專利名稱：基于全自動套孔法激光發(fā)散角的測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于全自動套孔法激光發(fā)散角的測量裝置及測量方法，屬于光學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光發(fā)散角是表征激光光束質(zhì)量優(yōu)劣的重要參量，因此對其進行測量是十分必要且具有實際應(yīng)用意義。激光發(fā)散角測量是指在遠場條件下所測量的遠場發(fā)散角，其與透鏡的焦距和光束在透鏡焦點處的光斑半徑有關(guān)，與透鏡距離激光光束束腰的位置無關(guān)?，F(xiàn)有通常利用激光強度降到中心處的Ι/e2所對應(yīng)的小孔口徑D計算激光束的發(fā)散角，即激光束的發(fā)散角θ =2^1^0/20 3為激光光束所經(jīng)過的透鏡的焦距。在計算Ι/e2光強所對應(yīng)的小孔光闌口徑D時，需要對激光光束中心與小孔光闌的中心進行對準。目前通常采用人工方法進行對準，但是僅憑人眼無法對光束中心及小孔中心進行精確判斷，因而造成測量結(jié)果誤差大且無法精確衡量；此外，原始的套孔法測量發(fā)散角是通過人工選取不同直徑的小孔來實現(xiàn)的，針對每一個小孔都需進行對準，因此測量過程繁瑣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于全自動套孔法激光發(fā)散角的測量裝置及測量方法， 該測量裝置能夠自動地對激光發(fā)散角進行測量，且測量精度高，且測量過程簡單。實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于全自動套孔法激光發(fā)散角的測量裝置，包括計算控制單元、步進電機控制器以及激光器，沿激光器產(chǎn)生激光光束的水平前進方向上依次設(shè)有長焦透鏡、帶有多個透光小孔的小孔光闌陣列、反射鏡以及(XD，其中小孔光闌陣列處于長焦透鏡的焦距上，反射鏡與激光光束成45度夾角；激光光束經(jīng)反射鏡反射后形成的垂直光路上設(shè)有能量計；小孔光闌陣列上連接有二維電控平移臺，反射鏡上連接有一維電控平移臺；計算控制單元分別與步進電機控制器、CCD以及能量計相連；計算控制單元包括圖像處理模塊、圖像解算模塊、信號生成模塊、控制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊；圖像處理模塊用于對CXD采集的光斑圖像進行濾波處理，獲取濾除背景噪聲的光斑圖像；圖像解算模塊用于對濾除背景噪聲的光斑圖像進行解算獲取激光光斑的中心位置坐標(ty)；信號生成模塊用于根據(jù)事先存儲的小孔光闌陣列中各透光小孔的中心位置以及所述@，y),生成控制信號傳輸給控制模塊；控制模塊通過步進電機控制器控制一維電控平移臺的移動，控制模塊利用接收的控制信號通過步進電機控制器二維電控平移臺的移動，使得激光光斑的中心和透光孔的中心重合；數(shù)據(jù)處理模塊接收能量計傳輸過來的激光能量E，利用多項式擬合法獲取以透光小孔直徑D和能量E分別為橫縱坐標的激光光強分布曲線，計算出激光發(fā)散角。較優(yōu)地，所述圖像處理模塊對接收的光斑圖像進行處理為圖像處理模塊接收多幅光斑圖像進行平均獲得平均圖像，并進一步利用灰度閾值對平均圖像進行分割，再對分割后的圖像進行灰度處理，并利用顆粒分析法對灰度處理后的圖像進行去噪，最后獲取濾除背景噪聲的光斑圖像?；谌詣犹卓追す獍l(fā)散角的測量裝置的測量方法，具體步驟為步驟一、激光器發(fā)出激光，計算控制單元的控制模塊通過步進電機控制器調(diào)節(jié)二維控制平移臺，使得小孔光闌陣列上的最大透光小孔處于激光光路上，且激光光束可無阻通過；同時控制模塊通過步進電機控制器調(diào)節(jié)一維控制平移臺，使得反射鏡不位于激光光路上；步驟二、CCD連續(xù)采集激光光斑圖像，并傳輸給圖像處理模塊，圖像處理模塊對接收的光斑圖像進行處理，獲取濾除背景噪聲的光斑圖像；步驟三、圖像解算模塊對濾除背景噪聲的光斑圖像進行解算，獲取激光光斑的中心位置坐標(t y)；步驟四、信號生成模塊根據(jù)事先存儲的小孔光闌陣列中最大透光小孔的中心位置以及所述@，y),生成控制信號傳輸給控制模塊；步驟五、控制模塊根據(jù)接收的控制信號，通過步進電機控制器控制二維電控平移臺使得激光光斑的中心與所述最大透光小孔的中心重合；步驟六、控制模塊通過步進電機控制器控制一維電控平移臺，使得反射鏡位于激光光路上；步驟七、能量計采集此時的激光能量E，并傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；步驟八、針對于小孔光闌陣列上其它透光小孔中的每一個，信號生成模塊根據(jù)事先存儲的各透光小孔之間的相對位置關(guān)系生成控制信號傳輸給控制模塊，控制模塊根據(jù)接收的控制信號調(diào)節(jié)二維控制平移臺的移動，使得透光小孔的中心與激光光斑的中心重合， 