CN109387354A - 一种光学扫描器测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学扫描器测试装置及测试方法，光源、滤光片和物镜依次同轴设置，被测扫描器反射镜置于物镜的光路上，平行光管位于被测扫描器反射镜的反射光路上，成像CCD像面位于平行光管的反射光路上；点光源经过物镜使光线入射到被测光学扫描器的反射镜，反射镜的反射光线经过平行光管的反射在成像CCD像面上成像，图像采集***采集成像CCD像面6的图像信号。该测试装置使光线入射到反射镜面，当光学扫描器带动反射镜旋转θ角度时，经过反射的反射光线与入射光线夹角为2θ角度。再通过使用焦距为f的光学镜头来接收反射光线，其在成像CCD像面的位移为L，通过几何光学解算，即可计算出光学扫描器转动的角度。

Description

一种光学扫描器测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于光学扫描器测试的技术领域，涉及一种光学扫描器测试装置及测试方法，是一种光学扫描器扫描角度、扫描速度均匀性的测试方法。

背景技术

光学扫描器作为高速、高均匀性扫描装置，广泛应用于激光打标机、线列成像组件等设备中，光学扫描器的扫描角度、扫描速度均匀性等参数，对实际应用影响很大，因此本发明设计了一种有效的光学光学扫描器功能、性能测试装置，能够用于对光学光学扫描器的测试，为光学光学扫描器选型及测试提供依据。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种光学扫描器测试装置及测试方法，能够对光学扫描器的扫描角度、扫描速度均匀性等进行准确测量。

技术方案

一种光学扫描器测试装置，其特征在于包括光源1、滤光片2、平行光管3、物镜4、成像CCD像面6和图像采集***；光源1、滤光片2和物镜4依次同轴设置，被测扫描器反射镜5置于物镜4的光路上，平行光管3位于被测扫描器反射镜5的反射光路上，成像CCD像面5位于平行光管3的反射光路上；点光源经过物镜4使光线入射到被测光学扫描器的反射镜5，反射镜5的反射光线经过平行光管3的反射在成像CCD像面6上成像，图像采集***采集成像CCD像面6的图像信号。

所述图像采集单元采用CameraLink图像采集卡，采用LVDS接口对光学扫描器实行启停控制。

所述成像CCD像面6采用高速面阵CCD相机STC-CMC_CMB200PCL。

一种利用所述光学扫描器测试装置进行测试的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：测试装置上电后，将光学扫描器放置于姿态调整单元，控制光学扫描器处于零位锁定状态；

步骤2：通过姿态调整单元，调整扫描电机使得被测扫描器反射镜5的反射光线经过物镜4和平行光管3后能够会聚到成像CCD像面6中心位置；

步骤3：启动光学扫描器，待光学扫描器稳定工作后，以闪频脉冲控制信号控制目标光源的光信号输出，图像采集以光学扫描器方向信号为外同步信号，采集成像CCD像面6的图像信号；

所述闪频脉冲控制信号的脉冲时间为10us，周期为500us；

步骤4：图像采集单元对采集到的图像数据进行数据处理，解算出不同时刻的光线位置，再推算出光学扫描器的扫描角度，进而解算出光学扫描器的扫描角度和扫描速度等参数：

步骤1)获取图像：建立1024×720数组存储图像灰度值，数组坐标代表图像像素点坐标，数组的值代表图像中该点位置的灰度值：

Pimage[x][y]＝Pgray

步骤2)图像滤波：对回去的图像数组进行预处理，去除噪点：

步骤3)图像二值化处理：将灰度图像转换为二值图

步骤4)图像光斑重心计算：L为重心位置，U为联通区域像元灰度，i为对于像元的位置；

步骤5)：重复步骤1)～步骤4)，获取若干帧图像中光斑位置数据L_i，再进行扫描器相关参数的计算：

扫描角度计算：tgθ＝ΔL/2f，ΔL为光斑最大位移量，f为测量光学***的焦距，θ为扫描角度；

扫描速度均匀性计算：利用CCD记录图像数据、时间信息并计算相应转角θ，采用最小二乘法统计出线性段平均速度ω₀，再利用转角信息差分计算各采样点速度统计出扫描器的速度均匀性

所述目标光源峰值波长在550nm。

有益效果

本发明提出的一种光学扫描器测试装置及测试方法，光学扫描器带动光学镜片在有限转角范围内规律运动，光学扫描器测试装置能够测量光学扫描器最大扫描角度、光学扫描器速度均匀性等关键参数。该测试装置依据光线反射原理，在光学扫描器前方设置点光源，使光线入射到反射镜面，当光学扫描器带动反射镜旋转θ角度时，经过反射的反射光线与入射光线夹角为2θ角度。再通过使用焦距为f的光学镜头来接收反射光线，其在成像CCD像面的位移为L，通过几何光学解算，即可计算出光学扫描器转动的角度。为保证测试结果的准确性，对光源进行滤波处理，采用长焦距光学镜头，并使用高分辨率CCD进行数字图像采集。为提高测试精度，本发明采用闪频测量方法，增加采样数据。

