激光光束实时监测与自动准直系统设计_图文

第28卷第8期
2008年8月









V01.28,No.8 August,2008

ACTA OPTICA SINICA

文章编粤:0253.2239(2008)08—1590—06

激光光束实时监测与自动准直系统设计
尉鹏飞1’2 刘 军1 李晓芳1 陈晓伟1 刘 鹏1 李儒新1
徐至展1
(1中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室。上海201800}2中国科学院研究牛院,北京100049)

摘要设计了一个激光光斑实时监测与光路自动准直装置,能够实时监测激光光斑并自动准商激光输出方向。基 于透镜成像原理,使用ccD探测器获得光斑的二维成像,并根据两点确定一条直线原理和使用压电陶瓷电动调整 架实现光路自动准直;监测控制程序采用虚拟仪器开发软件Lab View编写,可以实时监测激光光斑模式与光斑位 置抖动情况。并进行反馈控制。经测试,设计装置的调整精度达o.5“rad,反馈控制频率约1 Hz,完全可降低或消 除抖动周期在1 s以上的光斑飘移。 关键词光学设计;实时监测;自动准直;程控 中图分类号
TP242;TP273.2

文献标识码



doi:10.3788/AoS20082808.1590

Design of Laser Beam Real-Time Monitoring and AdaptiVe

Collimation System
Wei Pengfeil,2 f1
l Liu

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beam

A new device is developed for real.time monitoring of laser beam
on

quality and adaptive collimating of laser
one

direction.E}a鸵d

Iens imaging principle,the device is
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compo跎d of

CCD camera for two—dimensional

imaging of laser spot and two piezoelectrically drived mirrors exactly cIefining View and


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la鸵r beam shift by the principle of two points


line in

space.The adaptive control is performed through
can

home—made computer program using

Lab

software.The system

conimate the beam direction in
s.



re∞lution of 0.5 prad and 1 Hz adjusting frequency?

correct

the laser spot shift of period above 1

Key words

otpical system design;real—time monitoring;adaptive c0Ilimation;program control







如超快飞秒激光装置,自动准直系统并不多见。但光 束的空间指向稳定性对超快激光物理实验研究非常 重要,如空心光纤脉冲自压缩。h 2|、载波包络相位稳 定[z。]、超快抽运探测n】等要求光束的空间指向在较 长时间内保持稳定。然而由于环境温度变化引起镜 架的热胀冷缩、实验仪器震动引起实验平台的震动 以及空气的扰动等因素都会使激光光束的方向发生

在大型高功率激光核聚变装置中,如美国诺瓦

装置(Nova)、日本激光一12(GEKK◇12),我国的
“神光一Ⅲ”装置等,为了确保振荡器发出的激光束能 够稳定、精确地穿过预放大器、主放大器、倍频器、靶 室,并精确地照射到微型靶丸上,均配置了光路自动 准直系统。但在中小型高重复频率的激光装置中,
收稿日期:2007—11—12:收到修改稿日期:2008一03—27

基金项目:中国科学院知识创新工程重要方向性项目(KGCx-Yw一417—2)、国家基金重点项目(2006CB806001)和上海市 浦江人才计划项目(07pjl4091)资助课题。 作者简介:尉鹏飞(198l一),男。博士研究生。主要从事原子分子与激光强场相互作用等方面的研究。
I’_mail:personinjoy@hotmail.com

导师简介:李儒新(1969一),男,博士,博士生导师,从事强激光与物质相互作用等方面的研究。
E.mail;ruxinli@mail.shcnc.ac.cn

 

8期

尉鹏飞等:

激光光束实时监测与自动准直系统设计

159l

不同程度的偏移,特别是较复杂的激光系统,光路较 长,影响更加明显。因此,自动准直装置对超快激光 物理实验研究非常有用,可以提高实验研究的精度。 大型高功率激光装置由于重复频率低且激光脉 冲能鼍大,自准直系统一般需要外加准直光源,并且 由于系统庞大常需要使用两个CCD来分别测量光束 的近场和远场位置[5 ̄9],使得其自准直装置结构复 杂,反馈过程迟钝,而且自准直装置内镶在在整个系 统内部,独立性差、可移植性不强,不适合应用到更为 常用的中小型激光系统上。本文针对更为常用的中 小型的高重复频率激光系统,设计了一套新的光斑实 时监测与光路自动准直装置,结构紧凑、调节简单,独

