張峰烈，傅 星，林 謙，胡小唐

（天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

0 引言

隨著短脈沖激光器的迅速發(fā)展，短脈沖激光微拋光已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于金屬表面處理領(lǐng)域［1］。

大功率脈沖激光器進(jìn)行微拋光時(shí)對(duì)能量密度恒定的要求很高，特別是對(duì)傾斜或彎曲表面的激光拋光［2］。激光微拋光時(shí)，假設(shè)光源的輸出能量保持不變，則控制激光能量密度恒定的基本方法就是保證工件表面上激光光斑面積的恒定，即做到對(duì)工件表面上激光光斑大小的實(shí)時(shí)控制。

一般大功率激光光斑面積的實(shí)時(shí)檢測(cè)控制很難。當(dāng)前激光光斑面積檢測(cè)與控制方法有很多［3，4］，大多采用CCD—PC軟件圖像處理式、電容式和電感式。通常采用CCD—PC軟件圖像處理方法來(lái)測(cè)定激光光斑面積［5］，但其實(shí)時(shí)控制性不夠;而在對(duì)圖像灰度沒(méi)有要求的系統(tǒng)中，為了提高實(shí)時(shí)控制性和降低成本，應(yīng)盡可能采用二值化圖像處理方法。這樣可以利用CCD視頻信號(hào)二值化處理與FPGA技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)控制激光光斑的大小。

本文介紹了采用532 nm的連續(xù)激光器將波長(zhǎng)為355 nm的大功率納秒脈沖激光光斑實(shí)時(shí)控制的方案。采用CCD視頻信號(hào)二值化處理方法與FPGA技術(shù)，將待測(cè)物體上面的光斑面積實(shí)時(shí)地檢測(cè)并控制而實(shí)現(xiàn)恒定光斑面積的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

脈沖激光光斑實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由低功率連續(xù)激光器（斐波光電公司）、高功率脈沖激光器（美國(guó)COHERENT公司的AVIA355—3000）、共焦點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng)（Navitar Zoom 6000）、準(zhǔn)直器（BXZ—532—1—3X 和 BXZ—355—1—3X）、色差補(bǔ)償物鏡、CCD（德國(guó) Polytec公司的 VCT 72）、CCD圖像信號(hào)處理及控制器、Z軸驅(qū)動(dòng)器、Z軸微移動(dòng)臺(tái)組成。

圖1 激光光斑面積實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)示意圖Fig 1 Schematic diagram of real-time control system for laser spot area

本文采用CCD視頻信號(hào)的二值化方法與FPGA處理技術(shù)的硬件圖像處理方法來(lái)將待測(cè)物體上的光斑面積實(shí)時(shí)地檢測(cè)并控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光斑面積恒定的目的。其硬件系統(tǒng)示意圖如圖2所示，主要依據(jù)功能分成兩大模塊:模擬信號(hào)處理模塊和FPGA控制模塊。即先將激光光斑的CCD視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為二值化信號(hào)后，再用FPGA來(lái)計(jì)算處理。軟件程序設(shè)計(jì)則充分發(fā)揮FPGA強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力，達(dá)到通信、數(shù)據(jù)處理、加工控制等多個(gè)功能模塊的同時(shí)實(shí)現(xiàn)。

圖2 CCD圖像信號(hào)處理與FPGA控制模塊示意圖Fig 2 Schematic diagram of CCD image signal processing and FPGA control module

Z軸驅(qū)動(dòng)器采用SIGMA公司的SG—55MA，Z軸微移動(dòng)臺(tái)為同一公司的SGSP40—5ZF（5相步進(jìn)電機(jī)式），其移動(dòng)量和最大速度分別為0.5 μm/step，2 mm/s。為了提高實(shí)時(shí)控制性，其驅(qū)動(dòng)器采用了特殊驅(qū)動(dòng)方式，在需要高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部電路能從微步驅(qū)動(dòng)切換到整步驅(qū)動(dòng)，而采用微步驅(qū)動(dòng)方式時(shí)可實(shí)現(xiàn)高分辨率的機(jī)械定位。微動(dòng)臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)步進(jìn)角度為0.72°，以FPGA輸出的4位的數(shù)字信號(hào)控制步進(jìn)角的分辨率，最高的分辨率達(dá)到0.00288°。

