【文章內(nèi)容簡介】 Axxxxxxppp ????????? 1)(2112?? (210) 式中 px1? 和 px2? 分別為激光功率計引起刀口位置坐標 1x 與 2x 的測量誤差。根據(jù)式 (23)和式 (21)兩式 ，xxddp)( 表達式為 : ???????? ???????? ???????? ?????????? ?? ? ?? 2202 2222 0)( 2e xp222e xp2 ??????? xPdyxPddp yx x (211) 由式 (210)、式 (211)兩式可得 ， 功率計測量誤差所引起的光斑半徑測量誤差為： 02022e xp22e xp2 P PAAP PAAAp ??????? ?????????????? ???????? ????? (212) 由式 (212)可以看出 ： 激光功率計所引起的光斑半徑測量誤差與功率計精度、激光功率以及所選取的測量點有關(guān) ， 減小0PP? 有利于減小 p?? ，選取的測量點與 p?? 關(guān) 系較為復雜 ， 將式 (212)兩邊對 A 求導可得 ， 當 x?=A=2 時 ， p?? 具有最小值 0PP?? ， 根據(jù)式 (24)、式 (25)可得 ，x?=2 測量點對應的 )%(xP =%， )%(1 xP? =%， 目前使用的 90% /10%刀口測量方法對應 p?? =0PP?? ， 兩者相差并不大。刀口法測量哈爾濱理工大學學士學位論文 9 高斯光束光斑半徑的總誤差為上述兩項誤差之和 ， 可以表示為： ? ?mmP PAAApd0212e ??????? ????????????? ????? (213) 由于選取測量點x?=A= 2 時 ， 上式第二項 p?? 具有最小值 ， 而上式第一項 d?? 隨著 A 值線性增加 ， 因此測量光斑半徑的最佳位置應當在x?=A2 區(qū)域。目前采用的 90%/10%測量方法對應x?=A=， 滿足上述條件 ， 同時在x?=A=2 與x?=A= 這兩點對應的 p?? 相差不大 ， 因此常用的 90%/10%測量方法所對應的測量點應在最佳測量位置附近。 CCD測激光光斑直徑方法 激光光斑尺寸和激光束腰光斑尺寸是標志激光器性能的重要參數(shù) ， 也是激光器在應用中的重要參量 ， 用 CCD 作為探測傳感器 ， 可以更精確地測出激光器的光斑尺寸和束腰光斑尺寸 ， 克服了傳統(tǒng)測量的繁雜過程 ， 并用計算機控制及數(shù)據(jù)處理 ， 測量精度 得到 提高到 ， 為激光器性能研究和光信息處理提供了一種新的方法 [14]。本節(jié)主要闡述了 CCD 的工作原理，以及光斑圖像的后期處理方法。 1. CCD 的簡介 電荷傳輸技術(shù) ， 1970 年發(fā)明于美國貝爾實驗室 ， 器件命名為 “ 電荷 耦合器件 ” （ ChargeCoupled Devices） ， 簡寫為 ：“ CCD” 。 CCD 的主要優(yōu)點是：體積小 ， 壽命長 ， 重量輕 ， 功耗小 ， 動態(tài)范圍大 ， 靈敏度高 ， 圖象幾何尺 寸恒定 ， 位置精度高等等。 CCD 是集成化的 MOS 半導體元件 ， 它是由一組間距很小的 MOS 電容列陣組成的移位寄存器。在電極上施加一定電壓以后 ， 硅單晶表層產(chǎn)生“ 耗盡區(qū) ” ， 稱之為 “ 勢阱 ” ， 它能儲存信息 —— 少數(shù)載流子。如果電極上的電壓按一定規(guī)律變化 ， 那么 “ 勢阱 ” 也會深淺變化。 “ 勢阱 ” 中的 “ 少數(shù)載流子 ” （信息）依次向輸出端移動 ， 直到全過程完成為至。 CCD 攝 像 元件 ， 增加了光敏列陣。它同時接收光信號 ， 經(jīng)一定積分時間后轉(zhuǎn)移入相應的 CCD“ 勢阱 ” 中 ， 然后由 CCD 串行移位，逐個讀出信息。由原來是空問分布信號變成了時間分布信號。 這種工作方式有很多優(yōu)點。首先 ， 光接收是積分式的 ， 光信號接收和轉(zhuǎn)移同時進行 ， 提高了靈敏度和時間利用率 ， 信號采用并行輸入、串行輸出 ， 減少了引線 ， 提高了信噪比 ， 簡化了結(jié)構(gòu) ， 使列陣元件達到了實用化的程度。 我們使用的是 150 的元線陣二相 n 溝 CCD 攝象器件 ，具體參數(shù)是：哈爾濱理工大學學士學位論文 10 轉(zhuǎn)移效率 ， 光敏元面積 ?? 3020 ? ， 總光敏區(qū)線長 。 