上转换板在脉冲激光光斑测试中的应用

王呈阳,王运来,杭 彬,金 钟

(驻南京地区军代室,江苏南京 210008)

0 引言

激光光斑是反映激光光束质量好坏的一个主要特征,而光斑的各项性能参数值是判断激光发射器性能优劣及主要故障的重要依据。目前国内外比较流行的测试方法有扫描法、烧蚀法和CCD测量法[1]等多种方法,CCD以其较高的灵敏度和智能化程度而被广泛应用。但CCD对低、单频的红外脉冲激光响应灵敏度很低,作用时间短,需要发射多次激光才有可能被CCD捕捉到,检测效率较低,这尤其和部队野战条件下的快速、准确的训练要求不适应,因此,解决低、单频脉冲激光光斑的测试意义非常重大,也非常迫切,为此,本文首次提出将新型的红外探测转换器件——上转换板,应用于红外脉冲激光光斑的测试。

1 CCD测量法原理及上转换板

1.1 CCD测量法原理

CCD测量法原理如图1所示。对于高、重频激光脉冲可直接经CCD采集成像后由图像采集卡采集,最后测控平台进行光斑尺寸、形心、质心、光斑强度等性能参数的处理[2];而对于低、单频的激光窄脉冲尽管在CCD的光谱范围内,但脉冲作用时间短,低于CCD的有效响应时间,同时CCD的峰值响应波长对可见光敏感,在实验过程中需要发射多次激光才有可能捕捉到激光光斑,虽然可以加同步器加以转化,但成本又太高。

图1 CCD测量法原理图Fig.1 The principle diagram of CCD measurement

1.2 上转换板介绍[3]

上转换板是一种新型的红外探测转换器件,可以将红外波段的激光转换为可见光波段的红光(峰值波长672 nm)。上转换板主要是掺稀土元素的固体化合物,利用稀土元素的亚稳态能级特性,可以吸收多个低能量的长波辐射,经多光子加和后发出高能的短波辐射,从而可使人眼看不见的红外光变为可见光,这种特性可用来拓展光学探测器的功能。上转换板使激光光斑在CCD光敏面上停留的时间延长0.2～0.3 s,使CCD很容易探测到低、单频脉冲的激光。上转换板具有量子转换率高、红外响应时间短、室温条件下工作、不需制冷、热稳定性好等特点,可较好地应用于YAG、GaSi和InGaAsP等多种红外激光器的光路调节和光斑测量上。

2 上转换板在CCD测量法中的应用原理板

上转换板在CCD测量法中的应用原理如图2所示。激光光束经过折反式平行光管、物镜投射到位于系统焦平面处的上转换板上,上转换板将激光光斑由红外激光转换为能被CCD探测到的可见光,经过CCD物镜成像在CCD光敏面上,上转换板还将激光光斑在CCD光敏面上的时间延长。转换后的激光光斑和原始的激光光斑成逐像素对应关系。经过图像采集卡采集,将激光光斑图像信息实时传输到计算机上即可进行光斑的形心、尺寸等技术参数的处理。这里,利用上转换板可以将红外激光转化为可见光的特点,使红外激光脉冲在CCD光敏面上的停留时间延长,转换后的激光光斑和原始的激光光斑成逐像素对应关系,这时带有图像采集卡的计算机直接测量转换后的激光光斑即可,即经上转换板和自行设计的大视场、长焦距物镜后进入CCD进行采集成像,由测控平台控制图像采集卡采集及处理。

图2 上转换板在CCD测量法中的应用原理图Fig.2 The principle diagram of up conversion board applications on CCD measurement

2.1 长焦距、小体积摄远物镜

在测试小光束时为满足测试装置重量轻、体积小、光斑成像质量好的要求,设计了一个长焦距、体积小的摄远物镜。利用CCD拍摄激光发射光斑,从而计算出经变焦光学系统发射出的光束发散角[4]。由于CCD摄像机的物镜焦距一般为 f′=35 mm,当测量小光束时,在CCD像面上的光斑尺寸变得太小,分辨率达不到技术要求。为此设计了长焦距物镜,使其焦距增大至 f′=172 mm,即扩大 5倍,经分析计算,证明此系统分辨10 mrad发散角没有问题。

