基于塑料光纤的激光散斑特性研究

第４０卷第１期　激　光　技　术　Ｖｏ１．４０，Ｎｏ．１　２０１６年１月　ＬＡＳＥＲ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｊａｎｕａｒｙ，２０１６　文章编号：１００１—３８０６（２０１６）０１—０１２２—０４　基于塑料光纤的激光散斑特性研究　朱玉晗，贺锋涛　，彭小龙　（西安邮电大学电子工程学院，西安７１００６１）　摘要：为了解决激光成像系统中的散斑问题，利用ＵＬＮ２００３芯片驱动喇叭振动光纤对激光成像系统中的散斑特性　进行了研究。采用波长为５３２ｎｍ的激光作为系统光源，通过线阵ＣＣＤ图像传感采集系统对激光散斑图像进行采集，对　塑料光纤在不同振动频率下的激光散斑对比度进行了分析。结果表明，在光纤振动幅度不变、振动频率在０Ｈｚ一２０Ｈｚ内　逐渐增加时，图像散斑对比度逐渐减小；当振动频率大于１６Ｈｚ时，图像的散斑对比度趋于稳定，达到良好的散斑抑制效　果，可用于激光显示及激光成像等领域。　关键词：激光技术；激光散斑；光纤振动；散斑对比度；频率　中图分类号：ＴＮ２４９　文献标志码：Ａ　ｄｏｉ：１０．７５１０／ｊｇｊｓ．ｉｓｓｎ．１００１—３８０６．２０１６．０１．０２７　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　０ｆ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　０ｆ　ｌａｓｅｒ　ｓｐｅｃｋｌｅ　ｏｆ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ＺＨＵ　Ｙｕｈａｎ，ＨＥ　Ｆｅｎｇｔａｏ，ＰＥＮＧ　Ｘｉａｏｌｏｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｏｓｔ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｘｉ’ａｎ　７　１００６１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｋｌｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｉｎ　ｌａｓｅｒ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍｓ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｓｐｅｃｋｌｅ　ｉｎ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆｉｂｅｒ　ｖｉｂｒａｔｅｄ　ｂｙ　ａ　ｓｐｅａｋｅｒ　ｄｒｉｖｅｎ　ｂｙ　ＵＬＮ２００３　ｃｈｉｐ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｕｓｉｎｇ　５３２ｎｍ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｌａｓｅｒ　ａｓ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｕｓｉｎｇ　ｌｉｎｅａｒ　ＣＣＤ　ｉｍａｇｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ａｃｑｕｉｒｅ　ｌａｓｅｒ　ｓｐｅｃｋｌｅ　ｉｍａｇｅｓ，ｌａｓｅｒ　ｓｐｅｃｋｌｅ　ｃｏｎｔｒａｓｔ　ｏｆ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｆｉｂｅｒ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｗｈｅｎ　ｆｉｂｅｒ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｉｓ　ｓｔａｂｌｅ　ａｎｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｆｒｏｍ　０Ｈｚ　ｔｏ　２０Ｈｚ，ｉｍａｇｅ　ｓｐｅｃｋｌｅ　ｃｏｎｔｒａｓｔ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ．Ｗｈｅｎ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　１６Ｈｚ，ｉｍａｇｅ　ｓｐｅｃｋｌｅ　ｃｏｎｔｒａｓｔ　ｔｅｎｄｓ　ｔｏ　ｂｅ　ｓｔａｂｌｅ　ａｎｄ　ｃａｎ　ｇｅｔ　ｇｏｏｄ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｓｐｅｃｋｌｅ　ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｌａｓｅｒ　ｄｉｓｐｌａｙ，ｌａｓｅｒ　ｉｍａｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｆｉｅｌｄｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｌａｓｅｒ　ｓｐｅｃｋｌｅ；ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｓｐｅｃｋｌｅ　ｃｏｎｔｒａｓｔ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　引　言　当激光作为成像系统中的光源时，与普通光源相　比，激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干　性强等特点¨　。在激光成像系统中，由于激光的高度　相干．Ｉ生，激光散斑的现象就更加明显，散斑的出现严重　杂、成本较高，并且很难达到理想的效果，因此并不是　很实用。　作者提出将５３２ｎｍ的激光引入０．６ｍｍ塑料多模　光纤，用线阵ＣＣＤ图像传感采集系统对激光散斑图像　进行采集，通过ＵＬＮ２００３芯片驱动２．５ｃｍ喇叭控制塑　料光纤的振动频率，使用线阵ＣＣＤ摄像机得到相应的　视频信号，由线阵ＣＣＤ上位机软件处理分析后，在监　视器上显示出塑料光纤振动在不同频率时的激光散斑　图像的变化，进而通过图像散斑对比度的分析实现了　对塑料光纤的激光散斑特性的研究　。该方法不仅　影响了图像画面的质量，降低了图像的分辨率和清晰　度　，从而减弱了观察者从图像中提取相关细节的能　力，所以对激光散斑特性的研究尤为重要。国内外科　研工作者都曾提出过很多降低散斑对比度的方法，如　利用不同波长的光源照明　、脉冲激光的叠加　、抖　动屏幕¨　、移动散射体　、液晶调制　１２］等方法来减小　图像的散斑对比度，这些方法虽然可以降低散斑对比　度，但对于激光成像系统来说，以上方法结构相对复　基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１２０１１９３）　有利于激光的传输，而且通过振动塑料光纤使得图像　中的散斑对比度明显降低，提高了图像的分辨率和清　晰度，进而观察者就可以选择画面质量较好的图像存　储到计算机中，以便进行相应的分析和处理。因此，利　用塑料光纤的振动特性来抑制激光成像系统中散斑对　比度的方法是切实可行的。　作者简介：朱玉晗（１９８８·），女，硕士研究生，主要从事光　电传感系统的研究。　通讯联系人。Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｅｆｅｎｇｔａｏ＠ｘｕｐｔ．ｅｄｕ．ｃｎ　１　系统结构及实验原理　１．１系统结构　收稿日期：２０１４—１１—１１；收到修改稿日期：２０１５—０１—０７　该系统采用０．５Ｗ，５３２ｎｍ的固体激光器作为光　第４０卷第１期　朱玉晗基于塑料光纤的激光散斑特性研究　１２３　源，通过０．６ｒｎｍ塑料多模光纤　将激光引入线阵　ＣＣＤ摄像头在线阵ＣＣＤ显示器上成像，同时利用光纤　传感技术和线阵ＣＣＤ图像采集系统¨　对图像进行采　集，数据采集系统会使内部模数转换器从线阵ＣＣＤ中　取得散斑图像和灰度曲线，并存储到计算机中，进而计　算机中的线阵ＣＣＤ上位机软件会显示出所采集到的　散斑图像和灰度曲线，从获取的图像数据中获得需要　的相关信息，系统框图如图１所示。　Ｆｉｇ．１　Ｓｙｓｔｅｍ　ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　传感系统的原理图如图２所示，其工作原理为：　０．５Ｗ，５３２ｎｍ的激光通过振动的塑料光纤后产生的散　斑图像由线阵ＣＣＤ摄像头在线阵ＣＣＤ显示器上成　像，利用光纤传感技术和线阵ＣＣＤ图像采集系统对塑　料光纤振动在不同频率时的图像进行采集，并存储到　计算机中，进而用线阵ＣＣＤ的上位机软件对其进行分　析处理，得到相应的散斑图像和灰度曲线。　Ｆｉｇ．２　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｓｐｅｃｋｌｅ　ａｎａｌｙｓｌｓ　１．２实验原理　‘　从散斑的成因和影响散斑场的因素可以知道，当　光纤振动频率发生变化时，散斑场分布会有所变化，采　集到的散斑图像也会随之发生变化，而这些变化会反　映在散斑图像所携带的信息上，也会呈现在灰度及对　比度的变化上。记录并分析这些数据变化，就可以从　中找出图像散斑对比度随塑料光纤振动频率发生变化　的关系。　从对比度来评价散斑，散斑对比度定义为：　，　一，　Ｃ＝　一．　—　×１００％　，、　，ｕ　（１）、　，　』　＋』ｍｉｎ　式中，Ｉｍａｘ为采集到的激光散斑图像的灰度图中像素最　大值，Ｉｍｉｎ为采集到的激光散斑图像的灰度图中像素最　小值　。　实验中作者将５３２ｎｍ的激光引入振动的塑料光　纤来降低图像的散斑对比度，即通过ＵＬＮ２００３芯片驱　动２．５ｅｒａ喇叭振动塑料光纤使其发生剧烈的振动，该　振动会影响激光在塑料光纤中的传输路线，因此会产　生不同的散斑图像。由于塑料光纤的剧烈振动使得散　斑图像的结构不断变化，在积分时间内散斑结构的叠　加会使散斑对比度得到不同程度的减小，散斑的减弱　程度由散斑结构的相互关系决定。