利用激光反馈测量物体三维形貌

2015-07-30 04:24谷亚先马军山
光学仪器 2015年1期

谷亚先 马军山

摘要:利用激光反馈来测量物体的三维形貌,根据物品表面的离焦量与激光器输出功率的关系,给出一种深度信息的测量算法,并建立一种物体三维形貌测量系统。系统扫描物体表面的每一个点,通过对每点最大电压信号的测量判断并记录扫描平台运行的距离,从而实现每点的深度信息测量,最终完成三维形貌测量。通过实验,完成了对样品局部的三维测量,证明了深度方向测量的可行性,并分析了实验中的影响因素。

关键词:激光反馈; 光学测量; 三维测量; 测量算法

中图分类号: TN 206 文献标志码: A doi: 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.01.001

Abstract:According to the relationship between the defocusing length and the laser output power, a measurement system is established and an algorithm about depth measurement is proposed to measure the 3D profile of the object. The system scans every point of the surface and makes a judgment about the max voltage to record the defocusing length. The 3D measurement of the parts of the sample is examined in the experiments and proved to be feasible. Some factors that affect the results are also analyzed.

Keywords:laser feedback; optical measurement; 3D measurement; measurement algorithm

引 言

激光反馈效应是指经外部物体反射或散射后的一部分光,反馈进入激光器谐振腔内,与腔内增益介质相互作用,引起激光器输出功率发生变化的现象[1-2]。对于激光反馈造成的各种现象,研究人员给出了相应的分析和理论解释。目前激光反馈已被应用于角度[3]、位移[4-6]等物理量以及物体三维形貌的测量[7-8]。

因为激光反馈的作用,当样品前表面处于光路系统的焦平面时,激光器输出功率最大;当样品前表面离开焦平面即有离焦时,激光器输出功率将减小[7]。由此,可以建立深度测量系统,给出测量算法,即通过测量物体前表面每个点与焦平面的距离,实现物体空间深度的测量,从而完成物体的三维形貌测量。

1 激光反馈三维测量原理

式中:P(t)为激光器腔内光子数;N(t)为载流子数;N0为透明载流子数;τp为光子寿命;τs为载流子寿命;GN为增益系数;ε为增益饱和系数;τe为反馈光往返时间;k为反馈系数;e为激光器输出光振幅的偏差量;β是外腔长度与激光器腔长的比值;I(t)为t时刻激光器电流强度。利用MATLAB对式(1)数值仿真,将非相干光反馈系数从k=0.001增加到k=0.100[9]。经仿真计算发现,随着反馈系数的增加,腔内光子数随之增加,输出功率也增加。

图1为半导体激光器反馈光斑耦合光路图。设f1和f2分别是透镜L1和显微物镜L2的焦距,h是激光器输出光在L1上的半径高度,h1,h2分别是反馈光在L1和L2上的半径高度。由于激光器孔径很小,半导体激光器发出的光斑形状可近似为圆形。当样品离焦距离x增大时,根据几何光学原理,反馈光斑经过L1和L2后会变大。由于半导体有源层的大小是固定的,因此反馈光耦合系数会随着离焦量x(光传播方向为正方向)的增大而变小,随x的减小而增大,并且在焦点处耦合系数最大。由此可知,激光器输出功率随离焦量增大而减小,在焦点处有最大输出功率。

2 实 验

实验系统如图2所示,系统采用半导体激光器模组作为光源,其内部封装有光电二极管,输出功率为5 mW,中心波长为650 nm,产生束腰直径为0.3 mm的点状光斑,其由低噪声激光器驱动板驱动。激光器输出光经显微物镜聚焦,样品前表面位于焦平面附近。光电二极管的引脚与基于ICL7650芯片的电流电压转换电路相连结,选用AC1081数据采集卡采集转换电路的输出电压值。通过编程,由计算机实现数据的采集和三维扫描平台的驱动。

