衍射光栅非规则激光焦斑图像自适应聚焦方法及聚焦装置

摘要

本发明提供一种衍射光栅非规则激光焦斑图像自适应聚焦方法，包括以下步骤：1】通过CCD采集一幅衍射光栅非规则激光焦斑图像到计算机；2】将步骤1中采集到的非规则激光焦斑图像进行图像形心位置计算：3】将步骤2中计算的衍射光栅非规则激光焦斑图像的形心位置与CCD靶面中心位置进行比较；4】用CCD重新采集一幅图像到计算机；5】计算步骤4采集到的衍射光栅非规则激光焦斑图像对应的有效二值图像；6】计算并保存步骤5所得图像的长短轴长之间的差值；7】将之前获得的两副图像的长短轴的差值进行比较；8】重复步骤1到步骤7的操作，直至衍射光栅非规则激光焦斑图像的面积最小时聚焦调整结束。

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及一种非规则激光焦斑图像的自适应 聚焦方法，尤其涉及一种衍射光栅非规则激光焦斑图像自适应聚焦方法及 聚焦装置。

背景技术

大口径衍射光栅是高功率激光装置的一个重要器件，在进行衍射光栅 参数测量时，准确获得焦点的位置在衍射光栅的参数测量过程中至关重要。

光学系统设计认为，当大口径衍射光栅激光焦斑的可调面积最小时， 此时CCD的位置被认定为是衍射光栅的焦点位置；以往大口径衍射光栅非规 则焦点的搜索是由光学测试人员根据已有经验对激光焦斑形状和焦点的位 置进行人工识别和定位，但随着光束口径和路数急剧增多，元器件数目成 倍增长，并在测量期间引入了较多人为不确定性，花费大量人力物力资源 却难以获得较好的精确定位和复现，不能满足工程化的需要。

因此急需要一种能够解决人工聚焦大口径衍射光栅激光非规则焦点时 检测效率低、满足不了工程化需求的方法，使其能够适用于大口径衍射光 栅非规则激光焦斑自适应聚焦，以提高对大口径衍射光栅的检测效率，节 省人力物力资源。

发明内容

为了解决上述背景技术所存在的技术问题，本发明提供一种衍射光栅 非规则激光焦斑图像自适应聚焦方法及聚焦装置。

本发明的技术解决方案是：

本发明提供一种衍射光栅非规则激光焦斑图像自适应聚焦方法，其特殊 之处在于：包括以下步骤：

1】通过CCD采集一幅衍射光栅非规则激光焦斑图像到计算机；

2】将步骤1中采集到的非规则激光焦斑图像进行图像形心位置计算：

2.1】计算并确定图像形心的最优域值δ，并设定以f(i,j)表示焦斑图 像(i,j)点的灰度值；

2.1.1】以图像形心的亮度值作为X轴坐标，亮度出现的频率作为Y 轴坐标，绘制亮度直方图，选取灰度出现频率的最大值对应的亮度值T_N；

2.1.2】以T_N作为初始图像分割的焦斑和背景的域值，并通过公式分别 计算焦斑和背景的均值M₀和N₀；所述焦斑和背景的均值的计算公式为：

$M_0=\frac{{\Sigma }_{(i,j)\in \mathrm{object}}f(i,j)}{\#\mathrm{object}\_\mathrm{pixels}};$

$N_0=\frac{{\Sigma }_{(i,j)\in \mathrm{background}}f(i,j)}{\#\mathrm{background}\_\mathrm{pixels}};$

所述object和background表示物体/焦斑；所述_objectf(i,j)和 _backgroundf(i,j)表示焦斑区域内（i,j）点的灰度值，所述 ∑_{(i,j)∈object}f(i,j)和∑_{(i,j)∈background}f(i,j)表示焦斑所在区域所 有点的灰度总和；所述#object_pixels和#background_pixels分别表 示焦斑区域内和背景区域内的像素的总个数；

2.1.3】根据步骤2.1.2的焦斑均值M₀和背景的均值N₀，通过公式计算 下一个焦斑和背景的域值T_N+1；所述焦斑和背景的域值的计算公式为：

$T_{N+1}=\frac{M_0+N_0}{2};$

2.1.4】通过递归运算法并重复步骤2.1.2至步骤2.1.3的操作；

在第t次运算时，根据公式分别计算焦斑和背景的均值M_t和N_t，并在 第t次运算时

将图像分割的焦斑和背景域值设定为T^t，并得出下一步焦斑和背景的 域值T^t+1；

若T^t=T^t+1，则停止计算，并令最优域值δ为焦斑和背景域值T^t+1； 若T^t≠T^t+1，则重复步骤2.1.2至步骤2.1.3，直至计算结果T^t=T^t+1为 止；