能量計采集各透光小孔對應(yīng)的激光能量E并傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；步驟九，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)所接收的激光能量E以及各透光小孔的直徑D，利用多項式擬合法得到以直徑D和能量E分別為橫縱坐標的激光光強分布曲線，進而計算出激光發(fā)散角。有益效果本發(fā)明通過采集光斑圖像獲取激光光斑中心，利用光斑中心與事先存儲的小孔光闌陣列中透光小孔的中心位置，生成控制信號控制二維電控平移臺的移動，使得透光小孔的中心與激光光斑中心重合，其對準的精確度高，計算的激光發(fā)散角更加準確。其次，本發(fā)明由于小孔光闌陣列中各透光小孔的位置相對固定，因此在依次獲取各透光小孔對應(yīng)的激光能量時，無需進行對中處理，計算控制單元只要根據(jù)事先存儲的各小孔之間的相對位置關(guān)系，控制二維電控平移臺的動作使得各小孔的中心與激光光斑中心的對中。


圖1為本發(fā)明基于全自動套孔法激光發(fā)散角的測量裝置的示意圖。圖2為本發(fā)明計算控制單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明計算控制單元對光斑圖像進行處理的流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行進一步詳細說明。如圖1所示，本發(fā)明基于全自動套孔法激光發(fā)散角的測量裝置，包括計算控制單元、步進電機控制器以及激光器，沿激光器產(chǎn)生激光光束的水平前進方向上依次設(shè)有長焦透鏡、帶有多個透光小孔的小孔光闌陣列、反射鏡以及CCD，其中小孔光闌陣列處于長焦透鏡的焦距上，反射鏡與激光光束成45度夾角；激光光束經(jīng)反射鏡反射后形成的垂直光路上設(shè)有能量計；小孔光闌陣列上連接有二維電控平移臺，反射鏡上連接有一維電控平移臺； 計算控制單元分別與步進電機控制器、CCD以及能量計相連。本實施例較佳的選取帶有12 個透光小孔的小孔光闌陣列，12個透光小孔的直徑由大至小順序，依次為12mm、8mm、6mm、 4mm、3mm、2mm、1mm、0. 8mm、0. 6mm、0. 4mm、0. 2mm以及0. 1mm。小孔直徑大小的選擇是根據(jù)所測量激光產(chǎn)品種類束散角的大小所確定，而最大孔12mm能保證激光完全無遮擋地通過(即可測出激光的全部發(fā)射能量)。計算控制單元采用了國際上先進的測控專用開發(fā)工具LabVIEW進行開發(fā)，提高了開發(fā)效率和開發(fā)質(zhì)量，軟件界面簡單優(yōu)化，便于操作人員使用和進行控制及測試。計算控制單元包括圖像處理模塊、圖像解算模塊、信號生成模塊、控制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊；圖像處理模塊用于對CXD采集的光斑圖像進行處理，獲取濾除背景噪聲的光斑圖像；圖像解算模塊用于對濾除背景噪聲的光斑圖像進行解算獲取激光光斑的中心位置坐標(ty)；信號生成模塊用于根據(jù)事先存儲的小孔光闌陣列中各透光小孔的中心位置以及所述@，y),生成控制信號傳輸給控制模塊；控制模塊通過步進電機控制器控制一維電控平移臺的移動，控制模塊利用接收的控制信號通過步進電機控制器二維電控平移臺的移動，使得激光光斑的中心和透光孔的中心重合；數(shù)據(jù)處理模塊接收能量計傳輸過來的激光能量E，利用多項式擬合法獲取以透光小孔直徑D和能量E分別為橫縱坐標的激光光強分布曲線，計算出激光發(fā)散角。下面對圖像處理模塊的具體處理過程進行詳細說明為了能準確地計算激光光斑的中心，圖像處理模塊接收多幅光斑圖像，較佳的接收5幅光斑圖像進行平均獲得平均圖像；并進一步利用灰度閾值對平均圖像進行分割，例如低于閾值200則認為是圖像暗背景，從而大致從平均圖像中分割出激光光斑；圖像處理模塊對分割后的光斑圖像進行灰度處理，所述灰度處理為對光斑圖像中所有灰度值進行編碼，凡是高于閾值200的保留圖像灰度值，而低于閾值200的灰度被置為0，即

權(quán)利要求