2 光斑面積檢測(cè)與控制原理

為了利用CCD—FPGA控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)控制高功率激光的光斑大小，應(yīng)采用連續(xù)激光器。因?yàn)槔酶吖β拭}沖激光光源時(shí)，其脈沖反復(fù)頻率為數(shù)十赫茲，甚至幾千赫茲，所以，其光斑像的CCD視頻信號(hào)里會(huì)包含激光脈沖的頻率成分，其二值化處理很難。并且利用波長(zhǎng)為355 nm的紫外脈沖激光時(shí)，普通CCD無(wú)法得到光斑像。這樣利用波長(zhǎng)為可見(jiàn)光的連續(xù)激光器，使用CCD—FPGA控制系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)脈沖激光光斑大小的實(shí)時(shí)控制。

連續(xù)激光和脈沖激光通過(guò)準(zhǔn)直鏡后其光束直徑變?yōu)橐粯?，同時(shí)通過(guò)同樣光學(xué)系統(tǒng)以同一光軸照射到工件表面上。此時(shí)，由于普通物鏡色差的存在，這兩束不同波長(zhǎng)的激光通過(guò)物鏡時(shí)其光路會(huì)有所不同，但這種偏差可以通過(guò)采用色差補(bǔ)償物鏡來(lái)消除。所以，照射到工件表面上的2個(gè)激光的光斑大小為一致。連續(xù)激光光斑的散光像通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)在CCD上成像，而將其CCD視頻信號(hào)變換為二值化脈沖信號(hào)，然后在以FPGA為核心的控制器上進(jìn)行計(jì)算處理。其FPGA的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)Z軸微移動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)光斑大小的反饋控制。

3 系統(tǒng)的特性

3.1 激光光斑

圖3所示為將脈沖激光和連續(xù)激光照射到白紙上，通過(guò)CCD成像系統(tǒng)采集的光斑圖像。如圖3所示，2個(gè)激光斑的形狀基本上一樣。

圖3 兩個(gè)激光的光斑像Fig 3 Spot images of two lasers

實(shí)際上，激光的光斑像是:其激光照射到試片表面時(shí)，在表面反射和散射而形成的散斑像。所以，在其散斑像里有干涉而來(lái)的許多暗和亮點(diǎn)。此干涉條紋跟試片表面的粗糙度和連續(xù)激光的波長(zhǎng)有關(guān)。此干涉條紋的暗和亮度反映在CCD視頻信號(hào)上，所以，二值化脈沖信號(hào)就會(huì)變化進(jìn)而影響測(cè)量光斑面積的精確度。這樣的現(xiàn)象，若用共焦點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng)的成像用透鏡來(lái)調(diào)整光斑像的擴(kuò)大率能夠消除。

3.2 二值化閾值與FPGA的控制誤差范圍

采用CCD視頻信號(hào)的二值化處理來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)控激光光斑面積時(shí)，準(zhǔn)確地設(shè)定二值化閾值電壓和FPGA的比較范圍是非常關(guān)鍵的。

1）二值化閾值電壓

二值化閾值電壓的設(shè)定與激光光斑的CCD視頻信號(hào)的特性有關(guān)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析來(lái)設(shè)定CCD視頻信號(hào)的二值閾值。因?yàn)楣獍吣芰糠植继匦?，?duì)激光光斑的CCD信號(hào)表現(xiàn)開(kāi)端部分的末端部分斜率較陡，中間部分因飽和而平坦的特性。如果測(cè)量不同二值化參考電壓下計(jì)數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)在參考電壓的某一部分其計(jì)數(shù)值基本上不變，這就對(duì)應(yīng)于CCD視頻信號(hào)中斜率陡的部分，將此時(shí)參考電壓選定為CCD視頻信號(hào)的二值化閾值。

圖4為隨二值化參考電壓FPGA的計(jì)數(shù)值的變化。從圖4可知，隨二值化參考電壓FPGA計(jì)數(shù)值基本上開(kāi)始穩(wěn)定時(shí)刻的電壓值為405 mV，所以設(shè)定要的二值化閾值為405 mV。

圖4 隨二值化參考電壓FPGA的計(jì)數(shù)值Fig 4 FPGA counter value with binarization reference voltage

2）FPGA的控制誤差范圍

在實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制時(shí)，要控制的光斑面積與實(shí)際測(cè)量的面積之間必須存在一定的誤差。此時(shí)，控制光斑的穩(wěn)定性和精確度隨著FPGA比較范圍值的變化而變化。實(shí)際上實(shí)時(shí)測(cè)控時(shí)，通過(guò)比較參考數(shù)據(jù)（跟要控制的光斑大小有關(guān)）和實(shí)際計(jì)數(shù)量的相差生成控制信號(hào)，由FPGA向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送其微動(dòng)控制信號(hào)而實(shí)現(xiàn)控制光斑面積。