当塑料光纤静止　时，其散斑结构的相于ｌ生没有变化，检测器接收到的散　斑结构完全相干，就形成了静态散斑，此时散斑对比度　大；当塑料光纤振动时，检测器接收到的散斑结构相互　独立，屏幕上不同散斑之间的相位差会随时问发生随　机变化，此时散斑对比度明显减小。　综上所述，散斑对比度的大小取决于散斑结构之　间的关系，因此，通过塑料光纤的振动来降低散斑对比　度的方法是切实可行的，此方法简单易行且成本较低、　便于实现，对于激光成像系统中散斑的抑制有很好的　效果。　２实验结果分析　实验中采用０．５Ｗ，５３２ｎｍ的固体激光器作为光　源，并通过线阵ＣＣＤ上位机软件对线阵ＣＣＤ图像采　集系统所采集到的图像进行分析和处理，进而通过图　像散斑对比度的分析实现了对塑料光纤的激光散斑特　性的研究。　作者利用光纤振动传感技术和线阵ＣＣＤ图像采　集系统对获取的激光散斑图像进行实时观察，并将采　集到的图像存储到计算机中，利用计算机中的线阵　ＣＣＤ上位机软件对采集到的图像进行分析处理，将散　斑图像转换为灰度图像并计算分析其散斑对比度。振　动装置采用ＵＬＮ２００３芯片驱动８ｃｍ喇叭，分别采集喇　叭振动电压为５Ｖ，频率在０Ｈｚ～２０Ｈｚ变化时的散斑图　像及灰度曲线，其灰度曲线中的横坐标是线阵ＣＣＤ的　１２８个像素值，纵坐标是图像的灰度值，与上面散斑图　像的变化是相对应的，如图３ａ～图３ｄ所示。图３ａ和　图３ｂ是光纤上未加载振动（即频率为０Ｈｚ）时激光成　像系统获得的散斑图像及灰度曲线，其中图３ａ是频率　为０Ｈｚ的第１幅图，图３ｂ是频率为０Ｈｚ的第１Ｏ幅图；　图３ｃ和图３ｄ是光纤上加载振动（即频率为２０Ｈｚ）时　激光成像系统获得的散斑图像及灰度曲线，其中图３ｃ　是频率为２０Ｈｚ的第１幅图，图３ｄ是频率为２０Ｈｚ的第　１０幅图，由这几幅小图对比可以看出，通过振动塑料　光纤可以明显降低图像散斑对比度。此外，作者对振　第４０卷第１期　朱玉晗基于塑料光纤的激光散斑特性研究　１２５　ｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，２０１３，３９（２）：１１２—１２３（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．　［４］　ＷＡＮＧ　Ｘ　Ｄ，ＬＩＵ　Ｗ　Ｙ，ＪＩＮＧ　Ｙ　Ｈ，ｅｔ　ａ１．Ｌａｓｅｒ　ｒａｄａｒ　ｉｍａｇｅ　ａｃｑｕｉｓｉ－　ｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤＳＰ　ａｎｄ　ＣＰＬＤ［Ｊ］．Ｏｐ—　ｔｉｅｓ　ａｎｄ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００４，１２（２）：１９０－１９４（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．　［５］　ＴＩＡＮ　Ｙ　Ｌ，ＷＡＮＧ　Ｈ．Ｓｐｅｃｋｌｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｌａｓｅｒ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　ｄｉｓ—　ｐｌａｙ［Ｊ］．Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｄｉｓｐｌａｙ，２０１２，１３５（４）：３４－３７（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．　［６］　ＹＵ　Ｇ，ＷＡＮＧ　Ｓ　Ｇ，ＹＵＮ　ｊ　Ｈ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｐｅｃｋｌｅ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｌａｓｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２，２６　（３）：２３７－２４０（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．　［７］　ＺＨＡＮＧ　Ｙ　Ｐ，ＷＡＮＧ　Ｋ　Ｆ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＬａｂＶＩＥＷ　ａｎｄ　ＭＡＴＬＡＢ　ｉｎ　ＥＳＰＩ　ｉｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ［Ｊ］．ＬａｓｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９，３３（６）：５８２－５８５　（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．　［８］　ＮＩＣＨＯＬＡＳ　Ｇ，ＡＴＵＬ　Ｊ．