一種在行同步掃描中實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)相位精確可調(diào)的方法

通信作者：王春鵬，1974年5月，男，漢族，廣東揭陽(yáng)人，現(xiàn)就職于廣工揭陽(yáng)理工學(xué)院（籌），高級(jí)工程師，學(xué)士。研究方向：機(jī)電工程技術(shù)、測(cè)控系統(tǒng)集成應(yīng)用技術(shù)。

摘要：針對(duì)現(xiàn)有在行同步掃描中存在著缺陷，提出一種行同步掃描中實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)相位精確可調(diào)的方法;通過(guò)分析行同步掃描的工作原理，研究多個(gè)通道信號(hào)相位精確可調(diào)的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)算法，使各個(gè)通道的信號(hào)在整個(gè)掃描過(guò)程中相位精確可控，以解決掃描光學(xué)系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)通道間的相位誤差補(bǔ)償問(wèn)題，提高掃描精度。結(jié)果表明：采用本方法，可以準(zhǔn)確控制各通道的相位誤差，達(dá)到精確補(bǔ)償各通道的相位差的目的，相位補(bǔ)償精度達(dá)到一個(gè)時(shí)鐘源周期。

關(guān)鍵詞：行掃描;F-theta掃描透鏡;多通道;相位可調(diào);同步

一、前言

行同步掃描技術(shù)應(yīng)用在大多數(shù)采用光學(xué)掃描系統(tǒng)的設(shè)備中，如激光印像機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)、彩色打印機(jī)，其原理就是將圖像拆分成由行和列的像素構(gòu)成，每行提供一個(gè)同步信號(hào)作為每行輸出的基準(zhǔn)，在信號(hào)到達(dá)后按照順序?qū)⒚啃械母飨袼刂瘘c(diǎn)輸出。一些掃描系統(tǒng)中，如激光打標(biāo)機(jī)中的X方向和Y方向、彩色圖像中每個(gè)像素的紅、綠、藍(lán)三個(gè)數(shù)據(jù)等，其光學(xué)角度60度以上，需要較寬的掃描幅度，同時(shí)需要處理多個(gè)數(shù)據(jù)通道。由于光學(xué)的掃描角度變化較大，而且存在多個(gè)數(shù)據(jù)通道，為了能控制好光斑在整個(gè)掃描視場(chǎng)內(nèi)的質(zhì)量[1]（如光斑在視場(chǎng)中間和兩側(cè)的大小差異，各通道的光斑在視場(chǎng)的重復(fù)性等），以確保光學(xué)掃描系統(tǒng)的質(zhì)量，需要在掃描系統(tǒng)中要用到一些復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，以達(dá)到兩個(gè)目的：一個(gè)是保證每個(gè)數(shù)據(jù)通道在成像面上的位置上重合（即通道間的相位誤差）以及聚焦在成像面的焦點(diǎn)一致性（即光斑的畸變）。能否控制好這兩個(gè)誤差，是決定整個(gè)掃描系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。許多專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)這方面做了很多相關(guān)的研究，[2][3]，提出一些解決的方法。

解決光斑畸變的問(wèn)題一般都是用光學(xué)的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如采用F-theta鏡頭等[4][5]。不同波長(zhǎng)如RGB的激光通過(guò)F-theta鏡后會(huì)產(chǎn)生色散，即RGB各數(shù)據(jù)通道到達(dá)焦點(diǎn)時(shí)會(huì)有相位上的差異，從而導(dǎo)致光斑不重合。解決三色光相位的同步問(wèn)題，一般有兩種技術(shù)，一種是單獨(dú)用光學(xué)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種光學(xué)系統(tǒng)由于要同時(shí)滿(mǎn)足兩種誤差要求，所以設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也很麻煩，而且在應(yīng)用過(guò)程中很難調(diào)測(cè)，需要不斷地調(diào)整和匹配各種零部件，實(shí)用性較低，目前已經(jīng)很少使用;另一種是通過(guò)電子控制系統(tǒng)分別控制各個(gè)數(shù)據(jù)輸出的時(shí)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且通過(guò)電子控制系統(tǒng)的控制，能達(dá)到較高的精度，有較高的實(shí)用性，是目前比較常用的方法[6]。

