手機玻璃面板攝像孔檢測系統的氦氖激光器驅動電路設計

王瑩

（長春職業技術學院，吉林 長春 130033）

1 引言

隨著智能手機的廣泛應用，中國境內的智能手機產業鏈也迅速擴充，因此國內對智能設備對應攝像頭位置的玻璃面板質量檢測儀器需求很大，該類品控檢測儀器的市場前景可觀。目前，此類品控檢測儀器最有效的手段就是檢測光學波前，通過檢測激光照射后產生的干涉條紋質量來檢測智能設備攝像孔位置的投射波前的好壞，即完成了智能設備玻璃面板加工質量的檢測。

目前，國際上的此類品控檢測儀器價格偏高不適合零件生產線上對性價比和多臺配置的需求。國內現有的檢測儀器在性能上與國際水平仍有差距，在生產線上使用時暴露出很多問題。其中之一就是檢測光學波前的激光采用的基本是常見的半導體激光器，半導體激光的波長穩定性較差，在生產線上惡劣環境下運行時產生的干涉條紋存在走動現象，因此影響檢測的效率和質量。

針對此問題，本項目在研究階段提出利用穩定性較好的氦氖激光替代半導體激光實現干涉條紋以達到實際使用的目的。本文提出了氦氖激光器的重要組成部分——驅動電路的研究和設計[1]。

2 氦氖激光作為光源的重要性

半導體激光器的中心波長的一致性比較差，且其輸出功率會隨殼體的溫度變化而有較大的變化，同時溫度對其使用壽命有很大的影響。氦氖激光器具有良好的輸出功率穩定性和極低的激光噪聲水平，且受環境溫度影響非常小，在光束質量方面是最好的[2]。

氦氖激光（Helium-neon gas laser）是研制成功的第一種氣體激光，通常在可見光頻段6328? 工作，功率一般約數毫瓦，連續發光。由于單色性好，相干長度可達數十米以致數百米，同時制造方便、可靠，所以在軍工、工業、醫療等精密測量領域有廣泛的應用。

3 氦氖激光產生干涉條紋不穩定的原因

手機玻璃面板質量檢測儀器屬于激光干涉儀范疇，而激光干涉儀作為檢測納米尺度超高精度的檢測設備，其激光光源輸出波長的穩定性是檢測精度的重大影響因素之一。因此，我們需結合實際應用情況分析并解決氦氖激光會產生干涉條紋不穩定的原因。通過實驗，得出氦氖激光器使用時如果存在溫漂，其產生的干涉條紋就不穩定。手機玻璃面板攝像孔檢測儀器的發射部分是氦氖激光器，溫度會對氦氖激光器的閾值產生影響，當溫度升高時激光器的閾值電流升高，從而導致氦氖激光器能量轉換效率降低，越來越多的電能轉化為熱能，影響激光輸出的穩定性，進而產生的干涉條紋有波動。

4 提出氦氖激光驅動器溫度控制的解決辦法

（1）被動散熱方式

散熱片被動散熱，并設計耐熱導熱部分。加大氦氖激光器電源的散熱片，在不借助其他輔助材料的情況下，散熱片通過自身進行熱傳導帶走熱量。同時在氦氖激光器電源底部和側面分別設計多處散熱孔，加大散熱力度。并在電源底部加上四個支撐腳，加強物理散熱效果。

（2）主動散熱方式

主動散熱是一種更全面、更復雜的散熱管理方法。為了更有效地控制和調節激光器的溫度與功率，本項目設計基于Atmega128 單片機為主控芯片的具有溫度控制的激光發射器驅動電路，通過使用ADN8830芯片，實現對激光器溫度的控制和調節，以保證溫度變化大時激光器溫度的穩定性[3]。

從實驗效果來看，主動散熱效果更好，發熱量小時被動散熱可以滿足要求，但當發熱量大時，需通過主動散熱加以解決。因此，本文提出兩種設計方案，滿足不同工作環境的需求。

5 氦氖激光驅動電路原理及設計

氦氖激光產生的干涉條紋穩定性與激光光源發出的激光穩定性密切相關，而激光驅動電路性能直接決定了氦氖激光的優劣，因此，在驅動電路設計時需要注意提高其性能來控制激光器光源的穩定性。本項目設計了基于Atmega128單片機的氦氖激光驅動控制電路，包括激光源驅動電路和溫度控制電路。

（1）氦氖激光器結構及工作原理

氦氖激光器的結構包括三個部分：放電管、光學諧振腔和驅動電源。其中，放電管和光學諧振腔組成了激光管，可封裝成獨立的激光器，而驅動電源部分作為一個單獨的模塊使用，如圖1所示。