2.2】根据步骤2.1中所得的最优域值δ对步骤1中所采集到的图像进 行域值处理，得到对应的二值图像，并用g表示亮度值，所述函数公式可 描述为：

$f\left(g\right)=\left(\begin{array}{cc}255,& g\ge \delta \\ 0,& g<\delta \end{array}\right);$

2.3】将骤2.2中所得的二值图像用大小为3ⅹ3的结构元素反复进行 开、闭运算，并形成一系列非联通的区域；

2.4】对步骤2.3中的一系列非联通区域，从左上方开始，利用8向链 码进行边界跟踪运算，得到系列非联通区域；

2.5】将步骤2.4中的系列非联通区域按照面积大小进行排序，形成链 码表，并选出面积最大的区域作为焦斑的有效区域；

2.6】将步骤2.5中的焦斑有效区域用白色填充，其余部分用黑色填充， 得到与步骤1中所采集到的图像对应的衍射光栅非规则激光焦斑有效二值 图像；

2.7】将步骤2.6中的衍射光栅非规则激光焦斑有效二值图像的大小设 为X×Y像素，并设定f[i,j]代表图像的第i行、第j列的像素灰度值， 通过公式计算衍射光栅非规则激光焦斑有效二值图像的形心位置；所述公 式计算为：

$X=\frac{{\Sigma }_{i=1}^X{\Sigma }_{j=1}^{Y}f[i,j]\times i}{{\Sigma }_{i=1}^X{\Sigma }_{j=1}^{Y}f[i,j]}=\frac{\underset{(i,j)\in S}{\Sigma }i}{N};$

$Y=\frac{{\Sigma }_{i=1}^X{\Sigma }_{j=1}^{Y}f[i,j]\times j}{{\Sigma }_{i=1}^X{\Sigma }_{j=1}^{Y}f[i,j]}=\frac{\underset{(i,j)\in S}{\Sigma }j}{N};$

所述衍射光栅非规则激光焦斑有效二值图像的形心位置为衍射光栅非 规则激光焦斑图像的形心位置；

3】将步骤2中计算的衍射光栅非规则激光焦斑图像的形心位置与CCD 靶面中心位置进行比较，并根据图像形心和CCD靶面中心之间距离的变化 调整CCD在水平方向需要移动的距离和方向；

3.1】保存由步骤2得到的图像形心位置与CCD靶面中心位置之间的差 值，然后将CCD沿水平方向移动预定距离，并重复步骤1和步骤2操作， 直至获得下一幅图像的形心位置为止；所述CCD沿水平方向移动预定距离 可调整；

3.2】计算并保存步骤3.1中新的图像形心位置与CCD靶面中心位置之 间的差值，根据前后两次采集到的图像形心位置和CCD靶面中心之间的距 离变化来调整CCD沿水平方向的运动，将步骤3.2进行多次迭代，当图像 形心位置与CCD靶面中心位置之间的像差小于3个像素时本次CCD沿水平 方向的调整结束；

4】将衍射光栅的非规则光斑形心位置调整到CCD的靶面中心之后，用 CCD重新采集一幅图像到计算机；所述新采集的图像用于计算衍射光栅非规 则激光焦斑的长短轴长；

5】按照步骤2.1至步骤2.6的操作方法计算步骤4采集到的衍射光栅 非规则激光焦斑图像对应的有效二值图像，并将有效二值图像中的焦斑边 界上距离最长的两个象素点之间的距离作为当前图像的长轴长，最短的两 个象素点之间的距离作为当前图像的短轴长；

6】计算并保存步骤5所得图像的长短轴长之间的差值，将CCD沿垂直 于CCD面板轴向移动预定距离，并重复步骤5，直至获得下一幅图像长短轴 长之间的差值为止；

7】将之前获得的两副图像的长短轴的差值进行比较，若长短轴差变小， 则继续将CCD按照原方向运动；若长短轴差变大，则以轴向运动的总长作 为基数并进行黄金分割运算，当得到需要移动的长度后将CCD进行反向运 动；并重复步骤5到步骤7的操作直至长短轴之差趋于0且长短轴可调长 度最小时本次CCD沿轴向的调整结束；

8】重复步骤1到步骤7的操作，直至衍射光栅非规则激光焦斑图像的 面积最小时聚焦调整结束；

衍射光栅非规则激光焦斑图像自适应聚焦装置，其特殊之处在于：包 括激光器、激光衍射光栅、汇聚透镜、平面反射镜、CCD以及用于CCD轴向 和水平方向移动的二维移动平台；所述激光器、激光衍射光栅、汇聚透镜、 平面反射镜沿激光器出射光束的主光轴方向依次设置；所述激光衍射光栅 设置在靠近汇聚透镜一侧且与汇聚透镜、平面反射镜相互平行。

