·數(shù)理科學(xué)·

基于光纖振動(dòng)幅度的激光散斑控制

賀鋒濤,左波，張冠芳

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院, 陜西 西安710121)

摘要：散斑噪聲的存在使得圖像灰度劇烈變化，降低了圖像分辨率，影響成像質(zhì)量。本文以AT89C51單片機(jī)為核心控制器件，采用AD9850型DDS器件產(chǎn)生幅度可調(diào)的正弦波信號(hào)，再經(jīng)ULN2003驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)振動(dòng)，通過光纖振動(dòng)實(shí)現(xiàn)了激光成像系統(tǒng)中激光散斑噪聲的控制。在電壓幅度0～3.0V振動(dòng)范圍內(nèi)，隨著電壓幅度增加，圖像散斑的平均對比度整體趨勢減小,并在電壓幅度2.2V時(shí)平均對比度獲得了最小值0.06，達(dá)到了良好的散斑控制效果。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);AD9850;散斑對比度

收稿日期：2014-02-27

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61201193)；陜西省自然科學(xué)基金基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012JQ8014)

作者簡介：賀鋒濤，男，陜西西安人，西安郵電大學(xué)副教授，博士，從事光電傳感信息處理技術(shù)、信息高密度光存儲(chǔ)研究。

中圖分類號(hào)：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

當(dāng)使用激光作為光源時(shí),采用光學(xué)系統(tǒng)成像會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的散斑噪聲,對顯微圖像的質(zhì)量造成很大的影響,同時(shí)降低了圖像的分辨率[1]。因此,為了提高激光成像[2-3]的質(zhì)量,讓人們看到更清晰、色彩更鮮艷的畫面,對散斑的控制顯得至關(guān)重要。

本文以激光作為光學(xué)顯微鏡的照明光源,結(jié)合CCD圖像傳感器及圖集采集卡對樣品圖像進(jìn)行了采集,在采集過程中運(yùn)用AT89C51實(shí)現(xiàn)對AD9850控制編程,從而控制音圈電機(jī)振動(dòng)幅度大小,通過音圈電機(jī)振動(dòng)光纖來消除由于激光相干性所產(chǎn)生的散斑噪聲[4]。該系統(tǒng)成本低,精度高,實(shí)用可行。

1基本原理及硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

組成該系統(tǒng)的核心器件有單片機(jī)AT89C51和DDS集成芯片AD9850以及A/D轉(zhuǎn)換器AD7531等,激光散斑控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。基本原理:單片機(jī)AT89C51與AD9850和A/D轉(zhuǎn)換器AD7531連接,通過輸出頻率和幅度控制字產(chǎn)生幅度可調(diào)的正弦信號(hào)再經(jīng)ULN2003驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)工作,音圈電機(jī)振動(dòng)光纖來消除由于激光相干性所產(chǎn)生的散斑噪聲。

圖1　硬件系統(tǒng)框圖 Fig.1　Block diagram of hardware system

2硬件部分

系統(tǒng)采用具有低電壓、高性能CMOS 8位微處理器單片機(jī)AT89C51,它帶有4k字節(jié)可編程只讀存儲(chǔ)器。該單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，編程靈活、方便，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制,具有體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)。在不改變硬件的情況下通過改變程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能，方便系統(tǒng)調(diào)試能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器等部分構(gòu)成能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。AD9850內(nèi)部有5個(gè)輸入寄存器。寄存器接收數(shù)據(jù)的方式有并行和串行兩種方式[5-6]。在本文中采用串行輸入方式，串行輸入控制時(shí)序如圖2所示。

圖2　串行輸入控制時(shí)序圖 Fig.2　Serial input control sequence diagram

硬件系統(tǒng)中，AT89C51單片機(jī)P2.2、P2.3、P2.5作為I/O口的輸出數(shù)據(jù)分別對AD9850的復(fù)位信號(hào)RE_SET、頻率更新控制信號(hào)FQ_UD、字裝入信號(hào)W_CLK進(jìn)行控制。單片機(jī)通過控制FQ_UD、W_CLK信號(hào)以達(dá)到控制AD9850的8位數(shù)據(jù)的輸入。通過八位數(shù)據(jù)的輸入對其內(nèi)部寄存器裝入40位控制數(shù)據(jù)，達(dá)到對正弦頻率和相位的控制。另一方面通過AT89C51單片機(jī)輸出的幅度控制信號(hào)調(diào)節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓來實(shí)現(xiàn)對DDS正弦幅度的調(diào)節(jié)，使DDS輸出幅度可調(diào)的正弦信號(hào)。幅度控制部分包括12位的D/A轉(zhuǎn)換器AD7531和反向放大器組成。正弦信號(hào)經(jīng)過ULN2003驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)實(shí)現(xiàn)對光纖振動(dòng)的控制。

