1、光电技术综合设计光电相位探测传感器设计班级:姓名:学号指导教师:张翔(副教授)成都信息工程学院光电技术学院一、设计目的与意义将入射光速的口径缩小(放大)到与微透镜阵列相匹配尺寸;微透镜阵列将入射光瞳分割,对分割后的入射波前成像;光电探测器用于接受光电信号,目前多用 CCD 探测器;微透镜阵列和光电探测器之间加入匹配透镜;进一步计算得到波前相位分布。二、光电相位探测传感器原理组成入射激光束数据处理匹配系统 微透镜阵列 光电探测器图像采集图 21 光电相位探测传感器组成系统示意图光电探测器是能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件。而光电相位探测传感器主要由入射激光束,光学匹配系统,微透镜阵
2、列,光电探测器,图像采集卡,数据处理计算机和光波相位模式复原软件等构成,其基本原理图如图 21 所示。三、模块设计激光器激光产生原理电子可以透过吸收或释放能量从一个能级跃迁至另一个能级。在这些过程中,电子吸收或释放的光子能量总是与这两能级的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长,因此,吸收或释放的光具有固定的颜色。当原子内所有电子处于可能的最低能阶时,整个原子的能量最低,我们称原子处于基态。当一个或多个电子处于较高的能阶时,我们称原子处于受激态。电子可透过吸收或释放在能阶之间跃迁。跃迁又可分为三种形式:(1)自发吸收:电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶。(2)自发辐射:电子自发地透过释放光子
3、从高能阶跃迁到较低能阶。(3)受激辐射:光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶,并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相,此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子,最后就变成两个相同的光子。激光基本上就是由第三种跃迁机制所产生的。产生激光还有一个巧妙之处,就是要实现所谓粒子数反转的状态。粒子数反转是产生激光的关键,因为它使透过受激辐射由亚稳态回到基态的原子,比透过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多,从而保证了介质内的光子可以增多,以输出激光。激光的特性高亮度、高方向性、高单色性和高相干性是激光的四大特性。(1)激光的高亮度:固体激光器的亮度更可高达 1011W
4、/cn2Sr。不仅如此,具有高亮度的激光束经透镜聚焦后,能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温,这就使其可能可加工几乎所有的材料。(2)激光的高方向性:激光的高方向性使其能在有效地传递较长距离的同时,还能保证聚焦得到极高的功率密度,这两点都是激光加工的重要条件。(3)激光的高单色性:由于激光的单色性极高,从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上,得到很高的功率密度。(4)激光的高相干性:相干性主要描述光波各个部分的相位关系。正是激光具有如上所述的奇异特性因此在生活、工业加工、军事、科研等领域中得到了广泛地应用。激光器的种类对激光器有不同的分类方法,一般按工作介质的不同来分类,在可以分为固体激光器、气
5、体激光器、液体激光器和半导体激光器。(1)固体激光器一般讲,固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。这种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子,常用的有钇铝石榴石(YAG)晶体中掺入三价钕离子的激光器,它发射 1060nm 的近红外激光。固体激光器一般连续功率可达 100W 以上,脉冲峰值功率可达 109W。(2)气体激光器气体激光器具有结构简单、造价低;操作方便;工作介质均匀,光束质量好;以及能长时间较稳定地连续工作的有点。这也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器,占有市场达 60左右。其中,He-Ne 激光器是最常用的一种。(3)半导体激光器半导
