（光學工程專業(yè)論文）激光光斑漂移的檢測與控制.pdf

摘要 激光光束由于其良好的方向性、高亮度及高穩(wěn)定性等優(yōu)點，常被作為測量基準廣泛應 用于超精密加工設備及測量設備中。但是激光器由于受其本身的熱變形、環(huán)境振動和空氣 擾動等因素的影響，出射激光光束的方向常會產(chǎn)生漂移，這一弱點限制了激光器準直精度 的進一步提高，影響了其在實際中的運用。因此有必要測出該漂移量，并對其進行控制。 為此，本文設計一個光斑漂移檢測與控制系統(tǒng)，以檢測激光器工作時激光光束的漂移，并 對其進行控制。具體工作如下： l 、設計了一套檢測與控制光斑漂移的系統(tǒng)。本系統(tǒng)由激光器及其控制裝置、高反射 率衰減片，c c d 攝像機、圖像采集處理系統(tǒng)及計算機組成。該系統(tǒng)能實時地采集到激光 光束照射到c c d 光敏面上所形成的光斑，將所得的信息送到計算機里經(jīng)由專門的軟件處 理，同時在監(jiān)視器中，可以實時地看到光斑的原始圖像，以及經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后光斑中心位 置隨時問變化的情況：并能通過給激光器周圍建立補償溫度場來控制光束的漂移。 2 、編寫了一套專門的數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件能顯示出從任意時刻開始到最后光斑中 心位置的移動軌跡，并對該軌跡進行了擬合。得出了這段時間內(nèi)激光光束在x 方向，y 方 向以及空間立體角內(nèi)漂移大小的最大值、標準差以及其隨時間變化的趨勢等 3 、對激光光源加上不同的控制，如使之裸露在自然環(huán)境之中，或給其加上外罩( 分 不開孔和開孔兩種情況) ，或?qū)ζ溥M行溫控等，然后通過實驗測量和計算，得到了不同情 況下激光光束漂移量的大小，并分析了在給激光光源加上不同的控制時，光束的漂移量有 什么不同，以及產(chǎn)生這些變化的原因 關鍵詞：激光器；c c d 攝像機；光斑漂移；圖像處理；溫度控制 第1 頁 a b s t r a c t l a s e rb e a m , f o ri t sg o o dd i r e e t i v i t y , h i g l lb r i g h t n e s s ，a n dh i 曲s t a b i l i t y , i sw i d e l yu s e di n s u i 冊- f m em a c h i n i n ge q u i p m e n ta sw e l la st e s t i n ge q u i p m e n tf r e q u e n t l ya sam e a s u r i n g r e f e r e n c e h o w e v e r , l a s e rb e a mf r o ml a s e r , w h i c hi ss u b j e c tt ot h ei n f l u e n c eo ft h e r m a l d e f o r m a t i o n , e n v i r o n m e n t a lv i b r a t i o na n da i rd i s t u r b a n c ee r e ，w i l ls h i rw h e np r o p a g a t e s t h e s a i dd i s a d v a n t a g e sl i m i tf u r t h e ri m p r o v e m e n to f t b el a s e r sp r e c i s i o no fc o l l i m a t i o n , a n dp l a ya p a s s i v ep a r ti n t h ea p p l i c a t i o no f l a s e r t h e r e f o r e , i t sn e c e s s a r yt om e a s l l r ea n dc o n t r o lt h es h i f t q u a n t i t yo f l a s e rb e a m as y s t e mf o rd e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gt h el a s e rf o c u sd r i f ti sp r o p o s e di n t h i sp a p e r t h em a i nw o r kh a sb e e nd o n ea sf o f l o w s ： i as y s t e mf o rd e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gl a s e rf l a r ei sd e s i g n e d , w h i c hi sm a d eu po fal a s e r w i t hc o n t r o l l i n gd e v i c e , a n t i r e f l e c t i v ea t t e n u a t i o np l a t e ，ac c d c a m e r a , i n l a g ea c q u i r i n g s y s t e m t h es y s t e mc a nr e a l - t i m