通信作者：王春鵬，1974年5月，男，漢族，廣東揭陽人，現(xiàn)就職于廣工揭陽理工學院（籌），高級工程師，學士。研究方向：機電工程技術(shù)、測控系統(tǒng)集成應用技術(shù)。

摘要：針對現(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現(xiàn)多通道信號相位精確可調(diào)的方法;通過分析行同步掃描的工作原理，研究多個通道信號相位精確可調(diào)的設計方法和實現(xiàn)算法，使各個通道的信號在整個掃描過程中相位精確可控，以解決掃描光學系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)通道間的相位誤差補償問題，提高掃描精度。結(jié)果表明：采用本方法，可以準確控制各通道的相位誤差，達到精確補償各通道的相位差的目的，相位補償精度達到一個時鐘源周期。

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)應用在大多數(shù)采用光學掃描系統(tǒng)的設備中，如激光印像機、激光打標機、彩色打印機，其原理就是將圖像拆分成由行和列的像素構(gòu)成，每行提供一個同步信號作為每行輸出的基準，在信號到達后按照順序?qū)⒚啃械母飨袼刂瘘c輸出。一些掃描系統(tǒng)中，如激光打標機中的X方向和Y方向、彩色圖像中每個像素的紅、綠、藍三個數(shù)據(jù)等，其光學角度60度以上，需要較寬的掃描幅度，同時需要處理多個數(shù)據(jù)通道。由于光學的掃描角度變化較大，而且存在多個數(shù)據(jù)通道，為了能控制好光斑在整個掃描視場內(nèi)的質(zhì)量[1]（如光斑在視場中間和兩側(cè)的大小差異，各通道的光斑在視場的重復性等），以確保光學掃描系統(tǒng)的質(zhì)量，需要在掃描系統(tǒng)中要用到一些復雜的光學系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，以達到兩個目的：一個是保證每個數(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一致性（即光斑的畸變）。能否控制好這兩個誤差，是決定整個掃描系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。許多專家和學者對這方面做了很多相關(guān)的研究，[2][3]，提出一些解決的方法。

解決光斑畸變的問題一般都是用光學的技術(shù)來實現(xiàn)，如采用F-theta鏡頭等[4][5]。不同波長如RGB的激光通過F-theta鏡后會產(chǎn)生色散，即RGB各數(shù)據(jù)通道到達焦點時會有相位上的差異，從而導致光斑不重合。解決三色光相位的同步問題，一般有兩種技術(shù)，一種是單獨用光學系統(tǒng)來實現(xiàn)，這種光學系統(tǒng)由于要同時滿足兩種誤差要求，所以設計非常復雜，實現(xiàn)起來也很麻煩，而且在應用過程中很難調(diào)測，需要不斷地調(diào)整和匹配各種零部件，實用性較低，目前已經(jīng)很少使用;另一種是通過電子控制系統(tǒng)分別控制各個數(shù)據(jù)輸出的時機來實現(xiàn)。這種技術(shù)的光學系統(tǒng)相對簡單，而且通過電子控制系統(tǒng)的控制，能達到較高的精度，有較高的實用性，是目前比較常用的方法[6]。

而目前電子控制系統(tǒng)補償相位誤差的一般做法是對不同的通道采用不同的時鐘，時鐘的頻率根據(jù)所需要控制的誤差來計算得出。這種方案的問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掃描系統(tǒng)中特性不同引起的，而光學掃描系統(tǒng)是由多個光學部件組成的，實際的誤差和理論存在一定差異;而且不同批次加工的光學零部件特性也存在差異，補償?shù)木热Q于所選擇的晶體頻率精度（各通道間頻率相差萬分之幾）。光學系統(tǒng)實際誤差和理論誤差的差異等多種因素，很難做到精確補償，也無法控制誤差的一致性，實際應用過程中需要根據(jù)不同的掃描鏡頭調(diào)整時鐘頻率，操作十分不便。

針對現(xiàn)有在行同步掃描中存在的缺陷，提出一種可以對多個通道信號的相位精確可調(diào)方法，使各個通道的信號在整個掃描過程中相位精確可控，以解決掃描光學系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)通道間的相位誤差補償問題，提高掃描精度。

二、工作原理

激光掃描系統(tǒng)是將時間信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎涗浀目臻g信息的一種系統(tǒng)。它使某種信息通過光調(diào)制器對激光進行調(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)光學掃描系統(tǒng)的設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，每行提供一個同步信號作為每行輸出的基準，在信號到達后按照順序?qū)⒚啃械母飨袼刂瘘c輸出。通過控制系統(tǒng)來解決相位重合問題。原理是根據(jù)掃描系統(tǒng)中掃描反射鏡勻速擺動的特點，通過控制不同通道輸出的時間差來達到相位誤差的目的。

