專利名稱：一種遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量系統(tǒng)及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量系統(tǒng)及其測量方法，尤其是一種基于漫射成像的激光光束診斷的遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量系統(tǒng)及其測量方法，屬于信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的功率/能量測量裝置是將激光直接照射到激光功率/能量傳感器上，得到與被測量成線性關(guān)系的電壓信號，對此信號進行處理和標(biāo)定后直接顯示功率/能量值。所以，傳統(tǒng)的激光能量/功率測量裝置必須在近場用激光能量/功率探頭全口徑接收被測激光才能測量。受器件的限制，這種原理的激光能量/功率測量裝置一般口徑較小(直徑≤200mm)。因此，其應(yīng)用受到限制，無法對發(fā)射遠(yuǎn)場的直徑數(shù)百毫米的大口徑激光的能量/功率進行測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量系統(tǒng)，基于漫射成像的激光光束診斷裝置，不受激光能量/功率測量裝置的口徑大小限制，可以測量直徑在數(shù)百毫米的大口徑激光的能量/功率。
本發(fā)明的另一目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量方法，用于測量直徑在數(shù)百毫米的大口徑激光的能量/功率。
本發(fā)明的目的是通過如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的一種遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量系統(tǒng)，包括具有朗伯特性的漫反射靶、CCD成像模塊、數(shù)據(jù)采集和處理裝置，其中漫反射靶用于對被測激光的光束進行漫反射，使其產(chǎn)生的漫反射光的特性與入射光的特性相同，且所述的漫反射靶上開設(shè)有小孔，在漫反射靶反射面的背側(cè)，對應(yīng)于小孔的位置設(shè)置有能量/功率探頭，用于接收透射過漫反射靶的激光光束并對其進行測量，然后將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集和處理裝置；CCD成像模塊設(shè)置在漫反射靶的反射光區(qū)之中，用于對漫反射靶的漫反射光成像，并將成像的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)采集和處理裝置；數(shù)據(jù)采集和處理裝置接收能量/功率探頭和CCD成像模塊送來的數(shù)據(jù)，并對該數(shù)據(jù)進行處理，得到被測激光的能量/功率。
所述漫反射靶由在基底上設(shè)置漫反射層構(gòu)成，所述的漫反射層由顆粒性材料制成，設(shè)置在基底的一側(cè)表面；當(dāng)入射光照射在基底表面的漫反射層時，在光源的同側(cè)形成與入射光特性相同的漫反射光區(qū)。
所述漫反射靶上開設(shè)的小孔為一個或一個以上，所述的一個或一個以上的小孔的總面積不大于被測激光光束在漫反射靶上形成的光斑總面積的1％。
所述的能量/功率探頭包括激光能量/功率傳感器和信號處理電路，所述的能量/功率傳感器接設(shè)在漫反射靶反射面異側(cè)的小孔位置，并將小孔覆蓋，能量/功率傳感器的信號端與信號處理電路的輸入端連接，信號處理電路的輸出端通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集和處理裝置的信號接口連接。
所述的CCD成像模塊包括成像鏡頭和面陣CCD攝像機，成像鏡頭安裝在面陣CCD攝像機的前面上，在成像鏡頭前依次安裝有衰減器組、濾光片，濾光片接收漫反射光，經(jīng)過濾光片的漫反射光依次經(jīng)過衰減器組、成像鏡頭，進入面陣CCD攝像機，面陣CCD攝像機對該漫反射光成像，并把成像的數(shù)據(jù)輸出給數(shù)據(jù)采集和處理裝置。
所述CCD成像模塊與漫反射靶的距離為使面陣CCD攝像機工作在線性區(qū)的距離。
一種遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量方法，基于上述的遠(yuǎn)場激光能量/功量測量系統(tǒng)對激光進行測量，包括如下步驟
