專利名稱：激光光斑測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量激光光斑形狀和能量等光束質(zhì)量的裝置及其方法。，
背景技術(shù)：
激光在工業(yè)、醫(yī)學(xué)和軍事等領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用，激光打印、激光打標、 激光焊接、激光切割以及光纖通信等多種激光應(yīng)用方面，光束質(zhì)量分析為激光 器的有效使用提供了十分有價值的信息。在實際測量中，光束分析應(yīng)用廣泛。 光束輪廓顯示了光束的全部空間特性，包括光束的傳播、光束質(zhì)量和光束的實 用性。另外，它還可顯示如何髙效地調(diào)整和修改激光器的輸出。光束輪廓在搭 建激光打印機和光纖對準的光學(xué)系統(tǒng)時非常有用，需要進一步了解激光束光斑 的形狀和能量的髙斯分布，如果光束輪廓未知，那么激光將很難甚至不能投入 使用，則采用一些先進的專用測量儀器。激光器可分為氣體激光器和固體激光 器，無論那類撖光器，用戶都會關(guān)心激光束光斑的形狀和其能量的髙斯分布。 通常使用激光功率計計量光斑的能量。
由于激光束的能量按照髙斯分布.，90%的能量集中在光斑的中心，通常是 采用面陣CCD/CM0S器件作為測量的光傳感器。CCD/CMOS器件是髙靈敏器件， 當曝光時間為一定值時，激光束中心的光強極易造成感光像元過飽和，甚至溢 出后影響周邊感光元的正常工作，另一方面，能量較弱的區(qū)域卻處于欠曝光狀 態(tài)，從而，大大降低了測量的動態(tài)范圍。
CCD/CM0S像元電信號的輸出是與像元接受的照度和積分時間的函數(shù)有關(guān)， 可表述為
Z = f (I) = f (E t)
其中Z為像元灰度值，I-E't表示曝光量，E和t分別為CCD/CM0S像
元接受的照度和積分時間。
在本發(fā)明作出之前，在"CCD測量動態(tài)范圍的擴展技術(shù)"([J]光電工程， Vol. 33, No. 10, 2006. 10, 96-100)的研究中，公開了一種測量方法，該技術(shù)采用多次多種曝光時間來擴展CCD的動態(tài)范圍，用最小二乘法求得響應(yīng)曲線，使用 權(quán)重因子將多幅圖像中的有效信息擬合成一幅具有髙動態(tài)范圍的激光束光斑的 能量分布圖像。預(yù)設(shè)的時間愈多，所擬合出的圖象愈接近真實情況。
目前，還有采用激光光束通過一組不同反射率的髙反射率衰減片，經(jīng)衰減 之后直接照射到CCD/CM0S圖像傳感器的像元面上，獲得與光強相對應(yīng)的多幅 光斑圖像的技術(shù)，該技術(shù)同樣也需經(jīng)過加權(quán)數(shù)據(jù)處理，擬合最終的能量分部圖 像，可以用偽彩圖像的方式再現(xiàn)。
采用兩個互相垂直的狹縫來掃描光束，也是現(xiàn)有的測量技術(shù)，它通過狹縫 的光束被探測器積分并采樣，以確定光束質(zhì)量和空間分布特性。通過分析和計 算X、 Y兩個方向的光強分布，可以得到光斑直徑、橢圓率、位置、中心點、三 維輪廓、功率等參數(shù)。
但是，由于激光器受其本身的熱變形、環(huán)境振動和空氣擾動等內(nèi)在與外界 因素的影響，出射的激光束在傳播過程中常會隨時間變化產(chǎn)生漂移。因此，基 于時間延時多次曝光所獲得的多幅圖像將會影響光斑測量的真實性和正確性。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種適用于髙動態(tài) 范圍，且數(shù)據(jù)真實、準確的激光光斑測量裝置及其測量方法
