CN100370223C - 双孔式激光束散角测试装置 - Google Patents

Abstract

双孔式激光束散角测试装置，本发明涉及一种激光的束散角测试装置。它克服了现有测量装置测量准平行激光的束散角精确度低的缺陷。它由光学天线(1)、圆盘状的双孔光阑(2)、长焦平行光管(3)、CCD探测器(4)和带有图像采集卡的计算机(5)组成，圆盘状的双孔光阑(2)的盘体表面上开有两个圆孔，两个圆孔对称设置在圆盘状的双孔光阑(2)轴心线的两侧，光学天线(1)、圆盘状的双孔光阑(2)、长焦平行光管(3)和CCD探测器(4)依次序同轴心设置，本发明用CCD来探测光斑，并由图像处理系统对光斑中心位置进行准确计算，光斑间距探测精度误差将小于1μm。配合长焦平行光管，激光发射束散角的测试精度CCD探测器(4)可达到0.1μrad的数量级。

Description

双孔式激光束散角测试装置

技术领域

本发明涉及一种激光的束散角测试装置。

背景技术

激光发射的束散角是现有激光发射装置的重要参数，对其进行准确测量是高精度激光发射装置研制与应用中的重要问题。现有的测量方法多通过探测激光能量分布来确定激光束散角，但该方法只限用于测量高斯型激光光束的束散角，用于别的类型时不准确。由于目前激光发射装置日趋复杂，且半导体激光器输出激光能量分布较为复杂，现有技术的测量精度受到极大限制，在对发射束散角仅为数十μrad的准平行光进行探测时，不能准确测得激光束散角的数值，难以满足测试要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种双孔式激光束散角测试装置，以克服现有测量装置测量准平行激光的束散角精确度低的缺陷。本发明由光学天线1、圆盘状的双孔光阑2、长焦平行光管3、CCD探测器4和带有图像采集卡的计算机5组成，圆盘状的双孔光阑2的盘体表面上开有两个圆孔2-1，两个圆孔2-1对称设置在圆盘状的双孔光阑2轴心线的两侧，光学天线1、圆盘状的双孔光阑2、长焦平行光管3和CCD探测器4依次序同轴心设置，CCD探测器4的成像表面位于长焦平行光管3的焦平面上，CCD探测器4的信号输出端连接带有图像采集卡的计算机5的信号输入端。应用本发明的装置进行激光束散角测量时，由被测光学系统发射激光光束，激光光束从光学天线1入射，穿过两个圆孔2-1和长焦平行光管3，在CCD探测器4上成了两个点像光斑，CCD探测器4将其采集到的图像信息通过数据电缆输入带有图像采集卡的计算机，计算机分别计算得到两光斑中心，利用两个点像光斑的距离和已知的长焦平行光管3的焦距就能算出激光光束的束散角。另外绕轴线旋转圆盘状的双孔光阑2，可得到多组激光光束的束散角数据，取多组数据的平均值会去掉检测过程的偶然性误差，使测量更准确。本发明提供了一种全新的激光发射系统束散角的测量装置。采用CCD来探测光斑，并由图像处理系统对光斑中心位置进行准确计算，分辨率可达0.1个像元。对于现有的CCD制造精度，利用本装置光斑间距探测精度误差小于1μm。配合长焦平行光管，激光发射束散角的测试精度可达到0.1μrad的数量级，从而满足高精度测试的需求。本发明的装置设计合理、工作可靠，具有较大的推广价值。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图2是本发明计算束散角的几何关系示意图，图3是实施方式二中圆盘状的双孔光阑2的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2具体说明本实施方式。本实施方式由光学天线1、圆盘状的双孔光阑2、长焦平行光管3、CCD探测器4和带有图像采集卡的计算机5组成，圆盘状的双孔光阑2的盘体表面上开有两个圆孔2-1，两个圆孔2-1对称设置在圆盘状的双孔光阑2轴心线的两侧，光学天线1、圆盘状的双孔光阑2、长焦平行光管3和CCD探测器4依次序同轴心设置，CCD探测器4的成像表面位于长焦平行光管3的焦平面上，CCD探测器4的信号输出端连接带有图像采集卡的计算机5的信号输入端。