而目前電子控制系統(tǒng)補(bǔ)償相位誤差的一般做法是對(duì)不同的通道采用不同的時(shí)鐘，時(shí)鐘的頻率根據(jù)所需要控制的誤差來(lái)計(jì)算得出。這種方案的問(wèn)題主要是相位控制的精度不高，一致性差，操作也不方便。相位誤差是由于不同光源在光學(xué)掃描系統(tǒng)中特性不同引起的，而光學(xué)掃描系統(tǒng)是由多個(gè)光學(xué)部件組成的，實(shí)際的誤差和理論存在一定差異;而且不同批次加工的光學(xué)零部件特性也存在差異，補(bǔ)償?shù)木热Q于所選擇的晶體頻率精度（各通道間頻率相差萬(wàn)分之幾）。光學(xué)系統(tǒng)實(shí)際誤差和理論誤差的差異等多種因素，很難做到精確補(bǔ)償，也無(wú)法控制誤差的一致性，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要根據(jù)不同的掃描鏡頭調(diào)整時(shí)鐘頻率，操作十分不便。

針對(duì)現(xiàn)有在行同步掃描中存在的缺陷，提出一種可以對(duì)多個(gè)通道信號(hào)的相位精確可調(diào)方法，使各個(gè)通道的信號(hào)在整個(gè)掃描過(guò)程中相位精確可控，以解決掃描光學(xué)系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)通道間的相位誤差補(bǔ)償問(wèn)題，提高掃描精度。

二、工作原理

激光掃描系統(tǒng)是將時(shí)間信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎涗浀目臻g信息的一種系統(tǒng)。它使某種信息通過(guò)光調(diào)制器對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制后，經(jīng)光束掃描器和F-theta鏡頭在接收器上成一維或二維掃描圖像[7]。

大多數(shù)光學(xué)掃描系統(tǒng)的設(shè)備中多采用行同步掃描技術(shù)，將圖像拆分成由行和列的像素構(gòu)成，每行提供一個(gè)同步信號(hào)作為每行輸出的基準(zhǔn)，在信號(hào)到達(dá)后按照順序?qū)⒚啃械母飨袼刂瘘c(diǎn)輸出。通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)解決相位重合問(wèn)題。原理是根據(jù)掃描系統(tǒng)中掃描反射鏡勻速擺動(dòng)的特點(diǎn)，通過(guò)控制不同通道輸出的時(shí)間差來(lái)達(dá)到相位誤差的目的。

圖1給出了不同的數(shù)據(jù)通道的掃描情況，數(shù)據(jù)通道（A，B，C）通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)在空間上重合在一起，進(jìn)入掃描反射鏡，經(jīng)過(guò)F-theta鏡頭，（一種能夠?qū)崿F(xiàn)等速掃描的聚焦透鏡，即對(duì)等角速度偏轉(zhuǎn)的入射光束在焦平面上實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性?huà)呙瑁┚€(xiàn)性成像，其像高y = f（θ）（像高y、入射角度θ），如圖2所示。從而實(shí)現(xiàn)在掃描視場(chǎng)范圍內(nèi)勻速掃描。由于不同波長(zhǎng)的光源經(jīng)過(guò)聚焦鏡頭后會(huì)有不同的折射，而產(chǎn)生各數(shù)據(jù)通道的光源往往是不同的，因此空間上重合的多個(gè)通道數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)聚焦鏡頭后會(huì)產(chǎn)生誤差，而且誤差隨入射角度的增大而增大。如圖1所示，假設(shè)掃描線(xiàn)速度為v，通道A和B同時(shí)發(fā)出的數(shù)據(jù)，在進(jìn)入掃描反射鏡前空間位置是重合的，經(jīng)過(guò)聚焦鏡頭后就會(huì)在掃描平面的掃描方向上產(chǎn)生一個(gè)Δh的位置誤差，由于掃描反射鏡是以v在掃描方向上勻速掃描的，所以這個(gè)誤差就相當(dāng)于A(yíng)和B之間有一個(gè)相位誤差Δt（Δt = Δh/v），即相當(dāng)于B通道只要推遲Δt的時(shí)間發(fā)出數(shù)據(jù)，就可以保證和A通道的數(shù)據(jù)重合在掃描平面上的同一個(gè)掃描點(diǎn)上，從而補(bǔ)償了聚焦鏡頭產(chǎn)生的相位誤差[8]?？刂葡到y(tǒng)就是按照上述的原理來(lái)進(jìn)行相位補(bǔ)償，從而解決相位重合的問(wèn)題。某個(gè)通道B在掃描視場(chǎng)上相對(duì)另一個(gè)通道A產(chǎn)生的相位誤差可以轉(zhuǎn)換成相對(duì)通道A的相對(duì)輸出時(shí)間差Δt，通過(guò)控制B輸出的時(shí)間和A相差Δt，保證同個(gè)像素的不同通道（A和B）經(jīng)過(guò)掃描系統(tǒng)后最終能在掃描平面上重合，達(dá)到補(bǔ)償相位誤差的目的。

