張峰烈，傅 星，林 謙，胡小唐

（天津大學精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，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)被廣泛應用于金屬表面處理領(lǐng)域［1］。

大功率脈沖激光器進行微拋光時對能量密度恒定的要求很高，特別是對傾斜或彎曲表面的激光拋光［2］。激光微拋光時，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，即做到對工件表面上激光光斑大小的實時控制。

一般大功率激光光斑面積的實時檢測控制很難。當前激光光斑面積檢測與控制方法有很多［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測定激光光斑面積［5］，但其實時控制性不夠;而在對圖像灰度沒有要求的系統(tǒng)中，為了提高實時控制性和降低成本，應盡可能采用二值化圖像處理方法。這樣可以利用CCD視頻信號二值化處理與FPGA技術(shù)來實時控制激光光斑的大小。

本文介紹了采用532 nm的連續(xù)激光器將波長為355 nm的大功率納秒脈沖激光光斑實時控制的方案。采用CCD視頻信號二值化處理方法與FPGA技術(shù)，將待測物體上面的光斑面積實時地檢測并控制而實現(xiàn)恒定光斑面積的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計

脈沖激光光斑實時控制系統(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COHERENT公司的AVIA355—3000）、共焦點光學系統(tǒng)（Navitar Zoom 6000）、準直器（BXZ—532—1—3X 和 BXZ—355—1—3X）、色差補償物鏡、CCD（德國 Polytec公司的 VCT 72）、CCD圖像信號處理及控制器、Z軸驅(qū)動器、Z軸微移動臺組成。

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

本文采用CCD視頻信號的二值化方法與FPGA處理技術(shù)的硬件圖像處理方法來將待測物體上的光斑面積實時地檢測并控制進而實現(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:模擬信號處理模塊和FPGA控制模塊。即先將激光光斑的CCD視頻信號轉(zhuǎn)換為二值化信號后，再用FPGA來計算處理。軟件程序設(shè)計則充分發(fā)揮FPGA強大的邏輯運算能力，達到通信、數(shù)據(jù)處理、加工控制等多個功能模塊的同時實現(xiàn)。

圖2 CCD圖像信號處理與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)動器采用SIGMA公司的SG—55MA，Z軸微移動臺為同一公司的SGSP40—5ZF（5相步進電機式），其移動量和最大速度分別為0.5 μm/step，2 mm/s。為了提高實時控制性，其驅(qū)動器采用了特殊驅(qū)動方式，在需要高速運動時，其內(nèi)部電路能從微步驅(qū)動切換到整步驅(qū)動，而采用微步驅(qū)動方式時可實現(xiàn)高分辨率的機械定位。微動臺的標準步進角度為0.72°，以FPGA輸出的4位的數(shù)字信號控制步進角的分辨率，最高的分辨率達到0.00288°。

2 光斑面積檢測與控制原理

為了利用CCD—FPGA控制系統(tǒng)來實時控制高功率激光的光斑大小，應采用連續(xù)激光器。因為利用高功率脈沖激光光源時，其脈沖反復頻率為數(shù)十赫茲，甚至幾千赫茲，所以，其光斑像的CCD視頻信號里會包含激光脈沖的頻率成分，其二值化處理很難。并且利用波長為355 nm的紫外脈沖激光時，普通CCD無法得到光斑像。這樣利用波長為可見光的連續(xù)激光器，使用CCD—FPGA控制系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)對脈沖激光光斑大小的實時控制。

連續(xù)激光和脈沖激光通過準直鏡后其光束直徑變?yōu)橐粯?，同時通過同樣光學系統(tǒng)以同一光軸照射到工件表面上。此時，由于普通物鏡色差的存在，這兩束不同波長的激光通過物鏡時其光路會有所不同，但這種偏差可以通過采用色差補償物鏡來消除。所以，照射到工件表面上的2個激光的光斑大小為一致。連續(xù)激光光斑的散光像通過光學系統(tǒng)在CCD上成像，而將其CCD視頻信號變換為二值化脈沖信號，然后在以FPGA為核心的控制器上進行計算處理。其FPGA的輸出信號驅(qū)動Z軸微移動裝置，實現(xiàn)對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CCD成像系統(tǒng)采集的光斑圖像。如圖3所示，2個激光斑的形狀基本上一樣。

圖3 兩個激光的光斑像Fig 3 Spot images of two lasers

實際上，激光的光斑像是:其激光照射到試片表面時，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的許多暗和亮點。此干涉條紋跟試片表面的粗糙度和連續(xù)激光的波長有關(guān)。此干涉條紋的暗和亮度反映在CCD視頻信號上，所以，二值化脈沖信號就會變化進而影響測量光斑面積的精確度。這樣的現(xiàn)象，若用共焦點光學系統(tǒng)的成像用透鏡來調(diào)整光斑像的擴大率能夠消除。

