CN101063751A - 激光光斑实时监测与光路自动准直的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种激光光斑实时监测与光路自动准直的方法和装置，该方法是利用单个CCD摄像头采集激光光斑，压电陶瓷电动镜架自动准直光路，利用计算机进行光斑处理和实时监控。本发明装置监测光斑的频率约10Hz，反馈控制频率约1Hz，完全可以降低和消除抖动周期在1秒以上的光斑飘动，准直后的激光空间稳定性＜0.5微弧度，本发明具有结构简化、精度高、速度快和效率好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及激光，是一种激光光斑实时监测与光路自动准直的方法和装置，可适用于任何需要进行光斑监测与光束自动准直的光学系统，利用压电陶瓷电动镜架自动调整光学系统的光路，准直后激光光束空间稳定性＜0.5微弧度，可应用于各种需要光斑精确稳定的光学系统和实验研究领域。
背景技术
在光学技术的发展中，对于激光能量的稳定性，脉冲宽度稳定性和空间指向稳定性的要求也不断地提高。激光光斑的空间指向稳定性对于系统输出激光的稳定非常重要，而且很多物理实验，诸如空心光纤压缩、光学参量放大、载波相位稳定等都对光束指向稳定性要求很高，或者由于数据的采集时间相对比较长而对光束指向的稳定性要求比较高。然而环境温度变化引起镜架的热胀冷缩，实验仪器震动等引起实验平台的震动，空气的扰动等因素都影响系统中激光光斑的稳定性，特别是当光路较长时，光束指向常常因为这些原因而变得不稳。因此，一种可以实时监测激光光斑并可以自动准直激光光束的装置对许多领域研究都是非常实用的，这样的光路自准直系统可以提高激光器长时运行效率和实验的精度。
目前在大型激光装置中，自动准直系统已成为必不可少的重要组成部分，如激光核聚变装置，为了确保系统每次运行时，从振荡器发出的激光束能够稳定、精确地穿过预放大器、主放大器、倍频器、靶室，并精确地照射到微型靶丸上，激光装置均配置了光路自动准直系统。在这种大型的低重复频率的激光系统中，一般利用两个CCD摄像头测量其近场和远场位置，然后用步进电机控制的镜架来校正偏移的光路。这种准直系统的结构显得复杂，而且步进电机控制的反馈过程较为迟钝，需要几分钟才能完成一次光路调整，光路的调整精度也不高，对于高重复频率的激光系统则无法满足要求，例如在重复频率为1kHz的激光系统中，步进电机由于本身运动时间长而根本不能满足系统要求。但随着激光技术的迅速发展，对光路自动准直的精度、速度和效率却提出了越来越高的要求。
发明内容
为了适应高重复频率和高精度激光系统的要求，在继承上述低重复频率自动准直系统的设计原理同时，克服上述在先技术中存在的不足，本发明提出一种激光光斑实时监测与光路自动准直的方法和装置，该装置应具有结构简化、精度高、速度快和效率好的特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种激光光斑实时监测与光路自动准直的方法，利用单个CCD摄像头采集激光光斑，利用压电陶瓷电动镜架自动准直光路，利用计算机进行光斑处理和实时监控。具体地说，该方法包括下列步骤：
单个CCD摄像头首先采集两个基准点的激光光斑，通过图像采集卡将模拟图像信号转换为数字图像信号存储并显示在计算机中，用于实时监测激光光斑；
接着，计算机利用监测控制程序计算两个光斑中心与设定的标准中心位置的偏差量，并据此算出电动镜架需要调整的方向和步数；
最后，计算机根据计算值给电动镜架的驱动器发出驱动指令驱动电动镜架，这样使得偏移的激光光斑在两个基准点位置上与设定的标准位置重合，由此便自动实现了光路的准直。
其中，监测控制程序利用了最新的虚拟仪器图形编程软件(LabView)来编写，这样编写出来的控制软件界面清楚，而且可以实时监测两个基准点光斑模式与光斑抖动情况。
一种激光光斑实时监测与光路自动准直装置，包括：装有第一45°全反镜的第一压电陶瓷电动镜架和装有第二45°全反镜的第二压电陶瓷电动镜架，一驱动器的输出端分别连接所述的第一压电陶瓷电动镜架和第二压电陶瓷电动镜架的控制端，该驱动器的输入端连接计算机控制输出端，一待准直的激光光束照射在所述的第一45°全反镜上，在所述的第一45°全反镜和第二45°全反镜的之间且靠近第一45°全反镜的光路上设有第一分束片，在所述的第二45°全反镜的反射光束方向设置第一全反射镜，在该第一全反射镜的反射光路上设置第二分束片，该第二分束片的反射光束方向有第二全反射镜，在第二全反射镜的反射光束和第一分束片的反射光束的交叉位置有一CCD摄像头，该CCD摄像头的输出端与所述的计算机的输入端相连，所述的计算机具有图像采集卡和监测控制程序。