三、設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)算法

（一）設(shè)計(jì)方法

掃描系統(tǒng)是將時(shí)間信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎涗浀目臻g信息的一種系統(tǒng)。在行同步掃描中，設(shè)計(jì)一種可以對(duì)多個(gè)通道信號(hào)的相位精確可調(diào)的方法，使各個(gè)通道的信號(hào)在整個(gè)掃描過(guò)程中相位精確可控，以解決掃描光學(xué)系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)通道間的相位誤差補(bǔ)償問(wèn)題，提高掃描精度。具體設(shè)計(jì)方法如下：

1. 選取一個(gè)時(shí)鐘源f，時(shí)鐘周期t = 1/f，要求f相對(duì)單個(gè)像素周期T要有足夠高的倍數(shù)，以保證相位調(diào)整的精度。

2. 根據(jù)掃描系統(tǒng)掃描一行數(shù)據(jù)所需的時(shí)間（Tsync）和每行曝光像素的點(diǎn)數(shù)（M），計(jì)算出曝光單個(gè)像素周期T（T = Tsync/M），這個(gè)T要求是t的整數(shù)倍，即T = N*t，N為整數(shù)。如果不是整倍數(shù)，則通過(guò)微調(diào)掃描系統(tǒng)的行掃描速度v來(lái)改變Tsync以滿(mǎn)足要求，因?yàn)閽呙柘到y(tǒng)的掃描速度是連續(xù)可調(diào)的，所以可以很容易達(dá)到這個(gè)調(diào)整目標(biāo)。

3. 以實(shí)際相位最快的通道作為基準(zhǔn)通道，其相位提前其他通道，設(shè)為通道A。（同理，也可以相位最慢的通道作為基準(zhǔn)通道）如經(jīng)過(guò)F-theta鏡后在掃描平面產(chǎn)生分離的點(diǎn)，離光軸最近的那個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的通道所需的頻率作為基準(zhǔn)通道A。

4. 對(duì)于通道A，其曝光單個(gè)像素的周期Ta在掃描過(guò)程中是不變的，即Ta = T，掃描一行數(shù)據(jù)所需的時(shí)間Tsynca = Tsync = M*T。

5. 對(duì)于其他通道，如通道B，其曝光單個(gè)像素的周期Tb在掃描過(guò)程中是變化的，其變化的規(guī)律和掃描的位置相關(guān)。

假設(shè)B相對(duì)A的相位差在當(dāng)前的掃描速度v下轉(zhuǎn)換成時(shí)間差為Δt，則要補(bǔ)償B相對(duì)A的相位差，必須要求B在每行的掃描過(guò)程中比A快Δt個(gè)時(shí)間片，即B掃描一行數(shù)據(jù)所需的時(shí)間Tsyncb = Tsynca-Δt。計(jì)算K = Δt/t，Int = M*t/Δt，K、Int均取整數(shù)。設(shè)k為像素點(diǎn)在每行中的位置，即k = 1～M，則Tb的值根據(jù)k的情況分別賦予：

（1）當(dāng)k等于Int的整數(shù)倍時(shí)（即k = Int*n，n為整數(shù)，n = 1～K），Tb = T-t;

（2）當(dāng)k不等于Int的整數(shù)倍時(shí)，Tb = T。

6. 根據(jù)5所述，B掃描一行數(shù)據(jù)所需的時(shí)間Tsyncb = （T-t）*K +（M-K）*T = M *T-K*t，因?yàn)門(mén)synca = M*T，Δt = K*t，所以Tsyncb = Tsynca-Δt，這樣使通道B的相位在每行的掃描過(guò)程中提前了K*t個(gè)時(shí)間片，由于本來(lái)B的相位落后A，Δt=K*t，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償，B和A的相位就相同了，從而達(dá)到補(bǔ)償相位差的目的。

