上轉(zhuǎn)換板在脈沖激光光斑測試中的應(yīng)用

王呈陽,王運(yùn)來,杭 彬,金 鐘

(駐南京地區(qū)軍代室,江蘇南京 210008)

0 引言

激光光斑是反映激光光束質(zhì)量好壞的一個(gè)主要特征,而光斑的各項(xiàng)性能參數(shù)值是判斷激光發(fā)射器性能優(yōu)劣及主要故障的重要依據(jù)。目前國內(nèi)外比較流行的測試方法有掃描法、燒蝕法和CCD測量法[1]等多種方法,CCD以其較高的靈敏度和智能化程度而被廣泛應(yīng)用。但CCD對(duì)低、單頻的紅外脈沖激光響應(yīng)靈敏度很低,作用時(shí)間短,需要發(fā)射多次激光才有可能被CCD捕捉到,檢測效率較低,這尤其和部隊(duì)野戰(zhàn)條件下的快速、準(zhǔn)確的訓(xùn)練要求不適應(yīng),因此,解決低、單頻脈沖激光光斑的測試意義非常重大,也非常迫切,為此,本文首次提出將新型的紅外探測轉(zhuǎn)換器件——上轉(zhuǎn)換板,應(yīng)用于紅外脈沖激光光斑的測試。

1 CCD測量法原理及上轉(zhuǎn)換板

1.1 CCD測量法原理

CCD測量法原理如圖1所示。對(duì)于高、重頻激光脈沖可直接經(jīng)CCD采集成像后由圖像采集卡采集,最后測控平臺(tái)進(jìn)行光斑尺寸、形心、質(zhì)心、光斑強(qiáng)度等性能參數(shù)的處理[2];而對(duì)于低、單頻的激光窄脈沖盡管在CCD的光譜范圍內(nèi),但脈沖作用時(shí)間短,低于CCD的有效響應(yīng)時(shí)間,同時(shí)CCD的峰值響應(yīng)波長對(duì)可見光敏感,在實(shí)驗(yàn)過程中需要發(fā)射多次激光才有可能捕捉到激光光斑,雖然可以加同步器加以轉(zhuǎn)化,但成本又太高。

圖1 CCD測量法原理圖Fig.1 The principle diagram of CCD measurement

1.2 上轉(zhuǎn)換板介紹[3]

上轉(zhuǎn)換板是一種新型的紅外探測轉(zhuǎn)換器件,可以將紅外波段的激光轉(zhuǎn)換為可見光波段的紅光(峰值波長672 nm)。上轉(zhuǎn)換板主要是摻稀土元素的固體化合物,利用稀土元素的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)特性,可以吸收多個(gè)低能量的長波輻射,經(jīng)多光子加和后發(fā)出高能的短波輻射,從而可使人眼看不見的紅外光變?yōu)榭梢姽?這種特性可用來拓展光學(xué)探測器的功能。上轉(zhuǎn)換板使激光光斑在CCD光敏面上停留的時(shí)間延長0.2～0.3 s,使CCD很容易探測到低、單頻脈沖的激光。上轉(zhuǎn)換板具有量子轉(zhuǎn)換率高、紅外響應(yīng)時(shí)間短、室溫條件下工作、不需制冷、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn),可較好地應(yīng)用于YAG、GaSi和InGaAsP等多種紅外激光器的光路調(diào)節(jié)和光斑測量上。

2 上轉(zhuǎn)換板在CCD測量法中的應(yīng)用原理板

上轉(zhuǎn)換板在CCD測量法中的應(yīng)用原理如圖2所示。激光光束經(jīng)過折反式平行光管、物鏡投射到位于系統(tǒng)焦平面處的上轉(zhuǎn)換板上,上轉(zhuǎn)換板將激光光斑由紅外激光轉(zhuǎn)換為能被CCD探測到的可見光,經(jīng)過CCD物鏡成像在CCD光敏面上,上轉(zhuǎn)換板還將激光光斑在CCD光敏面上的時(shí)間延長。轉(zhuǎn)換后的激光光斑和原始的激光光斑成逐像素對(duì)應(yīng)關(guān)系。經(jīng)過圖像采集卡采集,將激光光斑圖像信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上即可進(jìn)行光斑的形心、尺寸等技術(shù)參數(shù)的處理。這里,利用上轉(zhuǎn)換板可以將紅外激光轉(zhuǎn)化為可見光的特點(diǎn),使紅外激光脈沖在CCD光敏面上的停留時(shí)間延長,轉(zhuǎn)換后的激光光斑和原始的激光光斑成逐像素對(duì)應(yīng)關(guān)系,這時(shí)帶有圖像采集卡的計(jì)算機(jī)直接測量轉(zhuǎn)換后的激光光斑即可,即經(jīng)上轉(zhuǎn)換板和自行設(shè)計(jì)的大視場、長焦距物鏡后進(jìn)入CCD進(jìn)行采集成像,由測控平臺(tái)控制圖像采集卡采集及處理。

圖2 上轉(zhuǎn)換板在CCD測量法中的應(yīng)用原理圖Fig.2 The principle diagram of up conversion board applications on CCD measurement

2.1 長焦距、小體積攝遠(yuǎn)物鏡

在測試小光束時(shí)為滿足測試裝置重量輕、體積小、光斑成像質(zhì)量好的要求,設(shè)計(jì)了一個(gè)長焦距、體積小的攝遠(yuǎn)物鏡。利用CCD拍攝激光發(fā)射光斑,從而計(jì)算出經(jīng)變焦光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射出的光束發(fā)散角[4]。由于CCD攝像機(jī)的物鏡焦距一般為 f′=35 mm,當(dāng)測量小光束時(shí),在CCD像面上的光斑尺寸變得太小,分辨率達(dá)不到技術(shù)要求。為此設(shè)計(jì)了長焦距物鏡,使其焦距增大至 f′=172 mm,即擴(kuò)大 5倍,經(jīng)分析計(jì)算,證明此系統(tǒng)分辨10 mrad發(fā)散角沒有問題。