3.2 二值化閾值與FPGA的控制誤差范圍

采用CCD視頻信號的二值化處理來實時測控激光光斑面積時，準確地設(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視頻信號的特性有關(guān)，通過實驗分析來設(shè)定CCD視頻信號的二值閾值。因為光斑能量分布特性，對激光光斑的CCD信號表現(xiàn)開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。如果測量不同二值化參考電壓下計數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)在參考電壓的某一部分其計數(shù)值基本上不變，這就對應于CCD視頻信號中斜率陡的部分，將此時參考電壓選定為CCD視頻信號的二值化閾值。

圖4為隨二值化參考電壓FPGA的計數(shù)值的變化。從圖4可知，隨二值化參考電壓FPGA計數(shù)值基本上開始穩(wěn)定時刻的電壓值為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的計數(shù)值Fig 4 FPGA counter value with binarization reference voltage

2）FPGA的控制誤差范圍

在實時檢測與控制時，要控制的光斑面積與實際測量的面積之間必須存在一定的誤差。此時，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。實際上實時測控時，通過比較參考數(shù)據(jù)（跟要控制的光斑大小有關(guān)）和實際計數(shù)量的相差生成控制信號，由FPGA向驅(qū)動器發(fā)送其微動控制信號而實現(xiàn)控制光斑面積。

FPGA的控制誤差范圍也是用實驗方法來設(shè)定。根據(jù)實驗結(jié)果分析，一般激光光斑面積實時控制時，將要控制的參考計數(shù)值設(shè)定為十六進制數(shù)4000。由表1可知，測量激光光斑面積的相對誤差小于0.5%，測量光斑面積的分辨率為10 μm2，由式（3）可知，此時計數(shù)值為十進制數(shù)12。所以，理論上FPGA的控制誤差范圍為12，但實際實驗中設(shè)定為十進制數(shù)24。

3.3 計算連續(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。一個行同步脈沖代表一列像敏單元的長度量。若計數(shù)器在一場同步周期內(nèi)能夠計數(shù)的總數(shù)為mf，CCD的像敏單元總數(shù)為mCCD時，光斑的面積為

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

式中M為與CCD前的光學系統(tǒng)有關(guān)的光學因素。

3.4 激光光斑面積的標定

用標準柵格（硅平面上5 μm×5 μm的正方形排列，它們之間距離5 μm）進行測量光斑面積的標定。

連續(xù)激光通過準直器和共焦點光學系統(tǒng)照射到標準柵格上而形成光斑像。該光斑像再通過光學系統(tǒng)，由CCD和圖像采集卡采集，而在計算機上進行計算處理。圖5所示為標準柵格及其表面上的激光光斑像。

圖5 標準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所示為對標準柵格表面，隨離焦距離變化FPGA的計數(shù)值的變化。采用手動式垂直方向微移動臺將標準柵格從物鏡焦點位置開始往下微動。經(jīng)最小乘擬合可知離焦距離和計數(shù)值近似滿足二次函數(shù)關(guān)系。

圖6 FPGA計數(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算機來測的標準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），可以求出光學因素M，能夠標定工件表面上的激光光斑面積。實驗結(jié)果M為0.02。

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

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

4 結(jié)束語

本文研制了采用波長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時控制系統(tǒng)。實驗并分析了激光光斑、CCD視頻信號以及二值化信號的關(guān)系;計算并標定激光光斑面積，光斑面積測量的相對誤差最大為0.5%，而絕對誤差小于8 μm2;CCD視頻信號二值化閾值為405 mV，而FPGA的控制誤差范圍為十進制數(shù)24。

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

本系統(tǒng)可以直接應用于傾斜或彎曲物體表面的脈沖激光微拋光。

［1］Perry T L，Werschmoeller D.Pulsed laser polishing of micromilled Ti6Al4V samples［J］.Journal of Manufacturing Processes，2009（11）:74 －81.

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［3］鄔 永，傅 星，周志遠，等.應用于激光加工的自動調(diào)焦系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（5）:105 －108.

［4］吳振鋒，左洪福.光學顯微鏡自動聚焦的技術(shù)研究［J］.光學儀器，2000，22（4）:9 －12.

［5］劉春陽，李永新，李勝利.用于CCD圖像采集的自動聚焦控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.測控技術(shù)，2004，23（5）:51 －55.