CCD 激光測試裝置由以下二部份組成： (1) 探頭裝有 CCD 元件和調(diào)節(jié)入射到 CCD 上光強的二塊偏振片。 (2) CCD 驅(qū)動箱提供 CCD 元件全部脈沖電平 和直流電平 ， 并且具有采樣保持電路和同步輸出。用示波器可以觀察 CCD 直接輸出信號 （ 視頻信號 ） 和包絡線即光強曲線 （ 采樣保持信號 ） 。裝置線掃描周期可以在1ms~ 范圍內(nèi)調(diào)正。此裝置探測光最大靈敏度為 minmV/ ? （積分時間 ）。 CCD 工作脈沖時序要求很嚴格 ， 對電平幅度也有一定要求 ， 所以 ， 驅(qū)動電路安排有一定考慮。電原理方框圖如圖 。 圖中 21?? 為驅(qū)動脈沖 ， R? 復位脈沖 ， ? 轉(zhuǎn)移柵 ， p? 光柵。 我們應用 CCD 元件對連續(xù)的和脈沖的激光光斑的能量分布進行了測定。 2. 應用 CCD 元件，也存在一些問題，我們考慮了 解決 這些問題的方法。 計 數(shù) 器譯 碼 器移 位CCD直 流 電 平J RQO PK1? 2?R?OPt?p?視 頻示波器采 樣 保 持采 樣 保 持 器 圖 23 CCD 元件驅(qū)動電路示意圖 (1) 場區(qū)效應 場區(qū)效應是光照射在 CCD 非光敏區(qū)的光敏效應。在元件的窗口玻璃上按裝刀口光欄，限制光入射到非光敏區(qū) ， 可以大大減弱場區(qū)效應的影響 。 (2) CCD 的不均勻性 CCD 元件是中、大規(guī)模半導體集成元件 ， 單元和單元之間總有差異 ，以及暗電流和其他因素影響 ， 表現(xiàn)為轉(zhuǎn)移效率、光量子效率不一致。并且 ， CCD 光敏部份由二氧化硅、多晶硅、二氧化硅、硅交替多層結(jié)構(gòu)組成 ， 相干性很強的激光經(jīng)多層結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生千涉。膜層不均勻 ， 多晶硅顆粒較粗引起了干涉光強的強弱 。 因此 ， 光斑曲線出現(xiàn)斷續(xù)點。為了消除這些哈爾濱理工大學學士學位論文 11 因素影響 ， 可以采取逐點或分段補償?shù)姆椒?， 改變元件入射面與入射光夾角的方法 ， 使測試工作獲得較好的效果。用光敏二極列陣電荷耪合器件CCPD 可以避免干涉效應的影響。 (3) 轉(zhuǎn)移 效率 轉(zhuǎn)移效率是表征 CCD 質(zhì)量最重要的參數(shù)之一。由于轉(zhuǎn)移效率的影響 ， 光強曲線會出現(xiàn)積分式延時。轉(zhuǎn)移效率可以用一個線性模型近似。通過線性模型可以計算出標準曲線函數(shù)經(jīng)線性模型后的具體數(shù)據(jù) ， 以便和實測數(shù)據(jù)對照 ， 也可以用實測數(shù)值推算原始數(shù)值 ,提高測試精度。 以上是我們所做的一些初步工作。 CCD 元件除 150 元以外 ， 還有1024， 2048 多種位數(shù)及面陣器件；如果采用了高分辨位數(shù)、均勻性好的CCD， 驅(qū)動電路小型化、單片化 ， 并對 CCD 進行一些光照靈敏度標定 ，那么 ， 用 CCD 測量光斑的能量分布是較為理想的方案。 3. 測量原理 CCD 是電荷耦合型的一種新型半導體光電傳感器件 ， 可用于傳真、 遙感、圖象識別和光信息處理等 。 本實驗采用的是 1024 單元的線陣式CCD 器件 。 圖 24 為測量實驗原理圖 ， 在測量前首先對 CCD 器件每個光敏單元進行光探測缺陷補償和歸一化處理 ， 并輸入計算機內(nèi)減小測量誤差 。 由激光器發(fā)出的激光束經(jīng)分束器分為互相垂直的兩束光 ， 分別照射到x 方向和 y 方向上等光程的 CCD 探測器件上時 ， 由 CCD 輸出的一列幅度受光信號調(diào)制的脈沖信號 ， 經(jīng)視頻放大和計算機控制的自動采集系統(tǒng) ， 經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換輸送到計算機中進行數(shù)據(jù)處理 ， 最后由打印機打印測 試結(jié)果 。 圖 24 實驗 原理 示意 圖 4. 激光束能量分布及光斑尺寸的測量 圖 25 為單橫模激光束圓對稱的激光光斑和能量分布曲線。 