6、体激光器是以半导体材料作为工作介质的。目前较成熟的是砷化镓激光器,发射840nm 的激光。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固,特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。(4)液体激光器常用的是染料激光器,采用有机染料为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中(乙醇、丙酮、水等)中使用,也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光(在可见光范围) 。染料激光器一般使用激光作泵浦源,例如常用的有氩离子激光器等。液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调,且覆盖面宽是它的优点,使它也得到广泛应用。激光器组成激光器由三大基本系统组成:谐振腔、增益介质、抽运系统。(1)谐振腔最简单的
7、光学谐振腔是在激活介质两端恰当地放置两个镀有高反射率的反射镜构成,一块几乎全反射,称为全反镜;一块光大部分反射、少量透射出去,以使激光可透过这块镜子而射出,故称输出镜。被反射回到工作介质的光,继续诱发新的受激辐射,光被放大。因此,光在谐振腔中来回振荡,造成连锁反应,雪崩似的获得放大,产生强烈的激光,从部分反射镜子一端输出。根据谐振腔的开放程度可以分为开腔、闭腔,气体波导腔。根据几何偏折损耗的高低,开放式光腔可分为稳定腔和非稳腔。由于稳定腔的几何偏折损耗小,在绝大多数的激光器中,小功率器件采用稳定腔,并且其腔理论模式在腔模理论中比较成熟。非稳腔则是指傍轴光线在腔内往返有限几次后从侧面逸出腔外,腔
8、的几何损耗较大,可控的衍射耦合输出,输出耦合率与腔的几何参数 g 有关,同时,非稳腔能获得尽可能大的模体积和良好的横模鉴别能力,以实现高功率单模运转,但此类谐振腔一般只适用于大功率激光器。基于上述比较稳定腔和非稳腔优缺点,我们在本次设计过程采用平凹稳定腔。 光学谐振腔的作用:一是提供正反馈,使激活介质中产生的辐射能多次通过介质,当受激辐射所提供的增益超过损耗时在腔内得到放大、建立并维持自激振荡。谐振腔的光学反馈作用取决于两个因素:一是组成腔的两个反射镜面的反射率,反射率越高,反馈能力越强;二是反射镜的几何形状以及它们之间的组合方式。上述两个因素的变化都会引起光学反馈作用大小的变化,即引起腔内光
9、束损耗的变化。二是控制腔内振荡光束的特性。通过调节腔的几何参数,可以直接控制光束的横向分布特性、光斑大小及光束发散角等。研究光学谐振腔的目的,就是通过了解谐振腔的特性,来正确设计和使用激光器的谐振腔,使激光器的输出光束特性达到应用的要求。(2)增益介质增益介质是至少一种适于在预定的波长范围内受激发射激光的活性物质,限定用于所述激光的共振腔的光反馈。激光的产生必须选择合适的工作介质,可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转,以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在,对实现粒子数反转世非常有利的。现有工作介质近千种,可产生的激光波长包括从真空紫外道远红外,非常广泛。He
