基于全自动套孔法激光发散角的测量装置及测量方法

摘要

本发明提供一种基于全自动套孔法激光发散角的测量装置，包括计算控制单元、步进电机控制器以及激光器，沿激光器产生激光光束的水平前进方向上依次设有长焦透镜、带有多个透光小孔的小孔光阑阵列、反射镜以及CCD，其中小孔光阑阵列处于长焦透镜的焦距上，反射镜与激光光束成45度夹角；激光光束经反射镜反射后形成的垂直光路上设有能量计；小孔光阑阵列上连接有二维电控平移台，反射镜上连接有一维电控平移台；计算控制单元分别与步进电机控制器、CCD以及能量计相连。本发明利用控制信号控制二维电控平移台的移动，使得透光小孔的中心与激光光斑中心重合，其对准的精确度高，计算的激光发散角更加准确。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于全自动套孔法激光发散角的测量装置及测量方法，属 于光学检测技术领域。

背景技术

激光发散角是表征激光光束质量优劣的重要参量，因此对其进行测量是十 分必要且具有实际应用意义。激光发散角测量是指在远场条件下所测量的远场 发散角，其与透镜的焦距和光束在透镜焦点处的光斑半径有关，与透镜距离激 光光束束腰的位置无关。现有通常利用激光强度降到中心处的1/e²所对应的小孔 口径D计算激光束的发散角，即激光束的发散角θ＝2tan^-1(D/2f)，f为激光光束 所经过的透镜的焦距。

在计算1/e²光强所对应的小孔光阑口径D时，需要对激光光束中心与小孔光 阑的中心进行对准。目前通常采用人工方法进行对准，但是仅凭人眼无法对光 束中心及小孔中心进行精确判断，因而造成测量结果误差大且无法精确衡量； 此外，原始的套孔法测量发散角是通过人工选取不同直径的小孔来实现的，针 对每一个小孔都需进行对准，因此测量过程繁琐。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于全自动套孔法激光发散角的测量装置及测量 方法，该测量装置能够自动地对激光发散角进行测量，且测量精度高，且测量 过程简单。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于全自动套孔法激光发散角的测量装置，包括计算控制单元、步进 电机控制器以及激光器，沿激光器产生激光光束的水平前进方向上依次设有长 焦透镜、带有多个透光小孔的小孔光阑阵列、反射镜以及CCD，其中小孔光阑 阵列处于长焦透镜的焦距上，反射镜与激光光束成45度夹角；激光光束经反射 镜反射后形成的垂直光路上设有能量计；小孔光阑阵列上连接有二维电控平移 台，反射镜上连接有一维电控平移台；计算控制单元分别与步进电机控制器、 CCD以及能量计相连；

计算控制单元包括图像处理模块、图像解算模块、信号生成模块、控制模 块以及数据处理模块；

图像处理模块用于对CCD采集的光斑图像进行滤波处理，获取滤除背景噪 声的光斑图像；

图像解算模块用于对滤除背景噪声的光斑图像进行解算获取激光光斑 的中心位置坐标

信号生成模块用于根据事先存储的小孔光阑阵列中各透光小孔的中心 位置以及所述生成控制信号传输给控制模块；

控制模块通过步进电机控制器控制一维电控平移台的移动，控制模块 利用接收的控制信号通过步进电机控制器二维电控平移台的移动，使得激 光光斑的中心和透光孔的中心重合；

数据处理模块接收能量计传输过来的激光能量E，利用多项式拟合法获 取以透光小孔直径D和能量E分别为横纵坐标的激光光强分布曲线，计算出 激光发散角。

较优地，所述图像处理模块对接收的光斑图像进行处理为：图像处理模块 接收多幅光斑图像进行平均获得平均图像，并进一步利用灰度阈值对平均 图像进行分割，再对分割后的图像进行灰度处理，并利用颗粒分析法对灰 度处理后的图像进行去噪，最后获取滤除背景噪声的光斑图像。

基于全自动套孔法激光发散角的测量装置的测量方法，具体步骤为：

步骤一、激光器发出激光，计算控制单元的控制模块通过步进电机控制 器调节二维控制平移台，使得小孔光阑阵列上的最大透光小孔处于激光光路上， 且激光光束可无阻通过；同时控制模块通过步进电机控制器调节一维控制平移 台，使得反射镜不位于激光光路上；

