上轉換板在脈沖激光光斑測試中的應用

王呈陽,王運來,杭 彬,金 鐘

(駐南京地區軍代室,江蘇南京 210008)

0 引言

激光光斑是反映激光光束質量好壞的一個主要特征,而光斑的各項性能參數值是判斷激光發射器性能優劣及主要故障的重要依據。目前國內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用。但CCD對低、單頻的紅外脈沖激光響應靈敏度很低,作用時間短,需要發射多次激光才有可能被CCD捕捉到,檢測效率較低,這尤其和部隊野戰條件下的快速、準確的訓練要求不適應,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換器件——上轉換板,應用于紅外脈沖激光光斑的測試。

1 CCD測量法原理及上轉換板

1.1 CCD測量法原理

CCD測量法原理如圖1所示。對于高、重頻激光脈沖可直接經CCD采集成像后由圖像采集卡采集,最后測控平臺進行光斑尺寸、形心、質心、光斑強度等性能參數的處理[2];而對于低、單頻的激光窄脈沖盡管在CCD的光譜范圍內,但脈沖作用時間短,低于CCD的有效響應時間,同時CCD的峰值響應波長對可見光敏感,在實驗過程中需要發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 上轉換板介紹[3]

上轉換板是一種新型的紅外探測轉換器件,可以將紅外波段的激光轉換為可見光波段的紅光(峰值波長672 nm)。上轉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態能級特性,可以吸收多個低能量的長波輻射,經多光子加和后發出高能的短波輻射,從而可使人眼看不見的紅外光變為可見光,這種特性可用來拓展光學探測器的功能。上轉換板使激光光斑在CCD光敏面上停留的時間延長0.2～0.3 s,使CCD很容易探測到低、單頻脈沖的激光。上轉換板具有量子轉換率高、紅外響應時間短、室溫條件下工作、不需制冷、熱穩定性好等特點,可較好地應用于YAG、GaSi和InGaAsP等多種紅外激光器的光路調節和光斑測量上。

2 上轉換板在CCD測量法中的應用原理板

上轉換板在CCD測量法中的應用原理如圖2所示。激光光束經過折反式平行光管、物鏡投射到位于系統焦平面處的上轉換板上,上轉換板將激光光斑由紅外激光轉換為能被CCD探測到的可見光,經過CCD物鏡成像在CCD光敏面上,上轉換板還將激光光斑在CCD光敏面上的時間延長。轉換后的激光光斑和原始的激光光斑成逐像素對應關系。經過圖像采集卡采集,將激光光斑圖像信息實時傳輸到計算機上即可進行光斑的形心、尺寸等技術參數的處理。這里,利用上轉換板可以將紅外激光轉化為可見光的特點,使紅外激光脈沖在CCD光敏面上的停留時間延長,轉換后的激光光斑和原始的激光光斑成逐像素對應關系,這時帶有圖像采集卡的計算機直接測量轉換后的激光光斑即可,即經上轉換板和自行設計的大視場、長焦距物鏡后進入CCD進行采集成像,由測控平臺控制圖像采集卡采集及處理。

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

2.1 長焦距、小體積攝遠物鏡

在測試小光束時為滿足測試裝置重量輕、體積小、光斑成像質量好的要求,設計了一個長焦距、體積小的攝遠物鏡。利用CCD拍攝激光發射光斑,從而計算出經變焦光學系統發射出的光束發散角[4]。由于CCD攝像機的物鏡焦距一般為 f′=35 mm,當測量小光束時,在CCD像面上的光斑尺寸變得太小,分辨率達不到技術要求。為此設計了長焦距物鏡,使其焦距增大至 f′=172 mm,即擴大 5倍,經分析計算,證明此系統分辨10 mrad發散角沒有問題。

然而,一般光學系統的焦距與鏡筒的長度尺寸是差不多的,也就是說CCD攝像機的物鏡鏡筒要達到172 mm左右,這就顯得很不相稱,也會使攝像機變得頭重腳輕,不穩定。為此設計了一種新穎的光學系統,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。經設計研究,采用如圖3所示的結構可以滿足這個要求。