设计用两个基准点取代近场点和远场点,两基 准点均取在光学元件的几何中心,通过光学元件漏 过的弱光或反射的少量分束光来监测光斑在两个基 准点处的偏移,然后用偏移信号反馈控制光路上的 两块反射镜,使光束恢复通过基准点,实现光路的复 原,从而达到光路准直的目的u引。同以往大型装置 的自准直系统相比,这种设计不需要外加准直光源。 既简化了光路结构又不破坏原系统光路。具体而 言,将光斑在基准点处的偏移分成X方向(水平方 向)和y方向(垂直方向)的偏离,通过电动反射调 整镜的两维调节来纠正其X方向和y方向的偏离。 以水平面X方向为例,假设某时光路偏离了标准方 向,如图1(a),虚线为开始时的标准方向,实线为发 生偏移后有待准直的光路,M x和Mz为电动反射调 整镜,P,和P。为光路中的两个基准点(元件几何中 心),P:和P,z为P。和P2的像点,X。和Xz为光斑 中心坐标X值,X:和X:为x,和Xz的像点,通过

立性和可移植性强——能够集成在一块o.5 m2的实
验平板上,可为超快激光物理实验研究提供实时的激 光光斑模式并自动准直光束的空间指向。

2光路准直原理及光学系统设计
系统设计主要实现两项功能:一是光斑监测,实 时监测激光光斑模式与光斑空间指向的抖动;二是 反馈控制,使得输出光束自动准直。
2.1光路准直原理

像点xj、x:和成像放大(缩小)倍数M计算出x,、
X。点的实际偏离量分别为△X,一(Xj—Pj)/M和 △X:=(X:一P:)/M。然后通过调节M。使得光斑 X,重新回到P。点,如图1(b),光束需要校正的角 度为巩x=△X,/L,,L。为M1点到P1点距离,因此 M。需调整的角度为矾,=矾,/2;再调节M。使得光 斑X:同时回到P。点,如图1(c),考虑到M,的调 节也会影X。点的坐标偏移,调节M。过程中还需要 补偿M。调节的影响,因此M。需校正角度为伊:。= [△X2一(Ll+L2)△Xl/L1]/2L2,L2是M2到P2 的距离。 同理纠正垂直面y方向的偏离,使光束在X方 向和y方向都重新回到P,、P:点,这样过两个基准 点后光路便实现了准直。

光路自动准直系统是根据两点确定一条直线的 原理来实现光路的自动调整准直。在激光核聚变等 大型激光装置中,通常以近场和远场作为准直线的 两点,一点取在光路像传递像面处(光学元件的几何 中心),称为近场;另一点取在焦点处,相当于无穷远 的位置,称为远场。在近场监视光束的平移,在远场 监视光束的角移,然后通过光路中两块反射镜的配 合调节纠正其角移和平移,使得经过两块反射镜后 出射的光线和理想的光线方向重合,从而实现光路 的准直[5 ̄9]。

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图1准直原理图。(a)光路偏离原始准直方向,(b)调节M。使光路过P。点,(c)再调节M:使光路过P:点
Fig.1 PrincipIe of

collimatiom (a)Laser beam shift,(b)let beam (c)let beam
center

point P1

by tuning

M1,

pass point

P2 by tuning M2

 









28卷

2.2光学系统结构设计 激光光斑实时监测与光路自动准直装置的光学 系统结构如图2所示,在光路中利用反射镜M:漏 过的弱光和分束器反射的少量分束光将基准点P.、 P。处的光斑通过透镜等比成像到CCD上,其图像 通过图像采集卡传输到计算机进行检测。等比成像 可以反映物光斑的真实大小和真实抖动情况。也可 根据需要将光斑进行缩放成像,以适应CCD探测面 积,计算处理光斑时再按缩放比例进行还原。反馈 控制部分采用高精度的两维压电陶瓷电动镜架M。 和M:来调整光路,P。点通过M,来调节,P:点通 过M:来调节,其中P。点到P:点的间距决定了装 置的稳定精度,为了保证足够的精度,距离越长越 好,但有使用上的限制,该装置选取M。到P。的距 离Ll=1 m,M2到P2的距离L2—1 m。此外,CCD 的像素大小、光斑大小、光斑测量与数据处理速度等 都会影响系统的稳定精度,CCD像素越小、光斑越 大、处理速度越快,则光斑稳定精度越高。装置的压 电陶瓷电动镜架通过驱动器来驱动,驱动器通过控 制器与计算机相连,形成一个闭路循环。
1、