ea c q u i r et h el a s e rf l a r ef o r m e db yl a s e rb e a mi m p i n g m go n t h ec c dp h o t o s e n s i t i v ep l a n e t h ei n f o r m a t i o nt h e ni st r a n s f e r r e dt oac o m p u t e ra n d p r o c e s s e db ys p e c i a ls o r w a r e a n dm e a n w h i l e , t h eo r i g i n a li m a g eo f t h ef l a r ea n dt h es t a t u s o ff l a r ec e n t r ev a r y m gw i t ht i m ec a nb em o m t o r e d t h eb e a md r i f ti sc o n t r o l l e db yas t e a d y t e m p e r a t u r ef i e l da r o u n dt h el a s e r 2 d a t ap r o c e s s i n gs o t h a r ei sp r o g r a m m e d t h es h i rt r a c ko f f l a r ec e n t r ef r o ma n yt i m et ot h e e n dc a nb ed i s p l a y e d , a n dt h em a x i n l u l nv a l u e , s t a n d a r dv a r i a t i o n , a n dt r e n do f d r i ri nt h ex a n dyd i r e c t i o na r eo b t a i n e d 3 v a r i o u sc o n t r o la r eu s e dt ot h el a s e rs o u r c e ，f o re x a m p l e ，b e i n ge x p o s e dt ot h ee n v i r o n m e n t , o ra d d i n gam a s k ( w i t hh o l eo rn o o ，o rm i n t 出u i n gt h ei n t e r n a lt h e r m a lf i e l dw h e na d d i n ga m a s k t h eq u a n t i t yo fd r i f ti so b t a i n e df o rt h ea b o v ec a s er e s p e c t i v e l yb ye x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n ta n dc a l c i l l a d o ma tl a s t , t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ed i f f e r e n c eo fb e a md r i f tw i t h d i f f e r e n tc o n t r o l l i n gc o n d i t i o na n dt h el a s o nf o rt h ed i f f e r e n c e k e y w o r d s ：l a s e r , c c dc a m e r a ，f l a r ed r i f t , i m a g ep r o c 鶴s ，t h e r m a lc o n t r o l 第1 i 頁 墾墮登堂墊壟盔堂盟窒生墮堂焦迨鑾 圖表目錄 圖2 2 - 1 圖2 - 3 1 圖2 - 3 2 圖2 - 3 3 光斑漂移檢測與控制系統(tǒng)原理圖 激光光束在空間立體角上的漂移 光源系統(tǒng)溫控裝置示意圖 溫控儀控制下的罩內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定的過程 圖3 1 1 0 ) c c d 光敏面上激光光斑的形狀( 前一時刻) 圖3 一l i c o ) c c d 光敏面上激光光斑的形狀( 后一時刻) 圖3 一l 2 ( a ) 光斑中心坐標隨時間變化的曲線 9 9 l o l l 1 l i l 圖3 1 - 2 ( b ) 光斑中心坐標隨時間變化的曲線( 有壞點) 圖3 2 - l 激光光斑中心位置隨時問變化的軌跡 圖3 2 - 2 每5 0 個點取平均后光斑中心的軌跡。 圖3 - 2 _ 3 激光光束x 方向上隨時問變化的漂移量 圖3 2 - 4 激光光束y 方向上隨時間變化的漂移量1 l 圖3 2 - 5 激光光束空間立體角內(nèi)隨時間變化的漂移量l l 圖3 - 2 6 圖3 - 2 - 7 數(shù)據(jù)處理結(jié)果1 2 2 0 分鐘以后光斑中心隨時問變化的軌跡1 2 圖3 - 2 - 8 每5 0 個點取平均后光斑中心的軌跡 圖3 - 2 92 0 分鐘后光束x 方向上的漂移量 圖3 - 2 - 1 02 0 分鐘后光束y 方向上的漂移量 圖3 - 2 1 12 0 分鐘后激光光束空間立體角內(nèi)隨時間變化的漂移量 圖3 2 _ 1 2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果( 2 0 分鐘以后) 圖3 - 3 1。