CN101644600A - 嵌入式激光光束质量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了嵌入式激光光束质量测量装置，其构成包括光学单元(1)、机械单元(2)、电子学单元(3)三个部分；嵌入式激光光束质量测量装置用相机45对激光光斑成像，通过数字信号处理器42控制采样多个位置的激光光斑信息，嵌入式处理器－ARM11 41运行嵌入式激光光束质量测量装置软件69进行激光光斑图像处理，计算出光束质量因子M²、束宽积、束腰半径w及远场光束发散角θ，激光光束质量测量精度达到±6％，嵌入式激光光束质量测量装置体积小，工作无需个人计算机，使用方便。

Description

嵌入式激光光束质量测量装置

技术领域

本发明涉及嵌入式激光光束质量测量装置。

背景技术

随着激光技术的不断发展以及人们对高科技产品的不断开发与完善，激光技术的应用越来越深入到人们的日常生活中。激光——这一近几十年才发展起来的主动光源——具有单色性、相干性、方向性好和高强度的特点，在军用、民用、工业、科研和医学等领域应用广泛。而激光光束质量则是衡量激光产品性能的重要标准。研究、测量激光光束的空间能量分布，给出激光光束质量的科学评价，对激光器设计及应用具有极其重要的意义。近年来，如何用一种简便、精确、实用的方法测量、评价激光器发出的激光的光束质量，已经成为具有实际经济意义且值得世界范围内从事光学、电学的科技工作者们进行深入研究的一项重要课题。然而，评价激光光束质量的标准问题长期困扰着光学界，传统的评价激光光束质量的方法主要有聚焦光斑尺寸法、远场发散角β值法等。这些方法各有优缺点，长期以来未占主导地位，未能形成统一的评价激光束质量的标准。近年来，一种表征激光光束质量的M²因子被国际光学界所公认，并由国际标准化组织(ISO)予以推荐。M²因子法克服了常用的光束质量评价方法的局限，用M²值作为评价标准对激光器系统进行质量监控及辅助设计等具有十分重要的意义。

基于M²的激光光束质量分析理论已经相当成熟，国外已经有了相应的测量仪器。很有代表性的产品主要有：SPIRICON公司研制的M²-200；THORLAB公司研制的BP-109。这两种产品都采用了典型测量方法；将从激光器中发射出来的激光经过一个无像差的凸透镜后，利用电荷耦合器件CCD将激光在束腰附近的横向光束进行步进式成像，并且在计算机中显示成像效果，通过图像处理技术将光束的X和Y方向上的各个光束尺寸测量出来，将一系列测量数据进行数据拟合，通过公式计算出X和Y方向上的M²的值。不同的是，BP-109采用直线式设计，而M²-200通过反射镜反射光束，缩短光程，减小了测量仪器的尺寸。(参考文献：中国专利号为20061002349)

以上产品虽然已经能够对激光光束质量进行较好的评价，但都是采用与个人计算机PC机进行对接，通过图像采集卡和计算机进行图像的采集和计算。这种设计思路形成的产品不易携带，产品的工作必须在计算机的控制下进行，产品的应用环境受到了限制。当激光光强过大时，CCD产生的图像会趋于饱和，以上装置均采用滤光片对光强进行衰减。这种方法虽然能得到相应的效果，但是不能对激光光强进行连续调节。

发明内容

本发明采用液晶调光技术实现激光光强的自动化连续调节；采用M²-200的设计方式，即用两个反射率为99％的平面反射镜进行光束折返来缩短激光光束传输的光程，从而减小装置体积；采用嵌入式处理器-ARM11代替个人计算机构成便携式、一体化的激光光束质量测量装置。

本发明的嵌入式激光光束质量测量装置包括光学单元1、机械单元2、电子学单元3三个部分；所述的电子学单元3通过相机45、步进电机44与机械单元2连接；被测试激光器发射出的激光光束经光学单元1入射到电子学单元3的相机45上；

