王瑩

（長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130033）

1 引言

隨著智能手機(jī)的廣泛應(yīng)用，中國(guó)境內(nèi)的智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈也迅速擴(kuò)充，因此國(guó)內(nèi)對(duì)智能設(shè)備對(duì)應(yīng)攝像頭位置的玻璃面板質(zhì)量檢測(cè)儀器需求很大，該類品控檢測(cè)儀器的市場(chǎng)前景可觀。目前，此類品控檢測(cè)儀器最有效的手段就是檢測(cè)光學(xué)波前，通過檢測(cè)激光照射后產(chǎn)生的干涉條紋質(zhì)量來檢測(cè)智能設(shè)備攝像孔位置的投射波前的好壞，即完成了智能設(shè)備玻璃面板加工質(zhì)量的檢測(cè)。

目前，國(guó)際上的此類品控檢測(cè)儀器價(jià)格偏高不適合零件生產(chǎn)線上對(duì)性價(jià)比和多臺(tái)配置的需求。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的檢測(cè)儀器在性能上與國(guó)際水平仍有差距，在生產(chǎn)線上使用時(shí)暴露出很多問題。其中之一就是檢測(cè)光學(xué)波前的激光采用的基本是常見的半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光的波長(zhǎng)穩(wěn)定性較差，在生產(chǎn)線上惡劣環(huán)境下運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的干涉條紋存在走動(dòng)現(xiàn)象，因此影響檢測(cè)的效率和質(zhì)量。

針對(duì)此問題，本項(xiàng)目在研究階段提出利用穩(wěn)定性較好的氦氖激光替代半導(dǎo)體激光實(shí)現(xiàn)干涉條紋以達(dá)到實(shí)際使用的目的。本文提出了氦氖激光器的重要組成部分——驅(qū)動(dòng)電路的研究和設(shè)計(jì)[1]。

2 氦氖激光作為光源的重要性

半導(dǎo)體激光器的中心波長(zhǎng)的一致性比較差，且其輸出功率會(huì)隨殼體的溫度變化而有較大的變化，同時(shí)溫度對(duì)其使用壽命有很大的影響。氦氖激光器具有良好的輸出功率穩(wěn)定性和極低的激光噪聲水平，且受環(huán)境溫度影響非常小，在光束質(zhì)量方面是最好的[2]。

氦氖激光（Helium-neon gas laser）是研制成功的第一種氣體激光，通常在可見光頻段6328? 工作，功率一般約數(shù)毫瓦，連續(xù)發(fā)光。由于單色性好，相干長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)十米以致數(shù)百米，同時(shí)制造方便、可靠，所以在軍工、工業(yè)、醫(yī)療等精密測(cè)量領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

3 氦氖激光產(chǎn)生干涉條紋不穩(wěn)定的原因

手機(jī)玻璃面板質(zhì)量檢測(cè)儀器屬于激光干涉儀范疇，而激光干涉儀作為檢測(cè)納米尺度超高精度的檢測(cè)設(shè)備，其激光光源輸出波長(zhǎng)的穩(wěn)定性是檢測(cè)精度的重大影響因素之一。因此，我們需結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況分析并解決氦氖激光會(huì)產(chǎn)生干涉條紋不穩(wěn)定的原因。通過實(shí)驗(yàn)，得出氦氖激光器使用時(shí)如果存在溫漂，其產(chǎn)生的干涉條紋就不穩(wěn)定。手機(jī)玻璃面板攝像孔檢測(cè)儀器的發(fā)射部分是氦氖激光器，溫度會(huì)對(duì)氦氖激光器的閾值產(chǎn)生影響，當(dāng)溫度升高時(shí)激光器的閾值電流升高，從而導(dǎo)致氦氖激光器能量轉(zhuǎn)換效率降低，越來越多的電能轉(zhuǎn)化為熱能，影響激光輸出的穩(wěn)定性，進(jìn)而產(chǎn)生的干涉條紋有波動(dòng)。