光斑采集與分析”軟件與。光斑漂移的計算”程序的工作流程圖 圖4 2 1 圖4 2 - 2 圖4 1 2 3 圖4 - 2 - 4 圖4 2 - 5 圖4 - 2 - 6 圖4 2 7 圖4 2 8 圖4 2 - 9 圖4 2 1 0 圖4 2 1 1 圖4 2 1 2 圖4 - 2 1 3 圖4 - 2 1 4 圖4 - 3 1 圖4 - 3 2 圖4 - 3 - 3 圖4 3 - 4 圖4 3 - 5 激光光斑中心位置隨時間變化的軌跡 每5 0 個點取平均后光斑中心的軌跡 激光光束x 方向上隨時間變化的漂移量 激光光束y 方向上隨時問變化的漂移量 激光光束空間立體角內(nèi)隨時間變化的漂移量 數(shù)據(jù)處理的結(jié)果 l 8 組數(shù)據(jù)處理的結(jié)果 光斑穩(wěn)定以后光斑中心的軌跡 每5 0 個點取平均后光斑中心的軌跡 光斑穩(wěn)定后光束x 方向上的漂移量 光斑穩(wěn)定后光束y 方向上的漂移量 光斑穩(wěn)定后光束空間立體角內(nèi)的漂移量 數(shù)據(jù)處理的結(jié)果 1 8 組數(shù)據(jù)處理的結(jié)果 激光光斑中心位置隨時問變化的軌跡 每5 0 個點取平均后光斑中心的軌跡 激光光束x 方向上的漂移量 激光光束y 方向上的漂移量 激光光束空間立體角內(nèi)隨時間變化的漂移量 1 2 1 2 1 2 1 3 1 3 1 4 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 第i i 頁 培體博培他侈侈加h 圖乒3 - 6 數(shù)據(jù)處理的結(jié)果 圖 7l 8 組數(shù)據(jù)處理的結(jié)果2 4 圖4 - 3 8 圖4 3 - 9 圖4 3 1 0 圖4 - 3 1 l 圖4 - - 3 1 2 圖4 - 3 1 3 圖4 3 1 4 圖4 - 3 1 5 圖4 - 3 1 6 圖4 3 1 7 圖4 - 3 1 8 圖4 _ 3 1 9 圖4 3 - 2 0 圖”- 2 1 圖4 4 1 圖4 - 4 - 2 圖州 圖州 圖4 - 4 5 圖4 4 6 圖4 4 7 圖4 - 4 - 8 圖4 4 9 圖4 4 1 0 圖4 4 - 1 1 圖4 4 - 1 2 圖4 4 - 1 3 圖4 - 4 1 4 圖4 - 4 1 5 圖4 4 _ 1 6 圖4 - 4 1 7 圖4 4 - 1 8 圖4 4 1 9 圖w 0 圖4 4 2 l 圖4 - 5 1 圖4 - 5 - 2 圖4 - 5 3 圖4 - 5 - 4 圖4 5 5 圖4 - 5 - 6 圖4 5 7 2 0 分鐘后光斑中心的軌跡。2 5 每5 0 個點取平均后光斑中心的軌跡 2 0 分鐘后光束x 方向上的漂移量 2 0 分鐘后光束y 方向上的漂移量 2 0 分鐘后光束空間立體角內(nèi)的漂移量 2 5 2 5 2 5 2 5 數(shù)據(jù)處理的結(jié)果2 5 l 8 組數(shù)據(jù)處理的結(jié)果2 6 光斑穩(wěn)定后光斑中心的軌跡2 6 每5 0 個點取平均后光斑中心的軌跡2 6 光斑穩(wěn)定后光束x 方向上的漂移量2 7 光斑穩(wěn)定后光束y 方向上的漂移量2 7 光斑穩(wěn)定后光束空間立體角內(nèi)的漂移量2 7 數(shù)據(jù)處理的結(jié)果2 7 l 8 組數(shù)據(jù)處理的結(jié)果2 8 激光光斑中心位置隨時間變化的軌跡3 1 每5 0 個點取平均后光斑中心的軌跡。3 1 激光光束x 方向上的漂移量3 l 激光光束y 方向上的漂移量。3 1 激光光束空間立體角內(nèi)隨時問變化的漂移量。3 l 數(shù)據(jù)處理的結(jié)果3 2 1 9 組數(shù)據(jù)處理的結(jié)果。3 2 2 0 分鐘后光斑中心的軌跡。3 3 每5 0 個點取平均后光斑中心的軌跡3 3 2 0 分鐘后光束x 方向上的漂移量3 3 2 0 分鐘后光束y 方向上的漂移量3 3 2 0 分鐘后光束空間立體角內(nèi)的漂移量3 3 數(shù)據(jù)處理的結(jié)果3 4 l 9 組數(shù)據(jù)處理的結(jié)果3 4 光斑穩(wěn)定后光斑中心的軌跡3 5 每5 0 個點取平均后光斑中心的軌跡3 5 光斑穩(wěn)定后光束x 方向上的漂移量3 5 光斑穩(wěn)定后光束y 方向上的漂移量3 5 光斑穩(wěn)定后光束空間立體角內(nèi)的漂移量3 5 數(shù)據(jù)處理的結(jié)果3 6 i 9 組數(shù)據(jù)處理的結(jié)果3 6 激光光斑中心位置隨時間變化的軌跡3 9 每5 0 個點取平均后光斑中心的軌跡3 9 激光光束x 方向上的漂移量。