3軟件部分

系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)編程的方法來控制信號(hào)波形的頻率和幅度，而且在硬件電路不變的情況下，通過改變程序中的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)幅度的變換。軟件部分使用C語言完成，主要包括系統(tǒng)初始化、設(shè)置頻率相位控制字、計(jì)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的復(fù)位功能；將AD9850的時(shí)鐘配置為180MHZ，使用串口向AD9850中寫入命令和數(shù)據(jù)，控制正弦信號(hào)頻率的產(chǎn)生。幅度控制字由AD7531轉(zhuǎn)換器中置入的適當(dāng)?shù)姆葏?shù)計(jì)算得出，從而完成了對輸出正弦信號(hào)幅度靈活的精確控制。具體的程序流程圖如圖3所示。

圖3　軟件流程圖 Fig.3　The flow chart of software

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖 4　平均對比度曲線圖 Fig.4　The graph of average contrast ratio

從圖4可以看出,激光顯微成像中在電壓0～3V幅度范圍內(nèi),頻率增加時(shí),圖像散斑的平均對比度在0.06～0.17范圍內(nèi)逐漸變小。在振幅為2.2V時(shí)平均對比度值取得最小值,為0.060 1,隨著幅度增大,平均對比度趨于平穩(wěn)。由此可以得出,隨著光纖幅度的增大,該實(shí)驗(yàn)方法具有良好的散斑消除效果,即通過對光纖振動(dòng)幅度的控制完成了對激光散斑消除的控制。

由平均對比度曲線圖可知，電壓幅度為0.2V，1.2V，2.2 V以及3.0V時(shí),其平均對比度分別為0.161 6，0.081 4，0.060 1，0.061 8。圖5節(jié)選的幅度分別為0.2V，1.2V，2.2 V以及3.0V下對比度最接近平均對比度時(shí)采集的圖像。

在圖5中清晰地看到,在振幅為2.2V時(shí)，散斑消除效果最明顯,即得到了很好的控制。

圖5　不同振動(dòng)幅度下的拋光玻璃表面散斑消除圖像 Fig.5　The speckle of the polishing glass surface is eliminated in different vibrating amplitude

5結(jié)語

由實(shí)驗(yàn)分析可知，該系統(tǒng)通過控制光纖振動(dòng)幅度減小激光散斑噪聲的方法切實(shí)可行。實(shí)驗(yàn)采用405nm的激光光源,提高了物鏡的分辨率;用平均對比度分析散斑噪聲,相比對比度更加精準(zhǔn)。在電壓為2.2V時(shí)取得了最好的消散效果,計(jì)算其平均對比度為0.060 1。目前,在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上已研制出來一種激光散斑控制器，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證,該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,散斑消除效果良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇宙平.改善激光二極管陣列光束質(zhì)量和光譜特性的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海：中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，2008.

[2]楊超君, 周建忠,張永康, 等.激光沖擊金屬板料變形的最小激光能量估算及其實(shí)驗(yàn)研究[J]. 光學(xué)精密工程，2006, 14(3): 396-401.

[3]盧啟鵬,侯寶忠,朱琳琳.半導(dǎo)體激光血管內(nèi)照射治療靜脈曲線的機(jī)理研究[J].光學(xué)精密工程, 2006, 14(4):589-593.

[4]張東玲,賀鋒濤,馮小強(qiáng)，等.高分辨率藍(lán)光光學(xué)顯微測量系統(tǒng)[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2005, 26(3): 57-59.

[5]石雄楊,加功,彭世蕤.DDS 芯片AD9850的工作原理及其與單片機(jī)的接口[J]. 國外電子元器件, 2001(5): 53-55.

[6]占細(xì)雄,林君,胡安，等.基于AD9850 的8位幅度可編程信號(hào)發(fā)生器[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版,2003,21(1):18-20.

[7]JANAKA S.Laser speckle contrast Imaging: Theory, instrumentation and applications[J].Ieee Reviews in Biomedical Engineering, 2013(6):99-110.

[8]賀鋒濤,劉佳.激光顯微圖像散斑對比度分析[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2012, 42(3):377-380.

[9]任淑艷,張琢,張國棟，等.精密測量中激光成像系統(tǒng)散斑的抑制因素[J].光學(xué)精密工程, 2007,15(3):331-336.

(編輯曹大剛)