本发明的优点：

1、本发明能够快速的对大口径衍射光栅非规则激光进行聚焦调节，与 人工方式相比检测效率在很大程度上得到提高，适用于大口径衍射光栅非 规则焦斑自适应聚焦，也可作为各种衍射光栅非规则焦点离线位置自动判 读的调整依据，具有较高的精确度和一致性。

2、本发明为克服在整个聚焦过程中大口径衍射光栅非规则激光焦斑图 像在不断变化且始终不规则的问题，并基于形心法和区域中心矩理论，提 出了以衍射光栅非规则激光焦斑图像的形心与CCD的靶面中心位置之差以 及长短轴差组合使用作为反馈信号的大口径衍射光栅非规则激光焦斑图像 自适应聚焦方法，这种方法计算量小速度快，具有较高的精确度和一致性， 为大口径衍射光栅自动聚焦提供最为核心的解决方案。

附图说明

图1为本发明的衍射光栅非规则激光焦斑图像自适应聚焦方法流程图；

图2为本发明的衍射光栅非规则激光焦斑图像自适应聚焦装置的光学 结构和基本原理图；

图3为本发明中用于论证各向异性理论的椭圆及其几何参数图；

其中：1-激光器，2-激光衍射光栅，3-汇聚透镜，4-平面反射镜，5-CCD， 6-二维移动平台。

具体实施方式

参见图2，大口径衍射光栅非规则激光焦斑聚焦调节的光学结构和基本 原理，将激光器放置在汇聚透镜的焦点“O₁”点的位置，汇聚透镜为一凸凸 镜，经过焦点“O₁”点的光线从右向左传播，依次透过衍射光栅和汇聚透镜 后会发散成为平行光（从透镜焦点发射出来的光线经过透镜后会沿着透镜 光轴方向平行传播）；在汇聚透镜左侧位置且垂直于汇聚透镜光轴方向放置 一块平面反射镜，平行光从汇聚透镜入射到平面反射镜上，经平面反射镜 反射后所得的平行光经会过汇聚透镜和衍射光栅后衍射取样分开，形成两 路光束，对应图中的参考光路“O O₁”和物光路“O O₂”，其中参考光路上 的光线将汇聚到“O₁”衍射点，物光路上的光线将汇聚到“O₂”衍射点。

“O₁”点为汇聚透镜的焦点，激光器放置在“O₁”位置；平面反射镜垂 直于汇聚透镜的主光轴并放置在汇聚透镜的左侧；衍射光栅放置在激光器 和汇聚透镜之间并靠近汇聚透镜一侧，方向与汇聚透镜和平面镜平行；CCD 放置在物光路的方向上并保证物光路的光线能够全部成像到CCD的靶面之 上。

衍射光栅非规则焦斑图像自适应聚焦就是将CCD采集到的激光焦斑图 像的形心位置与CCD靶面中心位置之间的差值和长短轴之间的差值变化解 算为水平方向与轴向运动设备需要移动的距离，并根据差值符号来确定移 动方向，通过控制CCD的水平运动和轴向运动来改变激光光斑在CCD靶面 上的成像状态，完成焦点搜索。

参见图1，本发明提供衍射光栅非规则激光焦斑图像自适应聚焦方法， 包括以下流程：

1】通过CCD采集一幅衍射光栅非规则激光焦斑图像到计算机；

2】将步骤1中采集到的非规则激光焦斑图像进行图像形心位置计算；

2.1】计算并确定最优域值δ，并设定以f(i,j)表示(i,j)点的灰度值；

2.1.1】以亮度值作为水平坐标，亮度出现的频率作为竖直坐标，绘制 亮度直方图，选取灰度出现频率的最大值对应的亮度值T_N；

2.1.2】以T_N作为初始图像分割的焦斑和背景的域值，并通过公式分别 计算焦斑和背景的均值M₀和N₀；所述焦斑和背景的均值的计算公式为：

$M_0=\frac{{\Sigma }_{(i,j)\in \mathrm{object}}f(i,j)}{\#\mathrm{object}\_\mathrm{pixels}};$

$N_0=\frac{{\Sigma }_{(i,j)\in \mathrm{background}}f(i,j)}{\#\mathrm{background}\_\mathrm{pixels}};$