3监测控制程序编写
设计的控制程序采用虚拟仪器图形编程软件 I,abView来编写…。引。程序分光斑采集、图像处理 和反馈控制三个部分: 1)光斑采集需要调用动态连接库来驱动图像 采集卡。程序通过调用动态连接库的功能函数可以 设置图像的亮度、位数、饱和度、色度、缓冲大小等。 经过一系列参量初始化后,调用图像抓拍功能函数 抓拍图像到缓存,即可将缓存区的光斑图像直接调 入LabView的图形处理程序。 2)图像处理包括滤掉杂散小光斑、强度阈值 化、边沿平滑处理、光斑巾心坐标计算、中心坐标偏 移量计算等。在光斑采集中。光斑数应为2个,但由 于CCD测得的町能是其他地方的反射或者光斑本 身带有小的杂散光斑而多于2个,因此在图像处理 程序中,首先利用图像模块的去小光斑功能去除图 像中可能存在的杂散小光斑,利用图像模块的阈值 功能对采集到的激光光斑进行阈值化处理,阈值范 围可以手动调节以获得最佳的光斑形状,然后利用 图像模块的形态功能束平滑激光光斑的边缘,最后 利用图像模块的光斑分析功能精确计算出光斑几何 墨—o ldnve
P.

中心。计算得到的两个光斑中心坐标与设定的基准 点坐标相减便得到两个光斑中心坐标的偏移值。再 将中心坐标偏移值输入波形显示图中,实时监测光 斑中心坐标的抖动情况。同时,将优化处理后的光 斑图像也实时显示在界面上,以便更加直观地观测 激光光斑模式。 3)反馈控制采用了快速简单的直接校正算法, 包括测量、比较和执行三部分。首先利用图像处理 计算得到光斑中心几何位置,然后与基准位置相比

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图2激光光斑实时监测与自动准直装置示意图
Fig.2

较,得到需调整光束的偏移量,根据这一偏移鼍驱动 压电陶瓷电动镜架直接完成光路调整。以P,处X 方向为例,假设光斑中心位置与基准点位置的偏移 量为△X,,光束需要校正的角度为岛,,因此电动镜 架M。需调整的角度为绣,/2,而装置的压电陶瓷电 动镜架在标准微调情况下单步的精度为△L=
30

Schematic of laser beam real—time monitoring
and adaptive collimation device

本设计的操作流程如下:首先CCD采集两个基 准点的激光光斑,通过图像采集卡将模拟图像信号 转换为数字图像信号存储并显示在计算机中。控制 程序一方面实时监测两个基准位置处的光斑模式与 光斑抖动情况,另一方面计算丽个光斑中心与设定 的基准点的偏差量,再结合光路和电动调整架的驱 动精度等参量计算出电动镜架需要调整的步数和方 向,最后控制程序通过控制器向驱动器发出驱动指 令驱动镜架,调整水平方向X。、X。和垂直方向y。、 yz的偏移奄,使得激光重新回到P,和P。两个基准 点上,从而使光束自动准直。

nm,镜架的长LM=54 mm,得出镜架需要驱动的

步数为(△X,LM>/(2L。△L),再将计算得到的调整 步数和方向翻译成控制指令发送给驱动器,驱动器 根据指令发送电信号驱动压电陶瓷电动镜架完成光 路X,方向调整的执行,同理再依次校正y。、X:、y: 回到基准位置,使得激光重新州到P.和P。两个基 准点上,实现光束的自动准直。由于环境对光束指 向扰动的多样性、复杂性和随机性。无法预测光束指

 

8期

尉鹏琶等:激光光束实时监测与自动准直系统设计

向抖动的趋势,加上从测量到执行具有一定的延迟, 因此直接校正算法具有一定的滞后性,但相比“神 光一Ⅱ”自准直系统的小步逼近算法,直接校正算法 在中小型激光装置中具有应用优势,不仅算法简单, 而且最大限度地提高了系统的反馈速度。