所述的监测控制程序是利用最新的虚拟仪器图形编程软件(LabView)来编写的，以下简称为LabView程序。该LabView程序包括光斑采集、计算处理和反馈控制三部分。
LabView程序主要分为光斑采集、计算处理和反馈控制三个步骤：首先CCD摄像头采集两个参考点的激光光斑，采集到的激光光斑经过信号线传输到电脑的图像采集卡上，图像采集卡将模拟图像转换为数字图像，程序通过调用图像采集卡的动态连接库来存储并显示激光光斑图像；接着，计算机计算两个光斑中心与设定的参考中心位置的偏差量，再结合光路、光斑大小和电动调整架的驱动精度等参量计算出电动镜架需要调整的步数和方向；最后，计算机给电动镜架的驱动器发出驱动指令驱动镜架，使激光重新回到P1和P2两个参考点上，从而使其后面的光束自动准直。
LabView程序的光斑采集部分，需要调用动态连接库来驱动图像采集卡。调用步骤如下：在LabView的模块对话框(Block Diagram)中选择库功能模块(CallLibrary Function)，点击此模块的配置(Configure)选项，在弹出的对话框内设置好库名字(library name)和相关参数(parameter)，参数设置正确与否直接影响图像采集卡输出图像的质量。程序通过调用动态连接库的不同功能函数可以设置图像的亮度、位数、饱和度、色度、缓冲大小等。经过一系列参数初始化后，调用图像抓拍功能函数抓拍图像到缓冲，再将缓存区的光斑图像直接调入LabView的图形处理程序。也可以将图像保存在指定目录下，再从指定目录下读取光斑图像，但是这样延缓处理时间。
LabView程序的图像计算处理部分包括：去小光斑、阈值化、边沿光滑、赝色图显示、光斑数计算、各个光斑中心坐标计算、中心坐标和基准坐标漂移量计算等。在光斑采集中，光斑数应为2个，但由于CCD摄像头测得的可能是其他地方的反射或者光斑本身带有小的杂散光斑而多于2个。因此在图像处理程序中，首先需要去除图像中可能存在的小光斑；接着对采集到的激光光斑进行阈值化处理，去除CCD摄像头及光斑本身噪声的影响，阈值范围可以手动调节以获得最佳的光斑形状；然后平滑激光光斑的边缘，获得一个边沿光滑的光斑；最后精确计算出光斑几何中心。计算得到的两个光斑中心坐标与设定的基准坐标相减便得到了两个光斑中心坐标的漂移值，再将中心坐标漂移值输入波形显示图中，便能实时监测光斑中心坐标的飘动情况。同时，将CCD摄像头测得的光斑实时显示在界面上，利用赝色图来标记激光光斑，从而可以更加直观地观测激光光斑模式。
LabView程序的反馈控制部分，是通过控制驱动器来驱动压电陶瓷电动镜架的M1，M2实现的。压电陶瓷电动镜架在标准微调情况下每一步的精度为30nm，镜架的长高均为54mm，所以镜架的转动精度接近于0.5urad。在反馈控制前，先对驱动器各个接口的速度、加速度、运动模式等参数初始化并保存。在执行反馈控制时，LabView程序首先根据前面计算得到的光斑中心漂移量，再结合光路、光斑大小和电动镜架的驱动精度等参量计算出电动镜架需要调整的步数和方向；然后将其翻译成控制指令发送给驱动器；驱动器根据指令发送电信号驱动压电陶瓷电动镜架完成光路调整，使得激光重新回到P1和P2两个参考点上，实现光束自动准直。
需要说明的是，在光斑模式和光斑中心飘动的监测光路中，可以将CCD摄像头放在镜架后面，通过测量镜片透射的很弱的激光来检测，这种摆放不会影响系统光路。如果激光光斑比CCD摄像头的有效探测面大，可以在CCD摄像头前面加一正透镜聚焦缩束到CCD摄像头上；同样，如果激光光斑太小则可以利用一负透镜来扩束。
上述激光光斑实时监测与光路自动准直装置的具体使用步骤如下所述：
(1)按照上述要求搭好装置，并编写好监控程序。
(2)首先手动调整激光光束1使其平行于光学平台，并准确打到光学元件中心。
(3)启动电脑，打开软件，观察CCD摄像头采集到的激光光斑，微调第一分束片9和第二分束片10，使得两个光斑对称地显示在监测窗口中央。
(4)调节光斑处理的阈值范围，获得最佳的光斑形状。
(5)根据需要设置和优化驱动器各个接口的速度、加速度、运动模式等参数。