所述object和background表示物体/焦斑；所述_objectf(i,j)和 _backgroundf(i,j)表示焦斑区域内（i,j）点的灰度值，所述 ∑_{(i,j)∈object}f(i,j)和∑_{(i,j)∈background}f(i,j)表示焦斑所在区域所 有点的灰度总和；所述#object_pixels和#background_pixels分别表 示焦斑区域内和背景区域内的像素的总个数；

2.1.3】根据步骤2.1.2的焦斑均值M₀和背景的均值N₀，通过公式计算下一 个焦斑和背景的域值T_N+1；所述焦斑和背景的域值的计算公式为：

$T_{N+1}=\frac{M_0+N_0}{2};$

2.1.4】通过递归运算法并重复步骤2.1.2至步骤2.1.3的操作；

在第t次运算时，根据公式分别计算焦斑和背景的均值M_t和N_t，并在 第t次运算时将图像分割的焦斑和背景域值设定为T^t，并得出下一步焦斑 和背景的域值T^t+1；

若T^t=T^t+1，则停止计算，并令最优域值δ为焦斑和背景域值T^t+1（δ =T^t+1）；若T^t≠T^t+1，则重复步骤2.1.2至步骤2.1.3，直至计算结果 T^t=T^t+1为止；

2.2】根据步骤2.1中所得的最优域值δ对步骤1中所采集到的图像进 行域值处理，得到对应的二值图像，并用g表示亮度值，所述函数公式可 描述为：

$f\left(g\right)=\left(\begin{array}{cc}255,& g\ge \delta \\ 0,& g<\delta \end{array}\right);$

2.3】将骤2.2中所得的二值图像用大小为3ⅹ3的结构元素反复进行 开、闭运算，并形成一系列非联通的区域；

2.4】对步骤2.3中的一系列非联通区域，从左上方开始，利用8向链 码进行边界跟踪运算，得到系列非联通区域；

2.5】将步骤2.4中的系列非联通区域按照面积大小进行排序，形成链 码表，并选出面积最大的区域作为焦斑的有效区域；

2.6】将步骤2.5中的焦斑有效区域用白色填充，其余部分用黑色填充， 得到与步骤1中所采集到的图像对应的衍射光栅非规则激光焦斑有效二值 图像；

2.7】将步骤2.6中的衍射光栅非规则激光焦斑有效二值图像的大小设 为X×Y像素，并设定f[i,j]代表图像的第i行、第j列的像素灰度值， 通过公式计算衍射光栅非规则激光焦斑有效二值图像的形心位置；所述公 式计算为：

$X=\frac{{\Sigma }_{i=1}^X{\Sigma }_{j=1}^{Y}f[i,j]\times i}{{\Sigma }_{i=1}^X{\Sigma }_{j=1}^{Y}f[i,j]}=\frac{\underset{(i,j)\in S}{\Sigma }i}{N};$

$Y=\frac{{\Sigma }_{i=1}^X{\Sigma }_{j=1}^{Y}f[i,j]\times j}{{\Sigma }_{i=1}^X{\Sigma }_{j=1}^{Y}f[i,j]}=\frac{\underset{(i,j)\in S}{\Sigma }j}{N};$

所述衍射光栅非规则激光焦斑有效二值图像的形心位置为衍射光栅非 规则激光焦斑图像的形心位置；

3】将步骤2中计算的衍射光栅非规则激光焦斑图像的形心位置与CCD 靶面中心位置进行比较，并根据图像形心和CCD靶面中心之间距离的变化 调整CCD在水平方向需要移动的距离和方向，对CCD在水平方向的位置调 节步骤如下：

3.1】保存由步骤2得到的图像形心位置与CCD靶面中心位置之间的差 值，然后将CCD沿水平方向移动预定距离，并重复步骤1和步骤2操作， 直至获得下一幅图像的形心位置为止；所述CCD沿水平方向移动预定距离 可调整；

3.2】计算并保存步骤3.1中新的图像形心位置与CCD靶面中心位置之 间的差值，根据前后两次采集到的图像形心位置和CCD靶面中心之间的距 离变化来调整CCD沿水平方向的运动，将步骤3.2进行多次迭代，当图像 形心位置与CCD靶面中心位置之间的像差小于3个像素时本次CCD沿水平 方向的调整结束；

4】将衍射光栅的非规则光斑形心位置调整到CCD的靶面中心之后，用 CCD重新采集一幅图像到计算机；所述新采集的图像用于计算衍射光栅非规 则激光焦斑的长短轴长；

5】按照步骤2.1至步骤2.6的操作方法计算步骤4采集到的衍射光栅 非规则激光焦斑图像对应的有效二值图像，并将有效二值图像中的焦斑边 界上距离最长的两个象素点之间的距离作为当前图像的长轴长，最短的两 个象素点之间的距离作为当前图像的短轴长；

