與普通球面波或平面波完全不同， 本發(fā)明把所有可能存在的激光波型稱為激光光束或高斯光束。如圖4所示的激光光束沿光 軸方向傳播示意圖，沿Z軸方向傳播的高斯光束的場，不管它是由何種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定腔所產(chǎn) 生的，其復振幅分布均可表示為如下式（1)的一般形式：
[0062] 式（1)中，X和y屬于激光光束截面的平面坐標系，Z為激光光束沿光軸傳播的方 向，C為常數(shù)因子，其余各符號的表達式為：
[0061] (1)
[0063]
(2)
[0064] 其中，A為光波長，W。為高斯光束的束腰半徑，f為高斯光束的共焦參數(shù)，R(z)為 與傳播軸線相交于Z點的高斯光束等相位面的曲率半徑，w(z)是與傳播軸線相交于z點的 高斯光束等相位面上的光斑半徑。
[0065] 激光光束的光強U(x，y，Z)正比于復振幅的平方，即；
[0066] (3)
[0067] 其中，Et(x，y，z)表示激光光束復振幅E(x，y，z)的共輛復函數(shù)。[0068] 進一步，對公式（3)進行形式變換可得：
[0070] 此時，可W根據(jù)如下公式計算激光光斑圖像的中屯、位置（X。，y。）；
[0069] (4)
[0071]
[007引其中，定義分辨率為m(列）Xn(行）的光斑圖像I(x，y，z)左上角像素I(l，l，z) 為坐標原點，I(i，j，Z)代表位于光斑圖像中第i行、第j列像素點的灰度值大小。
[0073] 因此，對光強符合高斯分布的光斑圖像，可對光斑圖像中屯、位置的水平方向和垂 直方向像素灰度值進行高斯曲線擬合，W確定該兩個方向的擬合高斯曲線的方差值大小， 即曰y、Oy，并結(jié)合公式（4)，可得光斑圖像I(x，y，z)在水平方向和垂直方向的光斑半徑大 小Wx(X)W及Wy(X)分別為；
[0074]
喊
[00巧]在線性系統(tǒng)中，光斑圖像灰度值線性增大或減小，由公式（4)可知，此時激光光強 的振幅線性變化，均值和方差均保持穩(wěn)定，因此本發(fā)明的方法具有很好的魯椿性。
[00M] 實施例二
[0077] 本實施例對理想激光光束光斑大小的計算過程和計算結(jié)果進行說明。
[0078] 如圖5所示的不同光斑大小的理想激光光束光斑圖像，圖像分辨率均為 1025X1025,光斑中屯、像素位置為巧13, 513)，像元尺寸為5. 2ym，水平方向和垂直方向的 光斑大小相等。圖5(a) -圖5(e)分別對應的理論光斑半徑依次為0. 2mm，0. 4mm，0. 6mm， 0. 8mm，1. 0mm〇
[0079] 如圖6所示的采用本發(fā)明的方法計算理想激光光束的光斑大小示意圖，水平方向 和垂直方向的虛線交點表示理想激光光束的光斑中屯、，實線表示理想激光光束光斑大小， 其中，實際的計算數(shù)據(jù)表如下表1所示：
[0080] 表 1
[0081]
[0082] 從表1的數(shù)據(jù)可W得知，實測激光光束的光斑大小與理論光斑大小能保持很高的 精度，誤差小于0.2%，因此采用本發(fā)明的方法可W準確計算不同光斑大小的理想激光光束 光斑圖像。
[0083] 如圖7所示的不同線性變換系數(shù)的理想激光光束光斑圖像，W最大像素灰度值為 255的光斑圖像（即圖6(d))為基準，該光斑圖像的理論光斑半徑為1. 0mm，W不同的線性 變換系數(shù)對其進行線性衰減和線性增強。設圖像分辨率均為1025X1025,光斑中屯、像素位 置為巧13, 513)，像元尺寸為5.2ym，水平方向和垂直方向的光斑大小相等。圖7 (a)-圖 7 (e)分別對應的線性變換系數(shù)依次為0. 4,0. 6,0. 8,1. 0, 2. 0, 3. 0。
[0084] 如圖8所示的采用本發(fā)明的方法計算不同線性變換系數(shù)的理想激光光束光斑大 小示意圖，水平方向和垂直方向的虛線交點表示理想激光光束的光斑中屯、，實線表示理想 激光光束的光斑大小，其中，實際的計算數(shù)據(jù)表如下表2所示：
[0085] 表 2
[0086]
[0087] 從表2的數(shù)據(jù)可W得知，對不同線性變換系數(shù)下的理想激光光束光斑圖像，實測 激光光束的光斑大小與理論光斑大小能保持很高的精度，誤差小于0. 12%，即對應不同線 性變換系數(shù)，采用本發(fā)明的算法具有很好的魯椿性。
[0088] 實施例S
[0089] 本實施例對不同曝光時間下的實際激光光束光斑圖像的計算過程及計算結(jié)果進 行說明。
[0090] 如圖9所示的不同曝光時間的實際激光光束光斑圖像，調(diào)節(jié)工業(yè)相機的曝光 時間，在某一位置對光斑圖像進行采集，設圖像的分辨率均為1280X1024,像元尺寸為 5. 2ym，圖 9 (a)-圖 9 (f)分別對應的曝光時間依次為 130ms、170ms、210ms、250ms、270ms、 290ms〇