7. 用此補(bǔ)償方法分別應(yīng)用到其他非基準(zhǔn)通道中，根據(jù)不同通道的情況，就能達(dá)到每個(gè)通道信號(hào)相位都精確可調(diào)的目的。

8. 本設(shè)計(jì)方法采用數(shù)字化的補(bǔ)償方式，只需通過(guò)設(shè)置不同的參數(shù)值Int，就能精確調(diào)整相位補(bǔ)償?shù)牧?，只要時(shí)鐘的精度足夠高，就能達(dá)到預(yù)期的補(bǔ)償精確度。操作十分方便。

（二）實(shí)現(xiàn)算法

實(shí)現(xiàn)行同步掃描中多通道信號(hào)相位精確可調(diào)的方法采用三個(gè)流程來(lái)完成。整體圖像輸出工作流程、正常無(wú)需進(jìn)行補(bǔ)償掃描流程和補(bǔ)償通道掃描流程（需要進(jìn)行補(bǔ)償）。

設(shè)每行曝光像素的點(diǎn)數(shù)為M，時(shí)鐘周期為t，則單個(gè)像素周期時(shí)間T = N*t，行掃描周期信號(hào)Sync，當(dāng)前掃描的像素位置計(jì)數(shù)器為k，對(duì)應(yīng)通道中，每行掃描需要補(bǔ)償?shù)臅r(shí)鐘周期數(shù)為K，每行數(shù)據(jù)中需要進(jìn)行補(bǔ)償?shù)南袼亻g隔為Int，當(dāng)行掃描周期信號(hào)有效時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行掃描處理。按照k = 1～M的過(guò)程逐個(gè)將數(shù)據(jù)輸出，在進(jìn)行多通道信號(hào)相位精確調(diào)整時(shí)，采用數(shù)字化的方式進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整。

1 圖像輸出工作流程

如圖3所示，設(shè)置各通道參數(shù)，寫(xiě)入圖像數(shù)據(jù)，行同步掃描中，當(dāng)行掃描周期信號(hào)有效時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行掃描處理。這時(shí)流程按照k = 1～M的過(guò)程逐個(gè)將數(shù)據(jù)輸出，在進(jìn)行多通道信號(hào)相位精確調(diào)整時(shí)，采用數(shù)字化的方式進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整，其中“第k個(gè)點(diǎn)輸出”過(guò)程按照兩種情況進(jìn)行執(zhí)行：

（1）正常無(wú)需進(jìn)行補(bǔ)償情況，具體見(jiàn)流程2;

（2）需進(jìn)行補(bǔ)償情況，具體見(jiàn)流程3。

2 正常無(wú)需進(jìn)行補(bǔ)償情況

正常無(wú)需進(jìn)行補(bǔ)償情況，如果該通道是基準(zhǔn)通道A，或者其他需補(bǔ)償?shù)姆腔鶞?zhǔn)通道，如通道B，而且當(dāng)前掃描的“第k個(gè)點(diǎn)輸出”位置k不等于Int*n（n為整數(shù)），則無(wú)需進(jìn)行補(bǔ)償，如圖4所示。

3 需進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r流程

當(dāng)該通道是非基準(zhǔn)通道（如通道B），而且當(dāng)前掃描的“第k個(gè)點(diǎn)輸出”像素點(diǎn)位置k = Int*n（n為整數(shù)），則需要進(jìn)行補(bǔ)償，具體流程如圖5。

在質(zhì)量較高的掃描系統(tǒng)，掃描系統(tǒng)要求在掃描平面內(nèi)的相位誤差控制在1/10光斑直徑以?xún)?nèi)，采用本方法可以很容易的將通道的相位誤差補(bǔ)償?shù)?/20個(gè)光斑直徑以?xún)?nèi)，誤差控制的精度高，實(shí)際操作和維護(hù)也十分便利。