步驟100通過CCD成像模塊獲得被測激光光束的特性數(shù)據(jù)并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集和處理裝置；步驟200通過能量/功率探頭獲得通過小孔的激光能量數(shù)據(jù)并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集和處理裝置；步驟300數(shù)據(jù)采集和處理裝置接收能量/功率探頭和CCD成像模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)并處理，得到被測激光的能量。
所述步驟100中的通過CCD成像模塊獲得被測激光光束的特性數(shù)據(jù)的過程為被測激光光源發(fā)出光束入射到漫反射靶上；漫反射靶反射被測激光光束，產(chǎn)生漫反射光，形成漫反射光區(qū)；CCD成像模塊設(shè)置在漫反射光區(qū)，接收漫射靶的漫反射光并成像，然后將成像的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)采集和處理裝置。
所述步驟300中數(shù)據(jù)采集和處理裝置對能量/功率探頭和CCD成像模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)的處理包括如下步驟步驟310將能量/功率探頭發(fā)送來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成激光能量E0；步驟320根據(jù)小孔的面積，求出通過小孔的激光能量密度E0/S0；其中，S0為小孔的面積；步驟330求出小孔處的灰度值I0；步驟340求出一個像素、單位灰度對應(yīng)的激光能量(E0S1)/(S0I0)；其中，S1為單位象素對應(yīng)的靶面積；步驟350對CCD成像模塊中的成像數(shù)據(jù)的單位象素的灰度值做數(shù)值積分，得出整個激光光斑的灰度值∑∑Iij；其中，Iij為第i行第j列象素的灰度值。
步驟360根據(jù)公式E＝(E0S1)∑∑Iij/(S0I0)得出激光光斑的總能量E。
所述步驟310中的通過小孔的激光能量E0是通過如下關(guān)系轉(zhuǎn)換的E0＝K*U其中，K為修正系數(shù)；U為能量探頭的輸出電壓。
在系統(tǒng)調(diào)試時，先在能量探頭的位置放置標(biāo)準(zhǔn)能量計測量得到通過小孔的實際能量，再用能量探頭測量同一能量，得到輸出電壓值。將標(biāo)準(zhǔn)能量計讀數(shù)除以能量探頭的輸出電壓得到修正系數(shù)K。以后能量探頭的輸出電壓乘修正系數(shù)就完成了從能量探頭數(shù)據(jù)到激光能量的轉(zhuǎn)換，得到E0。
所述步驟330中小孔處的灰度值I0的求法為I0＝(∑Ii)/k其中，Ii為小孔周圍的灰度值為I1、I2、…Ik，這里的I1、I2、…Ik是CCD攝象機相應(yīng)單元輸出的灰度值。
綜上所述，本發(fā)明基于應(yīng)用漫反射靶的激光光束診斷系統(tǒng)測得激光光束的特性數(shù)據(jù)，通過接設(shè)在漫反射靶上小孔后的能量/功率探頭獲得小孔處的能量密度，結(jié)合特性數(shù)據(jù)，進行計算得到遠(yuǎn)場激光的能量/功率；本發(fā)明測量準(zhǔn)確，不受激光能量/功率探頭口徑大小的限制，尤其適合遠(yuǎn)場、大能量的激光能量的測量。


圖1為本發(fā)明提供的遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為本發(fā)明提供的遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量方法流程圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和具體的實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細(xì)說明。
參見圖1，為本發(fā)明提供的遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。本發(fā)明包括具有朗伯特性的漫反射靶1、能量/功率探頭2、CCD成像模塊3、數(shù)據(jù)采集和處理裝置4，漫反射靶1對被測激光的光束A進行漫反射，CCD成像模塊3接收漫反射靶1的漫反射光，成像，并將成像的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)采集和處理裝置4；在所述的漫反射靶1上開設(shè)有小孔11，在漫反射靶1反射面的背側(cè)，對應(yīng)小孔11的位置接設(shè)有能量/功率探頭2，能量/功率探頭2的數(shù)據(jù)端通過數(shù)據(jù)線將接收到的測激光光束的能量數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)采集和處理裝置4，數(shù)據(jù)采集和處理裝置4接收能量/功率探頭2和CCD成像模塊3送來的數(shù)據(jù)，并對接收到的數(shù)據(jù)進行處理得到被測激光的能量/功率。
