CN101458067B - 激光光斑测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光光斑测量装置及其测量方法。该装置由DMD微反射镜阵列、数字相机、曝光控制器和图像数字处理器组成；所述的曝光控制器设有两个输出端，分别输出信号控制DMD微反射镜阵列和数字相机；所述的图像数字处理器的输入端和数字相机的视频信号输出端连接。其方法是利用了DMD微反射镜阵列器件可实现分时、分区域改变入射光路的特性，从而达到准确控制曝光过程，获得具有高动态范围的激光束检测图像，经数据处理，得到光斑直径、椭圆率、位置、中心点、三维轮廓、功率等参数。由于整个过程在较短的时间内，避免了激光斑的位置和能态随时间的变化等缺陷，更准确地测量出激光束的光束质量。

Description

激光光斑测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量激光光斑形状和能量等光束质量的装置及其方法。

背景技术

激光在工业、医学和军事等领域有着广泛地应用，激光打印、激光打标、激光焊接、激光切割以及光纤通信等多种激光应用方面，光束质量分析为激光器的有效使用提供了十分有价值的信息。在实际测量中，光束分析应用广泛。光束轮廓显示了光束的全部空间特性，包括光束的传播、光束质量和光束的实用性。另外，它还可显示如何高效地调整和修改激光器的输出。光束轮廓在搭建激光打印机和光纤对准的光学系统时非常有用，需要进一步了解激光束光斑的形状和能量的高斯分布，如果光束轮廓未知，那么激光将很难甚至不能投入使用，则采用一些先进的专用测量仪器。激光器可分为气体激光器和固体激光器，无论那类激光器，用户都会关心激光束光斑的形状和其能量的高斯分布。通常使用激光功率计计量光斑的能量。

由于激光束的能量按照高斯分布，90％的能量集中在光斑的中心，通常是采用面阵CCD/CMOS器件作为测量的光传感器。CCD/CMOS器件是高灵敏器件，当曝光时间为一定值时，激光束中心的光强极易造成感光像元过饱和，甚至溢出后影响周边感光元的正常工作，另一方面，能量较弱的区域却处于欠曝光状态，从而，大大降低了测量的动态范围。

CCD/CMOS像元电信号的输出是与像元接受的照度和积分时间的函数有关，可表述为：

Z＝f(I)＝f(E·t)

其中Z为像元灰度值，I＝E·t表示曝光量，E和t分别为CCD/CMOS像元接受的照度和积分时间。

在本发明作出之前，在“CCD测量动态范围的扩展技术”([J]光电工程，Vol.33，No.10，2006.10，96-100)的研究中，公开了一种测量方法，该技术采用多次多种曝光时间来扩展CCD的动态范围，用最小二乘法求得响应曲线，使用权重因子将多幅图像中的有效信息拟合成一幅具有高动态范围的激光束光斑的能量分布图像。预设的时间愈多，所拟合出的图象愈接近真实情况。

目前，还有采用激光光束通过一组不同反射率的高反射率衰减片，经衰减之后直接照射到CCD/CMOS图像传感器的像元面上，获得与光强相对应的多幅光斑图像的技术，该技术同样也需经过加权数据处理，拟合最终的能量分部图像，可以用伪彩图像的方式再现。

采用两个互相垂直的狭缝来扫描光束，也是现有的测量技术，它通过狭缝的光束被探测器积分并采样，以确定光束质量和空间分布特性。通过分析和计算X、Y两个方向的光强分布，可以得到光斑直径、椭圆率、位置、中心点、三维轮廓、功率等参数。

但是，由于激光器受其本身的热变形、环境振动和空气扰动等内在与外界因素的影响，出射的激光束在传播过程中常会随时间变化产生漂移。因此，基于时间延时多次曝光所获得的多幅图像将会影响光斑测量的真实性和正确性。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种适用于高动态范围，且数据真实、准确的激光光斑测量装置及其测量方法