[0091] 如圖10所示，采用本發(fā)明的方法計算不同曝光時間下的實際激光光束光斑大小， 水平方向和垂直方向的虛線交點表示實際激光光束的光斑中屯、，實線表示實際激光光束的 光斑大小，當曝光時間為250ms時，光斑圖像的像素灰度值達到飽和狀態(tài)。其中，實際的計 算數(shù)據(jù)表如下表3所示：
[0092] 表 3
[0093]
[0095] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下優(yōu)點：
[0096] (1)先根據(jù)預處理的結(jié)果計算出激光光斑的中屯、位置，然后通過對激光光斑的中 屯、位置進行高斯曲線擬合來計算出激光光束的光斑半徑大小，不需要先將光闊中屯、與光斑 中屯、對準，也不需要高精度移動裝置，原理簡單，適用范圍廣，操作方便；
[0097] (2)不受入射光強度和相機曝光時間的影響，對不同曝光時間的光斑圖像均能保 持測量結(jié)果的穩(wěn)定性和高精度，重復性好，魯椿性較好，測試成本更低。
[0098] W上是對本發(fā)明的較佳實施進行了具體說明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實施 例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可做作出種種的等同變形或替 換，該些等同的變形或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種計算激光光束光斑大小的方法，其特征在于：包括： A、 沿光軸方向采集激光光束的光斑圖像以及相應的背景噪聲圖像； B、 根據(jù)采集的光斑圖像和背景噪聲圖像采用背景減除法與閾值法進行預處理，得到預 處理后的光斑圖像； C、 計算預處理后的光斑圖像的激光光斑中心位置； D、 保存激光光斑中心位置在水平方向和垂直方向的光斑圖像像素灰度值大小，然后進 行高斯曲線擬合，計算水平方向和垂直方向高斯擬合曲線的方差，并根據(jù)計算的方差得到 光斑圖像在水平方向和垂直方向的光斑半徑大小。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種計算激光光束光斑大小的方法，其特征在于：所述步驟 A，其具體為： 搭建好光路系統(tǒng)，然后采用相機沿光軸方向采集z點處激光光束的光斑圖像J1U，3，并在遮擋入射激光光束后通過相機采集z點處的背景噪聲圖像J2U，3。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種計算激光光束光斑大小的方法，其特征在于：所述步驟 B，其包括： B1、將光斑圖像J1U3減去背景噪聲圖像J2U3得到消除背景噪聲后的光斑圖 像；U，，z); B2、根據(jù)光斑圖像T0U，3的分辨率選擇背景區(qū)域，計算背景區(qū)域圖像的像素灰度值 平均值A B3、將光斑圖像中像素灰度值小于J的圖像像素灰度值全部置為0,其余位置像素灰 度值保持不變，得到預處理后的光斑圖像/U，_7, 3。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種計算激光光束光斑大小的方法，其特征在于：所述步驟 C，其具體為： 計算預處理后的光斑圖像的激光光斑中心位置（^，_7。)，所述激光光斑中心位置（^，Jc)的計算公式為：其中，m為光斑圖像JU,z)的列數(shù)，n為光斑圖像JU,z)的行數(shù)，光斑圖像 /U，_7, 3的坐標原點為左上角像素/(1，1，z)，/(i，J;z)表示位于光斑圖像中第i行、第J 列像素點的灰度值大小。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種計算激光光束光斑大小的方法，其特征在于：所述步驟 D，其包括： D1、計算激光光斑中心位置（Z。，_f。）在水平方向和垂直方向的光斑圖像像素灰度值大 小； D2、對激光光斑中心位置（^，_f。)在水平方向和垂直方向的像素灰度值數(shù)據(jù)進行高斯曲 線擬合，計算水平方向和垂直方向高斯擬合曲線的方差 D3、根據(jù)計算的方差得到光斑圖像在水平方向和垂直方向的光斑半徑大小，所述光斑
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種計算激光光束光斑大小的方法，包括：沿光軸方向采集激光光束的光斑圖像以及相應的背景噪聲圖像；根據(jù)采集的光斑圖像和背景噪聲圖像采用背景減除法與閾值法進行預處理，得到預處理后的光斑圖像；計算預處理后的光斑圖像的激光光斑中心位置；保存激光光斑中心位置在水平方向和垂直方向的光斑圖像像素灰度值大小，然后進行高斯曲線擬合，計算水平方向和垂直方向高斯擬合曲線的方差，并根據(jù)計算的方差得到光斑圖像在水平方向和垂直方向的光斑半徑大小。本發(fā)明具有原理簡單、操作方便、高精度和魯棒性好的優(yōu)點，可廣泛應用于光學計量領(lǐng)域。
【IPC分類】G06T7/60
【公開號】CN104966308
【申請?zhí)枴緾N201510323703
【發(fā)明人】田勁東, 張磊, 李 東
【申請人】深圳大學
【公開日】2015年10月7日
【申請日】2015年6月12日