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）通過光學系統(tǒng)在空間上重合在一起，進入掃描反射鏡，經(jīng)過F-theta鏡頭，（一種能夠?qū)崿F(xiàn)等速掃描的聚焦透鏡，即對等角速度偏轉(zhuǎn)的入射光束在焦平面上實現(xiàn)線性掃描）線性成像，其像高y = f（θ）（像高y、入射角度θ），如圖2所示。從而實現(xiàn)在掃描視場范圍內(nèi)勻速掃描。由于不同波長的光源經(jīng)過聚焦鏡頭后會有不同的折射，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通道數(shù)據(jù)在經(jīng)過聚焦鏡頭后會產(chǎn)生誤差，而且誤差隨入射角度的增大而增大。如圖1所示，假設掃描線速度為v，通道A和B同時發(fā)出的數(shù)據(jù)，在進入掃描反射鏡前空間位置是重合的，經(jīng)過聚焦鏡頭后就會在掃描平面的掃描方向上產(chǎn)生一個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，所以這個誤差就相當于A和B之間有一個相位誤差Δt（Δt = Δh/v），即相當于B通道只要推遲Δt的時間發(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掃描點上，從而補償了聚焦鏡頭產(chǎn)生的相位誤差[8]?？刂葡到y(tǒng)就是按照上述的原理來進行相位補償，從而解決相位重合的問題。某個通道B在掃描視場上相對另一個通道A產(chǎn)生的相位誤差可以轉(zhuǎn)換成相對通道A的相對輸出時間差Δt，通過控制B輸出的時間和A相差Δt，保證同個像素的不同通道（A和B）經(jīng)過掃描系統(tǒng)后最終能在掃描平面上重合，達到補償相位誤差的目的。

三、設計方法和實現(xiàn)算法

（一）設計方法

掃描系統(tǒng)是將時間信息轉(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，設計一種可以對多個通道信號的相位精確可調(diào)的方法，使各個通道的信號在整個掃描過程中相位精確可控，以解決掃描光學系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)通道間的相位誤差補償問題，提高掃描精度。具體設計方法如下：

1. 選取一個時鐘源f，時鐘周期t = 1/f，要求f相對單個像素周期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)所需的時間（Tsync）和每行曝光像素的點數(shù)（M），計算出曝光單個像素周期T（T = Tsync/M），這個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)，則通過微調(diào)掃描系統(tǒng)的行掃描速度v來改變Tsync以滿足要求，因為掃描系統(tǒng)的掃描速度是連續(xù)可調(diào)的，所以可以很容易達到這個調(diào)整目標。

3. 以實際相位最快的通道作為基準通道，其相位提前其他通道，設為通道A。（同理，也可以相位最慢的通道作為基準通道）如經(jīng)過F-theta鏡后在掃描平面產(chǎn)生分離的點，離光軸最近的那個點對應的通道所需的頻率作為基準通道A。

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

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

假設B相對A的相位差在當前的掃描速度v下轉(zhuǎn)換成時間差為Δt，則要補償B相對A的相位差，必須要求B在每行的掃描過程中比A快Δt個時間片，即B掃描一行數(shù)據(jù)所需的時間Tsyncb = Tsynca-Δt。計算K = Δt/t，Int = M*t/Δt，K、Int均取整數(shù)。設k為像素點在每行中的位置，即k = 1～M，則Tb的值根據(jù)k的情況分別賦予：

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

（2）當k不等于Int的整數(shù)倍時，Tb = T。

6. 根據(jù)5所述，B掃描一行數(shù)據(jù)所需的時間Tsyncb = （T-t）*K +（M-K）*T = M *T-K*t，因為Tsynca = 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程中提前了K*t個時間片，由于本來B的相位落后A，Δt=K*t，經(jīng)過補償，B和A的相位就相同了，從而達到補償相位差的目的。

7. 用此補償方法分別應用到其他非基準通道中，根據(jù)不同通道的情況，就能達到每個通道信號相位都精確可調(diào)的目的。

8. 本設計方法采用數(shù)字化的補償方式，只需通過設置不同的參數(shù)值Int，就能精確調(diào)整相位補償?shù)牧?，只要時鐘的精度足夠高，就能達到預期的補償精確度。操作十分方便。

（二）實現(xiàn)算法

實現(xiàn)行同步掃描中多通道信號相位精確可調(diào)的方法采用三個流程來完成。整體圖像輸出工作流程、正常無需進行補償掃描流程和補償通道掃描流程（需要進行補償）。