為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種激光光斑測量 裝置，其特征在于它由DMD微反射鏡陣列、數(shù)字相機、曝光控制器和圖像數(shù) 字處理器組成；所述的曝光控制器，它的一路輸出端與數(shù)字相機的曝光控制端 連接，另一路輸出端與DMD微反射鏡陣列的控制端連接；數(shù)字相機的視頻信號 輸出端連接圖像數(shù)據(jù)處理器輸入端，圖像數(shù)據(jù)處理器的一路輸出端與曝光控制 器的連接。
一種激光光斑的測量方法，其特征在于測量步驟如下
(1) DMD微反射鏡陣列中的工作像元全部處于開啟狀態(tài)，被測激光束經(jīng) 微反射鏡陣列反射至數(shù)字相機的感光面上，經(jīng)數(shù)字相機預(yù)成像后將獲得的視頻 信號輸入到圖像數(shù)據(jù)處理器；
(2) 圖像數(shù)據(jù)處理器以上述預(yù)成像所測得的激光光斑中心(重心)為原點，按同心圓的形式設(shè)定激光光斑不同的曝光區(qū)域和各區(qū)域相應(yīng)的曝光時間， 確定曝光時間序列控制程序，將該控制程序信號輸入至曝光控制器；
(3)曝光控制器將上述曝光時間序列控制程序信號輸出至DMD微反射鏡
陣列，控制其每個工作像元處于開啟或關(guān)閉狀態(tài)的時間，再次將被測激光束通 過DMD微反射鏡陣列，經(jīng)數(shù)字相機成像后輸入到圖像數(shù)據(jù)處理器，以圖象上每 一個工作像元的感光值和對應(yīng)的曝光時間為參數(shù)，經(jīng)計算處理后完成對激光光 斑的測量。
本發(fā)明利用了 DMD微反射鏡陣列器件可實現(xiàn)分時、分區(qū)域改變?nèi)肷涔饴返?特性，從而達到準確控制曝光過程，獲得具有高動態(tài)范圍的激光束檢測圖像， 經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到光斑直徑、橢圓率、位置、中心點、三維輪廓、功率等參數(shù)。 由于整個過程在較短的時間內(nèi)，避免了激光斑的位置和能態(tài)隨時間的變化等缺 陷，更準確地測量出激光束的光束質(zhì)量。


圖l是本發(fā)明實施例的激光光斑測量裝置的工作原理圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述 實施例1:
參見附圖1，它是本實施例的激光光斑測量裝置工作原理圖。激光光斑測 量裝置由DMD微反射鏡陣列、CCD數(shù)字相機、曝光控制器和圖像數(shù)據(jù)處理器 組成。圖1中，曝光控制器的一路輸出端發(fā)出信號控制CCD數(shù)字相機的快門 開啟與關(guān)閉，另一路輸出端輸出信號控制DMD微反射鏡陣列的工作像元的開 啟狀態(tài)*,激光器產(chǎn)生的激光束投射到DMD微反射鏡陣列器的中央，DMD微反 射鏡陣列器將該激光束反射至CCD數(shù)字相機的感光面上，數(shù)字相機的視頻信號 輸出端連接圖像數(shù)據(jù)處理器，經(jīng)圖像數(shù)據(jù)處理器處理后，它的一路輸出信號反 饋到控制曝光控制器，另一路將輸出一幀光斑的原始測量圖像與計算機連接， 經(jīng)計算機進行后期的數(shù)據(jù)保存、計算、擬合圖像再現(xiàn)等處理，得到所需的髙動 態(tài)范圍的入射激光束的擬合圖像和相關(guān)數(shù)據(jù)。在本實施例中，選擇X =630nm@5mW的半導(dǎo)體激光器作為被測激光器； 曝光控制器采用ALTERAL現(xiàn)場可編程門陣列時序發(fā)生器FPGA; DMD微反射 鏡陣列采用美國TI公司生產(chǎn)的"DMD Discovery 1100 Controller Board" 產(chǎn)品數(shù)字相機選用以FT-18芯片為圖像傳感器的CCD數(shù)字相機；圖像處理器 選用DSP數(shù)字信號處理器。
