定位指示激光的線(xiàn)寬研究

賈亞青　謝云龍

(北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院，北京 100029)

0　引言

激光定位儀由于方便、準(zhǔn)確及高效的優(yōu)點(diǎn)，成為核磁共振儀、放射治療機(jī)、X光模擬機(jī)及X光刀等醫(yī)學(xué)設(shè)備的重要輔助部件[1-2]。而隨著放射治療機(jī)等醫(yī)療器械對(duì)病灶定位精度的提高，用來(lái)指示手術(shù)位置的激光定位儀的精度要求也不斷提高。而標(biāo)致定位精度的激光線(xiàn)寬成為激光定位儀的重要技術(shù)參數(shù)，是定位儀生產(chǎn)者和使用者共同關(guān)心的問(wèn)題，也是近兩年在儀器設(shè)備驗(yàn)收過(guò)程中引發(fā)糾紛最多的參數(shù)。目前放射治療中激光定位儀的線(xiàn)寬(定位精度)一般標(biāo)稱(chēng)在1mm左右，但有過(guò)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的人會(huì)感覺(jué)到光照環(huán)境在一定情況下能影響到激光線(xiàn)寬，而且激光線(xiàn)寬的變化量明顯影響到定位精度。究其原因就是對(duì)激光線(xiàn)寬問(wèn)題認(rèn)識(shí)不夠，對(duì)其影響因素不了解。下面我們從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究激光束寬與光照環(huán)境之間的關(guān)系問(wèn)題。

1　理論分析

從激光光束質(zhì)量技術(shù)角度講的光束寬度，是指激光入射接收面上功率下降到中心最大峰值1/e2處(e為自然常數(shù),其值約為2.71828，1/e2值約為0.135)所對(duì)應(yīng)的寬度。但在實(shí)際工作中調(diào)整激光定位儀時(shí)，一般都是目測(cè)或輔助目測(cè)激光在白紙或觀(guān)測(cè)靶上的定位情況。

(虛線(xiàn)為背景噪聲，實(shí)線(xiàn)為激光線(xiàn)寬)

假設(shè)激光束為沿Z軸方向傳播的單模高斯光束，在其垂直橫截面上的分布為高斯分布，面上經(jīng)過(guò)中心的某一直線(xiàn)上功率密度歸一化分布如圖1所示。當(dāng)以零點(diǎn)為背景基線(xiàn)時(shí)，最大峰值功率的1/e2處(即y=0.135)所對(duì)應(yīng)的激光線(xiàn)寬為40mm。當(dāng)背景基線(xiàn)提高后，也就是在實(shí)際觀(guān)測(cè)時(shí)，背景光強(qiáng)度增加。由于背景光和指示激光為非相干光，所以背景光的增強(qiáng)并不能增加激光的強(qiáng)度，而只是背景基線(xiàn)的提升。從圖1可以很直觀(guān)的看出，當(dāng)背景基線(xiàn)提升時(shí)，光束的寬度會(huì)降低。如果背景基線(xiàn)提升到歸一化強(qiáng)度峰值功率的1/2處時(shí)，激光束寬會(huì)減小原來(lái)束寬的近1/2，此變化量足以用肉眼觀(guān)測(cè)到，其定位精度也明顯不同。那么什么樣的光照環(huán)境會(huì)影響到激光線(xiàn)寬呢，只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)量才能得出結(jié)論。

2　實(shí)驗(yàn)研究

在研究光束特性時(shí)，通常是讓光束入射到探測(cè)器的接受面上直接測(cè)量[3-4]，但實(shí)際在激光定位儀的安裝調(diào)試和使用過(guò)程中，通常是觀(guān)察激光束打在某靶面上的漫反射圖像，為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有實(shí)用參考價(jià)值，我們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)也是測(cè)量漫反射光點(diǎn)(或光帶)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示：激光定位指示光入射到白色漫反射板，其反射率大于85%。在光束下方距離反射板15cm處放置CCD攝像頭，代替人眼觀(guān)測(cè)，在反射板平面內(nèi)緊挨反射板放置照度計(jì)，用來(lái)測(cè)量反射板位置的環(huán)境照度。