步骤二、CCD连续采集激光光斑图像，并传输给图像处理模块，图像处理 模块对接收的光斑图像进行处理，获取滤除背景噪声的光斑图像；

步骤三、图像解算模块对滤除背景噪声的光斑图像进行解算，获取激 光光斑的中心位置坐标

步骤四、信号生成模块根据事先存储的小孔光阑阵列中最大透光小孔 的中心位置以及所述生成控制信号传输给控制模块；

步骤五、控制模块根据接收的控制信号，通过步进电机控制器控制二 维电控平移台使得激光光斑的中心与所述最大透光小孔的中心重合；

步骤六、控制模块通过步进电机控制器控制一维电控平移台，使得反 射镜位于激光光路上；

步骤七、能量计采集此时的激光能量E，并传输给数据处理模块；

步骤八、针对于小孔光阑阵列上其它透光小孔中的每一个，信号生成 模块根据事先存储的各透光小孔之间的相对位置关系生成控制信号传输给 控制模块，控制模块根据接收的控制信号调节二维控制平移台的移动，使 得透光小孔的中心与激光光斑的中心重合，能量计采集各透光小孔对应的 激光能量E并传输给数据处理模块；

步骤九，数据处理模块根据所接收的激光能量E以及各透光小孔的直 径D，利用多项式拟合法得到以直径D和能量E分别为横纵坐标的激光光强 分布曲线，进而计算出激光发散角。

有益效果

本发明通过采集光斑图像获取激光光斑中心，利用光斑中心与事先存储的 小孔光阑阵列中透光小孔的中心位置，生成控制信号控制二维电控平移台 的移动，使得透光小孔的中心与激光光斑中心重合，其对准的精确度高， 计算的激光发散角更加准确。

其次，本发明由于小孔光阑阵列中各透光小孔的位置相对固定，因此 在依次获取各透光小孔对应的激光能量时，无需进行对中处理，计算控制 单元只要根据事先存储的各小孔之间的相对位置关系，控制二维电控平移 台的动作使得各小孔的中心与激光光斑中心的对中。

附图说明

图1为本发明基于全自动套孔法激光发散角的测量装置的示意图。

图2为本发明计算控制单元的结构示意图。

图3为本发明计算控制单元对光斑图像进行处理的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明基于全自动套孔法激光发散角的测量装置，包括计算 控制单元、步进电机控制器以及激光器，沿激光器产生激光光束的水平前进方 向上依次设有长焦透镜、带有多个透光小孔的小孔光阑阵列、反射镜以及CCD， 其中小孔光阑阵列处于长焦透镜的焦距上，反射镜与激光光束成45度夹角；激 光光束经反射镜反射后形成的垂直光路上设有能量计；小孔光阑阵列上连接有 二维电控平移台，反射镜上连接有一维电控平移台；计算控制单元分别与步进 电机控制器、CCD以及能量计相连。本实施例较佳的选取带有12个透光小孔 的小孔光阑阵列，12个透光小孔的直径由大至小顺序，依次为12mm、8mm、 6mm、4mm、3mm、2mm、1mm、0.8mm、0.6mm、0.4mm、0.2mm以及0.1mm。 小孔直径大小的选择是根据所测量激光产品种类束散角的大小所确定，而最大 孔12mm能保证激光完全无遮挡地通过(即可测出激光的全部发射能量)。

计算控制单元采用了国际上先进的测控专用开发工具LabVIEW进行开 发，提高了开发效率和开发质量，软件界面简单优化，便于操作人员使用 和进行控制及测试。计算控制单元包括图像处理模块、图像解算模块、信号 生成模块、控制模块以及数据处理模块；