10、-Ne 激光器属于非均匀加宽,且是多普勒加宽占主要优势,是高斯线性。正因为它的工作介质均匀,光束质量好,所以本次设计选择 He-Ne 激光器。激励源增益介质作用:增益介质(即激光工作物质 ),是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系,有时也称为激光增益媒质,它们可以是固体(晶体、玻璃) 、气体(原子气体、离子气体、分子气体) 、半导体和液体等媒质。对激光工作物质的主要要求,是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转,并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去;为此,要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。(3)抽运系统为了使工作介质中出现粒子数反
11、转,必须用一定的方法去激励原子体系,使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子,称为电激励;也可用脉冲光源来照射工作介质,称为光激励;还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出,必须不断地“抽运”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。抽运系统作用:通过泵浦源将能量输入激光物质,使其实现粒子数反转,由自发辐射产生的微弱的光在激光物质中得以放大,由于激光物质两端放置了反射镜,有一部分符合条件的光就能够反馈回来再参加激励,这时被激励的光就产生振荡,经过多次激励,从右端反射镜中投射出来的光就是单色性、方向性、相干性都很好的
12、高亮度的激光。不同类型的激光器在发光物质、反射镜以及泵浦源等方面所用材料有所区别。入射激光束的设计入射激光束的设计要达到的目的是:无畸变匹配原则,使激光束更好的进入下一个模块。系统中的望远镜系统起的作用是对光束的扩束,而在匹配系统中的望远镜系统起的是缩束的作用。其谐振腔的结构如图 31 所示,谐振腔分为:开放式光腔和封闭腔。其中开放式光腔通常可分为稳定腔、非稳腔、临界腔三类。He-Ne 激光器是采用开腔的典型例子。共轴球面腔的稳定条件为非稳腔: 或 ;临界腔: 或 ;稳定腔: 102g。21g021021g12其中 是腔的几何参数,常称为 参数,称为 。21,又 平面镜 , 。g2R,由此可以
13、导出 。10gLR1 1OO 2R1R2X1X图 31 He-Ne 激光器谐振腔示意图要求:一个 He-Ne 激光器谐振腔(=632.8nm) ,输出端为平面镜,束腰直径:,谐振腔长: ,输出光为平面光束,求第二块反射镜半径 ,并指出束腰位置( , , ) ,其中 为第一块镜子的光斑尺寸, 为第二块镜子的1X21光斑尺寸。解:设一般球面谐振腔的腔镜曲率半径为 、 ,两腔镜距离束腰的位置分别为 ,1R2 1z,谐振腔长度为 ,光波波长为 ,已知 He-Ne 激光器的光波长 ,2zD m6328.0,谐振腔长度: ,腔的 g 因子: ,应有m.021XRD1,且 , ,2211RDg20ffLRL
14、21140 ( 。由于高斯光束在 处的光斑半径最小,故称之为束腰。当 时,00ZZ 0Z有 和 ,因此束腰波面是零位相等相面。束腰尺寸是束腰振幅下降至中lim心振幅 的 处时光束的半径。)。axAe1把 L=D=500mm 代入以上式子中,解得,束腰位置在反射镜 面上。mR92.5041R2由此可得 = =0.009712g1L50(-)()R4.92与腔的轴线相交于任意一点 z 的等相位的曲率半径为:,xffxR2所以对放置在 、 处的反射镜,应有: ,由O122121)(xfRfx得2504.9fRz,mZ96.41mZ51.492所以其光斑半径 20)(fzz故可得:4.96mm 时 (
15、Z)=0.1005mm11=499.51mm 时 (Z)=1.0125mm22= =4.96mm, =5004.96=495.04mm1= =499.51mm, =500499.51=0.49mm21从以上的计算中可得,从显微镜里出射的光束没有达到理想的要求,因此我们还要进行扩束系统的设计,在此过程中我们用显微物镜及望远系统进行实现。匹配系统R1R2R2R1W0M1 M2M MOW0 M1M2LLW(l)W(l)O图 32 高斯模的匹配原理示意图高斯模的匹配当k=0 时,相位因子等于 1,称为相位匹配条件;而当k 0 时,相位因子小于 1,称为相位失配。只有在相位匹配条件下,才能获得最高的转换
