数字微镜器件的远场焦斑测量方法

0 引 言

随着激光技术的不断发展，高功率激光在工业和科研领域得到了广泛应用。远场焦斑的能量分布反映了光束的可聚焦程度，是评价高功率激光装置输出光束质量的重要指标。高功率激光远场焦斑测量的难点之一是能量分布的动态范围大，如用于惯性约束聚变的激光远场焦斑的动态范围通常在104:1以上[1]，远高于一般CCD探测器的线性动态范围，直接使用CCD测量无法得到准确的测量结果。解决这一问题的有效思路是动态范围拼接法，即通过一定方式使焦斑主瓣和旁瓣区域分离，然后分别测量并将测量结果融合。目前，该思路实现的具体方式有：纹影法[2-3]、基于光楔分束的方法[4-5]以及基于衍射光栅分束的方法[6]。纹影法要求小球中心与实际焦斑质心尽量重合，对于不同焦斑形态的适应性较差。基于光楔的方法需要由一定规模的光斑阵列来重构焦斑，其测量精度受限于探测器靶面尺寸。基于衍射光栅的方法要求光栅对激光复振幅的采样频率大于近场复振幅空间频谱带宽的两倍，测量光栅参数的选择需要考虑波像差对近场频谱带宽的影响，否则主瓣和旁瓣的分离不彻底。

文中基于动态范围拼接的测量思路，提出利用数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device,DMD)来分离焦斑主瓣和旁瓣。DMD是美国TI公司生产的一款光束控制器件，由数十万或百万的可转动微反射镜组成。通过数字信号可以控制每个微反射镜的翻转状态，从而可以精准地控制入射光束走向[7-8]。利用DMD的光束控制特性可以精确实现主瓣光束和旁瓣光束的分离，而且不受焦斑形态变化的影响。文中分析了DMD焦斑区域分割及焦斑重构的原理，并通过实验验证了该方法的可行性。

1 测量基本原理

1.1 DMD光束控制原理

DMD微反射镜为正方形，可以以对角线为轴翻转 12°，翻转状态由数字信号控制。当控制信号为“1”时，反射镜翻转+12°，当控制信号为“0”时，反射镜翻转-12°，如图1(a)所示。控制所有微镜翻转状态的信号是一个由0、1元素组成的二维矩阵，称之为控制信号模板。图1(b)表示DMD反射面上一个20×20的观察窗口，白色区域控制信号为1，灰色区域控制信号为0。当光线入射该窗口时，白色区域和灰色区域的反射光线方向互不相同，可以被分别接收，从而使窗口内不同区域的信息被分离。由于微镜尺寸在微米量级，所以可以较为精细地实现不规则形状区域的分离。

图1 (a)DMD微反射镜翻转控制示意图；(b)DMD控制信号模板示意图
Fig.1(a)Diagram of flip control for DMD micromirror;(b)diagram of DMD control signal template

1.2 基于DMD的远场焦斑测量系统工作原理

测量系统结构如图2所示，其中两成像镜参数相同，两CCD探测器参数相同。调整DMD放置方向使微反射镜对角线垂直于纸面，同时，两CCD的放置方向也作相应调整。中继镜将焦斑成像至DMD反射面，通过控制微镜阵列的翻转状态，使焦斑的主瓣反射到成像镜1所在的光路，旁瓣反射到成像镜2所在的光路。两测量光路对称设置，具有相同的成像倍率，且两成像镜平面与DMD所在平面的夹角大小都为24°。将两路测量数据拼接得到实际焦斑分布。

图2 测量系统结构
Fig.2 Measurement system configuration

为了获得使焦斑主瓣和旁瓣分离的DMD控制信号模板，将DMD控制信号全部置1，使待测激光全部入射成像镜1，经衰减后，CCD1上得到焦斑在DMD面上的分布，设置适当的灰度阈值，在所得图像中识别焦斑主瓣区域，高于阈值的像素值置1，其余像素值置0，将所得二值图像记为 ，图3(a)为实验中某次测量获得的二值图像。由于DMD所在平面与成像镜光轴不垂直，DMD在CCD上的像是斜四边形。因此，二值图像I经过校正后才可以作为控制信号模板。利用八参数投影变换[9-10]将DMD像校正为矩形，记(x，y)为校正前像素坐标，(x′，y′)为校正后像素坐标，则校正投影变换为：

