19、激光扫描光学系统与数字成像的深入解析

激光扫描光学系统与数字成像的深入解析

1. 多面镜扫描问题

在多边形反射镜的面数增加时，会产生一个问题。由于激光束的有限尺寸和所需的扫描角度，反射镜的每个面都有一个最小尺寸。当每个面的尺寸增大时，旋转中心到面表面的距离会增加（多边形反射镜的直径变大）。随着面表面离旋转中心越来越远，扫描中心点的虚拟位置在扫描过程中会发生偏移（光瞳偏移）。这意味着在整个扫描过程中，扫描中心点无法始终保持在扫描透镜的焦点上（扫描透镜旨在产生远心扫描）。光瞳的这种偏移所导致的远心性误差会降低测量精度或测量区域的深度。而全息盘扫描仪没有光瞳偏移问题，因此不受这些误差的限制。

2. 光学系统配置

2.1 单轴HOE光学系统

该光学系统如图所示，能在测量区域提供扫描和激光光斑尺寸性能，结合专有处理算法，可实现精确到一微英寸的可重复测量。其光学设计仅包含扫描一条线所需的基本组件：激光二极管、准直透镜、预扫描全息光学元件（HOE）、扫描全息盘HOE、抛物面镜（该系统中的扫描透镜）、收集透镜和折叠镜以实现所需的封装。
- 激光二极管 ：安装在与仪器框架热隔离的金属块中。使用热电冷却器（TEC）或加热器以及温度控制器将激光二极管的工作温度维持在 -0.5°C 的窄范围内。温度控制是为了防止激光二极管在温度变化时发生“模式跳变”。模式跳变的波长偏移在温度变化时可达 0.5 - 1 nm。温度控制设定点的选择是为了使激光二极管处于模式跳变之间的中心位置，防止二极管改变模式并突然改变发射波长。这是系统的一个关键特性，因为衍射元件对波长变化非常敏感。
- 光束传播 ：激光二极管发出的发散光束由典型的激光