專利名稱：基于全自動(dòng)套孔法激光發(fā)散角的測(cè)量裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于全自動(dòng)套孔法激光發(fā)散角的測(cè)量裝置及測(cè)量方法，屬于光學(xué)檢測(cè)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(duì)其進(jìn)行測(cè)量是十分必要且具有實(shí)際應(yīng)用意義。激光發(fā)散角測(cè)量是指在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下所測(cè)量的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，其與透鏡的焦距和光束在透鏡焦點(diǎn)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)。現(xiàn)有通常利用激光強(qiáng)度降到中心處的Ι/e2所對(duì)應(yīng)的小孔口徑D計(jì)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(jì)算Ι/e2光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)的小孔光闌口徑D時(shí)，需要對(duì)激光光束中心與小孔光闌的中心進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。目前通常采用人工方法進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，但是僅憑人眼無法對(duì)光束中心及小孔中心進(jìn)行精確判斷，因而造成測(cè)量結(jié)果誤差大且無法精確衡量；此外，原始的套孔法測(cè)量發(fā)散角是通過人工選取不同直徑的小孔來實(shí)現(xiàn)的，針對(duì)每一個(gè)小孔都需進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，因此測(cè)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(dòng)套孔法激光發(fā)散角的測(cè)量裝置及測(cè)量方法， 該測(cè)量裝置能夠自動(dòng)地對(duì)激光發(fā)散角進(jìn)行測(cè)量，且測(cè)量精度高，且測(cè)量過程簡單。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于全自動(dòng)套孔法激光發(fā)散角的測(cè)量裝置，包括計(jì)算控制單元、步進(jìn)電機(jī)控制器以及激光器，沿激光器產(chǎn)生激光光束的水平前進(jìn)方向上依次設(shè)有長焦透鏡、帶有多個(gè)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(jì)；小孔光闌陣列上連接有二維電控平移臺(tái)，反射鏡上連接有一維電控平移臺(tái)；計(jì)算控制單元分別與步進(jìn)電機(jī)控制器、CCD以及能量計(jì)相連；計(jì)算控制單元包括圖像處理模塊、圖像解算模塊、信號(hào)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(duì)CXD采集的光斑圖像進(jìn)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(duì)濾除背景噪聲的光斑圖像進(jìn)行解算獲取激光光斑的中心位置坐標(biāo)(ty)；信號(hào)生成模塊用于根據(jù)事先存儲(chǔ)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(hào)傳輸給控制模塊；控制模塊通過步進(jìn)電機(jī)控制器控制一維電控平移臺(tái)的移動(dòng)，控制模塊利用接收的控制信號(hào)通過步進(jìn)電機(jī)控制器二維電控平移臺(tái)的移動(dòng)，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(jì)傳輸過來的激光能量E，利用多項(xiàng)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(biāo)的激光光強(qiáng)分布曲線，計(jì)算出激光發(fā)散角。較優(yōu)地，所述圖像處理模塊對(duì)接收的光斑圖像進(jìn)行處理為圖像處理模塊接收多幅光斑圖像進(jìn)行平均獲得平均圖像，并進(jìn)一步利用灰度閾值對(duì)平均圖像進(jìn)行分割，再對(duì)分割后的圖像進(jìn)行灰度處理，并利用顆粒分析法對(duì)灰度處理后的圖像進(jìn)行去噪，最后獲取濾除背景噪聲的光斑圖像?；谌詣?dòng)套孔法激光發(fā)散角的測(cè)量裝置的測(cè)量方法，具體步驟為步驟一、激光器發(fā)出激光，計(jì)算控制單元的控制模塊通過步進(jìn)電機(jī)控制器調(diào)節(jié)二維控制平移臺(tái)，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(shí)控制模塊通過步進(jìn)電機(jī)控制器調(diào)節(jié)一維控制平移臺(tái)，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(duì)接收的光斑圖像進(jìn)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(duì)濾除背景噪聲的光斑圖像進(jìn)行解算，獲取激光光斑的中心位置坐標(biāo)(t