阅读说明：本技术 一种高效率旋转扫描平面成像装置及方法 (High-efficiency rotary scanning plane imaging device and method ) 是由 俞红祥 庞伟 何雪军 王康恒 朱莹莹 于 2019-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高效率旋转扫描平面成像装置及方法,包括直线模组,直线模组的移动平台上有刚性支架,刚性支架上设有转镜电机、激光器,转镜电机输出轴与多面反射镜的中心孔紧密配合,多面反射镜的圆周等分分布多个反射面,转镜电机可带动多面反射镜连续旋转；激光器射出的激光束,相对多面反射镜正截面并倾斜指向多面反射镜的中轴线,所形成的反射光束在直线模组上方的成像面上形成光斑；转镜电机带动多面反射镜连续旋转时,反射光束被多个反射面顺序偏转,使得光斑在成像面上往复扫描生成弯曲扫描线；成像面上方设有图像传感器,用于将弯曲扫描线转换为数字化像素图,以确定弯曲扫描线中各投射像素在矩形成像区域中的行列位置。本发明光路简单、激光束能量损失小,最大光学扫描角接近2倍反射面圆周分度角,并能有效解决扫描线枕形畸变对成像精度影响。(The invention relates to a high-efficiency rotary scanning plane imaging device and a method, comprising a linear module, wherein a moving platform of the linear module is provided with a rigid support, the rigid support is provided with a rotating mirror motor and a laser, an output shaft of the rotating mirror motor is tightly matched with a central hole of a multi-surface reflector, the circumference of the multi-surface reflector is equally distributed with a plurality of reflecting surfaces, and the rotating mirror motor can drive the multi-surface reflector to continuously rotate; the laser beam emitted by the laser is obliquely directed to the central axis of the multi-surface reflector relative to the normal section of the multi-surface reflector, and the formed reflected beam forms a light spot on an imaging surface above the linear module; when the rotating mirror motor drives the multi-surface reflector to continuously rotate, the reflected light beams are sequentially deflected by the plurality of reflecting surfaces, so that the light spots are scanned on the imaging surface in a reciprocating manner to generate curved scanning lines; an image sensor is arranged above the imaging surface and used for converting the bent scanning lines into a digital pixel map so as to determine the row and column positions of the projection pixels in the bent scanning lines in the rectangular imaging area. The invention has simple light path and small energy loss of laser beams, the maximum optical scanning angle is close to 2 times of the circumferential dividing angle of the reflecting surface, and the influence of scanning line pincushion distortion on the imaging precision can be effectively solved.)

一种高效率旋转扫描平面成像装置及方法

技术领域

本发明涉及三维打印机领域，尤其是一种高效率旋转扫描平面成像装置及方法。

背景技术

多面反射镜旋转扫描装置采用正多边形截面的棱柱反射镜，配合高速主轴每秒可输出数百至数千条激光扫描线，被广泛用于激光打印机、高分辨率光学图像采集等设备中，不仅扫描速度快，而且具有运转平稳、电机发热小、噪音低等优势。为了消除扫描线在平面成像面上的枕形失真，传统的多面反射镜旋转扫描装置普遍采用正截面入射光路。枕形畸变来源于多面反射镜的偏转反射结构，当入射光束与反射镜正截面存在夹角α时，反射光束到达成像面时，成像光斑相对于入射点处正截面有投影高度h，h是反射光程d与夹角α正弦函数值的乘积；由于反射光程d随多面反射镜偏转而变化，导致成像光斑扫描线在平面成像面上呈现中心对称的枕形弯曲形态，只有夹角α为零、即采用正截面入射光路时，成像光斑扫描线才为直线。但在实践中，采用正截面入射光路极易造成激光光源与反射光束发生几何干涉，为此不得不限制多面反射镜的有效偏转角，使得激光扫描窗口变窄。这不仅缩小了扫描幅宽，而且直接导致激光器功率利用率低下。