3 9 激光光束y 方向上的漂移量3 9 激光光束空問立體角內(nèi)隨時問變化的漂移量3 9 數(shù)據(jù)處理的結(jié)果4 0 i 6 組數(shù)據(jù)處理的結(jié)果4 0 第i - i 頁 圖4 5 82 0 分鐘后光斑中心的軌跡 圖4 - 5 - 9 每5 0 個點取平均后光斑中心的軌跡 圖4 - 5 1 02 0 分鐘后光束x 方向上的漂移量 圖4 5 1 l2 0 分鐘后光束y 方向上的漂移量 圖4 _ 5 1 22 0 分鐘后光束空間立體角內(nèi)的漂移量 圖4 - 5 1 3 圖4 - 5 1 4 圖4 - 5 1 5 圖4 5 - 1 6 圖4 - 5 1 7 圖4 - 5 1 8 圖4 - 5 1 9 圖4 - 5 - 2 0 圖4 5 - 2 1 圖4 - 6 1 國4 每2 圖刪 圖州 圖州 圖螄 圖 6 - 7 圖4 7 - l 圖4 - 7 - 2 圖4 7 3 圖4 7 - 4 圖川 圖4 7 石 圖4 7 - 7 圖4 - 7 8 圖4 - 7 - 9 圖4 - 7 1 0 表竹l 表們- 2 表4 3 1 表4 3 2 表”o 表4 4 1 表4 一心 表4 - 4 3 表4 - 5 1 表4 - 5 - 2 表4 - 5 - 3 表悔i 4 1 4 l 4 1 4 1 4 1 數(shù)據(jù)處理的結(jié)果4 l l 一6 組數(shù)據(jù)處理的結(jié)果4 2 光斑穩(wěn)定后光斑中心的軌跡4 2 每5 0 個點取平均后光斑中心的軌跡 光斑穩(wěn)定后光束x 方向上的漂移量 光斑穩(wěn)定后光束y 方向上的漂移量 光斑穩(wěn)定后光束空間立體角內(nèi)的漂移量 數(shù)據(jù)處理的結(jié)果 l 6 組數(shù)據(jù)處理的結(jié)果 激光光斑中心位置隨時問變化的軌跡 每5 0 個點取平均后光斑中心的軌跡 激光光束x 方向上的漂移量 激光光束y 方向上的漂移量 激光光束空間立體角內(nèi)隨時間變化的漂移量 4 2 4 3 4 3 4 3 4 3 4 4 4 6 4 6 4 7 4 7 4 7 數(shù)據(jù)處理的結(jié)果4 7 l 3 組數(shù)據(jù)處理的結(jié)果 圖4 - 7 - 2 圖4 7 1 0 的圖例說明 從實驗開始到結(jié)束不同情況下x 方向上漂移最大值的范圍 從實驗開始到結(jié)束不同情況下y 方向上漂移最大值的范圍 從實驗開始到結(jié)束不同情況下空間立體角內(nèi)漂移最大值的范圍 2 0 分鐘后不同情況下x 方向上漂移最大值的范圍 2 0 分鐘后不同情況下y 方向上漂移最大值的范圍 4 8 4 9 4 9 4 9 4 9 2 0 分鐘后不同情況下空間立體角內(nèi)漂移最大值的范圍 光斑穩(wěn)定后不同情況下x 方向上漂移最大值的范圍 光斑穩(wěn)定后不同情況下y 方向上漂移最大值的范圍 光斑穩(wěn)定后不同情況下空間立體角內(nèi)漂移最大值的范圍 從實驗開始到結(jié)束激光光束在各方向上漂移最大值的范圍 光斑穩(wěn)定后激光光柬在各方向上漂移最大值的范圍 從實驗開始到結(jié)束激光光束在各方向上漂移最大值的范圍 2 0 分鐘后激光光束在各方向上漂移最大值的范圍 光斑穩(wěn)定后激光光束在各方向上漂移最大值的范圍 從實驗開始到結(jié)束激光光束在各方向上漂移最大值的范圍 2 0 分鐘后激光光束在各方向上漂移最大值的范圍 光斑穩(wěn)定后激光光束在各方向上漂移最大值的范圍 從實驗開始到結(jié)束激光光束在各方向上漂移最大值的范圍 2 0 分鐘后激光光束在各方向上漂移最大值的范圍 光斑穩(wěn)定后激光光束在各方向上漂移最大值的范圍 從實驗開始到結(jié)束激光光束在各方向上漂移最大值的范圍 第i v 頁 如如卯如 毖控凹”如”強“奶帖鋁 國防科學技術大學研究生院學位論文 表4 - 7 - l 不同控制條件下光斑到達穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間5 l 第v 頁 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研 究成果盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已 經(jīng)發(fā)表和撰寫過的研究成果，也不包含為獲得國防科學技術大學或其它教育機構(gòu)的學 位或證書而使用過的材料與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文 中作了明確的說明并表示謝意 學位論文題日：邀羞出塹星整塑揸型量控劍 學位論文作者簽名：至查團日期：) g 年f 月卵 學位論文版權使用授權書 本人完全了解國防科學技術大學有關保留，使用學位論文的規(guī)定本人投權國 防科學技術大學可以保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子文檔，允 許論文被查閱和借閱；可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索， 可以采用影印，縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文 ( 保密學位論文在解密后適用本授權書) 學位論文題目：邀左光璺星絲鮑撿型皇撞劍 學位論文作者簽名：至盔里 作者指導教師簽名： 日期：二o d 5 年5 月，5 日 日期：1 萬以年f 月l p 第一章緒論 1 1 對激光光束的漂移進行檢測與控制的意義 h e - n e 激光光束由于其良好的方向性、高亮度及高穩(wěn)定性等優(yōu)點，常被作為測量基準 廣泛應用于超精密加工設備及測量設備中【l , 2 1 。激光準直鯽技術已經(jīng)在機床準直、大型機 械設備的裝調(diào)，形位誤差測量等領域得到廣泛應用在這些應用中，激光束被用作必要的 長距離參考光線，激光準直光束的功率不穩(wěn)定，將導致參考光線的漂移，激光光斑的強度 分布不均勻?qū)⑹箙⒖脊饩€中心難于確定，從而影響準直精度。 