1.一種基于全自動套孔法激光發(fā)散角的測量裝置，其特征在于，包括計算控制單元、步進電機控制器以及激光器，沿激光器產(chǎn)生激光光束的水平前進方向上依次設(shè)有長焦透鏡、 帶有多個透光小孔的小孔光闌陣列、反射鏡以及CCD，其中小孔光闌陣列處于長焦透鏡的焦距上，反射鏡與激光光束成45度夾角；激光光束經(jīng)反射鏡反射后形成的垂直光路上設(shè)有能量計；小孔光闌陣列上連接有二維電控平移臺，反射鏡上連接有一維電控平移臺；計算控制單元分別與步進電機控制器、CCD以及能量計相連；計算控制單元包括圖像處理模塊、圖像解算模塊、信號生成模塊、控制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊；圖像處理模塊用于對CCD采集的光斑圖像進行濾波處理，獲取濾除背景噪聲的光斑圖像；圖像解算模塊用于對濾除背景噪聲的光斑圖像進行解算獲取激光光斑的中心位置坐標(U7)；信號生成模塊用于根據(jù)事先存儲的小孔光闌陣列中各透光小孔的中心位置以及所述 (^J),生成控制信號傳輸給控制模塊；控制模塊通過步進電機控制器控制一維電控平移臺的移動，控制模塊利用接收的控制信號通過步進電機控制器二維電控平移臺的移動，使得激光光斑的中心和透光孔的中心重合；數(shù)據(jù)處理模塊接收能量計傳輸過來的激光能量E，利用多項式擬合法獲取以透光小孔直徑D和能量E分別為橫縱坐標的激光光強分布曲線，計算出激光發(fā)散角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述圖像處理模塊對接收的光斑圖像進行處理為圖像處理模塊接收多幅光斑圖像進行平均獲得平均圖像，并進一步利用灰度閾值對平均圖像進行分割，再對分割后的圖像進行灰度處理，并利用顆粒分析法對灰度處理后的圖像進行去噪，最后獲取濾除背景噪聲的光斑圖像。
3.利用權(quán)利要求1所述測量裝置的測量方法，其特征在于，其特征在于，步驟一、激光器發(fā)出激光，計算控制單元的控制模塊通過步進電機控制器調(diào)節(jié)二維控制平移臺，使得小孔光闌陣列上的最大透光小孔處于激光光路上，且激光光束可無阻通過； 同時控制模塊通過步進電機控制器調(diào)節(jié)一維控制平移臺，使得反射鏡不位于激光光路上；步驟二、CCD連續(xù)采集激光光斑圖像，并傳輸給圖像處理模塊，圖像處理模塊對接收的光斑圖像進行處理，獲取濾除背景噪聲的光斑圖像；步驟三、圖像解算模塊對濾除背景噪聲的光斑圖像進行解算，獲取激光光斑的中心位置坐標(〒,歹)；步驟四、信號生成模塊根據(jù)事先存儲的小孔光闌陣列中最大透光小孔的中心位置以及所述^刃，生成控制信號傳輸給控制模塊；步驟五、控制模塊根據(jù)接收的控制信號，通過步進電機控制器控制二維電控平移臺使得激光光斑的中心與所述最大透光小孔的中心重合；步驟六、控制模塊通過步進電機控制器控制一維電控平移臺，使得反射鏡位于激光光路上；步驟七、能量計采集此時的激光能量E，并傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；步驟八、針對于小孔光闌陣列上其它透光小孔中的每一個，信號生成模塊根據(jù)事先存儲的各透光小孔之間的相對位置關(guān)系生成控制信號傳輸給控制模塊，控制模塊根據(jù)接收的控制信號調(diào)節(jié)二維控制平移臺的移動，使得透光小孔的中心與激光光斑的中心重合，能量計采集各透光小孔對應(yīng)的激光能量E并傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；步驟九，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)所接收的激光能量E以及各透光小孔的直徑D，利用多項式擬合法得到以直徑D和能量E分別為橫縱坐標的激光光強分布曲線，進而計算出激光發(fā)散
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于全自動套孔法激光發(fā)散角的測量裝置，包括計算控制單元、步進電機控制器以及激光器，沿激光器產(chǎn)生激光光束的水平前進方向上依次設(shè)有長焦透鏡、帶有多個透光小孔的小孔光闌陣列、反射鏡以及CCD，其中小孔光闌陣列處于長焦透鏡的焦距上，反射鏡與激光光束成45度夾角；激光光束經(jīng)反射鏡反射后形成的垂直光路上設(shè)有能量計；小孔光闌陣列上連接有二維電控平移臺，反射鏡上連接有一維電控平移臺；計算控制單元分別與步進電機控制器、CCD以及能量計相連。本發(fā)明利用控制信號控制二維電控平移臺的移動，使得透光小孔的中心與激光光斑中心重合，其對準的精確度高，計算的激光發(fā)散角更加準確。
文檔編號G01M11/02GK102494639SQ20111031731
公開日2012年6月13日 申請日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月18日
發(fā)明者宋艷, 武兆斌, 邢冀川 申請人:北京理工大學(xué)