佟 洋,徐熙平

(長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130022)

基于數(shù)字微鏡陣列光調(diào)制的激光防護(hù)系統(tǒng)

佟 洋,徐熙平*

(長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130022)

提出一種基于數(shù)字微鏡陣列(DMD)的激光防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,利用DMD的光調(diào)制作用減少?gòu)?qiáng)激光對(duì)光電成像設(shè)備的損壞。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的工作原理、DMD及CCD的選型、投影光路和光學(xué)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì),運(yùn)用相移莫爾法進(jìn)行了圖像像素的調(diào)校。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,該系統(tǒng)可在不同光斑半徑和光強(qiáng)的條件下成功識(shí)別激光光斑中心點(diǎn)的像素坐標(biāo)和半徑,實(shí)現(xiàn)對(duì)光斑對(duì)應(yīng)區(qū)域的微反射鏡控制,激光光強(qiáng)可衰減70％以上。

數(shù)字微鏡陣列;激光防護(hù);莫爾相移法

1 引 言

近年來(lái),隨著光電技術(shù)的迅猛發(fā)展,光電成像技術(shù)成為重要的制導(dǎo)方式。由于該類設(shè)備中的光傳感器等元件往往具有累計(jì)增益,因此容易受到高強(qiáng)度激光的輻射而損壞。為保持光電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行,必須采取有效的激光防護(hù)措施。

激光防護(hù)技術(shù)主要分為基于光學(xué)相變、線性光學(xué)和非線性光學(xué)原理的三大類[1]。主要形式有薄膜吸收或反射[2-4]、光譜濾波、光限幅技術(shù)[5-10]、光學(xué)開關(guān)技術(shù)等。本文提出了一種基于數(shù)碼微鏡陣列的激光防護(hù)方案,該方案運(yùn)用光學(xué)開關(guān)技術(shù),通過(guò)改變微鏡的反射角度和反射時(shí)間達(dá)到限制進(jìn)入光電設(shè)備的激光強(qiáng)度的目的,有效地抑制了光飽和現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)了抗激光輻射的效果。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于微鏡陣列的激光防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由光學(xué)投影系統(tǒng)、DMD組件、光學(xué)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、CCD模塊、CPU控制器以及各種接線組成。含有自然光和強(qiáng)激光的混合光進(jìn)入投影系統(tǒng),經(jīng)調(diào)整對(duì)準(zhǔn)到DMD的反射鏡面;反射后的光進(jìn)入光學(xué)轉(zhuǎn)換系統(tǒng),投射到CCD相機(jī);采集的圖像信息送至CPU進(jìn)行運(yùn)算,確定圖像的光強(qiáng)飽和中心和半徑,將對(duì)應(yīng)的微鏡控制信息傳回DMD,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)激光的光強(qiáng)衰減功能。由于系統(tǒng)中的CCD的過(guò)曝光可以通過(guò)調(diào)節(jié)CCD的曝光時(shí)間予以消去,而激光的作用是無(wú)法消除的,因此對(duì)CCD曝光的調(diào)節(jié)可以區(qū)分是否為激光導(dǎo)致的過(guò)飽和。

圖1 系統(tǒng)原理圖,其中實(shí)體箭頭表示光路,空心箭頭表示電路連接線或信號(hào)連接線。Fig.1 Block diagram of the protection system against laser radiation.Solid arrows indicate the light path,and hollow arrows are electronic or digital connections.

2.1 DMD組件與CCD相機(jī)

DMD是一種數(shù)字調(diào)控的光開關(guān)器件,采用二進(jìn)制脈寬調(diào)制,實(shí)現(xiàn)光的振幅、相位和反射方向的調(diào)整。每個(gè)DMD芯片上集成了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微反射鏡,單個(gè)鏡片可繞對(duì)角線進(jìn)行±12°的輕微轉(zhuǎn)動(dòng),并可以獨(dú)立控制。本系統(tǒng)通過(guò)控制微鏡的偏轉(zhuǎn)角度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光線方向的控制。DMD組件是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激光防護(hù)功能的核心器件,因此必須對(duì)它的分辨率、控制精度以及響應(yīng)速度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。綜合各個(gè)參數(shù),本系統(tǒng)選用了XD-SD02的DMD組件。它的分辨率為1 024×768像素,像元尺寸為13.68 μm。它有3個(gè)狀態(tài):“on”、“off”、“flat”,分別對(duì)應(yīng)微鏡的3個(gè)角:+12°、-12°和0°。其中,DMD的“flat”狀態(tài)為未上電的初始狀態(tài),它不是一個(gè)可控的穩(wěn)定狀態(tài)。上電后,對(duì)DMD的控制只有兩種狀態(tài):“on”和“off”。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