眾所周知，激光器點亮后，由于放電管自身管體、放電管內(nèi)外存在不穩(wěn)定的溫度梯度 以及激光管材料的不均勻性等因素的影響，會造成激光器諧振腔兩反射鏡的相對位置發(fā)生 變化，從而引起激光束的漂移、激光輸出功率不穩(wěn)定、激光光斑形狀不穩(wěn)定。另外，周圍 環(huán)境的振動，光束傳播途徑的空氣折射率不均勻及其隨機變化( 大氣湍流等造成) 嘲等，也 是造成激光光束漂移的重要原因。 激光光束在傳播過程中產(chǎn)生的漂移，主要表現(xiàn)為激光束的平漂、角漂及隨機漂移，其 量級一般在1 釅l o 擊r a d ，這一弱點限制了激光光束準直精度的進一步提高，影響了其在實 際中的應用。因此有必要對激光器輸出光束的指向穩(wěn)定性進行檢測和監(jiān)控，并采取措施對 其進行控制，以減小激光光束的漂移。 1 2 國內(nèi)外提高激光光束指向穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀 為了提高激光光束的指向穩(wěn)定性，國內(nèi)外學者針對不同的使用情況，提出了諸多光束 準直方法：一類是在長距離激光準直系統(tǒng)中，采用波帶片、相位板、雙縫等產(chǎn)生的干涉和 衍射條紋的空間連線作為基準線，利用它們對漂移量不敏感這一特點，來達到準直的目的， 典型方法有相位板衍射準直法、雙光束補償準直法等，此類方法的準直精度一般在1 0 6 m d 量級左右；另一類是在超精密加工設備及測量設備中常用的激光準直技術，如激光方向穩(wěn)定 法和單模光纖準直法等，此類方法盡管準直距離短，但其準直精度要求高，因而技術難度 大。通常此類短距離激光準直系統(tǒng)所處的環(huán)境較好，造成光束漂移的原因主要是激光器諧 振腔的熱變形。 第1 頁 1 3 開展本課題的目的和在研究中所進行的主要工作 開展本課題的目的是設計出一套系統(tǒng)，該系統(tǒng)要能夠?qū)崟r檢測激光光斑的漂移，從而 得到激光光束在空間立體角上的漂移。在此基礎上，對激光光源加上不同的控制，如使之 裸露在自然環(huán)境之中，或給其加上外罩( 分不開孔和開孔兩種情況) ，或?qū)ζ溥M行溫控等， 通過實驗測量和計算，得到不同情況下激光光束漂移量的大小，并分析在給激光光源加上 不同的控制時，光束的漂移量有什么不同，以及產(chǎn)生這些變化的原因。 本課題主要進行了以下幾個方面的工作： l 、設計了一套檢測激光光斑漂移的系統(tǒng) 7 1 檢測系統(tǒng)由激光器、高反射率衰減片、c c d 攝像機i s 、圖像采集處理系統(tǒng)及計算機組成。該系統(tǒng)能實時地采集到激光光束照射到c c d 光敏面上所形成的光斑，并將所得的信息送到計算機里經(jīng)由專門的軟件處理，同時在監(jiān)視 器中，可以實時地看到光斑的原始圖像，以及經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后光斑中心位置隨時問變化的 情況。 2 、編寫了一套專門的數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件能顯示出從任意時刻開始到最后光斑中 心位置的移動軌跡，并對該軌跡進行了擬合。得出了這段時間內(nèi)激光光束在x 方向、y 方 向以及空間立體角內(nèi)漂移大小的最大值、標準差以及其隨時間變化的趨勢等 3 、對激光光源加上不同的控制( 如前面所述) ，通過多組實驗，測量了不同情況下激 光光束漂移量的大小及其變化情況，并分析了產(chǎn)生這些變化的原因。 第2 頁 第二章光斑漂移檢測與控制系統(tǒng)的設計 2 1 影響氦氖激光光束傳輸質(zhì)量嘲的主要因素 在激光準直測量中，一般采用輸出t e m o o 基模的氦氖激光器。由于激光的波動性， t e m o o 基模應滿足赫姆霍茲方程 v 2 u ( x ，y ，z ) + j i 2 礬j z ) = o( 2 - 1 1 ) 當u 伍y 力是沿z 方向傳輸?shù)幕＜す馐瑒t基模解為 u ( x , y , z ) = 南e x p 卜等等】e x p 【啦+ 麗k ( x 2 + 2 2 h 】 ( 2 1 - 2 ) 其中 烈：) = 西【1 + z 6 瑤) 2 】( 2 1 - 3 ) 由( 2 1 3 ) 式可知光斑尺寸隨傳輸距離增加而增大，這是影響光斑質(zhì)量的一個因素，主 要通過加入準直光學系統(tǒng)，增大激光束束腰半徑以及調(diào)整束腰適當位置等來降低影響。 由于在激光準直中主要關心的是激光光能，無需考慮光束的位相信息，所以在( 2 - 1 - 2 ) 式中 可提取光束振幅a 伍弘) 為 訛刪= 鑫e x p 【- 筆者】 ( 2 - 1 4 ) 上式表明理想情況下，沿激光傳輸方向光斑呈高斯分布。實際上由于激光器諧振腔的不嚴 格平行，導致a 弘) 隨x , y 變化而變化，即 撕刪一蔫唧卜毛薔協(xié)一焉e 沖卜毛壽砂 叫， d x ，d y 即為激光器諧振腔的不嚴格平行所致。從( 2 - 1 - 5 ) 式分析可知，如果我們能同時控制 激光器諧振腔在互相正交的x , y 方向的不平行度使d x ，d y 均趨近于零，即可改善準直光束 質(zhì)量。 2 2 光斑漂移檢測與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成 如下圖所示，光斑漂移檢測與控制系統(tǒng)由激光器、高反射率衰減片，c c d 攝像機、 第3 頁 圖像采集處理系統(tǒng)及計算機組成。 