其中，漫反射靶1包括由不透明的基底12和漫反射層13組成，漫反射層13設(shè)置在不透明的基底12上，所述的漫反射層11由顆粒性材料制成，所述顆粒的直徑與入射激光的波長同一數(shù)量級；當(dāng)入射光照射在基底12表面的漫反射層13時，在光源的同側(cè)形成與入射光特性相同的漫反射光區(qū)。
漫反射靶1上開設(shè)的小孔11可以為一個，也可以為一個以上，但對于靶面來說，小孔是一種缺陷，在計算時，利用小孔周圍的灰度平均得到小孔處的灰度，如果小孔面積太大，這種[平均的誤差會很大，所以小孔的總面積不大于被測激光光束在漫反射靶1上形成的光斑總面積的1％。
本發(fā)明采用能量/功率探頭2檢測從小孔處漏過的激光的能量，能量/功率探頭2包括激光能量/功率傳感器21和信號處理電路22，激光能量/功率傳感器21接設(shè)在漫反射靶1反射面異側(cè)的小孔11的位置，并將小孔11覆蓋，能量/功率傳感器21的信號端與信號處理電路22的輸入端連接，信號處理電路22的輸出端通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集和處理裝置4的信號接口連接。
從漫反射靶1上小孔11處漏過的被測激光進入能量/功率探頭2，能量/功率探頭2中的激光能量/功率傳感器21將激光的光信號轉(zhuǎn)換為電信號送入與其連接的信號處理電路22，將該信號處理成電壓信號，通過數(shù)據(jù)線將該電壓信號送入數(shù)據(jù)采集和處理裝置4中的計算機42。
在本發(fā)明中，CCD成像模塊3放置在被測激光光束的反射光區(qū)中，其包括成像鏡頭33和面陣CCD攝像機34，成像鏡頭33安裝在面陣CCD攝像機34的前面，在成像鏡頭33前依次安裝有衰減器組32、濾光片31，濾光片31接收被測激光光束的漫反射光，該漫反射光依次經(jīng)過衰減器組32、成像鏡頭33，進入面陣CCD攝像機34，面陣CCD攝像機34對該漫反射光成像，并把成像的信號輸出給數(shù)據(jù)采集和處理裝置4。
數(shù)據(jù)采集和處理裝置4包括采集卡41和計算機42，在計算機42中安裝有處理軟件421，采集卡41將面陣CCD攝像機34發(fā)送來的數(shù)據(jù)處理成計算機42可以接收的數(shù)據(jù)后發(fā)送給計算機42，計算機42中的處理軟件421對該數(shù)據(jù)進行分析、判斷、計算，得到被測激光光束的特性數(shù)據(jù)。
計算機42分別接收從能量/功率探頭2傳送來的數(shù)據(jù)和從CCD成像模塊傳送來的數(shù)據(jù)，計算機42中安裝的處理軟件421對這些數(shù)據(jù)進行分析、判斷、計算，得出被測激光的能量/功率。
本發(fā)明提供的一種遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量方法，其流程如圖2所示包括如下的步驟步驟10通過CCD成像模塊獲得被測激光光束的特性數(shù)據(jù)并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集和處理裝置；步驟20通過能量/功率探頭獲得通過小孔的激光能量數(shù)據(jù)并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集和處理裝置；步驟30數(shù)據(jù)采集和處理裝置接收能量/功率探頭和CCD成像模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)并處理，得到被測激光的能量。
所述步驟10中的通過CCD成像模塊獲得被測激光光束的特性數(shù)據(jù)的過程為被測激光光源發(fā)出光束入射到漫反射靶上；漫反射靶反射被測激光光束，產(chǎn)生漫反射光，形成漫反射光區(qū)；CCD成像模塊設(shè)置在漫反射光區(qū)，接收漫射靶的漫反射光并成像，然后將成像的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)采集和處理裝置。
所述步驟30中數(shù)據(jù)采集和處理裝置對能量/功率探頭和CCD成像模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)的處理包括如下步驟步驟310將能量/功率探頭發(fā)送來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成激光能量E0；步驟320根據(jù)小孔的面積，求出通過小孔的激光能量密度E0/S0；
其中，S0為小孔的面積；步驟330求出小孔處的灰度值I0；步驟340求出一個像素、單位灰度對應(yīng)的激光能量(E0S1)/(S0I0)；其中，S1為單位象素對應(yīng)的靶面積；步驟350對CCD成像模塊中的成像數(shù)據(jù)的單位象素的灰度值做數(shù)值積分，得出整個激光光斑的灰度值ΣΣIij；其中，Iij為第i行第j列象素的灰度值。