圖2　激光定位儀束寬研究實(shí)驗(yàn)裝置

以He-Ne激光點(diǎn)光源指示光為例，其輸出功率為0.3mW，在如圖2所示的情況下，改變漫反射板處的光照環(huán)境，用CCD記錄不同條件下指示光點(diǎn)的大小圖像，該圖像在很大程度上反映了人眼在不同光照環(huán)境條件下看到的指示光的寬度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　不同光照環(huán)境下指示光打在漫反射板上的圖像

可以看出，當(dāng)光照環(huán)境小于50lx時(shí)，光照環(huán)境的變化對(duì)激光束寬的影響很小。這是由于激光束中心強(qiáng)度與周?chē)h(huán)境的亮暗對(duì)比太大，導(dǎo)致CCD探測(cè)器飽和，而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)人員的人眼感受也和CCD探側(cè)器很相似，當(dāng)環(huán)境照度低于50lx時(shí)，激光亮斑與暗環(huán)境的對(duì)比，使人眼感覺(jué)不舒服，無(wú)法判斷激光邊界。所以建議在調(diào)節(jié)激光定位儀時(shí)，應(yīng)選擇光照環(huán)境大于50lx條件下工作。

當(dāng)環(huán)境照度大于50lx時(shí)，激光束寬受環(huán)境影響較大，根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在240lx條件下，激光邊緣清晰，中心沒(méi)有飽和現(xiàn)象，容易判斷中心位置，同時(shí)對(duì)人眼沒(méi)有造成刺激感。而隨著周?chē)h(huán)境照度的增加，例如在500lx照度下，激光邊緣逐漸淹沒(méi)在噪聲中，雖然激光清晰可見(jiàn)，但邊緣與中心點(diǎn)不易判斷。

3　結(jié)束語(yǔ)

理論與實(shí)驗(yàn)研究表明光照環(huán)境對(duì)激光定位儀線(xiàn)寬有影響，所以在定位儀的裝機(jī)調(diào)整和工作過(guò)程中，應(yīng)注意在一定的光照條件下進(jìn)行；在討論激光線(xiàn)寬問(wèn)題或定位精度問(wèn)題時(shí)，更應(yīng)該指出是在什么照度條件下進(jìn)行的，討論才有意義才更科學(xué)。

激光定位儀光接收面的光照度小于50lx時(shí)，光照環(huán)境對(duì)定位線(xiàn)寬影響不大，可以忽略，但激光與背景的亮度對(duì)比較大，對(duì)人眼有刺激，不適宜在此環(huán)境下調(diào)節(jié)儀器設(shè)備。

光照度大于500lx時(shí)，激光邊緣逐漸淹沒(méi)在噪聲中，并隨著光照的增加，邊緣淹沒(méi)加重，中心點(diǎn)不易判斷，造成線(xiàn)寬及定位的不確定性增加，所以定位儀不宜在此條件下工作。

當(dāng)光照度在240lx條件下，激光邊緣清晰，中心沒(méi)有飽和現(xiàn)象，容易判斷中心位置，同時(shí)對(duì)人眼沒(méi)有造成刺激感，在此照度下開(kāi)展工作與討論是相對(duì)適宜的。

本文介紹激光定位儀投射的激光光斑大小受光強(qiáng)及光照環(huán)境影響造成的變化，所得結(jié)論對(duì)激光定位儀的設(shè)計(jì)制造者和使用者具有重要參考價(jià)值。

[1]葉少榮，林興建，吳立輝.放射治療中心激光定位儀之定位.[J]醫(yī)療設(shè)備信息，2004，19(5):52-54

[2]韓勁松，趙洋，李達(dá)成,等.線(xiàn)性調(diào)頻半導(dǎo)體激光定位的研究.[J]計(jì)量技術(shù)，1995,12(28):5-7

[3]劉玲玲，王廣浩，石春英.測(cè)量激光線(xiàn)寬的一種新裝置.[J]計(jì)量學(xué)報(bào)，1995，16(1):46-48

[4]樊志華，王春鴻.一種無(wú)需乘法器的光斑質(zhì)心定位方法.[J]光電工程，2010，37(12):17-24