圖2 2 1 光斑漂移檢測與控制系統(tǒng)原理圖 整個系統(tǒng)被放置在一米多厚的水泥實驗平臺之上，這樣可以減小外界環(huán)境振動對實驗 造成的影響。在做實驗的過程中也要緊閉門窗，盡可能減小光束傳播途徑中由于空氣折射 率波動而造成的激光光束漂移 ( i ) 光源部分光源部分包括h e - n e 激光器以及溫度控制裝置實驗中所用的激光 器是自制的小型h e - n e 激光器，其額定功率為4 5 r o w ，最佳工作電流為6 0 m a 。溫度控制 裝置包括一個簡易的外罩和數(shù)顯溫控儀，其中數(shù)顯溫控儀采用的是寧波自動化儀表研究所 生產(chǎn)的x m t - 1 5 2 型數(shù)顯調(diào)節(jié)儀，x m t - 1 5 2 系列是一種全新技術的抗積分飽和p i d 溫控儀， 其最大優(yōu)點是升溫過程中無過沖或過沖很小，且溫度分辨率達0 0 1 c o 數(shù)顯溫控儀外接 熱敏電阻和加熱塊，將之放入外罩之中，即可實現(xiàn)對罩內(nèi)溫度的檢測與控制。 ( 2 ) 衰減片因為h e = n e 激光器出射光束的功率很大，而在本實驗中采用的是c c d 光電接收系統(tǒng)，如果c c d 光敏面上的光照度過大，就會使得c c d 光電接收系統(tǒng)的輸出飽 和而無法工作。因此需要對出射激光進行大幅度的衰減，本實驗中采用的是兩片衰減片， 其透射率極低。另外在調(diào)節(jié)光路的過程之中要注意衰減片鍍有膜的一面。應該放置在靠近 激光器的一端，這是因為如果將鍍有膜的一面放置在遠離激光器的一端，激光器的出射光 束照射到該膜面上以后會產(chǎn)生很強的反射光，再經(jīng)由衰減片的另一面會產(chǎn)生二次反射，該 二次反射不利于光斑漂移的檢測，可能會對實驗結(jié)果造成影響。 ( 3 ) c c d 攝像機c c d 攝像機的作用是通過光敏元及其輸出電路將光信號轉(zhuǎn)化成電 信號【1o u 】。本實驗中采用的是面陣c c d ，不含攝像頭，該攝像機采用的是臺灣敏通公司的 m t v l 8 8 1 e x 科研用攝像機，它使用s o n y 公司提供的i c x 0 3 9 d l a c c d 面陣，具有靈敏 度高、畸變小、壽命長、抗震動，抗磁場，體積小、無殘像、響應的非均勻性低、響應的 非線性度低等優(yōu)點，m t v l 8 8 1 e x 攝像機特性參數(shù)如下：圖像像素為7 9 5 ( h ) x 5 9 6 ( v ) ； 分辨率為6 0 0 t v l ；最小照度為0 0 2l u x ( f 1 2 ，5 6 0 0 0 k ) ：信噪比大于5 0 d b ；像素尺寸為 8 6 a m 8 3 朋。 第4 頁 國防科學技術大學研究生院學位論文 ( 4 ) 圖像采集與處理舊系統(tǒng)該子系統(tǒng)包括圖像采集卡與。光斑采集與分析”軟件。 其作用是將電信號轉(zhuǎn)化成視頻圖像，并通過軟件在監(jiān)視器上實時地再現(xiàn)光斑圖像及其中心 位置隨時間變化的軌跡。其中圖像采集卡采用的是北京嘉恒中自圖像技術有限公司生產(chǎn)的 o k - m 1 0 m 卡，它是基于p c i 總線的標準視頻黑白圖像采集卡其技術特點和指標如下：8 位高精度高信噪比a d ，寬范圍亮度對比度軟件調(diào)節(jié)；輸入的視頻幅度可適應0 2 v - 3 v 峰 峰，零點調(diào)整可適應1 5 v 變化范圍；圖像采集采用高效總線分享技術，提高c p u 并行處 理能力；可支持l ：i 和4 ：3 采集點陣比例，最大采集分辯率7 6 8 x 5 7 6 ；高帶寬輸入， 數(shù)字抗混迭濾波技術，圖象水平分辨達6 0 0 線；可采集單場，單幀，連續(xù)幀，精確到場。 “光斑采集與分析”軟件具體在第三章詳述 ( 5 ) 計算機與監(jiān)視器計算機與監(jiān)視器是圖像采集與處理系統(tǒng)正常工作的基礎和平 臺，是數(shù)據(jù)處理與分析的核心。 最后，將整個實驗裝置放置到恰當?shù)奈恢?，對好光路之后，? 0 2 強力膠將所有部件 都粘牢在水泥平臺之上，將整個實驗裝置都固定下來，以避免碰撞及其它人為的原因?qū)?驗結(jié)果造成影響。 2 3 光斑漂移檢測與控制系統(tǒng)的工作原理 2 3 1 檢測系統(tǒng)的工作原理 在2 1 節(jié)的推導中，我們知道在理想情況下。對于不同的傳播距離z ，激光輸出強度均 呈高斯分布。通常用強度分布半寬的中心位置代表光束傳播方向比較合理，此時。測量此 中心位置的位移即可檢測出光束方向的變化。 如圖2 - 2 1 所示，h e - n e 激光器發(fā)出的光束通過高反射率的衰減片被衰減之后，直接 照射到c c d 攝像機的光敏面上。c c d 的光敏像元將其上的光強度轉(zhuǎn)換成電荷量，然后c c d 在一定頻率的時鐘脈沖的驅(qū)動下，在其輸出端可以獲得被測對象的視頻信號。視頻信號中 的每一個離散的電壓信號的大小對應于該光敏像元上圖像的光強，信號輸出的時序?qū)?該光敏像元在c c d 上的空間位置。該信號經(jīng)圖像采集卡采集，所得數(shù)據(jù)再被送入計算機 中進行相關處理。 通過c c d 和圖像采集卡的采集，可以得到每一幀圖像內(nèi)激光光斑上每一點( 像素單 元) 的位置和光強。將這些數(shù)據(jù)傳送到計算機，通過一定的數(shù)學方法即可求出光斑的中心。 