4 提出氦氖激光驅(qū)動(dòng)器溫度控制的解決辦法

（1）被動(dòng)散熱方式

散熱片被動(dòng)散熱，并設(shè)計(jì)耐熱導(dǎo)熱部分。加大氦氖激光器電源的散熱片，在不借助其他輔助材料的情況下，散熱片通過自身進(jìn)行熱傳導(dǎo)帶走熱量。同時(shí)在氦氖激光器電源底部和側(cè)面分別設(shè)計(jì)多處散熱孔，加大散熱力度。并在電源底部加上四個(gè)支撐腳，加強(qiáng)物理散熱效果。

（2）主動(dòng)散熱方式

主動(dòng)散熱是一種更全面、更復(fù)雜的散熱管理方法。為了更有效地控制和調(diào)節(jié)激光器的溫度與功率，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)基于Atmega128 單片機(jī)為主控芯片的具有溫度控制的激光發(fā)射器驅(qū)動(dòng)電路，通過使用ADN8830芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器溫度的控制和調(diào)節(jié)，以保證溫度變化大時(shí)激光器溫度的穩(wěn)定性[3]。

從實(shí)驗(yàn)效果來看，主動(dòng)散熱效果更好，發(fā)熱量小時(shí)被動(dòng)散熱可以滿足要求，但當(dāng)發(fā)熱量大時(shí)，需通過主動(dòng)散熱加以解決。因此，本文提出兩種設(shè)計(jì)方案，滿足不同工作環(huán)境的需求。

5 氦氖激光驅(qū)動(dòng)電路原理及設(shè)計(jì)

氦氖激光產(chǎn)生的干涉條紋穩(wěn)定性與激光光源發(fā)出的激光穩(wěn)定性密切相關(guān)，而激光驅(qū)動(dòng)電路性能直接決定了氦氖激光的優(yōu)劣，因此，在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)需要注意提高其性能來控制激光器光源的穩(wěn)定性。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了基于Atmega128單片機(jī)的氦氖激光驅(qū)動(dòng)控制電路，包括激光源驅(qū)動(dòng)電路和溫度控制電路。

（1）氦氖激光器結(jié)構(gòu)及工作原理

氦氖激光器的結(jié)構(gòu)包括三個(gè)部分：放電管、光學(xué)諧振腔和驅(qū)動(dòng)電源。其中，放電管和光學(xué)諧振腔組成了激光管，可封裝成獨(dú)立的激光器，而驅(qū)動(dòng)電源部分作為一個(gè)單獨(dú)的模塊使用，如圖1所示。

氦氖激光器中的工作物質(zhì)是純度大于99.99%的氦氣和氖氣，主要由氖原子產(chǎn)生激光，氦原子輔助工作提供光放大條件，它們按照一定的比例和壓強(qiáng)充入玻璃放電管內(nèi)，同時(shí)在上面安裝陽極和陰極，實(shí)現(xiàn)提高能量時(shí)點(diǎn)燃?xì)怏w的目的。諧振腔里包括腔體、反射鏡和毛細(xì)管，它們共同保證光振蕩放大，最終產(chǎn)生激光輸出。當(dāng)外界給予不同能級(jí)的激勵(lì)輻射氣體會(huì)發(fā)生能級(jí)遷躍，會(huì)產(chǎn)生三種不同波長(zhǎng)的激光，其中632.8nm激光為紅色可見光，實(shí)際應(yīng)用較廣泛，本項(xiàng)目中采用的就是此波段的激光作為檢測(cè)光源。實(shí)驗(yàn)證明，由氦氖激光產(chǎn)生的干涉條紋數(shù)量越少2~3 條，玻璃面板的加工精度越高，繼而手機(jī)攝像孔成像質(zhì)量越好。

（2）氦氖激光器溫度控制電路設(shè)計(jì)

Atmega128 單片機(jī)是一款高性能、低功耗的AVR 8 位微處理器，具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，具有非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，具有兩個(gè)分別為8 和16 位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，8 路10 位ADC，53個(gè)可編程I/O端口等，在8位系列單片機(jī)中是配置較高的一款。由于其極高的穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于汽車電子、儀器儀表、智能家居等領(lǐng)域。

TEC 在激光器和PCR 溫度控制中應(yīng)用廣泛。TEC 是一種小而扁平的導(dǎo)熱陶瓷，利用溫度控制器提供的電能冷卻其中一個(gè)表面，同時(shí)加熱相對(duì)的表面，產(chǎn)生一端放熱，另一端吸熱的現(xiàn)象。因此，在TEC 上產(chǎn)生了熱端和冷端兩部分，這也就是TEC的加熱和制冷原理。