FPGA的控制誤差范圍也是用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)設(shè)定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，一般激光光斑面積實(shí)時(shí)控制時(shí)，將要控制的參考計(jì)數(shù)值設(shè)定為十六進(jìn)制數(shù)4000。由表1可知，測(cè)量激光光斑面積的相對(duì)誤差小于0.5%，測(cè)量光斑面積的分辨率為10 μm2，由式（3）可知，此時(shí)計(jì)數(shù)值為十進(jìn)制數(shù)12。所以，理論上FPGA的控制誤差范圍為12，但實(shí)際實(shí)驗(yàn)中設(shè)定為十進(jìn)制數(shù)24。

3.3 計(jì)算連續(xù)激光光斑面積

一般而言，在CCD像面上所獲取的圖像中亮部分面積ACCD為

式中n為所占的像敏單元數(shù)量，S0為像敏單元面積。一個(gè)行同步脈沖代表一列像敏單元的長(zhǎng)度量。若計(jì)數(shù)器在一場(chǎng)同步周期內(nèi)能夠計(jì)數(shù)的總數(shù)為mf，CCD的像敏單元總數(shù)為mCCD時(shí)，光斑的面積為

式中nf為二值化脈沖的計(jì)數(shù)量，mCCD為 CCD的像素（752（H）×582（V）），1/4 英寸 CCD 的S0為 17.55 μm2。在一個(gè)場(chǎng)同步周期內(nèi)能夠計(jì)數(shù)的最大值為mf=186 250就用18 bit的二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示。工件表面上激光光斑的面積A為

式中M為與CCD前的光學(xué)系統(tǒng)有關(guān)的光學(xué)因素。

3.4 激光光斑面積的標(biāo)定

用標(biāo)準(zhǔn)柵格（硅平面上5 μm×5 μm的正方形排列，它們之間距離5 μm）進(jìn)行測(cè)量光斑面積的標(biāo)定。

連續(xù)激光通過(guò)準(zhǔn)直器和共焦點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng)照射到標(biāo)準(zhǔn)柵格上而形成光斑像。該光斑像再通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)，由CCD和圖像采集卡采集，而在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算處理。圖5所示為標(biāo)準(zhǔn)柵格及其表面上的激光光斑像。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)柵格及其表面上的連續(xù)激光光斑像Fig 5 Image of standard grid and continuous laser spot on it

圖6所示為對(duì)標(biāo)準(zhǔn)柵格表面，隨離焦距離變化FPGA的計(jì)數(shù)值的變化。采用手動(dòng)式垂直方向微移動(dòng)臺(tái)將標(biāo)準(zhǔn)柵格從物鏡焦點(diǎn)位置開(kāi)始往下微動(dòng)。經(jīng)最小乘擬合可知離焦距離和計(jì)數(shù)值近似滿足二次函數(shù)關(guān)系。

圖6 FPGA計(jì)數(shù)值和離焦距離關(guān)系Fig 6 The relationship between FPGA counter value and defocus distance

圖7所示為用圖像采集卡和計(jì)算機(jī)來(lái)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)柵格上的光斑面積變化曲線和圖6的數(shù)據(jù)的比較。

利用圖7的2條曲線和式（3），可以求出光學(xué)因素M，能夠標(biāo)定工件表面上的激光光斑面積。實(shí)驗(yàn)結(jié)果M為0.02。

圖7 CCD上光斑面積和光斑面積的絕對(duì)量變化Fig 7 Spot area and absolute value change of spot area on CCD

對(duì)于不同離焦距離的連續(xù)激光光斑面積的檢測(cè)誤差如表1所示。由表可知，相對(duì)距離由0～8 μm時(shí)，當(dāng)光斑面積測(cè)量的相對(duì)誤差最大為0.5%，而激光光斑面積檢測(cè)的絕對(duì)誤差小于 8 μm2。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研制了采用波長(zhǎng)532 nm的連續(xù)激光器和CCD—FPGA技術(shù)大功率脈沖激光光斑面積實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)并分析了激光光斑、CCD視頻信號(hào)以及二值化信號(hào)的關(guān)系;計(jì)算并標(biāo)定激光光斑面積，光斑面積測(cè)量的相對(duì)誤差最大為0.5%，而絕對(duì)誤差小于8 μm2;CCD視頻信號(hào)二值化閾值為405 mV，而FPGA的控制誤差范圍為十進(jìn)制數(shù)24。

表1 連續(xù)激光光斑面積的檢測(cè)誤差Tab 1 The detecting error of continuous laser spot area

本系統(tǒng)可以直接應(yīng)用于傾斜或彎曲物體表面的脈沖激光微拋光。

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