設每行曝光像素的點數(shù)為M，時鐘周期為t，則單個像素周期時間T = N*t，行掃描周期信號Sync，當前掃描的像素位置計數(shù)器為k，對應通道中，每行掃描需要補償?shù)臅r鐘周期數(shù)為K，每行數(shù)據(jù)中需要進行補償?shù)南袼亻g隔為Int，當行掃描周期信號有效時，開始進行掃描處理。按照k = 1～M的過程逐個將數(shù)據(jù)輸出，在進行多通道信號相位精確調(diào)整時，采用數(shù)字化的方式進行補償調(diào)整。

1 圖像輸出工作流程

如圖3所示，設置各通道參數(shù)，寫入圖像數(shù)據(jù)，行同步掃描中，當行掃描周期信號有效時，開始進行掃描處理。這時流程按照k = 1～M的過程逐個將數(shù)據(jù)輸出，在進行多通道信號相位精確調(diào)整時，采用數(shù)字化的方式進行補償調(diào)整，其中“第k個點輸出”過程按照兩種情況進行執(zhí)行：

（1）正常無需進行補償情況，具體見流程2;

（2）需進行補償情況，具體見流程3。

2 正常無需進行補償情況

正常無需進行補償情況，如果該通道是基準通道A，或者其他需補償?shù)姆腔鶞释ǖ?，如通道B，而且當前掃描的“第k個點輸出”位置k不等于Int*n（n為整數(shù)），則無需進行補償，如圖4所示。

3 需進行補償?shù)那闆r流程

當該通道是非基準通道（如通道B），而且當前掃描的“第k個點輸出”像素點位置k = Int*n（n為整數(shù)），則需要進行補償，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光斑直徑以內(nèi)，采用本方法可以很容易的將通道的相位誤差補償?shù)?/20個光斑直徑以內(nèi)，誤差控制的精度高，實際操作和維護也十分便利。

由于采用數(shù)字化的方式補償，因此存在離散、采樣等誤差。根據(jù)激光印相機實際應用的需求，當兩種不同的光斑中心分離小于其直徑的1/10時，對圖片的清晰度和銳度等關(guān)鍵性能質(zhì)量指標不會產(chǎn)生任何影響，也就是說只要能保證光斑分離在1/10光斑以內(nèi)，就能非常完美的達到補償要求。所以只要使用的時鐘源的時鐘周期t小于曝光單個像素周期T的1/20，即可滿足需求。本方法不局限于此應用，其他應用需求同樣可根據(jù)實際需要采用不同的時鐘頻率。所以采用本方法可以很容易的將垂軸誤差控制在1/20個光斑直徑以內(nèi)，滿足1/10光斑直徑的精度要求。同時，由于只要計算改變Int參數(shù)，就能很容易的改變補償垂軸色差的范圍，可以很容易的適應不同的通道以及不同的F-theta鏡頭。

四、應用測試

行同步掃描技術(shù)應用在大多數(shù)采用光學掃描系統(tǒng)的設備中，通過采用一種可以對多個通道信號的相位精確可調(diào)的方法，使得各個通道的信號在整個掃描過程中相位精確可控，以解決掃描光學系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)通道間的相位誤差補償問題，達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光斑直徑以內(nèi)，采用本方法可以很容易的將通道的相位誤差補償?shù)?/20個光斑直徑以內(nèi)，誤差控制的精度高，實際操作和維護也十分便利。

以激光印相機實際應用中的“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)量優(yōu)良的F-theta鏡頭和具有較高光強調(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)應用行同步掃描中實現(xiàn)多通道信號相位精確可調(diào)這個技術(shù)。圖片的合光線從左到右的重合度都很高，各條合光線都很細實，非常清晰，輸出與其他圖片對比，圖片細節(jié)表現(xiàn)很好，圖像質(zhì)量得到很大提升。實際分辨率高，色域?qū)挘馆S色差小，畸變小，重復度高，超長出片長度，超寬幅視場，成像質(zhì)量高。具體詳見表1。

測試結(jié)果表明：通過此方法能準確控制各通道的相位誤差，精確補償各通道的相位差，相位補償精度達到一個時鐘源周期。

五、結(jié)論

本文通過使用一種在行同步掃描中實現(xiàn)多通道信號相位精確可調(diào)的方法，可以準確控制各通道的相位誤差，達到精確補償各通道的相位差的目的，相位補償精度達到一個時鐘源周期。同時由于采用數(shù)字的方式，補償量是通過參數(shù)來設置的，可以很方便的適應實際使用過程中產(chǎn)生的各種不同的誤差情況，對批量生產(chǎn)和維護起到很好的作用。

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廣工揭陽理工學院（籌），廣東 515200