利用激光反馈测量物体三维形貌

1、利用激光反馈测量物体三维形貌：Accordingtotherelationshipbetweenthedefocusinglengthandthelaseroutputpower，ameasurementsystemisestablishedandanalgorithmaboutdepthmeasurementisproposedtomeasurethe3Dprofileoftheobject.Thesystemscanseverypointofthesurfaceandmakesajudgmentaboutthemaxvoltagetorecordthedefocusinglength.Th

2、e3Dmeasurementofthepartsofthesampleisexaminedintheexperimentsandprovedtobefeasible.Somefactorsthataffecttheresultsarealsoanalyzed.Keywords：laserfeedback；opticalmeasurement；3Dmeasurement；measurementalgorithm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

3、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；rp为光子寿命；rs为载流子寿命；GN为增益系数；£为增益饱和系数；e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

4、量；B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寸式（1）数值仿真，将非相干光反馈系数从k=0.001增加到k=0.1009。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

5、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5mW中心波长为650nm,产生束腰直径为0.3mm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

6、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

7、貌。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以m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采样点数是40X40;Z轴粗采样步距为50以m,精确采本步距为10以m,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以m,槽宽为900以m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以m,槽宽为880以n%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