近年来，快速发展的增材技术促进355nm至405nm波长的紫外激光扫描成像装置，在多类型光固化三维打印机中得以广泛应用。其中最普遍的是检流计式两轴联动扫描振镜，其矢量扫描方式对激光器标称功率的利用率高，但在处理复杂图形时，频繁的矢量转弯及空程跳转会大幅降低平均扫描线速度，使其难以实现复杂零件的高速打印。近期，有专利文献和媒体资料公开报道基于微机电系统(MEMS)高速微振镜，以及多面反射镜旋转扫描装置的光固化三维打印技术，但前者的打印精度及精度稳定性还有待提高，而后者对激光器利用效率低下的问题依旧存在，特别是紫外激光器在光固化三维打印机总成本中的占比长期居高不下，造成整机费效比低下。也有报道采用多次反射光路校正枕形畸变、提升激光器利用效能的技术方案，但其光路结构复杂、激光束多次反射产生的能量损耗问题还亟待解决。目前，针对进一步提升激光器利用效能的迫切需求，在激光扫描成像领域，尚缺少一种光路简单、激光束能量损失小、扫描窗口宽，并能有效解决扫描线枕形畸变对成像精度影响的高效率旋转扫描平面成像方法。

发明内容

本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种光路简单、激光束能量损失小，最大光学扫描角接近2倍反射面圆周分度角，并能有效解决扫描线枕形畸变对成像精度影响的高效率旋转扫描平面成像装置及方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种高效率旋转扫描平面成像装置，包括直线模组，直线模组的移动平台上有刚性支架，刚性支架上设有转镜电机、激光器，转镜电机输出轴与多面反射镜的中心孔紧密配合，多面反射镜的圆周等分分布多个反射面，转镜电机可带动多面反射镜连续旋转；激光器射出的激光束，相对多面反射镜正截面并倾斜指向多面反射镜的中轴线，所形成的反射光束在直线模组上方的成像面上形成光斑；转镜电机带动多面反射镜连续旋转时，反射光束被多个反射面顺序偏转，使得光斑在成像面上往复扫描生成弯曲扫描线；成像面上方设有图像传感器，用于将弯曲扫描线转换为数字化像素图，以确定弯曲扫描线中各投射像素在矩形成像区域中的行列位置。

作为优选，多面反射镜的圆周等分分布有三个反射面。

作为优选，扫描控制器分别与直线模组、转镜电机、激光器、图像传感器连接。

作为优选，扫描控制器内有解码器模块一、解码器模块二、行扫描控制模块、列扫描控制模块、行列校正模块、激光控制模块，转镜电机与解码器模块一连接，解码器模块一与行扫描控制模块连接，直线模组与解码器模块二连接，解码器模块二与列扫描控制模块连接，行扫描控制模块、列扫描控制模块与行列校正模块连接，行列校正模块与激光控制模块连接，激光控制模块与激光器连接。

一种高效率旋转扫描平面成像方法，直线模组带动由刚性支架、转镜电机、激光器、多面反射镜组合而成的多面反射镜旋转扫描装置，从扫描起始行向终止行移动；直线模组移动期间，多面反射镜投射的弯曲扫描线，在成像面上沿直线模组移动方向逐行排列，形成扫描区域；直线模组继续移动并到达扫描终止行时，扫描区域也沿着直线模组的移动而向前扩展，直至完全覆盖成像面的矩形成像区域；直线模组移动过程中，弯曲扫描线中的瞬时成像像素位于矩形成像区域内时，扫描控制器将本次扫描平面图像对应位置的像素灰度值，输出为激光器的亮度控制信号，使得矩形成像区域内各成像像素亮度与平面图像一致。

本发明转镜电机内有旋转编码器，转镜电机带动多面反射镜旋转1圈，旋转编码器输出m个增量脉冲、1个同步脉冲至扫描控制器；扫描控制器对旋转编码器的增量脉冲信号和同步脉冲进行解码：每个增量脉冲计数寄存器值加1，计数寄存器值增至m时归零重新计数，收到同步脉冲时则将计数寄存器置为初值；令多面反射镜有n个反射面，扫描控制器在计数寄存器值分别为{0，m/n，2m/n…(n-1)*m/n}时，产生1号至n号反射面的行同步信号，扫描控制器在1至m/n间调整计数寄存器初值，使得行同步信号与各反射面的初始扫描角重合；令扫描线包含k个像素，扫描控制器根据反射光路参数，对行同步信号周期的系统时钟数进行等间距分割，得到1号至k号像素的时钟区间表；扫描控制器在每个行同步信号周期内，实时查询系统时钟计数值在时钟区间表内的位置，以确定投射像素在扫描线中的像素编号，扫描控制器根据直线模组位置信号，实时计算扫描线在成像面的行位置，以确定投射像素在平面图像数据中的列编号；扫描控制器根据所得像素编号及列编号，将本次投射平面图像数据中对应像素的灰度值输出为激光器亮度控制信号。