附图说明

图1是本发明实施例的测试装置***组成图

图2是本发明实施例的闪频测试原理图

图中：1-光源，2-滤光片，3-平行光管，4-物镜，5-被测扫描器反射镜，6-成像CCD像面，7-第一组光斑，8-第二组光斑，9-第三组光斑。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

该装置由测量光学***、目标光源和数字CCD相机、图像采集单元、光学扫描器姿态调整单元以及光学平台组成，光学平台用于放置测试装置；目标光源通过分划板等光束整形元件产生测试光线，测量光学***实现光束的汇聚，保证反射的光束汇聚成像到数字相机CCD焦平面上，图像采集单元使用图像采集卡将CCD输出的视频信号进行采集，并计算出光线在CCD焦平面上的位置，由此再根据测量光学***的焦距计算出光线的位移和偏转角度，光学扫描器字体调整单元用于对光学扫描器进行初始零位对准操作。

具体结构包括光源1、滤光片2、平行光管3、物镜4、成像CCD像面6和图像采集***；光源1、滤光片2和物镜4依次同轴设置，被测扫描器反射镜5置于物镜4的光路上，平行光管3位于被测扫描器反射镜5的反射光路上，成像CCD像面5位于平行光管3的反射光路上；点光源经过物镜4使光线入射到被测光学扫描器的反射镜5，反射镜5的反射光线经过平行光管3的反射在成像CCD像面6上成像，图像采集***采集成像CCD像面6的图像信号。

所述图像采集单元采用CameraLink图像采集卡，采用LVDS接口对光学扫描器实行启停控制。并通过上位机测试控制软件完成对目标光源以及数字相机的控制；图像采集单元使用LVDS接口完成对光学扫描器的启停控制。

所述成像CCD像面6采用高速面阵CCD相机STC-CMC_CMB200PCL。

所述的目标光源能够产生平行光束，并能够工作在各种时序的脉冲闪频状态，采用同步脉冲，光源开关时间足够短(＜10us)，并且要保证CCD相机成像清晰，因此需要光源具备较大的发光功率，经计算目标光源需具备瞬时发光能量在2000lux以上。

为保证CCD相机光斑色散效应尽量小，焦平面上光斑弥散斑尽量小，通过设置滤光片选择目标光源峰值波长在550nm左右。

所述的测量光学***包含一个平行光管，为保证测量光学扫描器最大扫描角度的要求，设计了大口径的会聚光学***，由会聚光学***将平行光会聚于CCD焦平面上。

所述的数字CCD相机具备高分辨率，能够工作在高帧频输出模式下，准确获取光线的位置。数字相机工作在外触发模式，使用光学扫描器的扫描方向信号进行数字相机的帧同步。

所述的图像采集算法采用多时序闪频测量方法，由于扫描器是连续往返运动，若采用一般摄像方法，数字CCD得到的是光线运动的轨迹，即一条亮线。本发明采用高速闪频的方法，光源工作在闪频状态，脉冲时间为10us，周期为500us，那么在CCD成像即为光斑状态，通过测量光斑的运动规律即可换算得到扫描器的运动规律。受限于数字相机的帧频和光源的闪频，在一个扫描周期测量的光斑数据量不能很大，为获得大量的测试数据，在此使用多时序脉冲发射技术：第一次，在第一个扫描周期，以扫描器方向信号为起始，不延时，每隔0.5ms发射一个闪频脉冲，脉冲持续时间为10us；第二次，在第一个扫描周期，同样以扫描器方向信号为起始，延时10us后，再每隔0.5ms发射一个闪频脉冲，脉冲持续时间为10us；依次类推，每次测量，均相对前一次进行延时10us，经过若干个周期后，能够获得扫描器不同时刻的扫描角度位置信息，这样在不增加数字相机输出频率的情况下，提高了采样速率。

所述的姿态调整单元具备二维微调功能，使光学扫描器反射镜处于最佳的测试位置，保证目标光源的入射光线照射到反射镜上，并且保证测量光学***接收反射光线。

在本实施例中，目标光源选择波长为525nm的LED，发光强度设置在5×10⁷lux，既保证CCD焦平面响应有一定强度，又避免过亮饱和。目标光源前置点状分划板，对光斑进行整形，设置孔径为0.1mm；采用高速MOS管作为LED光源的驱动，其最大电流小于0.1A，开关时间在50ns以下，保证LED闪频具备很好的动态特性。