图像处理模块用于对CCD采集的光斑图像进行处理，获取滤除背景噪声的 光斑图像；

图像解算模块用于对滤除背景噪声的光斑图像进行解算获取激光光斑 的中心位置坐标

信号生成模块用于根据事先存储的小孔光阑阵列中各透光小孔的中心 位置以及所述生成控制信号传输给控制模块；

控制模块通过步进电机控制器控制一维电控平移台的移动，控制模块 利用接收的控制信号通过步进电机控制器二维电控平移台的移动，使得激 光光斑的中心和透光孔的中心重合；

数据处理模块接收能量计传输过来的激光能量E，利用多项式拟合法获 取以透光小孔直径D和能量E分别为横纵坐标的激光光强分布曲线，计算出 激光发散角。

下面对图像处理模块的具体处理过程进行详细说明：

为了能准确地计算激光光斑的中心，图像处理模块接收多幅光斑图像， 较佳的接收5幅光斑图像进行平均获得平均图像；并进一步利用灰度阈值 对平均图像进行分割，例如低于阈值200则认为是图像暗背景，从而大致 从平均图像中分割出激光光斑；图像处理模块对分割后的光斑图像进行灰 度处理，所述灰度处理为：对光斑图像中所有灰度值进行编码，凡是高于 阈值200的保留图像灰度值，而低于阈值200的灰度被置为0，即：

$\left(\begin{array}{cc}G(m,n)=G_0(m,n)& G_0(m,n)>200\\ G(m,n)=0& G_0(m,n)\le 200\end{array}\right)$

G₀(m，n)为原始图像灰度值

由于灰度处理后的图像中会有不少的杂散的亮点，这些亮点需要通过 颗粒分析(Particle Analysis)的方法过滤这些亮点；因此利用颗粒分析法对 灰度处理后的图像进行去噪，获取滤除背景噪声的光斑图像。具体实现过 程为：首先标识出所有的连通亮点(包括最大的连通亮点光斑)，然后 滤除面积小于最大亮点(光斑)面积10％的所有亮点并把其相关区域灰度 置为0，最后所获得的图像即为去掉背景噪声的图像。

如图3所示，利用上述测量装置测量激光发散角的方法，具体步骤为：

步骤一、激光器发出激光，计算控制单元的控制模块通过步进电机控制 器调节二维控制平移台，使得小孔光阑阵列上的最大透光小孔处于激光光路上， 且激光光束可无阻通过；同时控制模块通过步进电机控制器调节一维控制平移 台，使得反射镜不位于激光光路上。

步骤二、CCD连续采集激光光斑图像，并传输给图像处理模块，图像处理 模块对接收的光斑图像进行滤波处理，获取滤除背景噪声的光斑图像。

步骤三、图像解算模块对滤除背景噪声的光斑图像进行解算获取激光 光斑的中心位置坐标

步骤四、信号生成模块根据事先存储的小孔光阑阵列中最大透光小孔 的中心位置以及所述生成控制信号传输给控制模块；其中所述的控 制信号表示所述中心位置与相对应的差量，即表示二维控制平移台需 要在x方向和y方向上移动的量。

步骤五、控制模块根据接收的控制信号，通过步进电机控制器控制二 维电控平移台使得激光光斑的中心与所述最大透光小孔的中心重合。

步骤六、控制模块通过步进电机控制器控制一维电控平移台，使得反 射镜位于激光光路上。

步骤七、能量计采集此时的激光能量E，并传输给数据处理模块。

步骤八、由于小孔光阑阵列在加工和安装时，保证了各个透光小孔中心的 相对固定，因此各透光小孔的中心以及相对的位置可以在安装的时候获取，在 整个测量过程只需要进行一次光斑中心与小孔中心的对中，针对其它透光 小孔获取能量时，只要根据所存储的相对位置关系实现对二维控制平移台 的移动，因此在不减小测量精度的时候，大大减小了测量的时间，简化了 测量的步骤。

本步骤针对于小孔光阑阵列上其它透光小孔中的每一个，信号生成模 块根据事先存储的各透光小孔之间的相对位置关系生成控制信号传输给控 制模块，控制模块根据接收的控制信号调节二维控制平移台的移动，使得 透光小孔的中心与激光光斑的中心重合，能量计采集各透光小孔对应的激 光能量E并传输给数据处理模块。

步骤九，此时数据处理单元接收到12个小孔所对应的激光能量E；数 据处理模块根据所接收的激光能量E以及各透光小孔的直径D，利用多项 式拟合法得到以直径D和能量E分别为横纵坐标的激光光强分布曲线，利用 该曲线获取寻找E₀与E之比为1/e²即0.86时的小孔直径，进而计算出激光发 散角。

虽然结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是对于本技术领域的技术 人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做若干变形、替换和改进，这些 也视为属于本发明的保护范围。