具體算法如下： 第5 頁 在這里我們以c c d 光敏面上激光光斑的強度分布為研究對象，選取強度分布半寬中 心位置的光強為閾值，對閾值范圍以內(nèi)的像素點，以求質(zhì)心的方式求出光斑的中心位置。 設光敏面上任意一像素點的位置為p ，光強為i ，則該光斑的中心位置可以表示為： ( 2 - 3 - 1 ) 由此可知，只要以一定的時間間隔連續(xù)不斷的采集光敏面上光斑的圖像，通過( 2 3 一1 ) 式，即可求出它在不同時刻的中心位置，從而檢測出該激光光斑在光敏面內(nèi)的漂移量a p 。 最后根據(jù)幾何光學的方法即可求出激光光束在空間立體角上的漂移如圖2 - 3 1 所示， 設實際出射光束的方向與基準光軸方向的夾角為口，激光器輸出端到c c d 光敏面的距離為 圖2 - 3 1 激光光束在空間立體角上的漂移 ，則光束在空間立體角上的漂移為： 口“t g o = 卸1( 2 - 3 2 ) 2 3 2 光源系統(tǒng)的溫度控制 激光器點亮后，由于放電管自身管體、放電管內(nèi)外存在不穩(wěn)定的溫度梯度以及激光管 材料的不均勻性等因素的影響，會造成激光器諧振腔兩反射鏡相對位置變化，從而引起激 光束的漂移、激光輸出功率不穩(wěn)定、激光光斑形狀不穩(wěn)定。因此有必要給激光器周圍建立 一個補償溫度場，以減小溫度對激光器諧振腔造成的影響。在本實驗中，我采用了簡易外 罩，并對其各表面開孔，同時內(nèi)置加熱源，通過數(shù)顯溫控儀( 包括熱敏電阻和加熱塊) 來 檢測并保持外罩內(nèi)的溫度場基本不變。其示意圖如圖2 3 2 。 當激光器工作時，無論外罩開孔或不開孔，諧振腔內(nèi)的溫度都會隨著時間逐漸升高， 外罩內(nèi)的溫度也會跟著逐漸升高，直到最后光源系統(tǒng)與外界環(huán)境建立起熱交換平衡但是， 外界環(huán)境并不是始終不變的，建立起的熱平衡將會隨時被打破，罩內(nèi)的溫度場也就會隨時 發(fā)生變化。因此，需要在罩內(nèi)放置加熱源，通過數(shù)顯溫控儀來檢測并保持外罩內(nèi)的溫度場 基本恒定。 第6 頁 翌p = 厶踟 3 2 l 卜實驗平臺，2 一熱敏電阻，3 一通光小孔，4 一散熱小孔， 5 一激光器，6 一可調(diào)節(jié)的光具座，7 一加熱塊，8 一導線，9 一數(shù)顯溫控儀 圖2 3 - 2 光源系統(tǒng)溫控裝置示意圖 如圖2 3 2 所示，當激光器工作時，給溫控儀設定一個適當?shù)臏囟龋藭r溫控儀的熱 敏電阻開始檢測罩內(nèi)空氣的溫度，如果溫度小于設定值，則金屬加熱塊開始加熱，直到溫 度達到設定值時停止加熱。由于加熱塊溫度過沖，罩內(nèi)溫度會持續(xù)上升一段時間，然后自 然冷卻到設定溫度附近，當其低于設定值時，加熱塊又開始加熱，但是此時加熱塊的溫度 過沖會比上一次減小，如此反復，加熱塊的溫度過沖就會越來越小直到趨近于零，罩內(nèi)溫 度也就會逐漸穩(wěn)定在設定溫度附近，見圖2 3 3 。 罩內(nèi)溫度 設定溫度 八八八 7 v v v墻 田2 _ 3 3 溫控儀控制下的罩內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定的過程 第7 頁 第三章光斑采集與分析軟件與光斑漂移計算程序的介紹 3 1 光斑采集與分析軟件的介紹 光斑采集與分析軟件的主要功能是實現(xiàn)對圖像采集卡的參數(shù)設置以及圖像采集與處 理的參數(shù)設置，驅(qū)動圖像采集卡采集從c c d 上傳來的信號，在監(jiān)視器上實時地再現(xiàn)激光 光斑的形狀，并通過數(shù)據(jù)分析與處理實時地描繪出激光光斑中心位置的坐標( x 坐標和y 坐標) 隨時間變化的曲線。 光斑采集與分析軟件包括“采集主頁面”和“繪圖顯示”兩個界面，如圖3 1 i 和圖 3 - 1 - 2 所示。 “采集主頁面”主要是實時的再現(xiàn)c c d 光敏面上激光光斑的形狀，通過圖3 1 1 ( a ) 與 3 - l - 1 ，我們能清楚地看到由于溫度，光束傳播途徑中大氣折射率的波動等因素引起的激 光光斑的變形。在該頁面下面的工具欄上還有亮度、對比度、闕值三個選項，用戶在實驗 中可以根據(jù)實際情況適當?shù)恼{(diào)節(jié)亮度、對比度參數(shù)以達到最佳的顯示效果。閾值選項是用 于數(shù)據(jù)處理的，選取適當?shù)拈u值，打開“并行處理”開關，軟件即可自動求出在不同時刻 光斑中心位置的坐標 圖3 - 卜l ( a ) c c d 光敏面上激光光斑的形狀( 前一時刻) 第8 頁 圖3 - 1 - 1 ( b ) c 光敏面上激光光斑的形狀( 后一時刻) “繪圖顯示”頁面用于描繪前面所得的激光光斑中心位置的坐標( x 坐標和y 坐標) 隨時間變化的曲線，如圖3 1 2 所示。通過該曲線，可以看到光斑的中心位置隨著時間在 不斷的變化，而且其總體趨勢是沿著某一大致的方向變化的。由圖3 l 一2 我們還可以看 圖3 - 1 2 ( a )光斑中心坐標隨時間變化的曲線 第9 頁 圖3 - 1 2 佃)光斑中心坐標隨時問變化的曲線( 有壞點) 到由于外界環(huán)境的突然震動而給激光光束造成的巨大偏移，曲線上這樣的點稱之為壞點， 在做數(shù)據(jù)處理時，首先要去掉這樣的點。 