如附图1所示，光学单元1的构成由液晶调光单元5、平凸透镜6、平面反射镜7和平面反射镜8组成；所述的平凸透镜6、平面反射镜7共光轴且从左至右依次放置，激光器发射出的激光光束经平凸透镜6聚焦缩束，由反射率达99％的平面反射镜7和平面反射镜8反射后，通过液晶调光单元5进行连续衰减，由电子学单元3中的相机45进行接收；

如附图6所示，光学单元1中的液晶调光单元5的构成包括起偏片60、液晶61、检偏片62和液晶控制电源63；所述的液晶调光单元5同轴依次顺序放置起偏片60、液晶61和检偏片62，且起偏片60和检偏片62必须正交放置，液晶控制电源63是由数字信号处理器42控制数模转换器DAC0832的输出实现的数值可以变化的电源；液晶调光单元5的光路如附图7，激光器发射出激光光束经平凸透镜6进行变换又经起偏片60起偏后变成圆偏振光，经液晶61和检偏片62衰减后，入射到相机45的光敏面上，由相机45接收激光光斑的图像信息；

所述的液晶61由两块极板以及其间夹含的液晶层构成，液晶层有10μm厚，液晶分子平行于极板表面排列，但是排列方向在两块之间连续扭转了90°而具有旋光效应，起偏片60和检偏片62正交摆放；当两个极板上没有电压时，经起偏片60起偏的线偏振光垂直入射和通过液晶层后，其偏振方向会被液晶扭转90°，经过检偏片62后，光束完全透过；当两个极板上加有电压V，并达到阈值电压V′时，液晶61的旋光现象消失，液晶分子长轴一律沿电场方向进行再排列，这时通过液晶层的线偏振光的偏振方向没有改变，再经过检偏片62后，光束被完全遮挡；

所述的机械单元2的构成包括底板86、滑块87、滑块88、轴承89、前端板90、外罩91、后端板92、丝杠93、圆柱导轨94、透镜压圈95、限位开关96、连接板97、相机调整架98和联轴节99；

电子学单元3的相机45通过相机调整架98固定在前端板90上；光学单元1的液晶调光单元5直接固定在前端板90上；透镜压圈95将平凸透镜6固定在前端板90上；

底板86位于前端板90和后端板92之间且两端分别与前端板90和后端板92固定连接；

滑块87置于丝杠93之上，滑块88置于圆柱导轨94之上，连接板97固定置于滑块87和滑块88之上，滑块87和滑块88可以分别沿着丝杠93和圆柱导轨94同步轴向滑动，置于连接板97上的平面反射镜7和平面反射镜8也一起同步滑动；

圆柱导轨94的一端固定在前端板90上，圆柱导轨94的另一端固定在后端板92上；

轴承89一端固定在前端板90上，另一端与丝杠93相连；

电子学单元3的步进电机44固定在后端板92上，丝杠93的一端与轴承89连接，丝杠93的另一端与联轴节99连接，步进电机44与联轴节99连接并且通过联轴节99带动丝杠93做旋转运动并带动滑块87在丝杠93之上作轴向滑动，通过连接板97相连成一体的滑块88也同步沿着圆柱导轨94作轴向滑动，平面反射镜7和平面反射镜8也同步作一维水平运动；限位开关96直接固定在底板86上，限位开关96用于确定平面反射镜7和平面反射镜8的初始零位，一旦光学单元1中的平面反射镜7和平面反射镜8运动到限位开关96处，限位开关96感应出电信号回送给电子学单元3的嵌入式处理器-ARM11 41，通知嵌入式处理器-ARM11 41光学单元1中的平面反射镜7和平面反射镜8已运动到初始零位，嵌入式处理器-ARM11 41控制数字信号处理器42控制步进电机44做反方向运动；