步驟360根據(jù)公式E＝(E0S1)ΣΣIij/(S0I0)得出激光光斑的總能量E。
其中，所述步驟310中的通過小孔的激光能量E0是通過如下關(guān)系轉(zhuǎn)換的E0＝K*U其中，K為修正系數(shù)；U為能量探頭的輸出電壓。
在系統(tǒng)調(diào)試時，先在能量探頭的位置放置標(biāo)準(zhǔn)能量計測量得到通過小孔的實際能量，再用能量探頭測量同一能量，得到輸出電壓值。將標(biāo)準(zhǔn)能量計讀數(shù)除以能量探頭的輸出電壓得到修正系數(shù)K。以后能量探頭的輸出電壓乘修正系數(shù)就完成了從能量探頭數(shù)據(jù)到激光能量的轉(zhuǎn)換，得到E0。
所述步驟330中小孔處的灰度值I0的求法為I0＝(∑Ii)/k其中，Ii為小孔周圍的灰度值為I1、I2、…Ik。
最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量系統(tǒng)，其特征在于包括具有朗伯特性的漫反射靶、CCD成像模塊、數(shù)據(jù)采集和處理裝置，其中漫反射靶用于對被測激光的光束進行漫反射，使其產(chǎn)生的漫反射光的特性與入射光的特性相同，且所述的漫反射靶上開設(shè)有小孔，在漫反射靶反射面的背側(cè)，對應(yīng)于小孔的位置設(shè)置有能量/功率探頭，能量/功率探頭用于接收透過漫反射靶的激光光束并對其進行測量，然后將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集和處理裝置；CCD成像模塊設(shè)置在漫反射靶的反射光區(qū)之中，通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集和處理裝置相連接，用于對漫反射靶的漫反射光成像，并將成像的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)采集和處理裝置；數(shù)據(jù)采集和處理裝置接收能量/功率探頭和CCD成像模塊送來的數(shù)據(jù)，并對該數(shù)據(jù)進行處理，得到被測激光的能量/功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量系統(tǒng)，其特征在于所述漫反射靶包括基底和漫反射層，漫反射層設(shè)置在基底的一側(cè)表面，所述的漫反射層由顆粒性材料制成，所述顆粒的直徑與入射光的波長同數(shù)量級；當(dāng)入射光照射在基底表面的漫反射層時，在光源的同側(cè)形成與入射光特性相同的漫反射光區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量系統(tǒng)，其特征在于所述漫反射靶上開設(shè)的小孔為一個或一個以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量系統(tǒng)，其特征在于所述漫反射靶上開設(shè)的小孔的總面積不大于被測激光光束在漫反射靶上形成的光斑總面積的1％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量系統(tǒng)，其特征在于所述的能量/功率探頭包括激光能量/功率傳感器和信號處理電路，所述的能量/功率傳感器設(shè)置在漫反射靶反射面背側(cè)的小孔位置，并將小孔覆蓋，能量/功率傳感器的信號端與信號處理電路的輸入端連接，信號處理電路的輸出端通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集和處理裝置的信號接口連接，用于將測量的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集和處理裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量系統(tǒng)，其特征在于所述的CCD成像模塊包括成像鏡頭和面陣CCD攝像機，成像鏡頭安裝在面陣CCD攝像機的前面，在成像鏡頭前依次安裝有衰減器組、濾光片，濾光片接收漫反射光，經(jīng)過濾光片的漫反射光依次經(jīng)過衰減器組、成像鏡頭，進入面陣CCD攝像機，面陣CCD攝像機對該漫反射光成像，并把成像的數(shù)據(jù)輸出給數(shù)據(jù)采集和處理裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量系統(tǒng)，其特征在于所述的CCD成像模塊與漫反射靶的距離為使面陣CCD攝像機工作在線性區(qū)的距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集和處理裝置包括圖像采集卡和安裝有處理軟件的計算機，采集卡接收CCD成像模塊的輸出信號，并將該信號處理成計算機可以接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機，計算機接收采集卡和能量/功率探頭送來的數(shù)據(jù)，其上的處理軟件對該數(shù)據(jù)信號進行判斷、分析、計算，得出被測光束的特性數(shù)據(jù)。