然而,一般光学系统的焦距与镜筒的长度尺寸是差不多的,也就是说CCD摄像机的物镜镜筒要达到172 mm左右,这就显得很不相称,也会使摄像机变得头重脚轻,不稳定。为此设计了一种新颖的光学系统,使它的镜筒长度小于焦距值,例如 f′/l=2.3,式中 f′为物镜焦距,l为镜筒长度。经设计研究,采用如图3所示的结构可以满足这个要求。

图3 长焦距摄远物镜Fig.3 The object lens of farness screen of long focus

经严格的像差分析计算,在保证成像质量前提下,焦距 f′=172.24 mm,镜筒长度l=74 mm 。

设计的系统光学参数l f′=37.31 mm,t=53 mm,D=Φ30。

3 测试验证

测试方法如下:将被测激光发射机固定在折返反平行光管物镜前,激光发射窗大致对准物镜。上转换板固定在平行光管的后焦面上,上面刻有十字分划线,CCD采集此十字分划线,即作为该检测的电十字分划。从激光发射机的光学观瞄窗中观察,找到激光发射机本身和上转换板的十字分划,并使二者中心重合(即校正了光学观瞄装置的观瞄)。操作时,先打开上转换板后面的背景照明开关,待白光观瞄系统准直调节完毕后即可关闭,这样使对准操作简便,同时也避免了传统检测方法造成的光轴移动;其次,为CCD器件通电使之工作,打开计算机进入图像采集程序,这时应只能显示CCD的电十字分划,操作激光发射机发射激光,这时CCD便可采集到激光光斑的图像,并可在计算机上记录下来。最后,利用相应的算法可以检测得到激光光斑的形心、尺寸等性能参数[5],这里采用阈值法对光斑图像进行行列像素的扫描,求出光斑在水平和竖直方向上的灰度最大和最小像素点的坐标,这时就可以确定光斑的中心位置以及尺寸的像素点数,由CCD光敏面的实际尺寸和像素数计算出每个像素的实际尺寸,进而可以计算出光斑的实际尺寸,利用CCD的焦距、CCD光敏面与CCD物镜的距离,根据透镜成像公式可以计算出上转换板与CCD物镜的距离,进一步计算出激光光斑像的放大率,平行光管的焦距已知,便可以计算出光斑的发散角。

利用该装置对某型对空指挥镜的低、单频脉冲激光光斑进行了采集,利用MATLAB编程对采集到的光斑图像软件处理出的强度三维立体图如图4所示,灰度值在200以上;图5为通过C++Builder软件编程处理出的光斑形心、尺寸及发散角等各项性能参数,该软件可以处理任意时刻每帧图像的各项参数。在实际测试中,光斑发射角软件处理结果为16.569 911 mrad,而利用光学倍率计对光斑的原始尺寸进行测量并换算成发散角(为16.569 633 mrad),光斑直径软件处理结果为0.579 999 mm,实际测量的结果为0.580 111 mm,误差最小为3个量级,误差非常小。

图4 低、单频脉冲激光光斑强度三维立体图Fig.4 The three-dimensional solid diagram of laser spot intensity of single and lower f requency

图5 低、单频脉冲激光光斑形心等参数处理界面Fig.5 The interface of parameters transact of single and lower frequency laser spot such as figure center

4 结论

本文提出将上转换板应用于脉冲激光光斑的测试,利用上转换板将红外激光转换为可见光,较好地实现了低、单频脉冲激光光斑的采集和处理,解决了激光光斑测试中低、单频激光光斑测试的难题,实现了脉冲激光光斑形心、质心、尺寸、发散角、光斑强度等多个参数的综合测试,实验结果表明该系统误差非常小,具有很好的稳定性和鲁棒性。

[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.

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[3]徐东勇,臧竞存.上转换激光和上转换发光材料的研究进展[J].人工晶体学报,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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