如附图5所示，电子学单元3的构成包括触摸屏40、嵌入式处理器-ARM1141、数字信号处理器42、数据缓存43、步进电机44和相机45；所述的数字信号处理器42驱动步进电机44，带动平面反射镜7和平面反射镜8做一维运动，同时数字信号处理器42控制相机45进行曝光，采集激光光斑图像信息传输到数据缓存43中暂存，嵌入式处理器-ARM11 41取出数据缓存43中的图像信息进行图像处理并在触摸屏40上显示二维和三维的激光光斑曲线；或者，嵌入式处理器-ARM11 41取出数据缓存43中的图像信息进行图像处理并在VGA显示器或PC机上显示二维和三维的激光光斑曲线；

嵌入式激光光束质量测量装置的软件69保存在嵌入式处理器-ARM1141中，所述的软件69的运行流程图如附图8所示；

在启动开始步骤70之后，进行初始化步骤71，操作者将所选择的步进电机44的起始位置、步进电机44的停止位置、步进电机44的步进距离、相机45采集图像的个数、被测激光器的波长、相机45的像元尺寸信息输入嵌入式处理器-ARM11 41，嵌入式处理器-ARM11 41控制数字信号处理器42间接控制步进电机44带动丝杠93水平运动往返一周，回到限位开关96确定的初始零位；

嵌入式处理器-ARM11 41执行步骤72，判定检测开始按钮是否按下；如果该判断是肯定的，则进行步骤73；如果该判断是否定的，则执行步骤72，继续判断检测开始按钮是否按下，直到判断是是肯定的，进行步骤73；

进行步骤73，在数字信号处理器42控制下，步进电机44按照步骤71选择的步进距离向前运动一步确定一个位置后，嵌入式处理器-ARM1141执行步骤74，判断相机45采集图像是否饱和，所述的相机45采集图像饱和是指相机45的像素最大灰度值大于256，如果该判断是肯定的，则进行步骤81，控制液晶调光单元5增大衰减倍数，直到相机45采集图像不饱和为止；如果该判断是否定的，则进行步骤75；

进行步骤75，进行处理采集图像和保存计算结果：数字信号处理器42控制相机45将激光光斑图像数据采集到数据缓存43中，嵌入式处理器-ARM11 41根据存储其内的如下公式计算光斑的质心位置：

$\stackrel{\‾}{x_c}=\frac{\mathrm{\ΣI}(x,y)*x}{\mathrm{\ΣI}(x,y)}$

$\stackrel{\‾}{y_c}=\frac{\mathrm{\ΣI}(x,y)*y}{\mathrm{\ΣI}(x,y)}$

式中，x_c为光斑质心的横坐标，y_c为光斑质心的纵坐标，x为光斑上任一点的横坐标，y光斑上任一点的纵坐标，I(x，y)为沿光轴横截面上(x，y)点处的光束强度值；

并根据如下公式计算光斑的直径：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x=2\sqrt{\frac{\mathrm{\ΣI}(x,y)*{(x_i-\stackrel{\‾}{x_c})}^2}{\mathrm{\ΣI}(x,y)}}\\ {\mathrm{\ω}}_y=2\sqrt{\frac{\mathrm{\ΣI}(x,y)*{(y_i-\stackrel{\‾}{y_c})}^2}{\mathrm{\ΣI}(x,y)}}\end{array}\right.$

式中ω_x为光斑横向直径，ω_y为光斑纵向直径，x_i为横截面上某点的横坐标，y_i为横截面上某点的纵坐标。

根据上述公式计算得到的质心位置和光斑直径存储在嵌入式处理器-ARM1141中；

紧接着，嵌入式处理器-ARM11 41执行步骤76，判断采集图像的个数是否小于预设值，如果判断是肯定的，则执行步骤73，数字信号处理器42驱动步进电机44再向前运动一步，带动丝杠93把旋转运动转换成滑块97的直线位移，改变平面反射镜7和平面反射镜8接入光路的位置，激光光束光程发生变化，数字信号处理器42控制相机45采集图像；如果判断是否定的，则执行步骤77；

执行步骤77，进行后续的数据处理，包括利用上述步骤中得到的光斑直径与采集位置的数值信息，嵌入式处理器-ARM11 41进行曲线拟和，得到光斑直径参数值、束散角参数值、衍射极限因子参数值，并把得到的参数值保存在嵌入式处理器-ARM11 41中；