本实施方式中圆盘状的双孔光阑2由铝板制成，根据光学天线1的直径确定圆盘状的双孔光阑2的外圆直径和两个圆孔2-1的间距。CCD探测器4选用台湾敏通公司生产的MTV-1801面阵式CCD摄像机，其主要参数如下：光谱响应范围400nm～1100nm；像元数795(H)×596(V)；像元尺寸10μrad；行频15625Hz；场频50Hz；分辨率600TVL；探测灵敏度0.02lx；信噪比大于46dB；工作温度-10℃～50℃；电源DC12V(2W)。对应±1mrad的光束偏转范围，取CCD的有效像元数目为500(H)×500(V)，利用此CCD光斑间距探测精度可达1μm。长焦平行光管3采用焦距大于10m的长焦平行光管，采用该长焦平行光管利用本装置束散角探测精度可达0.1μrad。带有图像采集卡的计算机5中采用基于1394协议的视频图像采集卡，将图像信息输入计算机。计算机通过阈值判断法读取入射到CCD探测器4的光斑灰度值。求取每一光斑形心坐标的计算公式为：

$X_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(g_i-B)u(g_i-B)x_i}{\stackrel{n}{\mathrm{\Σ}}(g_i-B)u(g_i-B)}---\left(2\right)$

$Y_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{n=1}{\mathrm{\Σ}}}(g_i-B)u(g_i-B)y_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(g_i-B)u(g_i-B)}---\left(3\right)$

其中，n为采样窗口中像素的个数，g_i为像素的灰度值，B为采样阈值，u(x)为单位阶跃函数，(x_i，y_i)为像素的坐标。采样阈值的选取由系统和传感器的固有噪声以及背景光干扰的情况决定。对采样窗口边缘的像素点灰度值进行平均，可以估算出采样阈值

$B=\frac{\underset{i=1}{\overset{2(W+H)-4}{\mathrm{\Σ}}}{g}_i}{2(W+H)-4}---\left(4\right)$

其中的W和H分别为以采样窗口横向和纵向的像素个数。

利用上述算法分别计算出光斑的中心位置X_c1、Y_c1、X_c2、Y_c2，则光斑间距d为

$d=\sqrt{{(X_{C1}-X_{C2})}^2+{(Y_{C1}-Y_{C2})}^2}---\left(5\right)$

如图2所示，图2中的圆盘状的双孔光阑2、长焦平行光管3和CCD探测器4都采用了等效简便画法，便于几何分析，由几何关系可知，该距离d与被测系统光束束散角θ间存在如下关系：

$\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\θ}}{2}=\frac{d}{2f^{\′}}---\left(1\right)$

f′是长焦平行光管3的焦距，由此利用式(1)可以计算得到被测系统激光束散角θ。

具体实施方式二：下面结合图3具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同之处是：圆盘状的双孔光阑2的圆孔2-1的直径φ与两个圆孔2-1孔间距D之和等于光学天线1的口径。其它的组成和连接关系与实施方式一相同。如此设置，两个圆孔2-1孔间距D基本上是最大值，从而使两个圆孔2-1在CCD探测器4上所成的光斑距离最远，便于准确测量。

Claims (2)

1.双孔式激光束散角测试装置，其特征在于它由光学天线(1)、圆盘状的双孔光阑(2)、长焦平行光管(3)、CCD探测器(4)和带有图像采集卡的计算机(5)组成，圆盘状的双孔光阑(2)的盘体表面上开有两个圆孔(2-1)，两个圆孔(2-1)对称设置在圆盘状的双孔光阑(2)轴心线的两侧，光学天线(1)、圆盘状的双孔光阑(2)、长焦平行光管(3)和CCD探测器(4)依次序同轴心设置，CCD探测器(4)的成像表面位于长焦平行光管(3)的焦平面上，CCD探测器(4)的信号输出端连接带有图像采集卡的计算机(5)的信号输入端。

2.根据权利要求1所述的双孔式激光束散角测试装置，其特征在于圆盘状的双孔光阑(2)的圆孔(2-1)的直径φ与两个圆孔(2-1)孔间距D之和等于光学天线(1)的口径。

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