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

經嚴格的像差分析計算,在保證成像質量前提下,焦距 f′=172.24 mm,鏡筒長度l=74 mm 。

設計的系統光學參數l f′=37.31 mm,t=53 mm,D=Φ30。

3 測試驗證

測試方法如下:將被測激光發射機固定在折返反平行光管物鏡前,激光發射窗大致對準物鏡。上轉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。從激光發射機的光學觀瞄窗中觀察,找到激光發射機本身和上轉換板的十字分劃,并使二者中心重合(即校正了光學觀瞄裝置的觀瞄)。操作時,先打開上轉換板后面的背景照明開關,待白光觀瞄系統準直調節完畢后即可關閉,這樣使對準操作簡便,同時也避免了傳統檢測方法造成的光軸移動;其次,為CCD器件通電使之工作,打開計算機進入圖像采集程序,這時應只能顯示CCD的電十字分劃,操作激光發射機發射激光,這時CCD便可采集到激光光斑的圖像,并可在計算機上記錄下來。最后,利用相應的算法可以檢測得到激光光斑的形心、尺寸等性能參數[5],這里采用閾值法對光斑圖像進行行列像素的掃描,求出光斑在水平和豎直方向上的灰度最大和最小像素點的坐標,這時就可以確定光斑的中心位置以及尺寸的像素點數,由CCD光敏面的實際尺寸和像素數計算出每個像素的實際尺寸,進而可以計算出光斑的實際尺寸,利用CCD的焦距、CCD光敏面與CCD物鏡的距離,根據透鏡成像公式可以計算出上轉換板與CCD物鏡的距離,進一步計算出激光光斑像的放大率,平行光管的焦距已知,便可以計算出光斑的發散角。

利用該裝置對某型對空指揮鏡的低、單頻脈沖激光光斑進行了采集,利用MATLAB編程對采集到的光斑圖像軟件處理出的強度三維立體圖如圖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、尺寸及發散角等各項性能參數,該軟件可以處理任意時刻每幀圖像的各項參數。在實際測試中,光斑發射角軟件處理結果為16.569 911 mrad,而利用光學倍率計對光斑的原始尺寸進行測量并換算成發散角(為16.569 633 mrad),光斑直徑軟件處理結果為0.579 999 mm,實際測量的結果為0.580 111 mm,誤差最小為3個量級,誤差非常小。

圖4 低、單頻脈沖激光光斑強度三維立體圖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處理界面Fig.5 The interface of parameters transact of single and lower frequency laser spot such as figure center

4 結論

本文提出將上轉換板應用于脈沖激光光斑的測試,利用上轉換板將紅外激光轉換為可見光,較好地實現了低、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,實現了脈沖激光光斑形心、質心、尺寸、發散角、光斑強度等多個參數的綜合測試,實驗結果表明該系統誤差非常小,具有很好的穩定性和魯棒性。

[1]ZHANG Xusheng,HUANG Shengye.Automatic testing of optical multi-parameter based on CCD cameraand LCD graph generator[J].Proc SPIE,2002,4 927:123-128.

[2]高衛.強激光光束質量評價和測量方法[J].紅外與激光工程,2003,32(1):61-64.GAO Wei.Test manner and quality evaluate on stronger beam of light[J].Infrared and Laser Engineering,2003,32(1):61-64.

[3]徐東勇,臧競存.上轉換激光和上轉換發光材料的研究進展[J].人工晶體學報,2001,30(2):203-210.XU Dongyong,ZHANG Jingcun.Research evolve of up conversion laser and flaring material of up conversion[J].Journal of manpower crystal,2001,30(2):203-210.

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[5]李文成.激光光斑及腰束光斑尺寸的測量研究[J].應用光學,2002,23(3):30-33.LI Wencheng.Measure research on laser spot and spot dimension of stays[J].Journal of applied optics,2002,23(3):30-33.