执行步骤78，把数据处理结果显示在触摸屏40上，包括显示激光光斑图像的二维分布、三维分布、激光光斑的性能参数、激光光束拟和曲线，至此，已进行一次完整的激光光束质量测量。

执行步骤79，判断是否退出程序，操作者若继续新一轮的测量，则执行步骤72按下开始测量按钮，若结束测量，则关闭程序；执行步骤80退出。

嵌入式激光光束质量测量装置的测量动态过程为：

测量装置通电后，运行嵌入式激光光束质量测量装置软件69中的步骤70，进行系统的初始化工作，按下开始测量按钮，进入测量状态；在测量状态下，数字信号处理器42驱动步进电机44运动一步，同时控制相机45曝光采集激光光斑图像，嵌入式处理器-ARM11 41根据采集到的图像灰度值执行嵌入式激光光束质量测量装置软件69中的步骤74，判断图像是否饱和。如果判断是肯定的，则嵌入式处理器-ARM11 41送出控制命令，控制液晶调光单元5，执行嵌入式激光光束质量测量装置软件69中的步骤81，使液晶减少透光率，增大衰减倍数，直至相机45采集到的激光光斑图像不饱和，执行嵌入式激光光束质量测量装置软件69中的步骤75，处理采集图像保存计算结果。紧接着，嵌入式处理器-ARM11 41执行嵌入式激光光束质量测量装置软件69中的步骤76，判断采集图像的个数是否小于预设值，如果判断是肯定的，则执行步骤73，数字信号处理器42驱动步进电机44再向前运动一步，带动丝杠93把旋转运动转换成滑块97的直线位移，改变平面反射镜7和平面反射镜8接入光路的位置，激光光束光程发生变化，数字信号处理器42控制相机45采集图像，执行步骤73、步骤74、步骤81、步骤75、步骤76，如此反复执行，直至步骤76中的判断是否定的，嵌入式处理器-ARM11 41执行步骤77，处理激光光斑数据，数据处理后，执行步骤78，把处理结果显示在触摸屏40上，包括显示激光光斑图像的二维分布、三维分布、激光光斑的性能参数、激光光束拟和曲线，至此，已进行一次完整的激光光束质量测量。

有益效果：嵌入式激光光束质量测量装置用相机45对激光光斑成像，通过数字信号处理器42控制采样多个位置的激光光斑信息，嵌入式处理器-ARM1141运行嵌入式激光光束质量测量装置软件69进行激光光斑图像处理，计算出光束质量因子M²(含Mx²、My²)、束宽积、束腰半径w及远场光束发散角θ，激光光束质量测量精度达到±6％，嵌入式激光光束质量测量装置体积小，工作无需个人计算机，使用方便。

附图说明

图1是嵌入式激光光束质量测量装置中的光学单元1的构成及光路示意图。

图2是机械单元2的构成的主视图的剖面视图的示意图。

图3是机械单元2的构成的左视图的示意图。

图4是机械单元2的构成的俯视图的示意图。

图5是电子学单元3构成结构示意图。

图6是液晶调光单元的构成结构示意图。

图7是液晶调光单元的光路示意图。

图8是嵌入式激光光束质量测量装置软件69的流程图。

图9是显示出被测氦氖激光器激光光斑横截面的二维光强分布图。

图10是显示出被测氦氖激光器激光光斑横截面的三维光强分布图。

图11是显示出被测氦氖激光器激光束的空间传输双曲线图。

具体实施方式

实施例1

本发明的嵌入式激光光束质量测量装置包括光学单元1、机械单元2、电子学单元3三个部分；所述的电子学单元3通过相机45、步进电机44与机械单元2连接；被测试激光器发射出的激光光束经光学单元1入射到电子学单元3的相机45上，电子学单元3的步进电机44带动机械单元2的丝杠93做一维水平运动；