DMD微反射鏡陣列是由n*m個微反射鏡工作像元組成，每一個微反射鏡 都有唯一一個選通地址，根據(jù)微反射鏡控制邏輯電平，有二種擺動的狀態(tài)。每 個微反射鏡工作像元在不同的狀態(tài)下能將光線向兩個方向反射，實際反射方向 則視底層記憶晶胞的狀態(tài)而定；當記憶晶胞處于"關(guān)閉"狀態(tài)時，反射鏡會旋 轉(zhuǎn)至+12° ，若記憶晶胞處于"開啟"狀態(tài)，反射鏡會旋轉(zhuǎn)至-12° 。結(jié)合DMD 以及適當光源和投影光學(xué)系統(tǒng)，反射鏡就會把入射光反射進入或是離開投影鏡 頭的透光孔，利用其中一個狀態(tài)作為反射狀態(tài)，另一個則為非反射狀態(tài)，通過 曝光控制器發(fā)出的信號，控制各微反射鏡開啟或關(guān)閉的時間，實現(xiàn)對光線的調(diào) 制，以達到控制曝光量的目的。在本發(fā)明中，DMD微反射鏡陣列中的各工作像 元，在曝光控制器預(yù)設(shè)曝光時間序列程序的控制下，把激光器產(chǎn)生的激光束反 射進入或是離開CCD圖像傳感器的感光面，在圖像傳感器的數(shù)字相機上，對應(yīng) 得到各感光像元組成的圖像，它是一片亮度很髙，但不飽和的圖像。以圖像各 區(qū)域?qū)?yīng)的曝光時間和光強度為參數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，可以得到激光光斑的檢測 數(shù)據(jù)。
激光光斑測量裝置的工作步驟如下 第一步確定激光光斑的中心(重心)位置
半導(dǎo)體激光器打開后，DMD中的所有微反射鏡像元處于正常工作狀態(tài)，CCD 數(shù)字相機的電子曝光時間定為50ns，激光束經(jīng)微反射鏡陣列投向1米遠處放置 一臺巳卸去原光學(xué)透鏡CCD數(shù)字相機，調(diào)整激光束直接投射到CCD數(shù)字相機 的感光窗口的中央。在CCD數(shù)字相機預(yù)拍攝一幅定位激光光斑的圖片，經(jīng)圖像 處理器根據(jù)所獲得的預(yù)成像確定激光束的激光光斑的中心(重心)位置，同時 可以得到激光光斑呈髙斯分布的大致形狀。
第二步設(shè)定曝光時間序列控制程序
圖像處理器根據(jù)預(yù)成像獲得的激光光斑的中心位置的信息，確定圖片中激
6光光斑中心相對應(yīng)的DMD的像元位置(地址)，在曝光控制器設(shè)曝光時間序列控 制程序以上述激光光斑中心為原點，按同心圓的形式設(shè)定激光光斑不同的曝 光區(qū)域和各區(qū)域相應(yīng)的曝光時間，將信號輸入至曝光控制器； 第三步獲得激光光斑圖像
由曝光控制器輸出控制信號，按照第二步的曝光時間序列控制程序，從DMD 中的光斑中心區(qū)開始，按照各同心圓像元的區(qū)域，以由內(nèi)而外的順序，逐漸關(guān) 閉，直至關(guān)閉DMD的所有像元，最后CCD退出電子快門周期，在CCD相機上得 到一幅亮度很髙，但不飽和的圖像的激光光斑圖像。
第四步圖像數(shù)據(jù)處理與輸出
CCD相機輸出視頻信號到圖像數(shù)據(jù)處理器，經(jīng)視頻ADC同步轉(zhuǎn)換成數(shù)字視 頻數(shù)據(jù)加以保存。在保存數(shù)字視頻數(shù)據(jù)的同時保存圖像所對應(yīng)的每一個感光像 元的曝光時間，以圖象上每一個工作像元的感光值和對應(yīng)的曝光時間為參數(shù)， 采用偽彩色的顯示方式再現(xiàn)二維或三維激光束的光斑圖像。同時，經(jīng)數(shù)據(jù)處理 后，還可以圖表的方式，再現(xiàn)該激光束能量的髙斯分布圖。
