基于光纤振动幅度的激光散斑控制

·数理科学·

基于光纤振动幅度的激光散斑控制

贺锋涛,左波，张冠芳

(西安邮电大学 电子工程学院, 陕西 西安710121)

摘要：散斑噪声的存在使得图像灰度剧烈变化，降低了图像分辨率，影响成像质量。本文以AT89C51单片机为核心控制器件，采用AD9850型DDS器件产生幅度可调的正弦波信号，再经ULN2003驱动器驱动音圈电机振动，通过光纤振动实现了激光成像系统中激光散斑噪声的控制。在电压幅度0～3.0V振动范围内，随着电压幅度增加，图像散斑的平均对比度整体趋势减小,并在电压幅度2.2V时平均对比度获得了最小值0.06，达到了良好的散斑控制效果。

关键词：单片机;AD9850;散斑对比度

收稿日期：2014-02-27

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61201193)；陕西省自然科学基金基础研究计划资助项目(2012JQ8014)

作者简介：贺锋涛，男，陕西西安人，西安邮电大学副教授，博士，从事光电传感信息处理技术、信息高密度光存储研究。

中图分类号：TN249

Laser speckle control based on fiber optic vibration amplitude

HE Feng-tao, ZUO Bo, ZHANG Guan-fang

(College of Electronic Engineering, Xi′an University of Posts and Telecommunications, Xi′an 710121， China)

Abstract:The presence of speckle noise makes the image gray change sharply, reducing the image resolution and affecting the imaging quality. This paper takes AT89C51 microcontroller as the core control device, use DDS device of AD9850 type to generate sine wave signal whose amplitude can be adjusted, makes ULN2003 driver propel vibration of voice coil motor, and finally realize the control of laser speckle noise through the optical fiber vibration in laser imaging system. With the increase of the voltage amplitude during 0～3.0V, the average contrast of the image speckle will reduce gradually. When the voltage is 2.2V, the average contrast can reach the minimum value of 0.06, so this method can achieve good speckle control effect.

Key words: single chip computer; AD9850; speckle contrast

当使用激光作为光源时,采用光学系统成像会产生严重的散斑噪声,对显微图像的质量造成很大的影响,同时降低了图像的分辨率[1]。因此,为了提高激光成像[2-3]的质量,让人们看到更清晰、色彩更鲜艳的画面,对散斑的控制显得至关重要。

本文以激光作为光学显微镜的照明光源,结合CCD图像传感器及图集采集卡对样品图像进行了采集,在采集过程中运用AT89C51实现对AD9850控制编程,从而控制音圈电机振动幅度大小,通过音圈电机振动光纤来消除由于激光相干性所产生的散斑噪声[4]。该系统成本低,精度高,实用可行。

1基本原理及硬件系统结构

组成该系统的核心器件有单片机AT89C51和DDS集成芯片AD9850以及A/D转换器AD7531等,激光散斑控制系统硬件框图如图1所示。基本原理:单片机AT89C51与AD9850和A/D转换器AD7531连接,通过输出频率和幅度控制字产生幅度可调的正弦信号再经ULN2003驱动音圈电机工作,音圈电机振动光纤来消除由于激光相干性所产生的散斑噪声。

图1　硬件系统框图 Fig.1　Block diagram of hardware system

2硬件部分

系统采用具有低电压、高性能CMOS 8位微处理器单片机AT89C51,它带有4k字节可编程只读存储器。该单片机算术运算功能强，编程灵活、方便，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制,具有体积小、技术成熟和成本低等优点。在不改变硬件的情况下通过改变程序实现系统功能，方便系统调试能够满足本系统的设计要求。

AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器等部分构成能实现全数字编程控制的频率合成。AD9850内部有5个输入寄存器。寄存器接收数据的方式有并行和串行两种方式[5-6]。在本文中采用串行输入方式，串行输入控制时序如图2所示。

图2　串行输入控制时序图 Fig.2　Serial input control sequence diagram

硬件系统中，AT89C51单片机P2.2、P2.3、P2.5作为I/O口的输出数据分别对AD9850的复位信号RE_SET、频率更新控制信号FQ_UD、字装入信号W_CLK进行控制。单片机通过控制FQ_UD、W_CLK信号以达到控制AD9850的8位数据的输入。通过八位数据的输入对其内部寄存器装入40位控制数据，达到对正弦频率和相位的控制。另一方面通过AT89C51单片机输出的幅度控制信号调节D/A转换器的输出电压来实现对DDS正弦幅度的调节，使DDS输出幅度可调的正弦信号。幅度控制部分包括12位的D/A转换器AD7531和反向放大器组成。正弦信号经过ULN2003驱动音圈电机实现对光纤振动的控制。

3软件部分

系统采用AT89C51单片机编程的方法来控制信号波形的频率和幅度，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序中的参数来实现幅度的变换。软件部分使用C语言完成，主要包括系统初始化、设置频率相位控制字、计算幅度控制字和置入幅度控制字子程序。在完成初始化后；在串口模式下，配置AD9850的复位功能；将AD9850的时钟配置为180MHZ，使用串口向AD9850中写入命令和数据，控制正弦信号频率的产生。幅度控制字由AD7531转换器中置入的适当的幅度参数计算得出，从而完成了对输出正弦信号幅度灵活的精确控制。具体的程序流程图如图3所示。

图3　软件流程图 Fig.3　The flow chart of software

4实验结果分析

图 4　平均对比度曲线图 Fig.4　The graph of average contrast ratio

从图4可以看出,激光显微成像中在电压0～3V幅度范围内,频率增加时,图像散斑的平均对比度在0.06～0.17范围内逐渐变小。在振幅为2.2V时平均对比度值取得最小值,为0.060 1,随着幅度增大,平均对比度趋于平稳。由此可以得出,随着光纤幅度的增大,该实验方法具有良好的散斑消除效果,即通过对光纤振动幅度的控制完成了对激光散斑消除的控制。

由平均对比度曲线图可知，电压幅度为0.2V，1.2V，2.2 V以及3.0V时,其平均对比度分别为0.161 6，0.081 4，0.060 1，0.061 8。图5节选的幅度分别为0.2V，1.2V，2.2 V以及3.0V下对比度最接近平均对比度时采集的图像。

在图5中清晰地看到,在振幅为2.2V时，散斑消除效果最明显,即得到了很好的控制。

图5　不同振动幅度下的抛光玻璃表面散斑消除图像 Fig.5　The speckle of the polishing glass surface is eliminated in different vibrating amplitude

5结语

由实验分析可知，该系统通过控制光纤振动幅度减小激光散斑噪声的方法切实可行。实验采用405nm的激光光源,提高了物镜的分辨率;用平均对比度分析散斑噪声,相比对比度更加精准。在电压为2.2V时取得了最好的消散效果,计算其平均对比度为0.060 1。目前,在该系统的基础上已研制出来一种激光散斑控制器，经实践验证,该系统运行稳定,散斑消除效果良好。

参考文献：

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(编辑曹大刚)