y)；步驟四、信號(hào)生成模塊根據(jù)事先存儲(chǔ)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(hào)傳輸給控制模塊；步驟五、控制模塊根據(jù)接收的控制信號(hào)，通過步進(jìn)電機(jī)控制器控制二維電控平移臺(tái)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(jìn)電機(jī)控制器控制一維電控平移臺(tái)，使得反射鏡位于激光光路上；步驟七、能量計(jì)采集此時(shí)的激光能量E，并傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；步驟八、針對(duì)于小孔光闌陣列上其它透光小孔中的每一個(gè)，信號(hào)生成模塊根據(jù)事先存儲(chǔ)的各透光小孔之間的相對(duì)位置關(guān)系生成控制信號(hào)傳輸給控制模塊，控制模塊根據(jù)接收的控制信號(hào)調(diào)節(jié)二維控制平移臺(tái)的移動(dòng)，使得透光小孔的中心與激光光斑的中心重合， 能量計(jì)采集各透光小孔對(duì)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(xiàng)式擬合法得到以直徑D和能量E分別為橫縱坐標(biāo)的激光光強(qiáng)分布曲線，進(jìn)而計(jì)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(chǔ)的小孔光闌陣列中透光小孔的中心位置，生成控制信號(hào)控制二維電控平移臺(tái)的移動(dòng)，使得透光小孔的中心與激光光斑中心重合，其對(duì)準(zhǔn)的精確度高，計(jì)算的激光發(fā)散角更加準(zhǔn)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(duì)固定，因此在依次獲取各透光小孔對(duì)應(yīng)的激光能量時(shí)，無需進(jìn)行對(duì)中處理，計(jì)算控制單元只要根據(jù)事先存儲(chǔ)的各小孔之間的相對(duì)位置關(guān)系，控制二維電控平移臺(tái)的動(dòng)作使得各小孔的中心與激光光斑中心的對(duì)中。


圖1為本發(fā)明基于全自動(dòng)套孔法激光發(fā)散角的測(cè)量裝置的示意圖。圖2為本發(fā)明計(jì)算控制單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明計(jì)算控制單元對(duì)光斑圖像進(jìn)行處理的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，本發(fā)明基于全自動(dòng)套孔法激光發(fā)散角的測(cè)量裝置，包括計(jì)算控制單元、步進(jìn)電機(jī)控制器以及激光器，沿激光器產(chǎn)生激光光束的水平前進(jìn)方向上依次設(shè)有長焦透鏡、帶有多個(gè)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(jì)；小孔光闌陣列上連接有二維電控平移臺(tái)，反射鏡上連接有一維電控平移臺(tái)； 計(jì)算控制單元分別與步進(jìn)電機(jī)控制器、CCD以及能量計(jì)相連。本實(shí)施例較佳的選取帶有12 個(gè)透光小孔的小孔光闌陣列，12個(gè)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(cè)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(cè)出激光的全部發(fā)射能量)。計(jì)算控制單元采用了國際上先進(jìn)的測(cè)控專用開發(fā)工具LabVIEW進(jìn)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(jìn)行控制及測(cè)試。計(jì)算控制單元包括圖像處理模塊、圖像解算模塊、信號(hào)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(duì)CXD采集的光斑圖像進(jìn)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(duì)濾除背景噪聲的光斑圖像進(jìn)行解算獲取激光光斑的中心位置坐標(biāo)(ty)；信號(hào)生成模塊用于根據(jù)事先存儲(chǔ)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(hào)傳輸給控制模塊；控制模塊通過步進(jìn)電機(jī)控制器控制一維電控平移臺(tái)的移動(dòng)，控制模塊利用接收的控制信號(hào)通過步進(jìn)電機(jī)控制器二維電控平移臺(tái)的移動(dòng)，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(jì)傳輸過來的激光能量E，利用多項(xiàng)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(biāo)的激光光強(qiáng)分布曲線，計(jì)算出激光發(fā)散角。