本发明激光器发出的激光束相对多面反射镜正截面，以夹角α射向多面反射镜；直线模组静止时，反射光束在成像面上生成中心对称的弯曲扫描线，为补偿弯曲扫描线产生的成像畸变，需进行转镜成像校准；为此，扫描控制器先发出定位信号至直线模组，控制直线模组将弯曲扫描线的行位置定位于图像传感器正下方；扫描控制器依次投射k个特别构造的单行像素图：每个单行像素图仅有1个像素灰度值为最大值、其余像素灰度值均为0，且灰度值最大像素的编号按投射次序从1到k排列；扫描控制器控制图像传感器，在转镜投射每个单行像素图期间，将成像面的弯曲扫描线转换为数字化像素图，进而识别图中高亮光斑在成像面的实际像素位置，并建立投射像素位置(行位置、像素编号)与成像像素位置(行位置、列位置)行列偏差表；本发明直线模组的运动方向与转镜旋转扫描方向正交，直线模组带动转镜及弯曲扫描线定位于不同行位置时，扫描控制器投射像素位置与成像面成像像素位置的行列偏差表不变。

本发明转镜进行连续逐行扫描时，令成像面总行数为q，扫描控制器发出运动信号至直线模组，控制直线模组带动转镜及弯曲扫描线，从成像面第1行平稳移动至q行；直线模组移动期间，扫描控制器根据直线模组位置及行间距，实时计算弯曲扫描线的行位置，并根据行同步信号周期的系统时钟计数值，综合得出弯曲扫描线中实时投射像素的行列位置，进而查询转镜成像校准环节所建立的行列偏差表，得到实时投射像素与成像像素位置的行列偏差值；扫描控制器将查询所得行列偏差值补偿至实时投射像素位置，得到实际成像像素位置在本次投射平面图像数据中的行列位置，并将该行列位置像素的灰度值输出为激光器亮度控制信号；上述像素灰度值输出为激光器亮度控制信号的过程，在直线模组移动至q行过程中持续进行，直至本次投射平面图像数据的全部像素，按成像面上扫描光斑的移动顺序输出完毕，从而通过单点成像光斑的逐行扫描运动，在成像面上重构平面图像。

本发明的转镜反射面偏转反射入射光束时，反射光束与入射光束分布在反射点处转镜正截面的两侧，反射光束在反射面偏转角范围内，与入射光束无重合干涉；不计光斑宽度时，本发明转镜反射面的最大光学扫描角可达反射面圆周分度角的2倍，相应的，转镜反射面行同步信号的最大占空比可达100％，亦即转镜逐行扫描期间的任意时刻，激光器输出光束均用于在成像面上重构待投射平面图像，且激光器的实时光束亮度均与待投射平面图像的像素灰度值一一对应；本发明的激光器不存在由于反射光束无法到达成像面而被迫关闭的情况。

本发明直线模组带动转镜连续逐行扫描时，弯曲扫描线逐行排列、覆盖成像面的矩形成像区域，弯曲扫描线的瞬时成像像素进入矩形成像区域时，扫描控制器根据瞬时成像像素在矩形成像区域的行列位置，将本次投射平面图像数据中对应像素的灰度值，输出为激光器亮度控制信号，使得矩形成像区域的瞬时成像像素亮度，始终与平面图像数据的灰度值一致，从而在成像区域重构亮度分布与平面图像数据一致的扫描图像；

本发明的高效率旋转扫描平面成像方法，无需采用精密光学元件将转镜在成像面的弯曲扫描线矫正为直线，亦无需精确调整扫描线在矩形成像区域的方向，使得扫描线方向与矩形成像区域的行方向重合；本发明光路简单，激光器、成像面相对转镜的安装偏差，可通过转镜成像校准环节得以补偿；本发明激光器发出的激光束经转镜1次反射后直接成像，激光束能量损失小、效率高；本发明激光器在连续逐行扫描过程中，激光器被动关闭时间短、利用率高，本发明方案合理，可在各种激光扫描光固化三维打印机中推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例的总体结构示意图；

图2为本发明实施例的控制信号连接图；

图3为本发明实施例的逐行扫描平面成像示意图；

图4为本发明实施例的激光器亮度控制逻辑图；

附图标记说明：直线模组1，刚性支架2，转镜电机3，激光器4，激光束41，反射光束42，多面反射镜5，反射面一51、反射面二52、反射面三53，成像面6，光斑61，弯曲扫描线62，矩形成像区域63，图像传感器7，扫描控制器100，解码器模块一101，解码器模块二102，行扫描控制模块103，列扫描控制模块104，行列校正模块105，激光控制模块106。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例：