4应用实例和测试结果
在实验室自行搭建的1 kHz飞秒激光系统七 的空心光纤脉冲自压缩装置中。为了使激光束能精 确稳定地穿过直径为200"m的空心光纤,对激光 系统输出光束的空间指向稳定性提出了很高的要 求。本设计应用到此系统后,激光束能长时间稳定 并精确地穿过后端的空心光纤,有效地提高了空心 光纤的光谱展宽和能量耦合的稳定性,光路如图3 所示。
Fig.4

图4优化处理前(a)和后(b)的光斑
Laser beam image before(a)and after(b) sharpening

垂直方向y2的抖动,实直线为基准线。从图5(a)可 见,水平方向X的抖动幅度达10 pixel(86肛m),而垂 直方向y的抖动幅度达30 piXel(249"m),已超过空 心光纤直径200“m。而且垂直方向的抖动幅度明显 大于水平方向的抖动,这是因为机械震动等因素引起 的光学平台的震动主要为垂直方向。图5(b)是反馈 控制后的抖动情况,从图5(b)可见,无论是水平方向 还是垂直方向。光斑抖动基本控制在5
piXel(45肚m)

范围内,光束的空间指向得到明显的改善。从图5(a) 还可见.光斑的抖动由缓慢位移和快速振动组成,去
图3自准直系统光路图
Fig.3 0ptics of adaptive collimation

掉快速振动后的缓慢位移变化如图中虚曲线所示,反
system

馈控制后,缓慢位移变化被完全消除。从而保证了系 统长时间运行不偏离基准线,如图5(b)所示。慢变 化主要由机械震动、空气扰动、镜架热胀冷缩等间接 引起镜架轻微的移位,为长期累积行为,一般时间越 长,偏离越厉害,无恢复性。快速振动主要由机械震 动、空气扰动等直接引起镜架的震动或能量的抖动造 成,为短期行为,具有可恢复性。 图6为在反馈控制前后P1点在X,方向的短时 行为放大图,从图6(a)中可见,快速振动的偏离和复 位的时间在0.1~10 s之间。反馈控制能够有效降低 快速振动的幅度。但无法完全消除。如图6(b)所示。 这是由于电机驱动器不能同时驱动X。、y-、Xz、K 四路调整,需要X,一y。一Xz—yz—X-逐个驱动, 驱动周期约为1 s,因此小于1 s的振动无法消除, 解决的途径是寻求响应速度更快或能同时驱动的电 机驱动器件替代。此外,CCD作为反馈测量探测 器,虽然可以直观地观测光斑模式,但其测量与处理 速度也有一定的局限性,在设计中,CCD采集和处

激光光源是光谱物理公司生产的钛宝石再生放 大激光系统,其输出的中心波长为800 nm,重复频率 为1 kHz,输出脉冲半峰全宽为40 fs。装置的压电陶 瓷电动镜架是美国新焦点公司的iPico产品,在标准 微调情况下单步的精度为30
54

m,镜架的长高均为
Inm,单个像素

mm,所以镜架的调整精度接近于o.5”rad。摄像
mm×6.45

头的有效探测大小为7.95

大小为8.6肛m×8.3肛m,图像采集卡为大恒公司的 CG410板卡。 图4(a)是CCD监测到的两基准点处的原始激 光光斑,图4(b)是经过去杂散小光斑、去噪声、强度 阈值化f131等处理后的优化光斑,可见能更加直观地 观测激光光斑模式,便于光斑中心坐标的计算。 图5是反馈控制前后两基准点处光斑中心坐标 位置抖的动情况,其中第1条对应P,处水平方向X, 的抖动,第2条对应P,处垂直方向y-的抖动,第3 条对应P2处水平方向X:的抖动,第4条对应P。处

 

1594









28卷

理速度为O.1 s/frame,因此要解决系统的高频干 扰,还可以通过外加准直光源(光束较小)与位敏传 感…1来提升系统的响应速度。这种传感器与CCD
15

点阵式位置传感器相比,具有响应时问快、分辨率 高、以及不受入射光束和焦点偏离的影响等特点,但 不能直观地观测光斑模式。

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图5准直前(a)和后(b)光束的飘移
Fig.5 Laser beam shift before(a)and

after(b)coIlimation

 