為了提高激光防護(hù)系統(tǒng)的分辨率,需要實(shí)現(xiàn)CCD相機(jī)與DMD組件的像元對(duì)應(yīng)性,而相機(jī)的幀頻也是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高性能激光防護(hù)的重要條件。因此,我們選擇像素高以及與DMD幀頻差5～10倍的相機(jī)型號(hào)。本設(shè)計(jì)中選取了約140兆像素的CCD-ICX285AL,參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 DMD組件和CCD相機(jī)的具體參數(shù)Table 1 Specifications of DMD＆amp;CCD

2.2 投影系統(tǒng)與光學(xué)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

本系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)部分包括投影系統(tǒng)和光學(xué)轉(zhuǎn)換系統(tǒng),用以實(shí)現(xiàn)光學(xué)引擎功能?？紤]投影圖像的均勻性,降低能量耗損,保證成像質(zhì)量,避免投影系統(tǒng)與光學(xué)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的光機(jī)結(jié)構(gòu)相互制約的問(wèn)題,本設(shè)計(jì)采用了帶有TIR棱鏡的遠(yuǎn)心光路,根據(jù)全反射性質(zhì),精確設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)傾斜邊的角度,實(shí)現(xiàn)了光線的控制,如圖2所示。

圖2 引入TIR棱鏡的光路設(shè)計(jì)Fig.2 Setup of optical devices including TIR

含有自然光和激光的混合光線通過(guò)投影系統(tǒng)光路進(jìn)入到TIR棱鏡,通過(guò)棱鏡1傾斜邊界全反射到DMD反射鏡面。根據(jù)DMD的不同狀態(tài),反射后的光線分別進(jìn)入不同的反射棱鏡:“on”狀態(tài)考慮到加工誤差及分光精度,設(shè)DMD反射后的光錐角為β＇≈11°,則CCD表面光束的光錐角β≈8.7°。若取光學(xué)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的像方孔徑角為8.5°,則物方孔徑角約為10.7°。下,反射光線進(jìn)入棱鏡2,直接透射出去進(jìn)入光學(xué)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和CCD相機(jī);“off”狀態(tài)下,DMD反射的光線進(jìn)入棱鏡3,并經(jīng)再次全反射出去并用暗板接收,遠(yuǎn)離光學(xué)轉(zhuǎn)換系統(tǒng),避免干擾。

根據(jù)選定的DMD組件以及CCD相機(jī)的尺寸,光學(xué)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的垂軸放大倍率為

3 像素調(diào)校

由于CCD和DMD的像元非常微小,像元的陣列也并不相同,因此要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制功能,需要對(duì)兩個(gè)元件間的圖像傳遞通信進(jìn)行校對(duì)。本文采用了基于相移莫爾法的像素通信調(diào)校方法,該方法通過(guò)莫爾條紋圖案的相位分布辨別像素是否匹配,并且能夠提供像素的錯(cuò)位補(bǔ)償。該方法易于實(shí)行,并具有較高的精度[11-12]。

對(duì)于已經(jīng)校正畸變的系統(tǒng),以40 μs的數(shù)字信號(hào)控制DMD,通過(guò)CPU控制DMD以行或列為單位的“on”和“off”態(tài),產(chǎn)生以N(N≥4)像素為周期的二進(jìn)制明暗相間條紋。以1/N的像素進(jìn)行圖像采集并復(fù)制,循環(huán)N次。將N幅圖像進(jìn)行對(duì)比,若出現(xiàn)了莫爾條紋,則DMD與CCD像元不匹配,需進(jìn)行修正。N為8時(shí),像元對(duì)應(yīng)與像元錯(cuò)位情況分別如圖3和圖4所示。

圖3 像元對(duì)應(yīng)情況原理示意圖Fig.3 Schematic introduction of pixels matching

圖4 像元不對(duì)應(yīng)情況時(shí)的莫爾相移法原理示意圖Fig.4 Schematic introduction of phase-shifting Moire method

相移的圖像中單個(gè)像元接收的光強(qiáng)度表示如下:

其中,Ip(x,y)表示圖像的背景強(qiáng)度,Iq(x,y)是光柵的振幅強(qiáng)度,θ(x,y)是相位初始值。莫爾條紋的相位公式如下:

若圖像分析區(qū)有相位差大于2π/N,說(shuō)明有像素錯(cuò)位或失配,其量值為其中,d是標(biāo)準(zhǔn)莫爾圖案的柵距。

4 測(cè)試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中,采用微型可見(jiàn)綠色激光器(MLL-Ⅲ型,波長(zhǎng)532 nm)作為光源,模擬激光干擾。在光斑半徑2 mm、功率2 mW的激光照射下,CCD相機(jī)采集的圖像如圖5(a)所示。進(jìn)而識(shí)別飽和光斑中心并確定半徑。CCD圖像采集速度為15 F/s,提取的結(jié)果為:激光光斑中心像素坐標(biāo)(383,480),光斑半徑153像素,光強(qiáng)被衰減了70.1％。根據(jù)該結(jié)果,將對(duì)應(yīng)編碼位置的微鏡狀態(tài)設(shè)置為“off”。經(jīng)DMD調(diào)制后,飽和區(qū)的激光光線被反射到CCD視場(chǎng)以外,顯示為黑色。效果如圖5(b)所示。接著,我們對(duì)不同光強(qiáng)以及不同光斑直徑激光的干擾性能進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果如表2所示。

圖5 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(a)調(diào)制前圖像;(b)調(diào)制后圖像。Fig.5 Result of simulation experiment.(a)Image without modulation by DMD.(b)Image with modulation by DMD.

表2 不同光斑直徑和光強(qiáng)條件下的防激光性能測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of experiment about the protection function under different radius and intensities of laser light

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在光斑直徑一定的情況下,激光的功率越大,系統(tǒng)能夠衰減的激光光強(qiáng)比率就越高;在光強(qiáng)一定的條件下,光斑直徑越大,激光光強(qiáng)衰減比例就越小。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析可知,單位面積上的光強(qiáng)越大,CCD相機(jī)采集的圖像辨識(shí)度越高,系統(tǒng)的防護(hù)性能就越好。

5 結(jié) 論

針對(duì)激光防護(hù)安全的需求,提出一種基于數(shù)碼微鏡陣列的激光防護(hù)系統(tǒng)方案,包括投影系統(tǒng)、DMD組件、光學(xué)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及CCD相機(jī)。根據(jù)莫爾相移法對(duì)DMD和CCD的像元匹配進(jìn)行了校對(duì),并在不同光斑半徑和光強(qiáng)條件下對(duì)該系統(tǒng)的防護(hù)性能進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠?qū)⑦M(jìn)入CCD視場(chǎng)的激光光強(qiáng)衰減掉70％以上,并且光強(qiáng)密度越大,系統(tǒng)的防護(hù)性能越好。

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佟洋(1975-),男,遼寧興城人,博士研究生,2003年于東北師范大學(xué)獲得碩士學(xué)位,主要從事DMD調(diào)制成像系統(tǒng)的研究。

E-mail:TongYang2002@163.com

徐熙平(1969-),男,吉林人,教授,博士生導(dǎo)師,2004年于長(zhǎng)春理工大學(xué)獲得博士學(xué)位,主要從事光電檢測(cè)技術(shù)與質(zhì)量控制方面的研究。

E-mail:xxp@cust.edu.cn

Protection System for Optoelectronic Sensors Against Laser Radiation Based on Light Modulation of DMD

TONG Yang,XU Xi-ping*
(School of Opto-electronic Engineering,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China) *Corresponding Author,E-mail:xxp@cust.edu.cn

A design scheme of laser protection system based on digital micro-mirror device(DMD) was proposed to reduce the damage of intense laser to optoelectronic imaging equipment.The working principle of the system,the model selection of DMD and CCD,the projection optical path and the design of optical conversion system were introduced in detail.The image pixels were tuned by using the phase-shifting Mohr method.The simulation results show that the system can successfully identify pixel coordinates and radiuses of the laser spot center points in different spot radiuses and light intensities,and achieve micro-mirror control of the corresponding regions of spots.The laser light intensity can be attenuated by over 70％.

DMD module;protection system against laser radiation;phase-shifting Moire method

TN216

:ADOI:10.3788/fgxb20153611.1325

1000-7032(2015)11-1325-05

2015-08-13;

:2015-09-19

國(guó)家自然科學(xué)基金(YYWX_E12102791-201304)資助項(xiàng)目