为了便于求解投影算子，在白光照明下由CCD1对DMD成像，所得图像如图3(b)所示，通过角点检测算法[10]确定图像中斜四边形的4个角点的坐标，再根据DMD的实际尺寸及成像倍率确定校正后的4个角点坐标，将这四组坐标依次代入公式(2)，联立求解8个参数。利用得到的投影算子对二值图像 进行校正，校正后为：

结果如图3(c)所示，其中，实线框所围区域为校正后DMD像的范围，虚线框所围区域为主瓣区域，对实线框所围区域进行缩放即得到所需DMD控制信号模板，如图3(d)所示。

图3 (a)二值图像I；(b)白光照明时的DMD像；(c)校正后的二值图像I′；(d)DMD控制信号模板
Fig.3(a)Binary image I;(b)DMD image by white light;(c)calibrated binary image I′;(d)DMD control signal template

1.3 数据拼接原理

假设 CCD1 图像中焦斑的分布为I1(x，y)，(x，y)∈Z1，Z1为主瓣分布范围，CCD2图像中焦斑的分布为I2(x，y)，(x，y)∈Z2，Z2为旁瓣分布范围。若满足拼接条件Z1∪Z2=φ且Z1∪Z2=，Z为焦斑的测量窗口范围，则整体焦斑能量分布为：

式中：(x，y)∈Z，k1、k2分别为主瓣和旁瓣的能量衰减系数。但在实际测量时，由于光路间的差异，DMD在两CCD图像上的位置及形状会有一定偏差，所以要准确拼接，必须对两路测量图像中的DMD像进行对准，具体过程如下：首先，在白光照明的状态下，两路成像镜分别对DMD成像。然后，提取两路图像中DMD像的四对角点坐标，以CCD1图像中的角点坐标为(x′，y′)，以 CCD2 图像中的角点坐标为(x，y)，代入公式(2)，求解投影变换参数。记所得对准投影算子为Tr，则与CCD1图像对准后的CCD2图像中焦斑的分布I2r为：

在Z~Z1的范围内对I2r进行重采样，此时，主瓣图像和旁瓣图像即满足拼接条件。最后，分别以校正投影算子Tp对两路测量图像进行校正，代入公式(4)得到整体焦斑分布。

2 实验结果及分析

实验装置如图4所示。待测焦斑由波长527 nm的半导体激光器产生。DMD分辨率为1 024×768，单个微镜边长为13.68μm。聚焦镜焦距100mm。中继镜焦距75mm，垂轴放大倍率为-2。成像镜焦距75mm，垂轴放大倍率-0.9。CCD像元数为1 000×1 000，像元尺寸为13μm，输出数字信号为12位。

图4 实验装置
Fig.4 Experimental installation

待测激光经初始衰减后测量，对所得主瓣和旁瓣图像进行对准和校正。图5(a)~(e)为一次实验结果，其中图5(a)、(b)分别为从主瓣和旁瓣图像上截取的测量窗口内的焦斑二维强度分布；图5(c)为主瓣图像上过峰值点沿水平方向的一维强度分布，图5(d)为旁瓣图像上与图5(c)同一水平线上的一维强度分布；图5(e)为拼接后的焦斑强度分布(取对数显示)。由图5(c)可知：主瓣的峰值强度为3 821，实验中，主瓣相对旁瓣衰减30倍，所以主瓣峰值强度值为114630；由图5(d)可知，旁瓣中噪声水平以上可以识别的最低强度不高于30，故测量动态范围不低于3 800:1。图5(f)为相同焦斑由CCD直接测得的结果(取对数显示)，其峰值光强与图5(e)一致，但可以看到旁瓣信息湮没在噪声中而无法分辨。

为了验证该方法对于不同形态焦斑测量的适应性，调整激光器光束形状和出射角度，图6是相应的测量结果。测量时只需要根据新的焦斑分布对DMD控制信号模板做相应改变，而不需要再对系统其他部分做调整，也不需要重新求解校正和对准投影变换算子。

图5 测量结果
Fig.5 Measurement results

图6 测量结果
Fig.6 Measurement results

3 结 论

针对高功率激光远场焦斑测量中强度分布动态范围大的问题，基于动态范围拼接的思路，引入DMD实现焦斑主瓣和旁瓣的分离测量，采用图像拼接技术完成大动态焦斑重构。搭建实验装置对方法的有效性进行了验证，结果表明，通过该测量方法实现了3 000:1以上的测量动态范围，同时，通过对DMD的数字驱动，测量系统可以快速适应焦斑形态变化。