北京理工大学光电学院复杂环境智能感测技术工信部重点实验室，北京 100081
光束扫描系统在光学显微成像中扮演着重要的角色，针对现有光束扫描中继系统尺寸、像差较大以及装调精度要求高的问题，提出一种双二维微机电系统（MEMS）振镜光束扫描方法。该方法采用两片二维MEMS振镜进行光束远心扫描，其中，一片MEMS振镜替代传统中继系统中的scan lens和tube lens，避免像差的引入，缩减系统尺寸，最终完成了小型化、结构简单和无像差的光束扫描系统设计。基于该方法构建了小型化共焦扫描显微镜，并对台阶样品进行扫描成像，验证了该方法的可行性。该方法为光学显微成像提供了一种新型的光束扫描手段，可为光学显微成像技术在深空探测、现场检测和生物医学等领域的进一步应用提供一种新的技术途径。
双二维微机电系统振镜 光束扫描 无像差 小型化 扫描成像 共焦 光学学报
2023, 43(21): 2111001
1 华中科技大学光学与电子信息学院激光加工国家工程研究中心，湖北 武汉 430074
2 江苏先河激光技术有限公司，江苏 宿迁 223800
为实现孔径和锥度可调的微孔加工，设计研制了一种基于双振镜组联动与Z轴上下移动的五轴四联动激光旋切系统。建立了微孔激光旋切物理模型，首先利用边缘轮廓确定微孔形状，再通过分层回型填充方法确定每个激光作用点的位置；然后基于聚焦光束不被遮挡和振镜偏转整体运动量少的原则，确定四个振镜的偏转角度；通过改变边缘轮廓端点数据，可分别实现方孔尺寸和锥度的灵活可控。采用15 W紫外皮秒激光器、两套相同的振镜和焦距为32 mm的远心透镜，配合三维平移工作台，搭建了激光旋切硬件系统，自主开发了多边形激光旋切控制软件。实验采用分层降焦打孔的方式，在厚度为250 μm的氮化硅材料上实现了55 μm×55 μm规格的正锥、零锥、负锥方形微孔的加工，并且还实现了不同孔径（30~80 μm）零锥方形微孔和三角形、五边形、六边形等其他形状微孔的加工。
激光技术 激光旋切 微孔加工 双振镜组 分层填充 锥度调节 中国激光
2023, 50(12): 1202402
1 天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津 300000
2 北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室，北京 100192
搭建了一种基于液体变焦透镜和振镜的三维光片显微成像系统，设计了振镜、液体变焦透镜、相机的同步控制采集成像系统，通过调谐振镜和液体变焦透镜，使得光片激发样品和成像同步，获得样品不同切面的图像堆栈并实现样品的三维重建。当采用数值孔径为0.3、放大倍率为10的成像物镜时，该系统的轴向扫描范围为507 μm，横向视场达到1970 μm×1300 μm，横向分辨率为1.32 μm，轴向分辨率可达12.75 μm。在轴向扫描过程中，系统的放大倍率保持恒定，可以用于对一定尺寸生物样品的成像实验和相关研究，并通过对斑马鱼胚胎进行成像验证所提系统对厚生物样品成像的可行性。
成像系统 光片显微成像 液体变焦透镜 振镜 三维成像
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所 通用光学定标与表征技术重点实验室， 安徽合肥23003
2 中国科学技术大学， 安徽合肥3006
针对特殊准直光源的稳定性控制需求，提出一种基于振镜的激光功率稳定控制方法。将石英片与振镜连接固定，采用入射光角度与透过率的关系作为信号调节原理，当振镜带动石英片旋转时，对石英片透射的光信号大小进行调节。基于菲涅尔定律，开展平板玻璃旋转角度与透过率参数分析，论证旋转角度范围等参数，为实现光源的功率稳定提供输出参数支持。利用监视反馈探测器进行实时数据监测和反馈。通过PID算法，对监视探测器信号与参考调节功率对应电压的误差进行调制，实现对振镜输出角度的准确调节。采用该功率稳定器对He-Ne 632.8 nm激光器进行了稳功率实验，并采用Trap探测器进行功率输出的实验验证。试验结果表明：经过功率稳定控制后的激光器稳定性：其标准离差率CV为0.016%（1 800 s），其峰峰起伏SV为±0.042%（1 800 s）。峰峰起伏SV降至激光器自由运行时约为1/8.79，标准离差率CV改善1/13.76，稳定性得到了较好的改进。
激光功率稳定 振镜 菲涅尔定律 反馈控制 laser power stability scanlab Fresnel's law feedback control 光学 精密工程
2022, 30(24): 3189
1 上海科技大学创意与艺术学院智造系统工程中心，上海 201210
2 上海电机学院材料学院，上海 201306
3 上海交通大学上海市激光制造与材料改性重点实验室，上海 200240