如附图1所示，光学单元1的构成由液晶调光单元5、平凸透镜6、平面反射镜7和平面反射镜8组成；所述的平凸透镜6、平面反射镜7共光轴且从左至右依次放置，激光器发射出的激光光束经平凸透镜6聚焦缩束，由反射率达99％的平面反射镜7和平面反射镜8反射后，通过液晶调光单元5进行连续衰减，由电子学单元3中的相机45进行接收；

如附图6所示，光学单元1中的液晶调光单元5的构成包括起偏片60、液晶61、检偏片62和液晶控制电源63；所述的液晶调光单元5同轴依次顺序放置起偏片60、液晶61和检偏片62，且起偏片60和检偏片62必须正交放置，液晶控制电源63是由数字信号处理器42控制数模转换器DAC0832的输出实现的数值可以变化的电源；液晶调光单元5的光路如附图7，激光器发射出激光光束经平凸透镜6进行变换构造出易于测量的激光束、起偏片60起偏后变成圆偏振光，经液晶61和检偏片62衰减后，入射到相机45的光敏面上，由相机45接收激光光斑的图像信息；

所述的液晶61由两块极板以及其间夹含的液晶层构成，液晶层有10μm厚，液晶分子平行于极板表面排列，但是排列方向在两块之间连续扭转了90°，因而具有旋光效应，起偏片60和检偏片62正交摆放，当两个极板上没有电压时，经起偏片60起偏的线偏振光垂直入射和通过液晶层后，其偏振方向会被液晶扭转90°，经过检偏片62后，光束完全透过；当两个极板上加有电压V，并达到阈值电压V′时，液晶61的旋光现象消失，液晶分子长轴一律沿电场方向进行再排列，这时通过液晶层的线偏振光的偏振方向没有改变，再经过检偏片62后，光束被完全遮挡；

所述的机械单元2的构成包括底板86、滑块87、滑块88、轴承89、前端板90、外罩91、后端板92、丝杠93、圆柱导轨94、透镜压圈95、限位开关96、连接板97、相机调整架98和联轴节99；

电子学单元3的相机45通过相机调整架98固定在前端板90上；光学单元1的液晶调光单元5直接固定在前端板90上；透镜压圈95将平凸透镜6固定在前端板90上；

底板86位于前端板90和后端板92之间且两端分别与前端板90和后端板92固定连接；

滑块87置于丝杠93之上，滑块88置于圆柱导轨94之上，连接板97固定置于滑块87和滑块88之上，滑块87和滑块88可以分别沿着丝杠93和圆柱导轨94同步轴向滑动，置于连接板97上的平面反射镜7和平面反射镜8也一起同步滑动；

圆柱导轨94的一端固定在前端板90上，圆柱导轨94的另一端固定在后端板92上；

轴承89一端固定在前端板90上，另一端与丝杠93相连；

电子学单元3的步进电机44固定在后端板92上，丝杠93的一端与轴承89连接，丝杠93的另一端与联轴节99连接，步进电机44与联轴节99连接并且通过联轴节99带动丝杠93做旋转运动并带动滑块87在丝杠93之上作轴向滑动，通过连接板97相连成一体的滑块88也同步沿着圆柱导轨94作轴向滑动，平面反射镜7和平面反射镜8也同步作一维水平运动；限位开关96直接固定在底板86上，限位开关96用于确定平面反射镜7和平面反射镜8的初始零位，一旦光学单元1中的平面反射镜7和平面反射镜8运动到限位开关96处，限位开关96感应出电信号回送给电子学单元3的嵌入式处理器-ARM11 41，通知嵌入式处理器-ARM11 41光学单元1中的平面反射镜7和平面反射镜8已运动到初始零位，嵌入式处理器-ARM11 41控制数字信号处理器42控制步进电机44做反方向运动；