當激光光束照射到c c d 光敏面上之后，c c d 攝像機和圖像采集卡組成的圖像采集子 系統(tǒng)對光敏面上的光斑進行采集，并將數(shù)字圖像信號( 光斑上每一點的光強和位置) 傳送 到計算機中然后，“光斑采集與分析”軟件一邊根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)將c c d 光敏面上的光斑 圖像還原出來，一邊根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果自動繪制光斑中心位置隨時問變化的曲線 3 2 光斑漂移計算程序的介紹 。光斑采集與分析”軟件主要是驅(qū)動采集卡實現(xiàn)采集功能，得到光敏面上激光光斑的 相關信息，即光斑內(nèi)每一個象素點上的光強和位置，并作了簡單的數(shù)據(jù)處理。要想得到某 一段時間內(nèi)，光斑中心位置在光敏面上隨時間變化的軌跡，x 方向上漂移的最大值、標準 差和隨時間變化的詳細曲線，y 方向上的漂移的最大值、標準差和隨時間變化的詳細曲線 等，僅靠“光斑采集與分析”軟件是無法實現(xiàn)的因此在采集到一組數(shù)據(jù)之后，還需要用 “光斑漂移的計算”程序1 1 3 a 4 來進行詳細的數(shù)據(jù)處理。 下面是對一組數(shù)據(jù)進行處理之后的結(jié)果。 第1 0 頁 一、從實驗開始到實驗結(jié)束這段時間內(nèi)。 每s 0 個意取平均后煅中心位置的軌邇 圖3 - 2 1 激光光斑中心位置隨時間變化的軌跡圖3 - 2 2 每5 0 個點取平均后光斑中心的軌跡 捌試時同竹l n 。 圖3 - 2 3 激光光束x 方向上隨時間變化的漂移量圖3 - 2 4 激光光束y 方向上隨時間變化的漂移量 圖3 - 2 5 激光光束空間立體角內(nèi)隨時間變化的漂移量 第l l 頁 一翟b戧筏顯難睦犀盯培 - 從實驗開始到實驗結(jié)柬這段時間內(nèi)一以第一個點為標準g e i 蛆) + $ + l 考察方向漂移最大值0 - a )最大值對應時間盼鐘) 最大值點坐標( 像素單元) xt0 0 l 口e d 0 51 們1 6 2 24 2 5 32 5 口1 2 3 y0o d o l l 6 2 41 95 9 62 口3 5 9 42 4 2 5 7 9 l00 0 0 t 2 5 3 41 98 3 72 07 4 2 1烈3 2 9 3 在整個c c d 光敏面上漂移距離最大的點與水平方向的夾角為。 b = 一6 69 6 7 3 經(jīng)過曲鱧擬臺后，所得直線與水平方向的夾角為 c - - 4 4 6 o t 在整個c e d 光硅面上光斑中心首尾應置( 取i d d 個點衷平均) 的蓮蛻與水平方息的夾角為 d = 一6 12 0 1 3 圖3 2 6 數(shù)據(jù)處理結(jié)果 二、光斑穩(wěn)定以后到實驗結(jié)束這段時間內(nèi)。 露 薔 篷 驀 罨 囂 毒 岳 娶 光斑串，b 舫舟上的坐標( 傅親單元卜 圖3 - 2 72 0 分鐘以后光斑中心隨時間變化的軌跡 捌l 式時問( m i n u t e ) 圖3 - 2 92 0 分鐘后光束x 方向上的漂移量 圖3 - 2 8 每5 0 個點取平均后光斑中心的軌跡 捌試時間( r a i n u t e 圖3 - 2 1 02 0 分鐘后光束y 方向上的漂移量 第1 2 頁 一艚斟韉齄囊瓢岳q叵長o垂囊 一罌一博疆g娥甏屁，卅nx 圖3 2 1 12 0 分鐘后激光光束空間立體角內(nèi)隨時間變化的漂移量 2 0 分鐘咀后到實驗結(jié)束這段時間內(nèi)一以平均值點為標準g e l 蛆) - 考察方向 i 要移最大值- d )最大值對應時間盼鐘) 最大值點坐標( 像素單元)標準差 x18 5 8 5 r 0 0 5 b 65 1 82 23 1 0 3 2 63 5 74t t t 5 r 0 0 6 y14 5 5 3 r 0 0 51 1 32 8 6 2 0 9 2 0 42 67 8 7 541 1 9 8 e 一0 0 0 li9 0 0 2 r 0 0 5日b7 0 7 2 23 0 3 32 03 t 5 235 4 4 5 一0 0 6 圖3 - - 2 1 2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果( 2 0 分鐘以后) 通過圖3 - 2 1 3 2 1 2 町以看出，當一組實驗數(shù)據(jù)被讀入到“光斑漂移的計算”程序之 后，該程序能夠迅速地計算出結(jié)果，相關參數(shù)如f ： ( 1 ) 這段時間內(nèi)激光光束在x 方向、y 方向上漂移的最大值，最大值點對應的時問、 坐標，以及該方向上所有點相對于標準點產(chǎn)生漂移的標準差。 ( 2 ) 這段時問內(nèi)激光光束在在整個空間立體角內(nèi)漂移的最大值，最大值點對應的時間、 坐標，以及所有點相對于標準點產(chǎn)生漂移的標準差。 ( 3 ) 三個夾角：在整個c c d 光敏面上漂移距離最大的點與水平方向的央角，經(jīng)過i m 線 擬合后所得直線與水平方向的夾角以及光斑中心首尾位置( 取1 0 0 個點求平均) 的連線與 水平方向的夾角。通過這些夾角，能夠判斷出光斑在整個時間段內(nèi)漂移的大致方向。 在計算出結(jié)果的同時，該程序?qū)⒓す夤獍咧行奈恢秒S時問變化的軌跡以及激光光束在 各個方向上的漂移量隨時問變化的趨勢描繪成曲線，通過圖形，我們能夠直觀地看到光斑 漂移的方向、趨勢、大小以及逐漸穩(wěn)定的過程。 3 3 光斑采集與分析軟件與光斑漂移計算程序的工作流程 c c d 光敏面上的激光光斑經(jīng)由圖像采集子系統(tǒng)采集，相關采集參數(shù)由“光斑采集