主要对比了QP1180高强钢在不同线扫描偏转角度下的激光焊接结果，对接头的焊缝成形、显微组织、拉伸性能和硬度进行了分析。研究结果表明：增加线扫描偏转角度会增加焊缝宽度，但会降低焊缝熔深；偏转角度为45°的线扫描方式可以在保证熔深、不降低焊接速度的情况下，增大焊缝宽度，并有利于提高拼焊板间隙的适应性。由于热影响区的软化区是板条马氏体回火、碳化物分解和位错密度降低引起的，振镜线扫描激光焊接增加了焊缝宽度和软化区宽度，改变了拉伸变形的应力应变分布和断裂位置。
激光技术 振镜扫描 热效应 高强钢 显微组织 中国激光
2022, 49(22): 2202015
1 华中科技大学光学与电子信息学院激光加工国家工程研究中心，湖北 武汉 430074
2 武汉武钢华工激光大型装备有限公司，湖北 武汉 430223
为了提高激光淬火硬化层形貌的均匀性，提出了一种基于振镜变速扫描的激光淬火光学系统。系统由QBH(quartz block head)、准直聚焦一体镜、单轴振镜和振镜变速扫描控制系统等组成。通过设定振镜扫描系统的变速区域宽度和变速系数，可实现能量中间低、两端高的“鞍形”光场分布。建立了重复变速扫描系统的等效热作用光场模型，并通过ANSYS软件模拟了45钢激光淬火过程中的温度场。重点分析了振镜扫描系统的变速系数和变速区域宽度对淬火后相变硬化层均匀性的影响。仿真结果表明，变速系数或变速区域的增大改善了硬化层的均匀性。采用千瓦级光纤激光器作为光源，进行了等变速区域不同变速系数的激光淬火实验。取硬化层深度降低至最大值90%的位置作为匀化区域的边界，变速系数为0.8时获得的硬化层的匀化区域宽度为5.1 mm，比振镜匀速扫描的匀化效果提升了约42%，实验结果与仿真结果吻合较好。
激光技术 激光淬火 振镜变速扫描 光场调控 温度场仿真 光学系统 中国激光
2022, 49(22): 2202005
1 河北科技大学机械工程学院, 河北 石家庄050018
2 石家庄铁道大学机械工程学院, 河北 石家庄 050043
3 河北博柯莱智能装备科技股份有限公司, 河北 邯郸 057150
线结构光振镜扫描测量系统通过单个反射镜片摆动实现被测对象三维面形的测量,具有环境适应性强、测量速度快和结构紧凑等优点。为降低系统装调难度、提升标定方法的通用性,提出了直接建立反射激光平面方程系数与振镜摆角关系的标定思路。考虑系统各元件间的相对位姿关系,推导并得到了激光平面各系数与振镜摆角的一般表达式。根据特定摆角处得到的激光平面方程系数,采用最小二乘方法得到该表达式中的待定系数。实验结果表明,采用所提方法标定的测量系统对阶梯块高度测量的最大相对偏差为-0.3029%,成功实现了复杂曲面的多尺度特征获取。
机器视觉 线结构光 振镜扫描 系统标定 光学学报
2022, 42(10): 1015001
南京航空航天大学 理学院 应用物理系, 南京 210016
为了提高微型无人机(MUAV)的续航时间, 基于二轴扫描振镜的工作原理, 设计了一套激光对MUAV的远程实时跟瞄充电系统。系统采用硅光电池阵列作为光斑位置传感器, 其信号经扫描跟踪算法处理后, 在地面与MUAV间建立起无线数传反馈链路, 控制二轴扫描振镜改变激光发射方向, 实现激光束对MUAV的扫描与实时跟踪; 同时硅光电池阵列也作为充电器件, 实现对MUAV的实时充电。结果表明,当MUAV在高度为80m、直径50m圆形区域内以低于2m/s速率飞行时, 可实现激光对MUAV的准确跟踪, 跟瞄精度小于0.63mrad。该系统具有跟踪速度快、瞄准精度高的特点,为激光对移动目标的远程实时能量传输提供了一种有效的解决方案。
激光技术 激光充电 扫描振镜 硅光电池阵列 跟踪瞄准 微型无人机 laser technique laser charging scanning galvanometer silicon photocell array tracking and aiming micro-unmanned aerial vehicle
上海市激光技术研究所，上海市激光束精细加工重点实验室，上海 200233
采用振镜进行加工的激光切割设备，为了提高切割精度，首先需要对振镜进行标定，通行的标定方法是使用振镜在金属片或其他刚性材料上切割出一组具有固定图案（通常被称作mark点）的阵列，然后用相机逐一读取该阵列中每个图案的具体位置，据此计算校正网格并实施校正。圆形和十字形是两种最常使用的mark点形状。对这两种mark点对振镜标定精度的影响进行了对比试验，结果表明，圆形mark点标定的精度更好。在平台重复定位标准差约为1 μm的情况下，圆形mark点标定后的振镜平均误差为1.99 μm，标准差为1.09 μm；十字形mark点标定后的振镜平均误差为2.95 μm，标准差为1.60 μm。
振镜 mark点形状 误差 精度 galvanometer mark point shape error accuracy