下面對(duì)圖像處理模塊的具體處理過程進(jìn)行詳細(xì)說明為了能準(zhǔn)確地計(jì)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(jìn)行平均獲得平均圖像；并進(jìn)一步利用灰度閾值對(duì)平均圖像進(jìn)行分割，例如低于閾值200則認(rèn)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(duì)分割后的光斑圖像進(jìn)行灰度處理，所述灰度處理為對(duì)光斑圖像中所有灰度值進(jìn)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(dòng)套孔法激光發(fā)散角的測(cè)量裝置，其特征在于，包括計(jì)算控制單元、步進(jìn)電機(jī)控制器以及激光器，沿激光器產(chǎn)生激光光束的水平前進(jìn)方向上依次設(shè)有長焦透鏡、 帶有多個(gè)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(jì)；小孔光闌陣列上連接有二維電控平移臺(tái)，反射鏡上連接有一維電控平移臺(tái)；計(jì)算控制單元分別與步進(jìn)電機(jī)控制器、CCD以及能量計(jì)相連；計(jì)算控制單元包括圖像處理模塊、圖像解算模塊、信號(hào)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(duì)CCD采集的光斑圖像進(jìn)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(duì)濾除背景噪聲的光斑圖像進(jìn)行解算獲取激光光斑的中心位置坐標(biāo)(U7)；信號(hào)生成模塊用于根據(jù)事先存儲(chǔ)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(hào)傳輸給控制模塊；控制模塊通過步進(jìn)電機(jī)控制器控制一維電控平移臺(tái)的移動(dòng)，控制模塊利用接收的控制信號(hào)通過步進(jìn)電機(jī)控制器二維電控平移臺(tái)的移動(dòng)，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(jì)傳輸過來的激光能量E，利用多項(xiàng)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(biāo)的激光光強(qiáng)分布曲線，計(jì)算出激光發(fā)散角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其特征在于，所述圖像處理模塊對(duì)接收的光斑圖像進(jìn)行處理為圖像處理模塊接收多幅光斑圖像進(jìn)行平均獲得平均圖像，并進(jìn)一步利用灰度閾值對(duì)平均圖像進(jìn)行分割，再對(duì)分割后的圖像進(jìn)行灰度處理，并利用顆粒分析法對(duì)灰度處理后的圖像進(jìn)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(cè)量裝置的測(cè)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(jì)算控制單元的控制模塊通過步進(jìn)電機(jī)控制器調(diào)節(jié)二維控制平移臺(tái)，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(shí)控制模塊通過步進(jìn)電機(jī)控制器調(diào)節(jié)一維控制平移臺(tái)，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(duì)接收的光斑圖像進(jìn)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(duì)濾除背景噪聲的光斑圖像進(jìn)行解算，獲取激光光斑的中心位置坐標(biāo)(〒,歹)；步驟四、信號(hào)生成模塊根據(jù)事先存儲(chǔ)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(hào)傳輸給控制模塊；步驟五、控制模塊根據(jù)接收的控制信號(hào)，通過步進(jìn)電機(jī)控制器控制二維電控平移臺(tái)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(jìn)電機(jī)控制器控制一維電控平移臺(tái)，使得反射鏡位于激光光路上；步驟七、能量計(jì)采集此時(shí)的激光能量E，并傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；步驟八、針對(duì)于小孔光闌陣列上其它透光小孔中的每一個(gè)，信號(hào)生成模塊根據(jù)事先存儲(chǔ)的各透光小孔之間的相對(duì)位置關(guān)系生成控制信號(hào)傳輸給控制模塊，控制模塊根據(jù)接收的控制信號(hào)調(diào)節(jié)二維控制平移臺(tái)的移動(dòng)，使得透光小孔的中心與激光光斑的中心重合，能量計(jì)采集各透光小孔對(duì)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(xiàng)式擬合法得到以直徑D和能量E分別為橫縱坐標(biāo)的激光光強(qiáng)分布曲線，進(jìn)而計(jì)算出激光發(fā)散
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于全自動(dòng)套孔法激光發(fā)散角的測(cè)量裝置，包括計(jì)算控制單元、步進(jìn)電機(jī)控制器以及激光器，沿激光器產(chǎn)生激光光束的水平前進(jìn)方向上依次設(shè)有長焦透鏡、帶有多個(gè)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(jì)；小孔光闌陣列上連接有二維電控平移臺(tái)，反射鏡上連接有一維電控平移臺(tái)；計(jì)算控制單元分別與步進(jìn)電機(jī)控制器、CCD以及能量計(jì)相連。本發(fā)明利用控制信號(hào)控制二維電控平移臺(tái)的移動(dòng)，使得透光小孔的中心與激光光斑中心重合，其對(duì)準(zhǔn)的精確度高，計(jì)算的激光發(fā)散角更加準(zhǔn)確。
文檔編號(hào)G01M11/02GK102494639SQ20111031731
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)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(qǐng)人:北京理工大學(xué)