基于8051的激光散斑控制器

张 凯，贺锋涛，王晓琳，屈 飞，牛志鹏，彭 飞

(西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710121)

引言

样品表面甚至内部的细微结构的显微成像,一直是许多科学研究和工业生产的重要组成部分。激光光源的出现，促进了激光成像技术的飞速发展,由于激光具有良好的方向性、单色性、高亮度和强相干性使得激光成像与传统光源成像相比具有高对比度、高分率的特点，可满足高精度测量的需求[1]。但激光的高度相干性是产生散斑，进而导致采集图像亮度不均与清晰度下降的原因。想要抑制散斑就需要降低激光的相干性。自从1960年激光诞生，散斑就出现了，前人对激光散斑做了众多的研究。总结起来目前大概有三种降低激光相干性的方法。分别是：降低时间相干性、降低空间相干性、产生动态散斑图样[2]。采用的方式或者是采用特殊的相位掩膜调至光束，或者是两位扫描复位转镜，或者是抖动屏幕等。以上方法均能够对散斑做到一定程度的有效控制，但成本过高，装置复杂且巨大，难以满足大众的需求。本文对激光成像进行了研究，采用产生动态散斑图样的方法，设计了一种简单通过单片机控制光纤振动的系统，在光路上破坏激光的相干性，实现散斑的控制，且在实际应用获得有效数据，分析了振动频率对散斑控制的影响。

1 激光散斑控制原理

图1 激光显微成像系统原理图

2 散斑控制器的结构和原理

在整个激光散斑控制系统里，最核心的便是光路光线的有效可控振动。为了实现对光纤的有效可控振动，研究设计了散斑控制器。散斑控制器是基于AT89C51的单片机，外接信号发生器AD9850，以ULN2003作驱动器，驱动音圈电机振动，由音圈电机与光路光纤的接触实现对光纤的有效可控振动。机构框图结构框图如图2所示。

图2 8051单片机散斑控制框图

在这里，8051是处理核心，来控制外接装置AD9850指定频率信号的输出。8051的P2口连接AD9850的W-CLK、FQ-UD、RESET，原理图如图3所示。

图3 8051与AD9850连线电路图

向AD9850提供加载控制字所需的脉冲信号和芯片复位信号[5-6]。相应频率及相位波形在AD9850产生正弦波后，且将之输出给ULN2003的1端口。ULN2003是耐高压、性能卓越的大电流阵列的驱动器，能够保证与光路光纤接触的音圈电机有效振动。电路原理图如图4所示。

在音圈电机上，额外研究安装了一个固定装置。首先是对AD9850的复位控制，目的是清除之前信号的痕迹；然后确认复位后基于AT89C51的单片机产生AD9850的控制字信号即所需正弦波形信息，并产生相应的正弦波信号传送到ULN2003,驱动增强输出到音圈电机，随即音圈电机产生相应的波形振动[7-9]。这里程序流程图就不再陈列了。激光散斑控制器程序的中心在于8051的控制。首先是对AD9850的复位控制，目的是清除之前信号的痕迹；然后接收由8051发来的波形信息，并产生相应的信号传送到音圈电机，随即音圈电机产生相应的波形振动。音圈电机与光纤固定一起，借此控制光纤振动。

图4 ULN2003与音圈套电机连线电路图

3 激光散斑控制器在实际应用中的数据分析

上文设计的散斑控制器是在激光显微成像的光路中选择一点接入，控制光纤不同频率振动，由此CCD采集的图像的散斑大小，或者说散斑对比度不一样[10]。研究采集了频率从0Hz到100Hz下的抛光玻璃表面的图像，经过仿真得到以下图5。从图像分析，在频率为0Hz时，不给光路光纤以振动，散斑对比度最大，随着振动频率的增加，散斑对比度有增有减，但是整体趋势是下降的，在频率达到50Hz时，散斑对比度最小，为0.033。

图5 散斑对比度仿真图

图6、图7、图8、图9是在频率分别为0Hz、20Hz、50Hz、70Hz时抛光玻璃表面的散斑消除图像，对比度分别为：0.23、0.15、0.06、0.08。

图6 f=0Hz,对比度为0.23 图7 f=20Hz,对比度为0.15

图8 f=50Hz，对比度为0.06 图9 f=70Hz，对比度为0.08

上列图像表明：8051单片机控制固定在音圈电机上的多模光纤振动能够起到良好的散斑控制效果。分析得出在频率为50Hz时，散斑消除效果最佳。下列图像是控制频率50Hz时，CD光盘表面显微图像，图像对比如图10(a)与图10(b)。

图10(a) 没有散斑控制的CD盘片图像

图10(b) 散斑控制下的CD盘片图像

上图10(a)是没有8051激光散斑控制效果下，即0Hz振动频率下CD光盘图像。图10(b)是在基于8051激光散斑控制下，50Hz振动频率下的CD光盘显微图像。可以看出，在没有使用8051激光散斑控制时，CD光盘表面图像完全被散斑噪声淹没，无法获得图像信息。然而使用了8051单片机控制散斑后，获得了CD光盘显微图像信息。

4 结论

基于8051的散斑控制器控制光纤在频率0Hz到100Hz正弦波形振动，对采集的CCD图像的散斑对比度分析，频率从0Hz到100Hz，散斑对比度逐步减小，在频率为50Hz的时候达到最小值，散斑得到最佳控制。由上得出结论：在激光显微成像的光路上，给予光纤一定稳定频率的控制，可以达到对激光散斑的控制，且在频率为50Hz时，散斑对比度最小，散斑控制最佳。研究是在开放的物理环境下操作的，在不同的物理环境下，不同频率，不同接入点对散斑对比度的不同影响有待研究。本文设计的基于8051的散斑控制器完成后体积有0.35×0.20×0.16m3,可搬运拆卸，而且频率是可以程序控制，目前已经应用于实际的硅晶片内部结构的探测。研究找到了一个最佳散斑控制的频率，且基于8051的散斑控制器体积小，可调频率将在激光显微成像得到应用。

[1] 贺锋涛，刘佳.激光显微图像散斑对比度分析[J].西北大学学报：自然科学版，2012，42(3)：377-380.

[2] 司德平.激光散斑[J].物理教学，2008，8：8-10.

[3] 刘佳，贺锋涛.高分辨率405nm激光显微成像系统研究[J].应用光学，2011，32(4)：806-809.

[4] 李霞，刘伟奇，田志辉，等.激光显示中散斑对比度的降低[J].液晶与显示，2008，23(2)：153-156.

[5] 应朝龙，蔡翔，王诚成，等.基于AD9850三相交流信号源设计与实现[J].电子测量技术，2011，34(3)：8-11.

[6] 郭永彩，张春荣，高潮.基于DDS技术AD9850的激励信号源设计[J].微计算机信息，2012，28(1)：12-14.

[7] 刘龙，张振中，戴哲.基于DDS技术的雷达中频信号模拟器信号源[J].国外电子测量技术，2009，28(4)：43-45.

[8] 张国栋.基于嵌入式单片机的步进电机控制系统设计[J].电脑知识与技术，2011，07(24)：6017-6019.

[9] 杨萍，兀旦晖，杨良煜.DDS技术在正弦信号发生器中的应用[J].计算机测量与控制，2008，16(11)：1738-1740.

[10] 李霞，康玉思.激光现实中散斑噪声的抑制[J].应用光学，2010，31(4)：648-651.