振镜二维扫描的图形畸变校正和曝光量补偿

　　1　引　　言

　　文中较详细地讨论了物镜前双振镜二维扫描光学系统在扫描过程中图形畸变的产生和哪些因素有关,并从畸变的产生根源中找到消除该畸变的方法。另 外,在矢量扫描方式中扫描的非线性将引起曝光量不均匀的问题,我们也给出了补偿曝光量不均匀性的办法。以上旨在为提高扫描精度提供一些参考依据和思路。

　　2　振镜二维扫描图形畸变

　　2.1　畸变的产生原因及定义

　　振镜二维扫描所产生的畸变与一般意义上的畸变像差有所不同。首先,从产生根源上看平常所说的畸变像差是由于成像系统中的一些光学元件本身存在像 差而导致在对具有一定几何形状的物体成像时产生像和物的不相似性。振镜二维扫描的畸变则是一种图形畸变,其所谓的物不是由真实的物点组成的,而是存储在主 控计算机中的一些扫描点的坐标数据,是数字化了的图形。在fθ物镜前振镜二维扫描系统(参见Fig.1)中,当主控计算机通过D/A转换将数字信号转换成 模拟信号来控制振镜偏转时是按照如下的像点坐标与振镜摆角的线性关系来处理的,即:

　　其中:f′为物镜焦距,正负号的选取与坐标系的选择相对应。

　　但实际上,由于存在入瞳漂移、fθ特性误差等因素的影响,使得上述线性关系不可能严格成立。另外,从下文推导像点坐标与振镜摆角的关系中还将看 到:即使忽略入瞳漂移和fθ特性误差的影响,从纯几何投影的角度来说在θ1和θ2均不为零的情况下上述关系也只是近似,只不过θ1和θ2越小则近似程度越 高。所以,这将造成扫描像点的定位精度误差从而引起图形畸变。其次,从畸变的对称性来看,同轴光学系统的畸变像差相对光轴具有轴对称性,可以通过纯光学的 方法校正,而振镜二维扫描光学系统属于非同轴的光学系统,其所产生的图形畸变一般不具有轴对称性,即畸变大小和形状在垂直光轴的平面内的各个方向上可能会 有所不同,所以不能用纯光学的方法加以校正。

　　2.2　图形畸变与振镜布放的关系

　　振镜二维扫描系统中双振镜可以有Fig.2中所示四种布放形式。当按(1)式简化控制振镜扫描一个正方形时,对应这四种布放形式将得到 Fig.3所示三种畸变图形。其中在Fig.2中的(a)、(b)两种布放形式下扫描图形畸变的大小和形状完全相同,都对应Fig.3(a),而 Fig.2的(c)和(d)两种布放形式分别对应Fig.3(b)和(c)。从畸变图形的对称性来看,Fig.3(a)关于像面坐标系X轴和Y轴都对称, 而Fig3(b)与(c)则只关于Y轴对称;从畸变大小上看,Fig.3(a)的畸变量要比Fig.3(b)和(c)小,这就是在二维振镜扫描应用中双振 镜一般采用Fig.2(a)或(b)所示布放形式的原因。