(6)运行监控程序，开始实时监测激光光斑和自动准直激光光束。
本发明的准直基本原理是：光路中引起光轴漂移的因素都可以归结为光轴的失调，也就是说可以认为所有光学元件的同轴性很好，入射的光束发生了角移和平移。光轴的失调可以由两块反射镜改变其倾角后得到纠正，即入射的光轴虽然发生了角移和平移，但经过两块反射镜后出射的光轴却和理想的光轴重合。光路自动准直系统一般将光斑采样系统设在光路中相隔一定距离的两个位置，依据“不重合的两点决定一条直线”的原理，来调整光路。
与在先技术相比，本发明显著地简化了结构，提高了精度、速度和效率，具有以下显著的特点：
(1)本发明利用单个CCD摄像头监测激光光斑，利用高精度的压电陶瓷电动镜架替代在先技术的步进电机电动镜架来调整偏移光路，并且编写一套测量一计算一反馈控制的软件来实时监测光斑和自动准直光路，监测光斑的频率约10Hz，反馈控制频率约1Hz，完全可以降低和消除抖动周期在1秒以上的光斑飘动。装置简单，调节简单，结构紧凑，并可以集成在一块0.5m2的实验平板上。而在先技术结构复杂，不易小型化。
(2)本发明采用压电陶瓷驱动镜架，响应快，效率高，而且调整精度也高。而在先技术采用步进电机驱动镜架，响应慢，效率低，且调整精度亦不高。
(3)本发明的光斑监测频率约10Hz，反馈控制频率约1Hz，完全可以降低和消除抖动周期在一秒以上的光斑飘动，由于温度，空气扰动等影响是慢变化影响，周期在1秒到20秒之间，因此本装置能有效降低这些慢变化引起的光斑飘动。而在先技术需要几分钟才能完成一次光路调整，对于抖动周期在分钟以内的变化无法完成调整。
(4)本发明采用最新的测量控制开发软件LabView编写，程序能实时监测光斑模式和光斑中心漂移变化。而在先技术的监控程序不能实时监测光斑模式，且程序界面不直观。
附图说明
图1为本发明的激光光斑实时监测与光路自动准直装置示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1为实施本发明方法的激光光斑实时监测与光路自动准直装置示意图。由图可见，本发明激光光斑实时监测与自动准直装置，特征在于包括：具有第一45°全反镜M1的第一压电陶瓷电动镜架2和具有第二45°全反镜M2的第二压电陶瓷电动镜架3，一驱动器4的输出端分别连接所述的第一压电陶瓷电动镜架2和第二压电陶瓷电动镜架3的控制端，该驱动器4的输入端连接计算机6控制输出端，一待准直的激光光束1照射在所述的第一45°全反镜M1上，在所述的第一45°全反镜M1和第二45°全反镜M2的之间且靠近第二45°全反镜M2的光路上设有第一分束片9，在所述的第二45°全反镜M2的反射光束方向设置第一全反射镜(7)，在该第一全反射镜7的反射光路上设置第二分束片10，该第二分束片10的反射光束方向有第二全反射镜8，在第二全反射镜8的反射光束和第一分束片9的反射光束的交叉位置有一CCD摄像头5，该CCD摄像头5的输出端与所述的计算机6的输入端相连，所述的计算机6装有图像采集卡和监测控制程序。
本实施例装置是根据两点确定一条直线基本原理来实现激光光束的自动准直和稳定的。如图1，第一45°全反镜M1和第二45°全反镜M2为两个调整点，需相隔一定距离，约1m左右。P1和P2为两个参考点，P1点位置通过M1来调节，P2点位置通过M2来调节。其中P1点离M2镜片非常近，因此可以近似认为它就在M2上。值得注意的是，在M1的调节过程中，也会影响P2点的坐标漂移，因此M2在驱动过程中还需要补偿M1驱动的影响。M1与P1间距离为L1、M2和P2间距离为L2、CCD摄像头的象素大小、光斑大小、光斑测量与数据处理等都会影响系统的稳定精度。L1与L2越大、光斑越大和象素越多，则光斑稳定精度越高。
本实施例的待准直的激光光束1的重复频率为1kHz，中心波长为800nm。第一压电陶瓷电动镜架2和第二压电陶瓷电动镜架3采用美国新焦点公司(New FocusInc.)生产的压电陶瓷电动镜架，驱动器4采用美国新焦点公司生产的iPico驱动器，CCD摄像头5采用黑白CCD摄像头，有效探测大小为7.95mm×6.45mm，单个象素大小为8.6um×8.3um，图像采集卡采用大恒公司的CG410板卡。其中计算机6可以通过RS232串行线连接控制iPico驱动器4，也可以用网线接入网络，通过网络来控制iPico驱动器4，具体连接控制方式参考公司开发手册，根据需要选择决定。驱动器4通过四根RS485控制线连接控制第一压电陶瓷电动镜架2和第二压电陶瓷电动镜架3的两维方向。