如附图5所示，电子学单元3的构成包括触摸屏40、嵌入式处理器-ARM1141、数字信号处理器42、数据缓存43、步进电机44和相机45；所述的数字信号处理器42驱动步进电机44，带动平面反射镜7和平面反射镜8做一维运动，同时数字信号处理器42控制相机45进行曝光，采集激光光斑图像信息传输到数据缓存43中暂存，嵌入式处理器-ARM11 41取出数据缓存43中的图像信息进行图像处理并在触摸屏40上显示二维和三维的激光光斑曲线；或者，嵌入式处理器-ARM11 41取出数据缓存43中的图像信息进行图像处理并在VGA显示器或PC机上显示二维和三维的激光光斑曲线；

嵌入式激光光束质量测量装置的软件69保存在嵌入式处理器-ARM11 41中，所述的软件69的运行流程图如附图8所示；

在启动开始步骤70之后，进行初始化步骤71，操作者将所选择的步进电机44的起始位置、步进电机44的停止位置、步进电机44的步进距离、相机45采集图像的个数、被测激光器的波长、相机45的像元尺寸信息输入嵌入式处理器-ARM11 41，嵌入式处理器-ARM11 41控制数字信号处理器42间接控制步进电机44带动丝杠93水平运动往返一周，回到限位开关96确定的初始零位；

嵌入式处理器-ARM11 41执行步骤72，判定检测开始按钮是否按下；如果该判断是肯定的，则进行步骤73；如果该判断是否定的，则执行步骤72，继续判断检测开始按钮是否按下，直到判断是是肯定的，进行步骤73；

进行步骤73，在数字信号处理器42控制下，步进电机44按照步骤71选择的步进距离向前运动一步确定一个位置后，嵌入式处理器-ARM1141执行步骤74，判断相机45采集图像是否饱和，所述的相机45采集图像饱和是指相机45的像素最大灰度值大于256，如果该判断是肯定的，则进行步骤81，控制液晶调光单元5增大衰减倍数，直到相机45采集图像不饱和为止；如果该判断是否定的，则进行步骤75；

进行步骤75，进行处理采集图像和保存计算结果：数字信号处理器42控制相机45将激光光斑图像数据采集到数据缓存43中，嵌入式处理器-ARM11 41根据存储其内的如下公式计算光斑的质心位置：

$\stackrel{\‾}{x_c}=\frac{\mathrm{\ΣI}(x,y)*x}{\mathrm{\ΣI}(x,y)}$

$\stackrel{\‾}{y_c}=\frac{\mathrm{\ΣI}(x,y)*y}{\mathrm{\ΣI}(x,y)}$

式中，x_c为光斑质心的横坐标，y_c为光斑质心的纵坐标，x为光斑上任一点的横坐标，y光斑上任一点的纵坐标，I(x，y)为沿光轴横截面上(x，y)点处的光束强度值；

并根据如下公式计算光斑的直径：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x=2\sqrt{\frac{\mathrm{\ΣI}(x,y)*{(x_i-\stackrel{\‾}{x_c})}^2}{\mathrm{\ΣI}(x,y)}}\\ {\mathrm{\ω}}_y=2\sqrt{\frac{\mathrm{\ΣI}(x,y)*{(y_i-\stackrel{\‾}{y_c})}^2}{\mathrm{\ΣI}(x,y)}}\end{array}\right.$

式中ω_x为光斑横向直径，ω_y为光斑纵向直径，x_i为横截面上某点的横坐标，y_i为横截面上某点的纵坐标。

根据上述公式计算得到的质心位置和光斑直径存储在嵌入式处理器-ARM1141中；

紧接着，嵌入式处理器-ARM11 41执行步骤76，判断采集图像的个数是否小于预设值，如果判断是肯定的，则执行步骤73，数字信号处理器42驱动步进电机44再向前运动一步，带动丝杠93把旋转运动转换成滑块97的直线位移，改变平面反射镜7和平面反射镜8接入光路的位置，激光光束光程发生变化，数字信号处理器42控制相机45采集图像；如果判断是否定的，则执行步骤77；执行步骤77，进行后续的数据处理，包括利用上述步骤中得到的光斑直径与采集位置的数值信息，嵌入式处理器-ARM11 41进行曲线拟和，得到光斑直径参数值、束散角参数值、衍射极限因子参数值，并把得到的参数值保存在嵌入式处理器-ARM11 41中；

