基于8051的激光散斑控制器

張 凱，賀鋒濤，王曉琳，屈 飛，牛志鵬，彭 飛

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121)

引言

樣品表面甚至內(nèi)部的細微結(jié)構(gòu)的顯微成像,一直是許多科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分。激光光源的出現(xiàn)，促進了激光成像技術(shù)的飛速發(fā)展,由于激光具有良好的方向性、單色性、高亮度和強相干性使得激光成像與傳統(tǒng)光源成像相比具有高對比度、高分率的特點，可滿足高精度測量的需求[1]。但激光的高度相干性是產(chǎn)生散斑，進而導(dǎo)致采集圖像亮度不均與清晰度下降的原因。想要抑制散斑就需要降低激光的相干性。自從1960年激光誕生，散斑就出現(xiàn)了，前人對激光散斑做了眾多的研究?？偨Y(jié)起來目前大概有三種降低激光相干性的方法。分別是：降低時間相干性、降低空間相干性、產(chǎn)生動態(tài)散斑圖樣[2]。采用的方式或者是采用特殊的相位掩膜調(diào)至光束，或者是兩位掃描復(fù)位轉(zhuǎn)鏡，或者是抖動屏幕等。以上方法均能夠?qū)ι咦龅揭欢ǔ潭鹊挠行Э刂疲杀具^高，裝置復(fù)雜且巨大，難以滿足大眾的需求。本文對激光成像進行了研究，采用產(chǎn)生動態(tài)散斑圖樣的方法，設(shè)計了一種簡單通過單片機控制光纖振動的系統(tǒng)，在光路上破壞激光的相干性，實現(xiàn)散斑的控制，且在實際應(yīng)用獲得有效數(shù)據(jù)，分析了振動頻率對散斑控制的影響。

1 激光散斑控制原理

圖1 激光顯微成像系統(tǒng)原理圖

2 散斑控制器的結(jié)構(gòu)和原理

在整個激光散斑控制系統(tǒng)里，最核心的便是光路光線的有效可控振動。為了實現(xiàn)對光纖的有效可控振動，研究設(shè)計了散斑控制器。散斑控制器是基于AT89C51的單片機，外接信號發(fā)生器AD9850，以ULN2003作驅(qū)動器，驅(qū)動音圈電機振動，由音圈電機與光路光纖的接觸實現(xiàn)對光纖的有效可控振動。機構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 8051單片機散斑控制框圖

在這里，8051是處理核心，來控制外接裝置AD9850指定頻率信號的輸出。8051的P2口連接AD9850的W-CLK、FQ-UD、RESET，原理圖如圖3所示。

圖3 8051與AD9850連線電路圖

向AD9850提供加載控制字所需的脈沖信號和芯片復(fù)位信號[5-6]。相應(yīng)頻率及相位波形在AD9850產(chǎn)生正弦波后，且將之輸出給ULN2003的1端口。ULN2003是耐高壓、性能卓越的大電流陣列的驅(qū)動器，能夠保證與光路光纖接觸的音圈電機有效振動。電路原理圖如圖4所示。

在音圈電機上，額外研究安裝了一個固定裝置。首先是對AD9850的復(fù)位控制，目的是清除之前信號的痕跡；然后確認(rèn)復(fù)位后基于AT89C51的單片機產(chǎn)生AD9850的控制字信號即所需正弦波形信息，并產(chǎn)生相應(yīng)的正弦波信號傳送到ULN2003,驅(qū)動增強輸出到音圈電機，隨即音圈電機產(chǎn)生相應(yīng)的波形振動[7-9]。這里程序流程圖就不再陳列了。激光散斑控制器程序的中心在于8051的控制。首先是對AD9850的復(fù)位控制，目的是清除之前信號的痕跡；然后接收由8051發(fā)來的波形信息，并產(chǎn)生相應(yīng)的信號傳送到音圈電機，隨即音圈電機產(chǎn)生相應(yīng)的波形振動。音圈電機與光纖固定一起，借此控制光纖振動。

圖4 ULN2003與音圈套電機連線電路圖

3 激光散斑控制器在實際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)分析

上文設(shè)計的散斑控制器是在激光顯微成像的光路中選擇一點接入，控制光纖不同頻率振動，由此CCD采集的圖像的散斑大小，或者說散斑對比度不一樣[10]。研究采集了頻率從0Hz到100Hz下的拋光玻璃表面的圖像，經(jīng)過仿真得到以下圖5。從圖像分析，在頻率為0Hz時，不給光路光纖以振動，散斑對比度最大，隨著振動頻率的增加，散斑對比度有增有減，但是整體趨勢是下降的，在頻率達到50Hz時，散斑對比度最小，為0.033。

圖5 散斑對比度仿真圖

圖6、圖7、圖8、圖9是在頻率分別為0Hz、20Hz、50Hz、70Hz時拋光玻璃表面的散斑消除圖像，對比度分別為：0.23、0.15、0.06、0.08。

圖6 f=0Hz,對比度為0.23 圖7 f=20Hz,對比度為0.15

圖8 f=50Hz，對比度為0.06 圖9 f=70Hz，對比度為0.08

上列圖像表明：8051單片機控制固定在音圈電機上的多模光纖振動能夠起到良好的散斑控制效果。分析得出在頻率為50Hz時，散斑消除效果最佳。下列圖像是控制頻率50Hz時，CD光盤表面顯微圖像，圖像對比如圖10(a)與圖10(b)。

圖10(a) 沒有散斑控制的CD盤片圖像

圖10(b) 散斑控制下的CD盤片圖像

上圖10(a)是沒有8051激光散斑控制效果下，即0Hz振動頻率下CD光盤圖像。圖10(b)是在基于8051激光散斑控制下，50Hz振動頻率下的CD光盤顯微圖像?？梢钥闯?，在沒有使用8051激光散斑控制時，CD光盤表面圖像完全被散斑噪聲淹沒，無法獲得圖像信息。然而使用了8051單片機控制散斑后，獲得了CD光盤顯微圖像信息。

4 結(jié)論

基于8051的散斑控制器控制光纖在頻率0Hz到100Hz正弦波形振動，對采集的CCD圖像的散斑對比度分析，頻率從0Hz到100Hz，散斑對比度逐步減小，在頻率為50Hz的時候達到最小值，散斑得到最佳控制。由上得出結(jié)論：在激光顯微成像的光路上，給予光纖一定穩(wěn)定頻率的控制，可以達到對激光散斑的控制，且在頻率為50Hz時，散斑對比度最小，散斑控制最佳。研究是在開放的物理環(huán)境下操作的，在不同的物理環(huán)境下，不同頻率，不同接入點對散斑對比度的不同影響有待研究。本文設(shè)計的基于8051的散斑控制器完成后體積有0.35×0.20×0.16m3,可搬運拆卸，而且頻率是可以程序控制，目前已經(jīng)應(yīng)用于實際的硅晶片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測。研究找到了一個最佳散斑控制的頻率，且基于8051的散斑控制器體積小，可調(diào)頻率將在激光顯微成像得到應(yīng)用。

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