的下边缘入射到反射面２上的Ａ２点，到棱Ａ的距离为ｌ２。由图中几何关系可得
，
在ＰＡＬ电视制式中，行扫描周期为６４μｓ，其中正程时间为５２．２，逆程时间为１１．８。所以要实现无畸变扫描，必须满足
其中ｌ为多面转镜的反射面长度，这个不等式实际上给出了入射光束直径与反射面实际长度的关系。对面数为４０，半径为４０ｍｍ的多面体转镜，由以上关系可计算得光斑直径２ｄ不得超过０．８１ｍｍ。
由于光束的直径所导致的振镜上形成的双光斑，必须加以消除，否则造成画面左右两边缘模糊不清。
２．２ 对于转镜面数的讨论
以上已经根据几何光学原理讨论了转镜－振镜系统的扫描结构原理，
作出Ｒ－ｎ图，见图６。
由此可见，转镜面数越多，上式比值越接近于１，画面曝光量越均匀，也就是图像畸变量越小。所以，转镜面数越多，越有利于获得曝光量均匀的画面。
２．４ 平面转镜扫描的发散角
仍以六面体转镜来说明扫描光束的发散角度问题。如图７所示，对于圆心角为６０°的正六边形，对于平行于ｘ轴入射的光束，在初始入射点处（镜面１上边缘处）其反射光束如图中黑线所示，当镜面转过６０°后，与初始状态重合，此时反射光束为图中蓝线所示，则两条反射光线的夹角θ即为扫描的发散角，此时为１２０°。对于其他任意ｎ边形，其外接圆的圆心角为
，则都有它的发散角为
。所
图６ 曝光量均匀性与转镜面数Ｒ的关系
其中，ｎ≥３，可见面数越少转速越高，但过高的转速对电机的要求高，对所用制作材料的机械强度的要求也高，同时由于棱角小，风阻大，会造成“啸叫”等问题。所以实际使用的转镜一般都多于６个反射面。转镜的每个反射面长度为
以ｎ越小则发散角越大，这样对于将图象投射于镜头之上的投影显示系统或新型液镜彩电的研制会带来困难。尽管随着ｎ值的增加，发散角度会有所减小，但由于加工精度的问题，在生产加工制程中仍
图７ 六面体转镜系统的发散角度示意图
表样１０ｍｉｎ内硫化氢脱去率随氮气流速的变化关系。从图中可以看出，随着氮气流速升高，脱气率呈先升高再下降趋势。载气流速太低，对原油搅动较小，不利于将油样中的Ｈ２Ｓ气体带出；而载气流速过高，不利于吸收液对Ｈ２Ｓ进行吸收转化。原油中硫化氢含量不同，最佳氮气流速也有所不同，综合看来，氮气最佳流速为０．１５～０．２５ Ｌ／ｍｉｎ。２．２ 载气吹脱时间对硫化氢脱去率的影响为了选出最优的载气吹脱时间，在２Ｌ／ｍｉｎ的载气流速下，分别测量了５、１０、１５、２０ｍｉｎ内硫化氢的脱去率。从图３可以看出，１０ｍｉｎ内两种原油样品内的硫化氢脱去率均可达到９７．５％以上，硫化氢脱去已相对完全。
２．３ 载气脱硫化氢和真空脱硫化氢效果对比载气法脱硫化氢的方法与传统真空法相比具有安全、易行等优点，因此我们进一步对两种方法的脱气效率进行了比较。表１中Ｉ号样品，载气法的脱去硫化氢气体的效率明显高于真空法；表２中ＩＩ号样品，载气法脱气效率与真空法相近，比真空法略低。从这些数据可以看出，对于硫化氢含量较高的原油样品，载气法脱去硫化氢具有明显优势，这主要是氮气可以对样品起到搅拌作用，短时间内可以带出大量硫化氢气体，而硫化氢含量较低的原油样品则很容易在真空条件下脱去硫化氢。２．４ 硫化氢质量测定中的注意事项因为碘量法在使用时有诸多的干扰因素和各种人为因素造成的误差，在实验中应注意以下几个问题：（１）．测高含量硫化
氢吸收装置至少应该连接两个以上吸收瓶
（为避免吸收不完全），如果硫化氢含量较高则吸收速度相应放慢，以保证吸收完全。在吸收过程中应避免日光直射。（２）．防止碘的挥发和Ｉ－被氧化，应加入过量碘（理论量的２～３倍），滴定速度既不能太快也不能太慢，终点拖长或提前，对分析结果均有影响，滴定时避免阳光直射。（３）．正确配置硫代硫酸钠标准溶液，为防止被氧化，固有的机械结构的特点，会造成屏上行
扫描方向移动速度为非线性和非时间对称性，使扫描图象发生畸变或曝光量不匀，同时转镜的面数也会影响曝光量，再加上转镜的反射面的宽度对光束的直径也会有一定的要求，反射光线的扫描方向变化较大，而且结构复杂，生产加工的精度要求较均高，成本较高。因此希望找到一种扫描角度更小，能够实现激光束平移扫描，光斑移动速度更为均匀，加工更为方便的适用于新型激光电视的扫描系统。