然而,一般光學(xué)系統(tǒng)的焦距與鏡筒的長度尺寸是差不多的,也就是說CCD攝像機(jī)的物鏡鏡筒要達(dá)到172 mm左右,這就顯得很不相稱,也會(huì)使攝像機(jī)變得頭重腳輕,不穩(wěn)定。為此設(shè)計(jì)了一種新穎的光學(xué)系統(tǒng),使它的鏡筒長度小于焦距值,例如 f′/l=2.3,式中 f′為物鏡焦距,l為鏡筒長度。經(jīng)設(shè)計(jì)研究,采用如圖3所示的結(jié)構(gòu)可以滿足這個(gè)要求。

圖3 長焦距攝遠(yuǎn)物鏡Fig.3 The object lens of farness screen of long focus

經(jīng)嚴(yán)格的像差分析計(jì)算,在保證成像質(zhì)量前提下,焦距 f′=172.24 mm,鏡筒長度l=74 mm 。

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)l f′=37.31 mm,t=53 mm,D=Φ30。

3 測試驗(yàn)證

測試方法如下:將被測激光發(fā)射機(jī)固定在折返反平行光管物鏡前,激光發(fā)射窗大致對(duì)準(zhǔn)物鏡。上轉(zhuǎn)換板固定在平行光管的后焦面上,上面刻有十字分劃線,CCD采集此十字分劃線,即作為該檢測的電十字分劃。從激光發(fā)射機(jī)的光學(xué)觀瞄窗中觀察,找到激光發(fā)射機(jī)本身和上轉(zhuǎn)換板的十字分劃,并使二者中心重合(即校正了光學(xué)觀瞄裝置的觀瞄)。操作時(shí),先打開上轉(zhuǎn)換板后面的背景照明開關(guān),待白光觀瞄系統(tǒng)準(zhǔn)直調(diào)節(jié)完畢后即可關(guān)閉,這樣使對(duì)準(zhǔn)操作簡便,同時(shí)也避免了傳統(tǒng)檢測方法造成的光軸移動(dòng);其次,為CCD器件通電使之工作,打開計(jì)算機(jī)進(jìn)入圖像采集程序,這時(shí)應(yīng)只能顯示CCD的電十字分劃,操作激光發(fā)射機(jī)發(fā)射激光,這時(shí)CCD便可采集到激光光斑的圖像,并可在計(jì)算機(jī)上記錄下來。最后,利用相應(yīng)的算法可以檢測得到激光光斑的形心、尺寸等性能參數(shù)[5],這里采用閾值法對(duì)光斑圖像進(jìn)行行列像素的掃描,求出光斑在水平和豎直方向上的灰度最大和最小像素點(diǎn)的坐標(biāo),這時(shí)就可以確定光斑的中心位置以及尺寸的像素點(diǎn)數(shù),由CCD光敏面的實(shí)際尺寸和像素?cái)?shù)計(jì)算出每個(gè)像素的實(shí)際尺寸,進(jìn)而可以計(jì)算出光斑的實(shí)際尺寸,利用CCD的焦距、CCD光敏面與CCD物鏡的距離,根據(jù)透鏡成像公式可以計(jì)算出上轉(zhuǎn)換板與CCD物鏡的距離,進(jìn)一步計(jì)算出激光光斑像的放大率,平行光管的焦距已知,便可以計(jì)算出光斑的發(fā)散角。

利用該裝置對(duì)某型對(duì)空指揮鏡的低、單頻脈沖激光光斑進(jìn)行了采集,利用MATLAB編程對(duì)采集到的光斑圖像軟件處理出的強(qiáng)度三維立體圖如圖4所示,灰度值在200以上;圖5為通過C++Builder軟件編程處理出的光斑形心、尺寸及發(fā)散角等各項(xiàng)性能參數(shù),該軟件可以處理任意時(shí)刻每幀圖像的各項(xiàng)參數(shù)。在實(shí)際測試中,光斑發(fā)射角軟件處理結(jié)果為16.569 911 mrad,而利用光學(xué)倍率計(jì)對(duì)光斑的原始尺寸進(jìn)行測量并換算成發(fā)散角(為16.569 633 mrad),光斑直徑軟件處理結(jié)果為0.579 999 mm,實(shí)際測量的結(jié)果為0.580 111 mm,誤差最小為3個(gè)量級(jí),誤差非常小。

圖4 低、單頻脈沖激光光斑強(qiáng)度三維立體圖Fig.4 The three-dimensional solid diagram of laser spot intensity of single and lower f requency

圖5 低、單頻脈沖激光光斑形心等參數(shù)處理界面Fig.5 The interface of parameters transact of single and lower frequency laser spot such as figure center

4 結(jié)論

本文提出將上轉(zhuǎn)換板應(yīng)用于脈沖激光光斑的測試,利用上轉(zhuǎn)換板將紅外激光轉(zhuǎn)換為可見光,較好地實(shí)現(xiàn)了低、單頻脈沖激光光斑的采集和處理,解決了激光光斑測試中低、單頻激光光斑測試的難題,實(shí)現(xiàn)了脈沖激光光斑形心、質(zhì)心、尺寸、發(fā)散角、光斑強(qiáng)度等多個(gè)參數(shù)的綜合測試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)誤差非常小,具有很好的穩(wěn)定性和魯棒性。

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