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(xì)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)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?，但成本過高，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(jìn)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(jī)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(jī)，外接信號發(fā)生器AD9850，以ULN2003作驅(qū)動器，驅(qū)動音圈電機(jī)振動，由音圈電機(jī)與光路光纖的接觸實現(xiàn)對光纖的有效可控振動。機(jī)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 8051單片機(jī)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(jī)有效振動。電路原理圖如圖4所示。

在音圈電機(jī)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(jī)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(qiáng)輸出到音圈電機(jī)，隨即音圈電機(jī)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(jī)，隨即音圈電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的波形振動。音圈電機(jī)與光纖固定一起，借此控制光纖振動。

圖4 ULN2003與音圈套電機(jī)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(dá)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(jī)控制固定在音圈電機(jī)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?？梢钥闯觯跊]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(jī)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(dá)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(dá)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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