氦氖激光器中的工作物質是純度大于99.99%的氦氣和氖氣，主要由氖原子產生激光，氦原子輔助工作提供光放大條件，它們按照一定的比例和壓強充入玻璃放電管內，同時在上面安裝陽極和陰極，實現提高能量時點燃氣體的目的。諧振腔里包括腔體、反射鏡和毛細管，它們共同保證光振蕩放大，最終產生激光輸出。當外界給予不同能級的激勵輻射氣體會發生能級遷躍，會產生三種不同波長的激光，其中632.8nm激光為紅色可見光，實際應用較廣泛，本項目中采用的就是此波段的激光作為檢測光源。實驗證明，由氦氖激光產生的干涉條紋數量越少2~3 條，玻璃面板的加工精度越高，繼而手機攝像孔成像質量越好。

（2）氦氖激光器溫度控制電路設計

Atmega128 單片機是一款高性能、低功耗的AVR 8 位微處理器，具有先進的RISC結構，具有非易失性的程序和數據存儲器，具有兩個分別為8 和16 位的定時/計數器，8 路10 位ADC，53個可編程I/O端口等，在8位系列單片機中是配置較高的一款。由于其極高的穩定性，被廣泛應用于汽車電子、儀器儀表、智能家居等領域。

TEC 在激光器和PCR 溫度控制中應用廣泛。TEC 是一種小而扁平的導熱陶瓷，利用溫度控制器提供的電能冷卻其中一個表面，同時加熱相對的表面，產生一端放熱，另一端吸熱的現象。因此，在TEC 上產生了熱端和冷端兩部分，這也就是TEC的加熱和制冷原理。

ADN8830 是一款高集成度單片控制器，高性能的驅動熱電冷卻器TEC控制器，使電信設備中所用的激光器或無源器件的溫度保持穩定。ADN8830 芯片通過其TEMPSET 端口的電壓值來設定半導體熱電冷卻器TEC 的溫度。激光器的期望溫度是由一個設定點電壓表示，與溫度傳感器采集的實際溫度電壓通過OP 運放器進行比較，之后產生一個偏差電壓。此電壓通過運放放大，同時對激光器的冷熱端引起的相位延遲進行補償，再驅動H 橋端輸出，H 橋控制TEC 電流的大小和方向。當激光器的溫度高于設定點溫度的時候，H橋會控制TEC 電流方向來達到制冷的目的。當激光器的溫度低于設定點溫度時，H橋會控制TEC電流方向達到制熱的目的[4]。

利用Atmega128 單片機控制溫度的采集和控制，其提供激光器的設定點溫度，通過溫度傳感器采集實際溫度，通過AND8830來實現溫度調節，如圖2所示。

（3）氦氖激光器驅動電路設計

氦氖激光器的驅動電路是保證發射激光穩定性的重要部分。激勵能源大多是直流高壓電，使用市用220V 交流電源經過轉換成直流高壓電源。220V交流電壓是50Hz的低頻電壓，而擊穿氣體的電壓需要50KHz的高頻電壓，因此220V交流電壓需要經過高頻變壓器得到5000V交流電壓，再通過整流、濾波把直流分量保留同時濾掉交流分量，從而得到5000V 的直流電壓。之后將其輸入氦氖激光器瞬間會擊穿絕緣氣體，繼而產生激光。

由于氦氖激光管擊穿電壓在5000V到6000V之間，對于220V 交流電壓必須進行23 到27 倍的升壓才能滿足。而實際應用中電壓越高安全距離越小，5000V高壓極容易擊穿電路板，因此，本設計采用兩個2500V 電壓串聯得到5000V 擊穿電壓。同時，為了保證擊穿后能夠正常工作，最佳工作電流應保持在5 到10mA 之間，因此在設計驅動電路時必須選用合適的限流電阻來實現。而工作電壓應在1000V 到1500V 之間，為了維持氣體穩定發光的工作狀態，需要給其提供1500V 的高壓直流電源，這可以直接利用擊穿高壓電源，關掉一個2500V 電源，再把另一個2500V 電源通過脈沖調制PMW 技術調整變壓器MOS 管的占空比把電壓降到1500V，從而得到穩定狀態的工作電壓。氦氖激光器的驅動電路PCB印制板，如圖3所示。

6 結語

針對手機玻璃面板攝像孔檢測系統的研究，根據實際需求分析并設計了一種簡單、高效的氦氖激光器驅動電路。實驗結果表明，該電路能高效激發氦氖激光器，使其產生穩定的紅色激光，照射后產生清晰、穩定的干涉條紋，實際使用中沒有抖動現象，易于品控人員檢驗，可以滿足工廠需求，對采用氦氖激光的智能檢測儀器的發展有重要意義。