衰減片 CCD 相機 圖像采集卡 計算機及控制軟件 激光束 哈爾濱理工大學學士學位論文 12 20 eI0IIwr 圖 25 單橫模激光能量分布 其光強分布為： sXreII 220 ?? (214) 式中 ： 0I 為光斑中心極大值處的光強 ， I 為距離中 r 處的光強 ， sX 為光斑尺寸 ， 是高斯函數(shù) ， 當激光束經(jīng)過分束器分為兩束光 ， 分別照到 x 方向和 y 方向設置的 CCD 器件上時，則傳感器接收到的沿 x 軸和 y 軸的光強分別為： ? ? ?????? ????221210 2e xp sX X dxaII ? (215) ? ? ?????? ????2222239。39。0 2e xp sY X dyaII ( 16) 式 (215)， (216)中 ： ?0I 和 39。0I 分別為分束后的 x 方向和 y 方 向光斑中心的光強 ， 1d 和 2d 為光斑中心到 x 軸和 y 軸的垂直距離 ， 1a 和 2a 分別為 x軸原點 1O 和 y 軸原點 2O 到光斑中心的垂直距離 ， 1O 和 2O 分別為沿 x 軸和y 軸放置的 CCD 起始光敏 位置 ， 將方程 (215)和 (216)式分別兩邊同除以?0I 和 39。0I 就可以得到相對光強的分布 ： ? ? ?????? ????2212102e xpsX X dxaII ? (217) ? ? ?????? ????2222239。39。012e xpsY X daII (218) 哈爾濱理工大學學士學位論文 13 將沿 x 軸和 y 軸上的 CCD 電荷耦合器件接收到的光強信號通過視頻放大和 A/D 轉(zhuǎn)換 ， 根據(jù)方程式 (217)、 (218)計算機進行數(shù)據(jù)處理和曲線擬合 ， 便可 以得到 x 方向和 y 方向激光束橫向相對光強分布曲線。 由方程 (214)可知光斑尺寸 sX 是激光光強20eIIX ?時的 r 值 。 對于相對光強則有20 1eIIX ?時 r 的值 ， 因此由相對光強分布擬合曲線中 ， 計算機可以計算出光斑尺寸 sX 值。 5. CCD 對激光光斑的拍攝及光斑圖像的處理 (1) 圖像的獲取 圖像的獲取是為了得到激光光斑的原始圖像 ， 該部分主要是由激光 ，衰減系統(tǒng) ， 導軌和 CCD 攝像頭 ， 圖像卡和計算機組成 ， 實驗中衰減器的主要作用是將出射激光的光強衰減到自然光的光強 ， 為的是不損壞 CCD的感光部分 ， 將 CCD 在與激光光束平行的導軌上移動 ， 感光面與激光光軸垂直 ， CCD 可以在不同的界面上采集到激光光斑的原始圖像。同理在經(jīng)過激光的空間整形后我們用同樣的方法我們可以得到整形后的光斑圖像 。 (2) 圖像的預處理 由于在實驗中衰減系統(tǒng) ， CCD 攝像頭等方面的影響 ， 我們拍攝的圖像中難免存在各種噪聲 ， 主要有 CCD 攝像頭的高頻噪聲 ， 衰減系統(tǒng)的非均勻性的影響等 ， 為了改善圖像的質(zhì)量 ， 更能準確的反應出光斑不 同區(qū)域的灰度值的大小 ， 我們需要對拍攝的光斑進行預處理 ， 主要對原始圖像采用領域平均法來去除衰減系統(tǒng)和 CCD 帶來的高頻噪聲 ， 此時 ， 可以濾掉絕大部分噪聲 ， 圖像比較平滑 。 (3) 光斑圖像去噪 CCD 采集圖像過程中 ， 引入的主要有加性噪聲和量化噪聲。前者與圖像信號強度是不相關(guān)的 ， 是在傳輸過程中引進的電視攝像機掃描圖像的噪聲等 ， 后者是數(shù)字圖像的主要噪聲源 ， 其大小顯示出數(shù)字圖像和原始圖像的差異。此外 ， CCD 器件中的光敏器件、 A/D 轉(zhuǎn)換器等 ， 也會使圖像上含有各種的噪聲和失真。因此 ， 對于 CCD 采集的激光光斑圖像首先必須去除噪 音。使用敏通公司的 MTV1881EX 型號 CCD 采集的原始光斑圖像 ，噪聲對光斑圖像影響較大。利用 MATLAB 中的圖像工具箱可以方便地進行數(shù)字圖像處理。由于中值濾波能有效濾除脈沖干擾及圖像掃描噪聲 ， 首先對光斑圖像進行二維中值濾波 ， 濾波窗口選擇為 34 。然后使用自適應濾波消除白噪聲。用這種方法去除噪音的效果比較明顯。 (4) 光強分布曲線的平滑 經(jīng)過噪音濾除后 ， 光強分布曲線還不夠平滑 ， 需要進一步處理。由于光強分布非常接近高斯型 ， 直接使用 Origin 軟件的高斯擬合功能來進行平哈爾濱理工大學學士學位論文 14 滑 。 使用高斯平滑后 ， Origin 軟件 還會給出光斑直徑 （ 按光強最大值的21e 大小 ） 和擬合誤差等參數(shù) ， 極大地方便分析高斯型的光強分布情況。但是對于非高斯分布的情況 ， 高斯平滑就不適用了 ， 此時使用 Origin 軟件的 FFT 平滑來進行處理。 FFT 平滑是普遍適用的方法 ，