基于数字图像处理的晶体非线性测量仪研究

摘要

Z扫描技术能够测量材料的非线性折射系数，并能够从透过率曲线中判别材料的非线性折射系数的符号。它的实验装置简单，测量灵敏度高，操作方便，这些优点使其在材料非线性系数的测量中占有重要的地位。Sheik-Bahae等人于1989年提出单光束Z扫描技术，在此基础上，后人对其进行不断的改良和完善，出现了多种样式的Z扫描。
　　我们在传统Z扫描光路的基础上，结合数字图像处理技术，对实验光路进行了改进，提出了一种基于数字图像处理的Z扫描光路。本文在此光路的基础上，对光路进行了改善，并基于传统Z扫描理论分析，对改良后的光路进行了理论分析，推导出了适合新光路的理论公式。
　　对比传统光路，基于数字图像处理的Z扫描光路去掉了小孔光阑，功率计换为相机拍照，并且去掉了分光束，传统Z扫描通过分束镜，将激光光束分为激励光束和参考光束两束光，闭孔功率和开孔功率要经过两次扫描分别得到。传统Z扫描理论分析时以入射到样品之前的光作为参考光，在距离焦点足够远的位置，高斯光斑足够扁平，晶体在此处由于光学非线性引起的远场光强的变化不大，可以忽略，可以将此处的光斑作为参考光斑，相当于将样品之后的光作为参考光，这样就不用分束来获取参考光。对比基于数字图像处理的Z扫描光路，本文光路将激光器换为了稳频激光器，用于获取更好的参考光斑，在光路中加入了扩束装置，这样在距离焦点不是很远的位置就可以获得参考光斑。处理数据时，在光斑图像中心点附近选择一定范围的像素点，像素点灰度值的总和作为闭孔的光功率;整幅图像像素点灰度值的总和作为开孔时的光功率，一次扫描就可以获取闭孔和开孔透过率。
　　改善后的光路中用CCD相机采集数据，后期采用数字图像处理的方法对数据进行处理。并用C++加以实现:利用灰度直方图判断光斑能量是否超阈值;利用图像的加法运算消除系统随机误差;利用图像的减法运算消除背景光对实验的影响;利用非线性滤波消除图像中的高频分量;利用二维高斯拟合的方法获取光斑中心;然后获取闭孔透过率曲线，开孔透过率曲线以及闭孔/开孔透过率曲线，最后计算得出材料的非线性折射率系数。
　　本文根据新光路搭建了整个测量系统，并利用C++ Builder编写了测量系统的软件部分，将数据的采集和数据的处理集成到一个软件中，形成一个自动化的完整测量仪。利用MSComm串口通信控件可以控制步进电机实现待测样品的移动，利用CCD相机厂商提供的CCD接口函数可以控制CCD拍照，因此可将数据的采集和处理集成到一个软件中，实现了测量系统的自动化。采集到的每幅图像(大小为1280×1024)都要进行消除背景光、滤波、获取中心（包含多次矩阵操作）等操作，并且数据处理时要处理多幅图像，因此图像处理部分的运算量非常大，我们在处理图像的过程中加入了多线程的方式，在多核的处理机上，可以加快运算速度并解决程序未响应等问题。在非线性系数测量时，获取背景光，获取参考光功率，判断光斑是否超阈值，消除背景光斑，滤波，获取中心，获取闭孔功率、开孔功率、闭孔透过率曲线、开孔透过率曲线、闭孔/开孔透过率曲线都需要一定的顺序，为防止顺序出错出现意外，这些操作在软件上都是依次使能的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 非线性光学

1．2非线性光学性质测量方法及Z扫描

1．2．1 Z扫描测量方法综述

1．2．2 基于数字图像处理的Z扫描

1．2．3 数值分析在数据处理中的应用

1．3 本文主要工作

第二章 Z扫描原理

2．1 传统Z扫描原理

2．1．1 光折变效应

2．1．2 传统Z扫描光路

2．2 Z扫描理论分析

2．2．1 非线性折射率测量

2．2．2 介质的非线性吸收

2．3 小结

第三章 基于数字图像的Z扫描

3．1 改良光路

3．1．1 基于数字图像Z扫描光路

3．1．2 改善光路

3．2 改善后光路理论分析

3．2．1 改善后的光路非线性折射率分析

3．2．2 新光路非线性吸收分析

3．3 小结

第四章 基于数字图像的数据处理

4．1 图像预处理

4．1．1 灰度直方图

4．1．2 图像的代数运算

4．1．3 空域滤波

4．2 获取光斑中心

4．2．1 重心法

4．2．2 高斯拟合法

4．2．3 抛物面拟合法

4．3 线性方程组求解

4．3．1 列主元消去法求解非奇异线性方程组

4．3．2 利用逆矩阵求线性方程组

4．4 小结

第五章 测量系统

5．1 系统概述

5．2 电动平台及其控制系统及CCD相机

5．3 数据采集部分软件设计

5．3．1 MSComm串口通信

5．3．2 CCD相机

5．4 数据处理部分软件设计

5．4．1 数据处理部分整体设计思路

5．4．2 C++二维高斯法获取中心

5．4．3 多线程实现图像处理

5．5 系统测量及结果

5．6 小结

第六章 总结

6．1 主要工作

6．2 主要创新点

参考文献

致谢

附录