监测控制程序用LabView软件来编程，程序的光斑采集部分调用大恒公司提供的动态连接库来驱动CG410图像采集卡，各个参数的设置参考大恒公司开发手册提供的动态连接库参数设置说明，经过一系列参数初始化后，调用图像抓拍功能函数抓拍图像到缓冲，再将缓存区的光斑图像直接调入LabView的图形处理程序。在图像处理程序中，首先利用图像模块(vision)的去小光斑功能(remove small particles)来去除图像中可能存在的小光斑；接着利用图像模块的阈值功能(IMAQ Threshold)对采集到的激光光斑进行阈值化处理；然后利用图像模块的形态功能(IMAQMorphology)来平滑激光光斑的边缘，获得一个边沿光滑的光斑；最后利用图像模块的光斑分析功能(IMAQ Particle Analysis)精确计算出光斑几何中心。计算得到的两个光斑中心坐标与设定的基准坐标相减便得到了两个光斑中心坐标的漂移值，再将中心坐标漂移值输入波形显示图中，便能实时监测光斑中心坐标的飘动情况，利用赝色图来标记激光光斑从而可以更加直观地观测激光光斑模式。反馈控制部分，是通过控制iPico驱动器驱动压电陶瓷电动镜架实现的，先对驱动器各个接口的速度、加速度、运动模式等参数初始化并保存，再根据前面计算得到的光斑中心漂移量等参量计算出电动镜架需要调整的步数和方向；然后将其翻译成MCL(MotionControl Language，具体指令语法参考New focus公司的开发手册)指令并调用串行通讯模块(serial)将MCL指令发送给驱动器；驱动器根据MCL指令发送电信号驱动压电陶瓷电动镜架完成光路调整。
本发明装置经试用表明：光斑中心坐标的飘动呈现一定的准周期性，大的起伏间隔时间在3秒左右，小的起伏间隔时间也在1秒以上，而一个反馈控制循环的执行时间约为1秒，所以能够使激光光斑中心稳定在给定基准位置周围很小的范围内，从而很好地稳定激光光束指向，准直后激光光束空间稳定性＜0.5urad，在实验考核中得到了满意的结果。
Claims (4)
1、一种激光光斑实时监测与光路自动准直的方法，其特征在于利用单个CCD摄像头采集激光光斑，利用压电陶瓷电动镜架自动准直光路，利用计算机进行光斑处理和实时监控。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
首先，单个CCD摄像头采集两个基准点的激光光斑，通过图像采集卡将模拟图像信号转换为数字图像信号存储并显示在计算机中，用于实时监测激光光斑；
接着，计算机利用监测控制程序计算两个光斑中心与设定的标准中心位置的偏差量，并据此算出电动镜架需要调整的方向和步数；
最后，计算机根据计算值给电动镜架的驱动器发出驱动指令驱动电动镜架，这样使得偏移的激光光斑在两个基准点位置上与设定的标准位置重合，由此便自动实现了光路的准直。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述的监测控制程序是利用虚拟仪器图形编程软件来编写的，包括光斑采集、图像计算处理和反馈控制三部分。
4、一种激光光斑实时监测与光路自动准直装置，特征在于包括：装有第一45°全反镜(M1)的第一压电陶瓷电动镜架(2)和装有第二45°全反镜(M2)的第二压电陶瓷电动镜架(3)，一驱动器(4)的输出端分别连接所述的第一压电陶瓷电动镜架(2)和第二压电陶瓷电动镜架(3)的控制端，该驱动器(4)的输入端连接计算机(6)控制输出端，一待准直的激光光束(1)照射在所述的第一45°全反镜(M1)上，在所述的第一45°全反镜(M1)和第二45°全反镜(M2)的之间且靠近第一45°全反镜(M1)的光路上设有第一分束片(9)，在所述的第二45°全反镜(M2)的反射光束方向设置第一全反射镜(7)，在该第一全反射镜(7)的反射光路上设置第二分束片(10)，该第二分束片(10)的反射光束方向有第二全反射镜(8)，在第二全反射镜(8)的反射光束和第一分束片(9)的反射光束的交叉位置有一CCD摄像头(5)，该CCD摄像头(5)的输出端与所述的计算机(6)的输入端相连，所述的计算机(6)装有图像采集卡和监测控制程序。
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