9.一種遠(yuǎn)場激光能量/功率測量方法，其特征在于基于權(quán)利要求1-8任一所述的遠(yuǎn)場激光能量/功率測量系統(tǒng)對激光進行測量，包括如下步驟步驟100CCD成像模塊獲得被測激光光束的特性數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集和處理裝置；步驟200能量/功率探頭測得通過小孔的激光能量數(shù)據(jù)并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集和處理裝置；步驟300數(shù)據(jù)采集和處理裝置接收能量/功率探頭和CCD成像模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)并處理，得到被測激光的能量。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量方法，其特征在于所述步驟100中的CCD成像模塊包括成像鏡頭和面陣CCD攝像機，成像鏡頭安裝在面陣CCD攝像機的前面，在成像鏡頭前依次安裝有衰減器組、濾光片，濾光片接收漫反射光，經(jīng)過濾光片的漫反射光依次經(jīng)過衰減器組、成像鏡頭，進入面陣CCD攝像機，面陣CCD攝像機對該漫反射光成像，并把成像的數(shù)據(jù)輸出給數(shù)據(jù)采集和處理裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量方法，其特征在于所述步驟100中還包括調(diào)整所述CCD成像模塊與漫反射靶的距離，使面陣CCD攝像機工作在線性區(qū)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量方法，其特征在于所述步驟300中數(shù)據(jù)采集和處理裝置對能量/功率探頭和CCD成像模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)的處理包括如下步驟步驟310將能量/功率探頭發(fā)送來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成激光能量E0；步驟320求出通過小孔的激光能量密度E0/S0；其中，S0為小孔的面積；步驟330求出小孔處的灰度值I0；步驟340求出一個像素、單位灰度對應(yīng)的激光能量(E0S1)/(S0I0)；其中，S1為單位象素對應(yīng)的靶面積；步驟350對CCD成像模塊中的成像數(shù)據(jù)的單位象素的灰度值做數(shù)值積分，得出整個激光光斑的灰度值∑∑Iij；其中，Iij為第i行第j列象素的灰度值。步驟360根據(jù)公式E＝(E0S1)∑∑Iij/(S0I0)得出激光光斑的總能量E。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量方法，其特征在于所述步驟310中的通過小孔的激光能量E0是通過如下關(guān)系轉(zhuǎn)換的E0＝K*U其中，K為修正系數(shù)；U為信號處理電路的輸出電壓。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量方法，其特征在于所述步驟330中小孔處的灰度值I0的求法為I0＝(∑Ii)/k其中，Ii為小孔周圍的灰度值為I1、I2、...Ik。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種遠(yuǎn)場激光能量/功率的測量系統(tǒng)，包括具有朗伯特性的漫反射靶、CCD成像模塊、數(shù)據(jù)采集和處理裝置，漫反射靶上開設(shè)有一個或一個以上的小孔，在漫反射靶反射面的異側(cè)，對應(yīng)小孔的位置接設(shè)有能量/功率探頭；其測量方法為數(shù)據(jù)采集和處理裝置接收能量/功率探頭和CCD成像模塊送來的數(shù)據(jù)，進行處理，得到小孔處能量密度、灰度值，進而得到一個像素、單位灰度對應(yīng)的激光能量，再求出漫反射靶上激光光斑的總灰度值，得到被測激光的能量/功率。本發(fā)明測量準(zhǔn)確，不受激光能量/功率探頭口徑大小的限制，尤其適合遠(yuǎn)場、大能量的激光能量的測量。
文檔編號G01J1/00GK1621787SQ20031011529
公開日2005年6月1日 申請日期2003年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月27日
發(fā)明者陸耀東, 王昊, 史紅民 申請人:北京光電技術(shù)研究所