由于光学扫描镜的转角范围为±7°，为涵盖扫描镜的角度范围，本实施例中，测量光学***选择14mm的标准广角镜头，视场角为32°，有效口径80mm，保证反射光全部进入平行光管。

本实施例中，选择高速面阵CCD相机STC-CMC_CMB200PCL，分辨率1024×720，像元尺寸5.5um×5.5um，成像帧频≥500Hz，中心响应波长500nm。图像采集单元包含PC机和CamerLink图像采集板卡等，对整个测试装置进行控制和状态监控，并对测试结果进行管理。具体方法如下：

1、获取图像，建立1024×720数组存储图像灰度值，数组坐标代表图像像素点坐标，数组的值代表图像中该点位置的灰度值；

Pimage[x][y]＝Pgray

2、图像滤波，对回去的图像数组进行预处理，去除噪点；

3、图像二值化处理，将灰度图像转换为二值图；

4、图像光斑重心计算，L为重心位置，U为联通区域像元灰度，i为对于像元的位置；

5、利用上述1～4的方法获取若干帧图像中光斑位置数据L_i，再进行扫描器相关参数的计算。

其中，扫描角度计算方法为：

tgθ＝ΔL/2f

式中，ΔY为光斑最大位移量，f为测量光学***的焦距，θ为扫描角度。

扫描速度均匀性计算方法为：

采集CCD记录图像数据、时间信息并计算相应转角，采用最小二乘法统计出线性段平均速度ω₀，再利用转角信息差分计算各采样点速度ω_n，统计出扫描器的速度均匀性。

每个采样点处则速度不均匀性为

Claims (5)

1.一种光学扫描器测试装置，其特征在于包括光源(1)、滤光片(2)、平行光管(3)、物镜(4)、成像CCD像面(6)和图像采集***；光源(1)、滤光片(2)和物镜(4)依次同轴设置，被测扫描器反射镜(5)置于物镜(4)的光路上，平行光管(3)位于被测扫描器反射镜(5)的反射光路上，成像CCD像面(5)位于平行光管(3)的反射光路上；点光源经过物镜(4)使光线入射到被测光学扫描器的反射镜(5)，反射镜(5)的反射光线经过平行光管(3)的反射在成像CCD像面(6)上成像，图像采集***采集成像CCD像面(6)的图像信号。

2.根据权利要求1所述光学扫描器测试装置，其特征在于：所述图像采集单元采用CameraLink图像采集卡，采用LVDS接口对光学扫描器实行启停控制。

3.根据权利要求1所述光学扫描器测试装置，其特征在于：所述成像CCD像面(6)采用高速面阵CCD相机STC-CMC_CMB200PCL。

4.一种利用权利要求1～3所述任一项光学扫描器测试装置进行测试的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：测试装置上电后，将光学扫描器放置于姿态调整单元，控制光学扫描器处于零位锁定状态；

步骤2：通过姿态调整单元，调整扫描电机使得被测扫描器反射镜(5)的反射光线经过物镜(4)和平行光管(3)后能够会聚到成像CCD像面(6)中心位置；

步骤3：启动光学扫描器，待光学扫描器稳定工作后，以闪频脉冲控制信号控制目标光源的光信号输出，图像采集以光学扫描器方向信号为外同步信号，采集成像CCD像面(6)的图像信号；

所述闪频脉冲控制信号的脉冲时间为10us，周期为500us；

步骤4：图像采集单元对采集到的图像数据进行数据处理，解算出不同时刻的光线位置，再推算出光学扫描器的扫描角度，进而解算出光学扫描器的扫描角度和扫描速度等参数：

步骤1)获取图像：建立1024×720数组存储图像灰度值，数组坐标代表图像像素点坐标，数组的值代表图像中该点位置的灰度值：

Pimage[x][y]＝Pgray

步骤2)图像滤波：对回去的图像数组进行预处理，去除噪点：

步骤3)图像二值化处理：将灰度图像转换为二值图

步骤4)图像光斑重心计算：L为重心位置，U为联通区域像元灰度，i为对于像元的位置；

步骤5)：重复步骤1)～步骤4)，获取若干帧图像中光斑位置数据L_i，再进行扫描器相关参数的计算：

扫描角度计算：tgθ＝ΔL/2f，ΔL为光斑最大位移量，f为测量光学***的焦距，θ为扫描角度；

扫描速度均匀性计算：利用CCD记录图像数据、时间信息并计算相应转角θ，采用最小二乘法统计出线性段平均速度ω₀，再利用转角信息差分计算各采样点速度统计出扫描器的速度均匀性

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于：所述目标光源峰值波长在550nm。