8期

尉鹏飞等:

激光光束实时监测与自动准直系统设计

1595

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图6准直前(a)和后(b)P,点在X方向上的快速振动放大图
Fig.6

Enlarged images of fast oscillation of Pl in X axis.Before(a)and after(b)coUimation







87(18):18390l‘l~183901-4


S.J.Boege.E.S.Bliss,C.J.Chocol露4Z..NIF
centering systems

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针对中小型高重复频率激光系统,设计了一套 新的光斑实时监测与光路自动准直装置。利用两个 基准点思想取代传统的近场远场设计思路,使得系 统结构更加简单紧凑,可移植性强,适用范围广泛; 使用虚拟仪器图形编程软件LabView编写监控程 序,可以更加直观地实时监测光斑模式和光斑中心 抖动情况并进行反馈控制。经测试,装置完全可降 低或消除抖动周期1 s以上的光斑飘动。本设计对 于超快激光物理实验研究有重大的促进作用,对于 需要较高空间指向稳定性的高精度激光物理实验亦 有重大使用价值,可以推广应用于更广泛的激光研 究领域。
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[J].0l抽.0即.k“.,2007,5(7);403~406

 

激光光束实时监测与自动准直系统设计
作者: 作者单位: 尉鹏飞, 刘军, 李晓芳, 陈晓伟, 刘鹏, 李儒新, 徐至展, Wei Pengfei, Liu Jun , Li Xiaofang, Chen Xiaowei, Liu Peng, Li Ruxin, Xu Zhizhan 尉鹏飞,Wei Pengfei(中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室,上 海,201800;中国科学院研究生院,北京,100049), 刘军,李晓芳,陈晓伟,刘鹏,李儒新,徐至 展,Liu Jun,Li Xiaofang,Chen Xiaowei,Liu Peng,Li Ruxin,Xu Zhizhan(中国科学院上海 光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室,上海,201800) 光学学报 ACTA OPTICA SINICA 2008,28(8) 1次

刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数:

参考文献(14条) 1.N.L.Wagner.E.A.Gibson.T.Popmintchev Self-compression of ultrashort pulses through ionizationinduced spatiotemporal reshapings 2003(17) 2.E.Gagnon.I.Thomann.A.Paul Long-term carrier-envelope phase stability from a grating-based chirped pulse amplifier 2006(12) 3.彭滟.徐晗.杨旋 载波包络相位稳定的6fs超快强激光脉冲及其在高次谐波产生中的应用[期刊论文]-中国激光 2006(11) 4.R.Velotta.N.Hay.M.B.Masoni High-order harmonic generation in aligned molecules 2001(18) 5.S.J.Boege.E.S.Bliss.C.J.Chocol NIF pointing and centering systems and target alignment using a 351 nm laser source 1997 6.F.R.Holdener.E.Ables.E.S.Bliss Beam control and diagnostic functions in the NIF transport spatial filter 1997 7.Daizhong Liu.Renfang Xu.Dianyuan Fan Design and performance of a video-based laser beam automatic alignment system[期刊论文]-Chinese Optics of Letters 2004(02) 8.Daizhong Liu.Fengnian Lu.Jinzhou Cao Design and application of a laser beam alignment system based on the imaging properties of a multi-pass amplifier[期刊论文]-Chinese Optics of Letters 2006(10) 9.E.S.Bliss.M.Feldman.C.S.Vann Laser chain alignment with low power local light sources 1995 10.A.Stalmashonak.N.Zhavoronkov.I.V.Hertel Spatial control of femtosecond laser system output with submieroradian accuracy 2006(06) 11.曹玲芝.崔光照.吴刚 现代测试技术厦虚拟仪器 2003 12.汪弋平.李安民.恽斌峰 基于虚拟仪器和可调谐激光技术的光纤光栅传感系统[期刊论文]-光学学报 2006(08) 13.吕凤年.刘代中.徐仁芳 图像处理在光路自动准直系统中的应用[期刊论文]-光学技术 2005(03) 14.Defeng Zheng.Xiangzhao Wang.Feng Tang An improved method of angle measurement with a position sensitive detector[期刊论文]-Chinese Optics of Letters 2007(07)