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：提供一种激光光斑测量装置，其特征在于：它由DMD微反射镜阵列、数字相机、曝光控制器和图像数字处理器组成；所述的曝光控制器，它的一路输出端与数字相机的曝光控制端连接，另一路输出端与DMD微反射镜阵列的控制端连接；数字相机的视频信号输出端连接图像数据处理器输入端，图像数据处理器的一路输出端与曝光控制器的连接。

一种激光光斑的测量方法，其特征在于测量步骤如下：

(1)DMD微反射镜阵列中的工作像元全部处于开启状态，被测激光束经微反射镜阵列反射至数字相机的感光面上，经数字相机预成像后将获得的视频信号输入到图像数据处理器；

(2)图像数据处理器以上述预成像所测得的激光光斑中心(重心)为原点，按同心圆的形式设定激光光斑不同的曝光区域和各区域相应的曝光时间，确定曝光时间序列控制程序，将该控制程序信号输入至曝光控制器；

(3)曝光控制器将上述曝光时间序列控制程序信号输出至DMD微反射镜阵列，控制其每个工作像元处于开启或关闭状态的时间，再次将被测激光束通过DMD微反射镜阵列，经数字相机成像后输入到图像数据处理器，以图象上每一个工作像元的感光值和对应的曝光时间为参数，经计算处理后完成对激光光斑的测量。

本发明利用了DMD微反射镜阵列器件可实现分时、分区域改变入射光路的特性，从而达到准确控制曝光过程，获得具有高动态范围的激光束检测图像，经数据处理，得到光斑直径、椭圆率、位置、中心点、三维轮廓、功率等参数。由于整个过程在较短的时间内，避免了激光斑的位置和能态随时间的变化等缺陷，更准确地测量出激光束的光束质量。

附图说明

图1是本发明实施例的激光光斑测量装置的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：

参见附图1，它是本实施例的激光光斑测量装置工作原理图。激光光斑测量装置由DMD微反射镜阵列、CCD数字相机、曝光控制器和图像数据处理器组成。图1中，曝光控制器的一路输出端发出信号控制CCD数字相机的快门开启与关闭，另一路输出端输出信号控制DMD微反射镜阵列的工作像元的开启状态；激光器产生的激光束投射到DMD微反射镜阵列器的中央，DMD微反射镜阵列器将该激光束反射至CCD数字相机的感光面上，数字相机的视频信号输出端连接图像数据处理器，经图像数据处理器处理后，它的一路输出信号反馈到控制曝光控制器，另一路将输出一帧光斑的原始测量图像与计算机连接，经计算机进行后期的数据保存、计算、拟合图像再现等处理，得到所需的高动态范围的入射激光束的拟合图像和相关数据。

在本实施例中，选择λ＝630nm@5mW的半导体激光器作为被测激光器；曝光控制器采用ALTERAL现场可编程门阵列时序发生器FPGA；DMD微反射镜阵列采用美国TI公司生产的“DMD Discovery^TM  1100 Controller Board”产品；数字相机选用以FT-18芯片为图像传感器的CCD数字相机；图像处理器选用DSP数字信号处理器。

DMD微反射镜阵列是由n＊m个微反射镜工作像元组成，每一个微反射镜都有唯一一个选通地址，根据微反射镜控制逻辑电平，有二种摆动的状态。每个微反射镜工作像元在不同的状态下能将光线向两个方向反射，实际反射方向则视底层记忆晶胞的状态而定；当记忆晶胞处于“关闭”状态时，反射镜会旋转至+12°，若记忆晶胞处于“开启”状态，反射镜会旋转至-12°。结合DMD以及适当光源和投影光学系统，反射镜就会把入射光反射进入或是离开投影镜头的透光孔，利用其中一个状态作为反射状态，另一个则为非反射状态，通过曝光控制器发出的信号，控制各微反射镜开启或关闭的时间，实现对光线的调制，以达到控制曝光量的目的。在本发明中，DMD微反射镜阵列中的各工作像元，在曝光控制器预设曝光时间序列程序的控制下，把激光器产生的激光束反射进入或是离开CCD图像传感器的感光面，在图像传感器的数字相机上，对应得到各感光像元组成的图像，它是一片亮度很高，但不饱和的图像。以图像各区域对应的曝光时间和光强度为参数，经数据处理，可以得到激光光斑的检测数据。