16、效率。在实际光学倍频和混频应用中,为了获得较高的转换效率,要考虑相位匹配条件。高斯模的匹配系统起的作用是要实现无畸变匹配原则,使得出来的光束为平行光束,并且不发生相位突变,该望远镜系统和入射激光器模块中的望远镜系统实现的作用不同,它要对光束进行缩束。如图 32 是高斯模的匹配原理示意图。由于光束截面上光强与离轴距离 成高斯函数变化,因此,稳定的激光腔中所产生的r激光束,既不是均匀的平面波,也不是均匀的球面波,而是一种高斯球面波。沿 Z 方向传播的基模高斯光束光束质量的评定我们假定的光束都是理想的,但是实际情况并非如此,它常常存在畸变,下面我们要对光束质量进行评价,故而引入光束质量的评价标准及光
17、学传递函数 MTF。光束质量评价时的步骤,是光学系统传到分辨极限通过各级最终转化为光学传递函数。1 光学传递函数应用傅立叶积分方法可研究光学成像问题,认为非相干光学成像系统可看作一个低通线性滤波器。现在,光学传递函数不仅用于控制光学自动设计过程像差校正和设计结果像质评价,还能用于光学镜头质量检验,光学系统总体设计和光学信息处理等方面。一个空间不变线性系统的成像性质可以归纳为:物平面上任意的强度分布可以分解为不同频率的余弦分布,每个余弦分布通过系统成像,在像平面上仍为一余弦分布,它们的频率相同,但振幅和位相可能改变。把像面上所有频率的余弦分布合成以后就得出像面图形。一个空间不变线性系统的成像性质
18、,可以用物像平面上不同频率的余弦分布的振幅比和位相差来表示。前者称为振幅传递函数(也称为调制传递函数) ,用 MTF()表示。后者称为位相传递函数,用 PTF()表示。两者合称为光学传递函数,用 OTF()表示,它们之间的关系可以用复数的形式表示如下:OTF()=1+a (a)在光学像质检验中,通常用对比度来表示成像的清晰度,而振幅传递函数 MTF()也薄透镜称为对比传递函数。用光学传递函数评价光学系统像质用 MTF 曲线评价成像质量用光学传递函数评价系统成像质量,目前最常用方式是给出若干视场用子午和弧矢振幅传递函数 MTFt 和 MTFs 曲线来代表成像质量。因为 MTF 表示多种不同频率
19、w0 正弦强度分布函数经光学系统成像后其对比度的衰减程度,当某一频率对比度下降到 0 时,说明该频率光强分布已经无亮度变化,即该频率被截止。这时利用光学传递函数来评价光学系统像质主要方法。用特征频率传递函数值评价光学系统像质这时一种最简单,直观的像质评价方法。对一定用途的光学系统,为了简化有时也采用若干指定空间频率的 MTF 值来代表它的成像质量,特征频率。特征频率的选取,随仪器用途的不同而异。用 MTF 曲线的积分值来评价成像质量从理论上可以证明,像差中心点亮度值等于 MTF 曲线所围成的面积。MTF 所围的面积越大,表明光学系统所传递的信息量越多,光学系统成像质量越好,图像越清晰。因此,在
20、光学系统接受器截止频率范围内利用 MTF 曲线所围面积的大小来评价光学系统成像质量是非常有效的。3微透镜阵列及 CCD 探测系统设计微透镜是一个二元光学元件,它的横截面图如图 33 所示,及侧面截图如图 34 所示 图 33 微透镜横截面图 图 34 微透镜侧面截图二元光学元件是一种特殊设计的微相位光栅,故又称为衍射光学元件。二 元 光 学 元 件的 设 计 问 题 十 分 类 似 于 光 学 变 换 系 统 中 的 相 位 恢 复 问 题 : 已 知 成 像 系 统 中 入 射 场 和 输 出平 面 上 光 场 分 布 , 如 何 计 算 输 入 平 面 上 相 位 调 制 元 件 的 相
21、位 分 布 , 使 得 它 正 确 地 调 制入 射 波 场 , 高 精 度 地 给 出 预 期 输 出 图 样 , 实 现 所 需 功 能 。 任 意 线 性 变 换 系 统 中 振 幅 相位 恢 复 的 一 般 理 论 和 杨 顾 (Y-G)算 法 , 成 功 地 应 用 于 解 决 多 种 实 际 问 题 和 变 换 系 统 中 。微透镜阵列是二元光学元件的一种。微透镜阵列是微光学系统中的关键部件,由于它具有耦合、连接功能,高密度平行光路功能,多重成像和多重付里叶变换功能,以及用它可制作光源阵列、光互连网络、矩阵向量乘法器等器件,在光计算、空间不变并行处理、多重匹配滤波、光信息处理等领域