执行步骤78，把数据处理结果显示在触摸屏40上，包括显示激光光斑图像的二维分布、三维分布、激光光斑的性能参数、激光光束拟和曲线，至此，已进行一次完整的激光光束质量测量。

执行步骤79，判断是否退出程序，操作者若继续新一轮的测量，则执行步骤72按下开始测量按钮，若结束测量，则关闭程序；执行步骤80退出。

嵌入式激光光束质量测量装置的测量动态过程为：

应用嵌入式激光光束质量测量装置测量波长为632.8nm的氦氖激光器发射的激光光束质量。装置通电后，电子学单元3中的步进电机44带动丝杠93做一次往返移动，回到初始零位；打开被试激光器电源，相机45采集激光光斑图像信息，判断图像的灰度值是否大于256，若大于256，则图像像素饱和，数字信号处理器42控制液晶调光单元5，反复调整衰减倍数，直至相机45采集到的激光光斑图像灰度值小于256则进行有效的测量；数字信号处理器42控制步进电机44带动丝杠93做一维运动，在10个不同位置相机45采样激光光斑图像信息，采集每一帧图像信息后，由数据缓存43进行暂存，在数字信号处理器42控制相机45采样下一帧图像的同时，嵌入式处理器-ARM11 41从数据缓存43中取出图像信息，运行嵌入式激光光束质量测量装置软件69的步骤77、步骤78，进行光斑尺寸、光斑发散角、光斑瑞利参数的计算，并在触摸屏40上，显示激光光斑图像的二维分布、三维分布、激光光斑的性能参数、激光光束曲线，进行数据处理后的嵌入式激光光束质量测量装置的参数测量值如下：x方向光束质量因子Mx²为1.5、束宽积为0.3023、束腰半径w为0.6154mm、远场光束发散角θ为0.5mrad，y方向光束质量因子My²为1.2、束宽积为0.2418、束腰半径w为0.4952mm、远场光束发散角θ为0.4884mrad，显示结果见图9、图10、图11；

如附图9所示，显示出被测氦氖激光器激光光斑横截面的二维光强分布，图中坐标系为位置坐标系，单位为mm，横轴为激光光斑的横向坐标，纵轴为激光光斑的纵向坐标。其中，光斑质心100位于十字虚线交点处，交点的位置坐标即为质心的位置坐标，光斑质心100代表被测激光光束光强的最强处，从中心向外扩散，激光光束的光强逐渐减小，曲线101代表通过水平方向虚直线的垂直平面的激光光强分布轮廓线，曲线102代表通过垂直方向虚直线的垂直平面的激光光强分布轮廓线，封闭曲线103为激光光斑横向截面的轮廓线；

如附图10所示，显示出被测氦氖激光器激光光斑横截面的三维光强分布，灰度指示条104显示不同的灰度等级，背景图像105显示当前测量过程中背景噪声的大小，背景噪声越大则图10中黑色图像部分高度越高，反之，背景噪声越小则图10中黑色图像部分高度越低，光斑图像106代表激光光束的光强信息，从下往上，图像颜色逐渐加深，代表的光强越强，对应的灰度指示也越高；

如附图11所示，显示出被测氦氖激光器激光束的空间传输双曲线，横坐标代表采样位置，单位为mm，纵坐标代表采样点光斑横截面的直径，单位为um，形如x的点代表横向的采样点109，形如y的点代表横向的采样点110，嵌入式处理器-ARM11 41取出存储在其中的采样点的位置数值信息和光斑横截面的直径数值信息，进行曲线拟和，曲线107为激光束在空间传输的横向拟和曲线，曲线108为激光束在空间传输的纵向拟和曲线。

Claims (1)

1、嵌入式激光光束质量测量装置，其特征在于，其构成包括光学单元(1)、机械单元(2)、电子学单元(3)三个部分；所述的电子学单元(3)通过相机(45)、步进电机(44)与机械单元(2)连接；被测试激光器发射出的激光光束经光学单元(1)入射到电子学单元(3)的相机(45)上；