激光光斑测量装置的工作步骤如下：

第一步：确定激光光斑的中心(重心)位置

半导体激光器打开后，DMD中的所有微反射镜像元处于正常工作状态，CCD数字相机的电子曝光时间定为50ns，激光束经微反射镜阵列投向1米远处放置一台已卸去原光学透镜CCD数字相机，调整激光束直接投射到CCD数字相机的感光窗口的中央。在CCD数字相机预拍摄一幅定位激光光斑的图片，经图像处理器根据所获得的预成像确定激光束的激光光斑的中心(重心)位置，同时可以得到激光光斑呈高斯分布的大致形状。

第二步：设定曝光时间序列控制程序

图像处理器根据预成像获得的激光光斑的中心位置的信息，确定图片中激光光斑中心相对应的DMD的像元位置(地址)，在曝光控制器设曝光时间序列控制程序：以上述激光光斑中心为原点，按同心圆的形式设定激光光斑不同的曝光区域和各区域相应的曝光时间，将信号输入至曝光控制器；

第三步：获得激光光斑图像

由曝光控制器输出控制信号，按照第二步的曝光时间序列控制程序，从DMD中的光斑中心区开始，按照各同心圆像元的区域，以由内而外的顺序，逐渐关闭，直至关闭DMD的所有像元，最后CCD退出电子快门周期，在CCD相机上得到一幅亮度很高，但不饱和的图像的激光光斑图像。

第四步：图像数据处理与输出

CCD相机输出视频信号到图像数据处理器，经视频ADC同步转换成数字视频数据加以保存。在保存数字视频数据的同时保存图像所对应的每一个感光像元的曝光时间，以图象上每一个工作像元的感光值和对应的曝光时间为参数，采用伪彩色的显示方式再现二维或三维激光束的光斑图像。同时，经数据处理后，还可以图表的方式，再现该激光束能量的高斯分布图。

在本实施例中，设定激光束中心区的曝光时间为50ns，而最边缘的曝光时间是10ms，同心圆形式的不同翻转时间的像元区域为10～100个。

采用本发明所提供的激光光斑测量装置和测量方法，在激光光路光路中，采用DMD微反射镜阵列器件，分时、分区域的改变入射光路，达到控制曝光过程，使CCD/CMOS从输出一个高动态范围的激光束检测图像，可以得到光斑直径、椭圆率、位置、中心点、三维轮廓、功率等光束质量参数，由于整个过程在较短的时间内一次完成，避免了激光斑的位置和能态随时间的变化等现有测试方法的缺陷，更准确地测量出激光束的能态分布。它可应用于对DVD、CD等光记录设备中的激光二极管的光斑检测、对各类激光器发光性能的鉴定和对激光整形光学元件的评价等方面。

Claims (1)

1.一种激光光斑的测量方法，其特征在于测量步骤如下：

(1)DMD微反射镜阵列中的工作像元全部处于开启状态，被测激光束经微反射镜阵列反射至数字相机的感光面上，经数字相机预成像后将获得的视频信号输入到图像数据处理器；

(2)图像数据处理器以上述预成像所测得的激光光斑中心或重心为原点，按同心圆的形式设定激光光斑不同的曝光区域和各区域相应的曝光时间，确定曝光时间序列控制程序，将该控制程序信号输入至曝光控制器；

(3)曝光控制器将上述曝光时间序列控制程序信号输出至DMD微反射镜阵列，控制其每个工作像元处于开启或关闭状态的时间，再次将被测激光束通过DMD微反射镜阵列，经数字相机成像后输入到图像数据处理器，以图象上每一个工作像元的感光值和对应的曝光时间为参数，经计算处理后完成对激光光斑的测量。

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