22、有广泛应用。如图 34 所示,入射波前被分割透镜阵列分割成子波前阵列后,分别聚焦于阵列探测器上。当一束标准平行光或者指定的参考光束入射并在 CCD 靶面上聚焦时,我们获得一组标定光斑。通过质心算法,可以获得光斑的质心坐标。4光电探测器件的选择光电探测器的功能是将光能直接转换成电信号,按照其工作原理的不同,光电探测器可分为光电子发射型、光电导型、光生伏特型及光磁电型探测器。在本次实验中,我们选用 CCD(电荷耦合器件)探测器。电荷藕合器件 CCD(Charge Coupled Device)是一种半导体成像器件,一般由硅材料制成,对近红外比较敏感,光谱响应可延伸至 1.0um 左右,具有灵敏度高
23、、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。CCD 器件一般由光敏区、转移存储区及驱动电路三大部分组成。将具有共同栅极电压的 MOS 电容做在一起(线阵或面阵) ,各单元之间用沟阻势垒隔开,就构成了 CCD 器件的光敏面,如图所示。由于某个探测单元取得的信号电荷,要经过若干个同样的 MOS 电容器的耦合传输,才能输出相应的电信号,因此如何避免传输中信号电荷的增减,是保证探测信号无失真的前提。光电探测器件多种多样,比如有光电管、光伏探测器件和电荷耦合器件等。本设计选择 CCD 作为光电探测器件。本设计中要求对可见光波段特别是 0.6328激光有很好响应,对 1 左右波长有响应。结合图象采集卡
24、后,最大采集mm速度能达到 20framess。CCD 主要参数包括:感光像素,相邻像素中心距,工作时钟,驱动方式。同步时钟脉冲和同步周期等。要求查找 CCD 产品目录来选择适当产品,不同厂家得技术指标参数和要求可能有所不同。常用的有 MINTRON 公司的 CCD,以 MTC-14G2DH 型为例,详细参数为:传感器尺寸:1/4 英寸;CCD 总象素:795(水平)596(垂直) (CCIR 制式)/811(水平)508(垂直)(EIA 制式) ;相邻象素中心距:14 ;m扫描系统:628 线,50 场/秒(CCIR 制式)/525 线,60 场/秒(EIA 制式) ;同步系统:内同步/垂直
25、同步锁定;最低照度:0.1Lux(F1.2, K);最低照度/星光模式;0.002Lux(F1.2,560K);560水平清晰度:600 线;增益控制模式:自动增益控制(ON/OFF,由莹幕选单选择控制) ;增益控制范围:018db;信噪比:18db(最小)/52db(最大)(自动增益关闭) ;十字线发生功能:ON/OFF 由荧幕选单选择控制,软件调节位置;画面冻结功能:外部触发或由荧幕选单选择控制;控制界面接口:Dry switch,RS-232C(驱动可选);视频输出:复合式与分离式影像信号输出;通讯速率:9600BIT/s; 修正:0.45;工作环境温度:20 导50 ;C工作环境湿度:
26、85RH 以下;电源:直流 12V 1V;功耗:300MA.5夫琅和费衍射仿真 对无畸变光波经弗朗和费圆孔及方孔衍射,利用快速傅立叶算法进行简单编程,实现对衍射图像的仿真。光学信息处理由于具有容量大、速度快、并行性及装置简单等优点,在二维图像信息存储、图像增强、特征识别、现代像质评价等许多方面有着重要的应用。随着计算机的日益普及,计算机仿真技术作为虚拟实验手段已经成为计算机应用的一个重要分支。作为科学计算软件,MATLAB 的特点是使用方便、输入便捷、运算功能齐全,并且有大量的函数可供使用。用它来编写程序,不需要大量繁琐的编程过程,只需以数学方式表达和描述,因此特别适合工程计算和应用软件的编写