6】计算并保存步骤5所得图像的长短轴长之间的差值，将CCD沿轴向 移动预定距离，并重复步骤5，直至获得下一幅图像长短轴长之间的差值为 止；

7】将之前获得的两副图像的长短轴的差值进行比较，若长短轴差变小， 则继续将CCD按照原方向运动；若长短轴差变大，则以轴向运动的总长作 为基数并进行黄金分割运算，当得到需要移动的长度后将CCD进行反向运 动；并重复步骤5到步骤7的操作直至长短轴之差趋于0且长短轴可调长 度最小时本次CCD沿轴向的调整结束；

轴向调整的依据为区域中心矩理论，区域中心矩理论描述如下：

对于任意图像，区域的面积a就是区域内的点数|R|，可表示为：

$a=\left|R\right|=\underset{(r,c)\in R}{\Sigma }1$  （公式一）

若用图像中的非零像素点表示区域，当p≥0,q≥0时，(p,q)阶矩被定义 为：

$m_{p,q}=\underset{(r,c)\in R}{\Sigma }{r}^p{c}^{q}f(r,c)$  （公式二）

其中，(r,c)表示像素坐标，f(r,c)表示对应于(r,c)点的灰度，在二值 情况下，m_0,0就是区域面积；为了得到不依赖区域尺寸变化而变化的特征， 当p+q≥1时，用（公式二）除以（公式一）可得归一化的矩：

$n_{p,q}=\frac{1}{a}\underset{(r,c)\in R}{\Sigma }{r}^p{c}^q$  （公式三）

由公式三可知(n_1,0,n_0,1)即为区域的重心,当(p+q≥2)时，可得不随图像 中心位置变化的中心矩为：

${\mu }_{p,q}=\frac{1}{a}\underset{(r,c)\in R}{\Sigma }{(r-n_{\mathrm{1,0}})}^p{(c-n_{\mathrm{0,1}})}^q$  （公式四）

对于图3所示的椭圆，其长轴r₁和短轴r₂可由（公式五）和（公式六）两 式计算得到：

$r_1=\sqrt{2({\mu }_{\mathrm{2,0}}+{\mu }_{\mathrm{0,2}}+\sqrt{{({\mu }_{\mathrm{2,0}}-{\mu }_{\mathrm{0,2}})}^2+4{\mu }_{\mathrm{1,1}}^2})}$  （公式五）

$r_1=\sqrt{2({\mu }_{\mathrm{2,0}}+{\mu }_{\mathrm{0,2}}-\sqrt{{({\mu }_{\mathrm{2,0}}-{\mu }_{\mathrm{0,2}})}^2+4{\mu }_{\mathrm{1,1}}^2})}$  （公式六）

通过椭圆的参数我门能得出：各向异性r₁/r₂，此特征量在区域缩放时将 保持恒定不变；根据各项异性理论可知，当r₁/r₂≈1且r₁,r₂可调长度最小时 焦斑面积为最小；如果以长短轴之比作为反馈信号来进行轴向调节，在调 整初期能够快速缩小斑面积，但在长短轴近似相等时，一个微小扰动就会 导致闭环过程的振荡；为了同时满足简化运算和准确判定焦点位置两个条 件，本发明采用长短轴差作为反馈信号来进行CCD的轴向调节，即当激光焦 斑的长短轴之差趋于零且长短轴可调长度为最小时，此时衍射光栅非规则 激光焦斑图像的面积最小；

8】重复步骤1到步骤7的操作，直至衍射光栅非规则激光焦斑图像的 面积最小时聚焦调整结束。

衍射光栅非规则激光焦斑图像自适应聚焦装置，包括激光器1、激光衍 射光栅2、汇聚透镜3、平面反射镜4、CCD5以及用于CCD5轴向和水平 方向移动的二维移动平台6；激光器1、激光衍射光栅2、汇聚透镜3、平 面反射镜4沿激光器1出射光束的主光轴方向依次设置；激光衍射光栅2 设置在靠近汇聚透镜3一侧且与汇聚透镜3、平面反射镜4相互平行。

本发明为克服在整个聚焦过程中大口径衍射光栅非规则激光焦斑图像 在不断变化且始终不规则的问题，并基于形心法和区域中心矩理论，提出 了以衍射光栅非规则激光焦斑图像的形心与CCD的靶面中心位置之差以及 长短轴差组合使用作为反馈信号的大口径衍射光栅非规则激光焦斑图像自 适应聚焦方法，这种方法计算量小速度快，具有较高的精确度和一致性， 为大口径衍射光栅自动聚焦提供最为核心的解决方案。