Ｓｐｅｃｋｌｅ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｔｏｎｅｓ　ｏｆ　ｉｌ—　ｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ，１９７３，１２（６）：１２０２—１２１２．　［９］　ＫＩ　Ｓ，ＡＳＡＴＡＮＩ　Ｋ．Ｓｐｅｃｋｌｅ　ｎｏｉｓｅ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｆｉｂｅｒ　ｏｐｔｉｃ　ａｎａｌｏｇ　ｖｉｄ—　ｅｏ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｌｓａｅｒ　ｄｉｏｄｅｓ『Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃ—　ｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，１９８１，２９（７）：１０１７—１０２４．　［１０］　ＲＡＷＳＯＮ　Ｅ　Ｇ，ＮＡＦＡＲＲＡＴＥ　Ａ　Ｂ，ＮＯＲＴＯＮ　Ｒ　Ｅ，ｅｔ　ａ１．Ｇｏｏｄ－　ｍａｎ　ｓｐｅｃｋｌｅ－·ｆｒｅｅ　ｒｅａｒ－·ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　ｓｃｒｅｅｎ　ｕｓｉｎｇ　ｔｗｏ　ｃｌｏｓｅ　ｓｃｒｅｅｎｓ　ｉｎ　ｓｌｏｗ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｍｏｔｉｏｎ『Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ，　１９７６．６６（１１）：１２９０．１２９４．　［１１］　ＬＯＷＥＮＴＨＡＬ　Ｓ，ＪＯＹＥＵ　Ｄ．Ｓｐｅｃｋｌｅ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｂｙ　ａ　ｓｌｏｗｌｙ　ｍｏｖｉｎｇ　ｄｉｆｆｕｓｅｒ　ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ａ　ｍｏｔｉｏｎｌｅｓｓ　ｄｉｆｕｓｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｏｐ　ｔｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ，１９７１，６１（７）：８４７－８５１．　［１２］　ＫＩＥＭＬＥ　Ｔ　Ｈ。ＷＯＬＦＦ　Ｕ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｄｅ　ｃｒｉｓｔａｕｘ　ｌｉｑｕｉｄｓ　ｅｎ　ｈｏｌｏｇ·　ｒａｐｈｉｅ　ｏｐｔｉｑｕｅ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，１９７１，３（１）：２６－２８．　［１３］　ＷＡＮＧ　Ｘ　Ｌ．ＨＥ　Ｆ　Ｔ．Ｌａｓｅｒ　ｓｐｅｃｋｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｖｉ·　ｂｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＬａｓｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，３８（２）：１７７—１８０（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．　［１４］　ＷＡＮＧ　Ｌ　Ｊ，ＱＩＵ　Ｙ　Ｓ，ＣＨＥＮ　Ｈ　Ｘ，ｅｔ　ａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｐｅｃｋｌｅ　ｒｅ—　ｄｕｃｔｉｏｎ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｎｇ　ｆｉｂｅｒ［Ｊ］．Ａｅｔａ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃａ　Ｓｉｎｉｃａ，２０１１，４０　（８）：１２１１—１２１４（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．　［１５］　ＨＥ　Ｆ　Ｔ，ＬＩＵ　Ｊ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｋｌｅ　ｃｏｎｔｒａｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ　ｉｍａｇｅ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒｌａ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ），２０１２，４２（３）：３７７－３８０（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）．