由于采用數(shù)字化的方式補(bǔ)償，因此存在離散、采樣等誤差。根據(jù)激光印相機(jī)實(shí)際應(yīng)用的需求，當(dāng)兩種不同的光斑中心分離小于其直徑的1/10時(shí)，對(duì)圖片的清晰度和銳度等關(guān)鍵性能質(zhì)量指標(biāo)不會(huì)產(chǎn)生任何影響，也就是說(shuō)只要能保證光斑分離在1/10光斑以?xún)?nèi)，就能非常完美的達(dá)到補(bǔ)償要求。所以只要使用的時(shí)鐘源的時(shí)鐘周期t小于曝光單個(gè)像素周期T的1/20，即可滿(mǎn)足需求。本方法不局限于此應(yīng)用，其他應(yīng)用需求同樣可根據(jù)實(shí)際需要采用不同的時(shí)鐘頻率。所以采用本方法可以很容易的將垂軸誤差控制在1/20個(gè)光斑直徑以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足1/10光斑直徑的精度要求。同時(shí)，由于只要計(jì)算改變Int參數(shù)，就能很容易的改變補(bǔ)償垂軸色差的范圍，可以很容易的適應(yīng)不同的通道以及不同的F-theta鏡頭。

四、應(yīng)用測(cè)試

行同步掃描技術(shù)應(yīng)用在大多數(shù)采用光學(xué)掃描系統(tǒng)的設(shè)備中，通過(guò)采用一種可以對(duì)多個(gè)通道信號(hào)的相位精確可調(diào)的方法，使得各個(gè)通道的信號(hào)在整個(gè)掃描過(guò)程中相位精確可控，以解決掃描光學(xué)系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)通道間的相位誤差補(bǔ)償問(wèn)題，達(dá)到提高掃描精度的目的。

在一些圖像輸出質(zhì)量較高的掃描系統(tǒng)，如寬幅的彩色激光印像機(jī)中，幅寬30 in、40 in甚至50 in，分辨率要求300 dpi以上，掃描系統(tǒng)要求在掃描平面內(nèi)的相位誤差控制在1/10光斑直徑以?xún)?nèi)，采用本方法可以很容易的將通道的相位誤差補(bǔ)償?shù)?/20個(gè)光斑直徑以?xún)?nèi)，誤差控制的精度高，實(shí)際操作和維護(hù)也十分便利。

以激光印相機(jī)實(shí)際應(yīng)用中的“40 in激光相片輸出系統(tǒng)”為例。如圖6所示。

該激光印相機(jī)使用高精度檢流式振鏡及激光掃描系統(tǒng)，采用功率高穩(wěn)定度紅、綠、藍(lán)激光器組（包括光束整形系統(tǒng)）及其控制裝置，配用成像質(zhì)量?jī)?yōu)良的F-theta鏡頭和具有較高光強(qiáng)調(diào)制速率的數(shù)字AO控制器，采用光、電控制相結(jié)合的技術(shù)，有效的消除了垂軸色差。系統(tǒng)應(yīng)用行同步掃描中實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)相位精確可調(diào)這個(gè)技術(shù)。圖片的合光線(xiàn)從左到右的重合度都很高，各條合光線(xiàn)都很細(xì)實(shí)，非常清晰，輸出與其他圖片對(duì)比，圖片細(xì)節(jié)表現(xiàn)很好，圖像質(zhì)量得到很大提升。實(shí)際分辨率高，色域?qū)?，垂軸色差小，畸變小，重復(fù)度高，超長(zhǎng)出片長(zhǎng)度，超寬幅視場(chǎng)，成像質(zhì)量高。具體詳見(jiàn)表1。

測(cè)試結(jié)果表明：通過(guò)此方法能準(zhǔn)確控制各通道的相位誤差，精確補(bǔ)償各通道的相位差，相位補(bǔ)償精度達(dá)到一個(gè)時(shí)鐘源周期。

五、結(jié)論

本文通過(guò)使用一種在行同步掃描中實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)相位精確可調(diào)的方法，可以準(zhǔn)確控制各通道的相位誤差，達(dá)到精確補(bǔ)償各通道的相位差的目的，相位補(bǔ)償精度達(dá)到一個(gè)時(shí)鐘源周期。同時(shí)由于采用數(shù)字的方式，補(bǔ)償量是通過(guò)參數(shù)來(lái)設(shè)置的，可以很方便的適應(yīng)實(shí)際使用過(guò)程中產(chǎn)生的各種不同的誤差情況，對(duì)批量生產(chǎn)和維護(hù)起到很好的作用。

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廣工揭陽(yáng)理工學(xué)院（籌），廣東 515200