在本實施例中，設(shè)定激光束中心區(qū)的曝光時間為50ns，而最邊緣的曝光時 間是10ms ,同心圓形式的不同翻轉(zhuǎn)時間的像元區(qū)域為10 100個。
采用本發(fā)明所提供的激光光斑測量裝置和測量方法，在激光光路光路中， 采用DMD微反射鏡陣列器件，分時、分區(qū)域的改變?nèi)肷涔饴?，達到控制曝光過 程，使CCD/CMOS從輸出一個高動態(tài)范圍的激光束檢測圖像，可以得到光斑直徑、 橢圓率、位置、中心點、三維輪廓、功率等光束質(zhì)量參數(shù)，由于整個過程在較 短的時間內(nèi)一次完成，避免了激光斑的位置和能態(tài)隨時間的變化等現(xiàn)有測試方 法的缺陷，更準確地測量出激光束的能態(tài)分布。它可應(yīng)用于對DVD、 CD等光記 錄設(shè)備中的激光二極管的光斑檢測、對各類激光器發(fā)光性能的鑒定和對激光整 形光學(xué)元件的評價等方面。
權(quán)利要求
1. 一種激光光斑測量裝置，其特征在于它由DMD微反射鏡陣列、數(shù)字相機、曝光控制器和圖像數(shù)字處理器組成；所述的曝光控制器，它的一路輸出端與數(shù)字相機的曝光控制端連接，另一路輸出端與DMD微反射鏡陣列的控制端連接；數(shù)字相機的視頻信號輸出端連接圖像數(shù)據(jù)處理器輸入端，圖像數(shù)據(jù)處理器的一路輸出端與曝光控制器的連接。
2. —種激光光斑的測量方法，其特征在于測量步驟如下(1) DMD微反射鏡陣列中的工作像元全部處于開啟狀態(tài)，被測激光束經(jīng) 微反射鏡陣列反射至數(shù)字相機的感光面上，經(jīng)數(shù)字相機預(yù)成像后將獲得的視頻 信號輸入到圖像數(shù)據(jù)處理器；(2) 圖像數(shù)據(jù)處理器以上述預(yù)成像所測得的激光光斑中心(重心)為原點， 按同心圓的形式設(shè)定激光光斑不同的曝光區(qū)域和各區(qū)域相應(yīng)的曝光時間，確定 曝光時間序列控制程序，將該控制程序信號輸入至曝光控制器；(3) 曝光控制器將上述曝光時間序列控制程序信號輸出至DMD微反射鏡 陣列，控制其每個工作像元處于開啟或關(guān)閉狀態(tài)的時間，再次將被測激光束通 過DMD微反射鏡陣列，經(jīng)數(shù)字相機成像后輸入到圖像數(shù)據(jù)處理器，以圖象上每 一個工作像元的感光值和對應(yīng)的曝光時間為參數(shù)，經(jīng)計算處理后完成對激光光 斑的測量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光光斑測量裝置及其測量方法。該裝置由DMD微反射鏡陣列、數(shù)字相機、曝光控制器和圖像數(shù)字處理器組成；所述的曝光控制器設(shè)有兩個輸出端，分別輸出信號控制DMD微反射鏡陣列和數(shù)字相機；所述的圖像數(shù)字處理器的輸入端和數(shù)字相機的視頻信號輸出端連接。其方法是利用了DMD微反射鏡陣列器件可實現(xiàn)分時、分區(qū)域改變?nèi)肷涔饴返奶匦裕瑥亩_到準確控制曝光過程，獲得具有高動態(tài)范圍的激光束檢測圖像，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到光斑直徑、橢圓率、位置、中心點、三維輪廓、功率等參數(shù)。由于整個過程在較短的時間內(nèi)，避免了激光斑的位置和能態(tài)隨時間的變化等缺陷，更準確地測量出激光束的光束質(zhì)量。
文檔編號G01B11/00GK101458067SQ20081018977
公開日2009年6月17日 申請日期2008年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者望 周, 周健康, 沈為民, 陳新華 申請人:蘇州大學(xué)