以19路、127路和919路激光相干阵列为模型，通过倾斜波前调控技术对阵列光场的子阵元施加倾斜相位控制，对倾斜可控阵列光场的大角度二维扫描特性进行了理论和实验研究。结果表明，所提出的方法可实现大视场范围内任意位置的单点扫描，同时得到能量分布均匀的二维连续扫描路径，实现特殊光场图案定制。此外，该方法具有扫描范围不受限制、扫描模式准连续以及衍射效率高等特点，在提升输出功率和扫描精度等方面具有优势。

提出一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)电控实现快速扫描的透镜辅助的二维光束扫描和测距装置。利用二叉树结构的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)光开关,结合FPGA逐级切换和脉冲宽度调制(PWM)技术,实现了具有16个自由切换扫描角度、19.5 m测距距离和2 cm测距误差的激光雷达原理系统。这项工作展现了FPGA电控在透镜辅助光束扫描技术中的高效控制方式,选取的电控方案对N路光束发射(即N个光束扫描角度)只需要log N路PWM波形输出。相比于典型的光相控阵(OPA)技术中N路光束发射需要N个数模转换器(DAC)的电控方案,即控制复杂度为O(N),本方案极大地降低了控制复杂度(O(log N))和系统成本,因此有望对基于集成光束扫描技术的激光雷达系统的真正应用提供参考。

传统方案将单体式二维MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）微镜作为扫描结构,但其制造工艺复杂且在工作过程中存在失效率高的问题。鉴于此,将成本更低廉的两个一维静电式MEMS微镜进行封装组合以得到二维扫描器件模块,通过对器件的设计和制造工艺的研究,最终研制出MEMS二维扫描器件模块,整个器件模块具有结构紧凑、制造工艺简单、成本低、可靠性高且易于批量制造的优点。实验结果表明,MEMS二维扫描器件模块在X轴方向的扫描光学角度可达48.0°（驱动频率为28.25 kHz,电压160 V）,在Y轴方向的扫描光学角度可达12.5°（驱动频率为3.80 kHz,电压为160 V）,光学性能可媲美单体式二维MEMS微镜,满足微型激光投影领域的使用需求。

针对接触式测量高铁机车静态限界效率低、精度低、耗时长、劳动强度大等问题,基于回转射线簇测量的原理,研制出新型的高铁静态限界二维扫描传感器。传感器安装在运动导轨上,可实现静态限界的高效自动化测量。借助高精度大理石平面对传感器进行标定,建立测量系统的坐标系,结合外部标定,将传感器测量结果转换到轨道坐标系下的三维坐标,从而得到高铁的静态限界测量数据。实验验证,该传感器精度优于1 mm,满足了静态限界测量的需求。

光束扫描系统是激光雷达的重要组成部分, 决定了激光雷达的视场范围。为了增大视场范围同时保持一定的角度分辨率, 车载激光雷达中常采用多个半导体激光器作为光源, 而不同激光器的时间响应存在差异, 使激光雷达的不同测距通道之间产生测距互差。 Risley棱镜是一种常用的光束指向器件, 具有扫描范围大、指向精度高等特点, 在车载激光雷达的光束扫描上具备良好的应用前景。本文建立了Risley棱镜的光束指向角模型与扫描轨迹模型, 在此基础上合理设计了扫描系统的光机结构, 解决了Risley棱镜扫描不均匀的问题, 用单路激光光源实现了大视场的二维扫描, 水平视场角和垂直视场角分别达到360°和30.4°, 当激光器脉冲重频为1 MHz, 扫描频率为5 Hz, 扫描线数为30线时, 水平分辨率为0.05°, 垂直分辨率为1.0°。该系统的技术指标与主流车载激光雷达相当, 且消除了多路激光器之间的互差, 可有效提高激光雷达的整体测距精度。

本文针对电机直接驱动式扫描机构的缺点, 设计了一种电机直驱与曲柄连杆驱动相结合的二维快速扫描机构, 该机构结构紧凑、扫描速度快, 同时可以极大降低对驱动电机的力矩要求。

以太赫兹(THz)量子级联激光器为光源、低温热辐射计为信号接收端, 采用可旋转和平移的二维扫描平台搭建反射式快速扫描成像系统。通过计算机控制扫描平台进行连续的旋转与平移运动, 实时获取探测信号强度和样品位置信息, 成功实现对直径为80 mm圆形区域的快速扫描成像, 扫描时间为5 s, 图像的平均空间分辨率约为1 mm, 系统成像时间大幅缩短。此外, 成像装置中基于THz分束片的共光路设计, 可有效减少系统光路元件, 进一步缩小成像系统的体积。

开展了基于相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)技术的二维温度场扫描测量研究。通过同步扫描测量点及信号接收端的方式, 实验测量了甲烷/空气预混火焰水平截面离散点的温度, 并插值重建了二维温度场; 用同步扫描法调节测量点与火焰的位置, 实现了在扫描过程中对火焰同一空间位置的温度测量, 排除了火焰空间分布不均匀性对扫描测温结果的附加影响。最后分析了提出的扫描CARS测量系统在实验设定状态下的扫描测温A类不确定度。结果显示: 在扫描测量同一空间位置的实验中, 测得该点平均温度为2 074 K; 测温A类不确定度优于21 K。本研究量化了扫描CARS温度测量系统的不确定度, 提高了扫描温度测量结果的可信度, 为后续稳态火焰温度分布高精度测量、计算机流体动力学(CFD)模拟验证及燃烧基本问题研究奠定了实验基础。

扫描拼接技术由于原理简单、易于实现而被广泛应用于全景成像系统中,然而该系统中使用的二维扫描镜在工作过程中会引起图像旋转.对二维扫描镜引起的像旋进行特性分析能够指导全景成像系统中像旋校正.假设物理为球面,基于光学反射矢量理论基础对水平扫描和俯仰扫描进行像旋特性分析比较.仿真结果表明二维扫描镜在水平扫描时像旋角与旋转角比例为1∶1,而俯仰扫描不存在比例关系,可以对精确实现光机消像旋提供指导作用.

基于压电换能器技术设计了一种应用于光学相干层析成像的新型内窥式二维光纤扫描探头，即利用两片压电陶瓷片和一片薄导电基片驱动光纤探头.该探头利用光纤悬臂的共振特性，通过对压电陶瓷施加等于光纤共振频率的混频信号，能同时激发光纤悬臂两正交方向上的振动，可以实现光纤悬臂的二维扫描.建立了理论模型并进行了有限元仿真分析，最后搭建了实验系统，验证并获得了扫描图样.实验结果实现了光纤悬臂的二维扫描，扫描范围达到(500×500)μm，调节驱动信号振幅幅值可以调节扫描范围.实验结果与理论分析和仿真相吻合，验证了方案的可行性.