激光器以及透镜组固定之后,激光器输出光经透镜组会聚的焦平面位置也就随之确定。当物体前表面在焦平面附近移动时,物体反馈的光使得激光器的输出功率发生变化(激光器输出功率由光电二极管测量,当激光器工作时,光电二极管会产生光电流,通过电流电压转换电路将产生的电流信号转换成电压信号。激光器输出功率最终通过转换电路以输出电压表示)。当物体表面在系统焦平面前后移动时,测得输出电压随离焦量的变化曲线如图3所示,由图可见,当物体表面与焦平面重合时,输出电压最大,即激光器输出功率最大。

测量时通过扫描平台移动被测物体,使其前表面位于焦平面处。物体表面上的每个点到焦平面都有对应距离,获得各点对应平台移动的距离就可得到物体的深度信息,最后还原出物体的三维形貌。

图4为深度测量算法流程图。在测定物体前表面和焦平面之间的距离时,为了提高效率,首先进行大步距的粗扫描,找到一个最大值Smax作为参考值。当第二次沿Z轴正方向扫描时,若采集卡采集电压小于0.95Smax,则表示物体前表面离焦平面还有一段距离;若大于或等于0.95Smax并且小于等于1.05Smax,则表示物体前表面已经接近而没有经过焦平面(取1.05Smax是为了减小采集卡噪声对每次数据最大值判断的影响),此时采用10 μm小步距测量;当采集卡本次采集的电压值小于等于上一次的值时,则认为物体表面已经离开焦平面,记录步进电机运行的距离后,扫描下一个点。

选择钥匙作为测量样品,X-Y面的采样步距是100 μm,采样点数是40×40;Z轴粗采样步距为50 μm,精确采样步距为10 μm,测量结果如图5所示。样品扫描范围是钥匙的凹凸起伏部分,图5显示了完整的凹槽部分,测量的平均深度为400 μm,槽宽为900 μm。作为对照使用游标卡尺对钥匙凹槽进行了测量,测得平均深度为470 μm,槽宽为880 μm。

3 结 论

本文给出的算法可以实现物体的三维形貌测量。由实验结果显示,钥匙表面并不光滑,主要有以下原因:(1)采集卡有噪声,噪声影响了最大值位置的判断;(2)光斑的大小影响X-Y面的采样步距,即X-Y面的分辨率,由于显微物镜的景深很小,当测量表面偏离焦平面时,在测量表面形成的光斑直径就急剧变化,导致反馈光强发生变化,造成采集的电压有误差;(3)半导体激光器由于温度变化产生功率漂移等原因也会造成实验误差变大。下一步的工作将对实验仪器进行改进,比如采用更好的电流源或者电流锁定电路,采用扫描阵镜代替步进电机等,以此来实现更精密的测量。

参考文献:

[1] LANG R,KOBAYASHI K.External optical feedback effects on semiconductor injection laser properties[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1980,16(3):347-355.

[2] ACKET G A,LENSTRA D,DEN BOEF A,et al.The influence of feedback intensity on longitudinal mode properties and optical noise in index-guided semiconductor lasers[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1984,20(10):1163-1169.

[3] GIULIANI G,DONATI S,PASSERINI M,et al.Angle measurement by injection detection in a laser diode[J].Optical Engineering,2001,40(1):95-99.

[4] DONATI S,GIULIANI G,MERLO S.Laser diode feedback interferometer for measurement of displacements without ambiguity[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1995,31(1):113-119.

[5] DONATI S,FALZON L,MERLO S.A PC-interfaced,compact laser-diode feedback interferometer for displacement measurements[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,1996,45(6):942-947.

[6] YOSHINOT,NARA M,MNATZAKANIAN S,et al.Laser diode feedback interferometer for stabilization and displacement measurements[J].Applied Optics,1987,26(5):892-897.

[7] 凌进中,马军山,许炯.非相干光反馈表面轮廓测量实验研究[J].光学技术,2011,37(2):148-151.

[8] 许炯,马军山,胡菊菊.基于非相干光反馈的表面轮廓测量仿真研究[J].光学仪器,2009,31(6):25-29.

[9] 毛威,张书练,张连清,等.激光回馈效应及其传感应用研究的进展[J].光学技术,2007,33(1):16-22.

(编辑:刘铁英)