ADN8830 是一款高集成度單片控制器，高性能的驅(qū)動(dòng)熱電冷卻器TEC控制器，使電信設(shè)備中所用的激光器或無源器件的溫度保持穩(wěn)定。ADN8830 芯片通過其TEMPSET 端口的電壓值來設(shè)定半導(dǎo)體熱電冷卻器TEC 的溫度。激光器的期望溫度是由一個(gè)設(shè)定點(diǎn)電壓表示，與溫度傳感器采集的實(shí)際溫度電壓通過OP 運(yùn)放器進(jìn)行比較，之后產(chǎn)生一個(gè)偏差電壓。此電壓通過運(yùn)放放大，同時(shí)對(duì)激光器的冷熱端引起的相位延遲進(jìn)行補(bǔ)償，再驅(qū)動(dòng)H 橋端輸出，H 橋控制TEC 電流的大小和方向。當(dāng)激光器的溫度高于設(shè)定點(diǎn)溫度的時(shí)候，H橋會(huì)控制TEC 電流方向來達(dá)到制冷的目的。當(dāng)激光器的溫度低于設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，H橋會(huì)控制TEC電流方向達(dá)到制熱的目的[4]。

利用Atmega128 單片機(jī)控制溫度的采集和控制，其提供激光器的設(shè)定點(diǎn)溫度，通過溫度傳感器采集實(shí)際溫度，通過AND8830來實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，如圖2所示。

（3）氦氖激光器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

氦氖激光器的驅(qū)動(dòng)電路是保證發(fā)射激光穩(wěn)定性的重要部分。激勵(lì)能源大多是直流高壓電，使用市用220V 交流電源經(jīng)過轉(zhuǎn)換成直流高壓電源。220V交流電壓是50Hz的低頻電壓，而擊穿氣體的電壓需要50KHz的高頻電壓，因此220V交流電壓需要經(jīng)過高頻變壓器得到5000V交流電壓，再通過整流、濾波把直流分量保留同時(shí)濾掉交流分量，從而得到5000V 的直流電壓。之后將其輸入氦氖激光器瞬間會(huì)擊穿絕緣氣體，繼而產(chǎn)生激光。

由于氦氖激光管擊穿電壓在5000V到6000V之間，對(duì)于220V 交流電壓必須進(jìn)行23 到27 倍的升壓才能滿足。而實(shí)際應(yīng)用中電壓越高安全距離越小，5000V高壓極容易擊穿電路板，因此，本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)2500V 電壓串聯(lián)得到5000V 擊穿電壓。同時(shí)，為了保證擊穿后能夠正常工作，最佳工作電流應(yīng)保持在5 到10mA 之間，因此在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)必須選用合適的限流電阻來實(shí)現(xiàn)。而工作電壓應(yīng)在1000V 到1500V 之間，為了維持氣體穩(wěn)定發(fā)光的工作狀態(tài)，需要給其提供1500V 的高壓直流電源，這可以直接利用擊穿高壓電源，關(guān)掉一個(gè)2500V 電源，再把另一個(gè)2500V 電源通過脈沖調(diào)制PMW 技術(shù)調(diào)整變壓器MOS 管的占空比把電壓降到1500V，從而得到穩(wěn)定狀態(tài)的工作電壓。氦氖激光器的驅(qū)動(dòng)電路PCB印制板，如圖3所示。

6 結(jié)語

針對(duì)手機(jī)玻璃面板攝像孔檢測(cè)系統(tǒng)的研究，根據(jù)實(shí)際需求分析并設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、高效的氦氖激光器驅(qū)動(dòng)電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路能高效激發(fā)氦氖激光器，使其產(chǎn)生穩(wěn)定的紅色激光，照射后產(chǎn)生清晰、穩(wěn)定的干涉條紋，實(shí)際使用中沒有抖動(dòng)現(xiàn)象，易于品控人員檢驗(yàn)，可以滿足工廠需求，對(duì)采用氦氖激光的智能檢測(cè)儀器的發(fā)展有重要意義。