如图1，一种高效率旋转扫描平面成像装置，直线模组1的移动平台上有刚性支架2，刚性支架2上有转镜电机3、激光器4，转镜电机3输出轴与多面反射镜5的中心孔紧密配合(本实施例中多面反射镜为3面)，多面反射镜5的圆周等分分布反射面一51、反射面二52、反射面三53，转镜电机3可带动多面反射镜5连续旋转；激光器4射出的激光束41，相对多面反射镜5正截面、倾斜指向多面反射镜5的中轴线，反射光束42在直线模组1上方的成像面6上形成光斑61；转镜电机3带动多面反射镜5连续旋转时，反射光束42被反射面51、52、53顺序偏转，使得光斑61在成像面6上往复扫描、生成弯曲扫描线62，多面反射镜5每转1圈，反射面51、52、53各驱动光斑61，在成像面6上进行1次扫描运动；成像面6上方有图像传感器7，图像传感器7可将成像面6上的弯曲扫描线62转换为数字化像素图，以确定弯曲扫描线62中各投射像素在矩形成像区域63中的行列位置。

如图2，扫描控制器100与直线模组1连接，扫描控制器100与转镜电机3连接，扫描控制器100与激光器4连接，扫描控制器100与图像传感器7连接；扫描控制器100发出电信号至直线模组1，以控制直线模组1带动由刚性支架2、转镜电机3、激光器4、多面反射镜5组合而成的多面反射镜旋转扫描装置连续移动，进而通过弯曲扫描线62对成像面6的矩形成像区域63进行逐行扫描；扫描控制器100发出电信号至转镜电机3，以控制转镜电机4带动多面反射镜5连续旋转，以驱动反射光束42偏转扫描，使得光斑61在成像面6上生成弯曲扫描线62；扫描控制器100发出电信号至图像传感器7，以控制图像传感器7采集成像面6上的弯曲扫描线62，并将采集所得数字化像素图回传至扫描控制器100；

如图4，扫描控制器100内有解码器模块一101、解码器模块二102、行扫描控制模块103、列扫描控制模块104、行列校正模块105、激光控制模块106；转镜电机3输出旋转脉冲信号至解码器模块一101，解码器模块一101输出多面反射镜5的角位置信号至行扫描控制模块103；直线模组1输出位移脉冲信号至解码器模块二102，解码器模块二102输出直线模组1的位置信号至列扫描控制模块104；行扫描控制模块103输出实时投射像素编号至行列校正模块105，列扫描控制模块104输出弯曲扫描线行位置至行列校正模块105，行列校正模块105根据实时投射像素的像素编号以及所属弯曲扫描线的行位置，输出实时成像像素的行列位置至激光控制模块106；激光控制模块106根据输入的行列位置，从本次投射平面图像数据中提取对应像素的灰度值，进而将灰度值转换为亮度控制信号以输出至激光器4。

如图3，一种高效率旋转扫描平面成像方法，直线模组1带动由刚性支架2、转镜电机3、激光器4、多面反射镜5组合而成的多面反射镜旋转扫描装置，从扫描起始行向终止行移动；直线模组1移动期间，多面反射镜5投射的弯曲扫描线62，在成像面6上沿直线模组移动方向逐行排列，形成扫描区域64；直线模组1继续移动并到达扫描终止行时，扫描区域64也沿着直线模组1的移动而向前扩展，直至完全覆盖成像面6的矩形成像区域63；直线模组1移动过程中，弯曲扫描线62中的瞬时成像像素位于矩形成像区域63内时，扫描控制器100将本次扫描平面图像对应位置的像素灰度值，输出为激光器4的亮度控制信号，使得矩形成像区域63内各成像像素亮度与平面图像一致。

本发明的高效率旋转扫描平面成像方法，其转镜电机内的旋转编码器每旋转1圈，所输出脉冲信号仅用于产生与反射面数量一致的行同步信号，编码器脉冲分辨率与扫描线像素密度无关，可采用低分辨率编码器、成本低且工作转速高；本发明多面反射镜反射面的行同步信号最大占空比可达100％，相同转速及系统时钟频率条件下，行同步信号周期的系统时钟数更多，扫描线可分割像素密度更高；本发明扫描控制器通过图像传感器，在线校准弯曲扫描线造成的成像畸变，可有效避免长期运行过程中，扫描装置光学组件结构变形、移位所引发的成像偏差。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。