27、。基于以上特点,我用 MATLAB 来仿真夫琅和费衍射。根据夫琅和费衍射原理及实验装置建立仿真实验的数学模型,在此基础上给出编写仿真程序。分别得到矩形孔圆孔的夫琅和费衍射仿真实验结果。光学衍射原理衍射是光波在空间传播过程中的一种基本属性。实际上,在光波的传播过程中,只要光波波面受到了某种限制,如振幅或位相的突变等,就必然伴随着衍射现象的发生。任何光波在光学系统中的传播过程,实际上都是一种在相应光学元件调制下的衍射过程。研究各种形状的衍射屏在不同实验条件下的衍射特性,无论对于经典的物理光学还是现代光学都具有重要意义。如图 4.1 所示,平面物体的衍射规律可用瑞利一索末菲衍射积分来表示,观察平面为
28、 00cos),(1),( dyxreyxUjyxdjk式中: 2)()(1)()( 20020202 dyr 上式取不同的近似,可得到两种不同的衍射现象,即菲涅耳衍射和夫琅和费衍射。当衍射屏相距光源及观察平面两者或两者之一为有限远时,即当场点尸与子波源点P。同时满足傍轴条件时,表示的复振幅分布为:由此衍射积分得到的光场复振幅分布称为菲涅耳衍射。菲涅耳衍射图样的特点是:随02)()(00 200),(),( dyxeyxEdjeyxEd dyxjkjk 着距离 d 增大,观察平面光场的函数分布会发生变化,如轴上观察点沿光束传播方向是亮暗交替变化的。当衍射屏相距光源及观察平面两者均为无限远时,即
29、当场点 P 与子波源点 P。同时满足远场条件 时,由式(4.1.1)表示的复振幅分布为2()/xy 000)(2 02 ),(, dyxeyxEedjEd dyxjkyxkjjk 由此衍射积分得到的光场复振幅分布称为夫琅禾费衍射。夫琅和费衍射图样的特点是,强度分布单纯与方向有关。当 d 变化时,仅产生尺度变化。实际上夫琅和费衍射是菲涅耳衍射的一种特殊情况,两者的差异仅在于一个二次相位因子。MATLAB 仿真。下面分别是矩形孔和圆形孔的夫琅和费衍射 MATLAB 仿真的代码和图片,最后作的是32*32 微透镜阵列的夫琅和费衍射图像:矩形孔夫朗禾费:a=linspace(1.5,1.5,500);
30、 %选择屏上区域为 (-1.5,1.5)X,Y=meshgrid(a);R1=5*X; % Xfkax52R2=5*Y; % YfyII=50.*(sinc(R1).2.*(sinc(R2).2 %设定 50I矩形孔(a=b)的夫朗和费衍射样II(:,2:3)=0;imshow(II);圆孔夫朗禾费衍射: a=linspace(-3,3,500); %选定区域(-3,3)X,Y=meshgrid(a);r=sqrt(X.2+Y.2); % ,2yxfR=5.*r; % rka5II=50.*(2*BesselJ(1,R)./R).2;II(:,2:3)=0;imshow(II);圆孔夫郎和费衍
31、射图样四、设计总结本次光电技术综合设计主要是对前端光电相位探测模块的设计,由激光器发射光束,在显微物镜中进行光束的扩束,通过入射激光束模块中的望远系统成为被扩束、平行的光束;再通过光学匹配系统实现无畸变匹配原则,使得成为平行且不发生相位突变,并且缩束了的光束;再通过微透镜阵列在接受屏上得到光束信号,被光电探测器所接受,通过图像采集卡采集到这种光信号,最后通过软件进行数据处理;最后,又通过快速傅立叶算法对无畸变光波经弗朗和费衍射后所成的图像进行仿真,得到了从理论到现实的升华。通过这次的光电相位探测传感器系统的设计,我了解了它的基本原理,及各个模块的设计,重点掌握了对入射激光束系统的设计,光学匹配
32、系统的设计,及微透镜的设计,复习了以前所学的内容,在知识体系上完善了自己我会在以后的学习和生活中,通过对本次。通过这次光电技术综合设计,我对光电技术综合设计的过程有了很大的了解,其中更是对光学匹配系统,微透镜阵列,光电探测器等有了全面的认识。在设计的过程中,我查阅很多的参考书,而且借助了电子图书库,使我受益匪浅,更是培养了我自己的独立、自主和创新的能力。本设计也有一些不足,对某些方面的阐述并不是很清楚,比如高斯模的匹配,程序设计。希望能在这次设计中老师能多多提出宝贵意见,以便马上的毕业设计做准备!五、参考文献1.激光原理 国防工业出版社 周炳琨等编著2.光学教程 清华大学出版社 叶余堂等主编3.物理光学与应用光学西安电子科技大学出版社 石顺祥等编著