相似文献(4条) 1.学位论文 王岚 星载激光高度计光校实时监测技术研究 2007
最大测程是激光高度计的重要的性能指标之一。当高度计设计完成后,激光发射和激光回波接受的共轴精度成为影响最大测程的主要因素,关系到 系统测距的成败问题。结构和光学设计主要保证视场的初步重合,视场重合度的精密调整主要由实验室光学装校来保证。<br>   本文的研究工作紧密围绕嫦娥一号星载激光高度计的光校工作进行。嫦娥一号星载激光高度计的光校采用平行光管法进行。本文分析了嫦娥一号星载激 光高度计的特点与光校实际情况以及监测结果误差来源,设计实现了光校实时监测系统。主要工作包括:<br>   1、光校监测系统的误差来源分析;<br>   2、光校监测系统的设计与实现:主要包括CMOS相机的研制;USB数据接口电路的设计与实现;USB设备固件程序、驱动程序以及上位机光校监测软件的

撰写;<br>   3、监测系统精度分析。<br>   研究成果在星载激光高度计产品的试验中得到了应用,大大提高光校工作的效率和精度。试验过程和结果表明,研究成果实现了光校监测系统的基本功 能,满足激光高度计光校的技术要求。

2.学位论文 黄丽俐 微光应力系统 2008
本文在对原可靠性试验系统分析研究的基础上,对微光应力系统进行功能完善。原微光夜视仪可靠性试验设备能对枪用微光镜的各项指标进行鉴定 ,并能对试验结果进行实时监测和记录。新型系列轻武器装备用微光夜视仪陆续装备部队,其可靠性的试验考核急需进行。 本文在原微光应力系统组成上增加了强闪光、高低温箱装置。对改进后的光应力系统作出了详细的理论计算和设计,包括光照度计算、大视场宽光 谱平行光管物镜的光学设计和平行光管的部分结构设计。介绍了积分球原理、结构,并运用蒙特卡罗方法,实现了积分球式光源光照度分布的计算机模 拟,得出了积分球等面积且不同环带的光子分布情况,这对优化设计多开口积分球光源具有重要意义。

3.期刊论文 李智伟.冯驰.LI Zhi-wei.FENG Chi 红外测温系统设计与实现 -应用科技2010,37(5)
针对高温环境下的实时监测问题,红外测温系统采用比色测温法进行测量.红外测温系统的核心技术是光学设计与光电转换,Labview系统作为数据处 理和界面显示的平台,实时地给出直观的数据图形和表格.系统工作性能稳定,最大程度地降低辐射率对测温精度的影响,使得测量结果更加接近物体真实 温度,可以满足对高温环境的温度测量工作.

4.学位论文 程晨 旋转对称激光三角传感器的光学仿真及嵌入式软件实现 2010
激光三角传感器是一种没有磨损和破坏性的非接触精密位移传感器,可以 测量不同的表面,广泛应用于工业在线实时监测领域,是工业质量保证领域必 备的检测手段。而旋转对称激光三角传感器因其独特的光学结构,有效地克服 了传统激光三角传感器易受遮挡的缺陷,提高了测量精度,并能更好的纠正偏 差,有着极其重要的理论和实际意义,是激光三角传感器领域中备受关注的研究 方向之一。 本文的研究工作是根据旋转对称激光三角传感器光学设计方法,设计了几 种可行的旋转对称光学结构并进行仿真验证以及实现了嵌入式软件系统。本文 的主要工作包括: (1)综述了激光三角法的原理和优缺点,研究了两代旋转对称三角激光传 感器的光学设计原理。 (2)基于旋转对称激光三角传感器的设计方法,设计了几种旋转对称光学 结构并且进行仿真验证。 (3)为了实现系统的小型化和便携化,为旋转对称激光三角传感器开发了 基于DSP嵌入式系统的系统软件,实现了图像的采集和传输。 关键字:旋转对称激光三角传感器,DSP,激光三角法

引证文献(1条) 1.卢泉.韩保君.刘上乾.王会峰 基于双激光准直电荷耦合器的弯曲度测量方法[期刊论文]-中国激光 2010(2)

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