所述的光学单元(1)由液晶调光单元(5)、平凸透镜(6)、平面反射镜(7)和平面反射镜(8)组成；所述的平凸透镜(6)、平面反射镜(7)共光轴且从左至右依次放置，激光器发射出的激光光束经平凸透镜(6)聚焦缩束，由反射率达99％的平面反射镜(7)和平面反射镜(8)反射后，通过液晶调光单元(5)进行连续衰减，由电子学单元(3)中的相机(45)进行接收；

所述的光学单元(1)中的液晶调光单元(5)的构成包括起偏片(60)、液晶(61)、检偏片(62)和液晶控制电源(63)；所述的起偏片(60)、液晶(61)和检偏片(62)同轴依次顺序放置且起偏片(60)和检偏片(62)必须正交放置，液晶控制电源(63)是由数字信号处理器(42)控制数模转换器DAC0832的输出实现的数值可以变化的电源；液晶调光单元(5)的光路如下：激光器发射出激光光束经平凸透镜(6)进行变换又经起偏片(60)起偏后变成圆偏振光，经液晶(61)和检偏片(62)衰减后，入射到相机(45)的光敏面上，由相机(45)接收激光光斑的图像信息；

所述的液晶(61)由两块极板以及其间夹含的液晶层构成，液晶层有10μm厚，液晶分子平行于极板表面排列，但是排列方向在两块之间连续扭转了90°而具有旋光效应，起偏片(60)和检偏片(62)正交摆放；当两个极板上没有电压时，经起偏片(60)起偏的线偏振光垂直入射和通过液晶层后，其偏振方向会被液晶扭转90°，经过检偏片(62)后，光束完全透过；当两个极板上加有电压V，并达到阈值电压V′时，液晶(61)的旋光现象消失，液晶分子长轴一律沿电场方向进行再排列，这时通过液晶层的线偏振光的偏振方向没有改变，再经过检偏片(62)后，光束被完全遮挡；

所述的机械单元(2)的构成包括底板(86)、滑块(87)、滑块(88)、轴承(89)、前端板(90)、外罩(91)、后端板(92)、丝杠(93)、圆柱导轨(94)、透镜压圈(95)、限位开关(96)、连接板(97)、相机调整架(98)和联轴节(99)；

电子学单元(3)的相机(45)通过相机调整架(98)固定在前端板(90)上；光学单元(1)的液晶调光单元(5)直接固定在前端板(90)上；透镜压圈(95)将平凸透镜(6)固定在前端板(90)上；底板(86)位于前端板(90)和后端板(92)之间且两端分别与前端板(90)和后端板(92)固定连接；滑块(87)置于丝杠(93)之上，滑块(88)置于圆柱导轨(94)之上，连接板(97)固定置于滑块(87)和滑块(88)之上，滑块(87)和滑块(88)可以分别沿着丝杠(93)和圆柱导轨(94)同步轴向滑动，置于连接板(97)上的平面反射镜(7)和平面反射镜(8)也一起同步滑动；圆柱导轨(94)的一端固定在前端板(90)上，圆柱导轨(94)的另一端固定在后端板(92)上；轴承(89)一端固定在前端板(90)上，另一端与丝杠(93)相连；电子学单元(3)的步进电机(44)固定在后端板(92)上，丝杠(93)的一端与轴承(89)连接，丝杠(93)的另一端与联轴节(99)连接，步进电机(44)与联轴节(99)连接并且通过联轴节(99)带动丝杠(93)做旋转运动并带动滑块(87)在丝杠(93)之上作轴向滑动，通过连接板(97)相连成一体的滑块(88)也同步沿着圆柱导轨(94)作轴向滑动，平面反射镜(7)和平面反射镜(8)也同步作一维水平运动；限位开关(96)直接固定在底板(86)上，限位开关(96)用于确定平面反射镜(7)和平面反射镜(8)的初始零位，光学单元(1)中的平面反射镜(7)和平面反射镜(8)运动到限位开关(96)处，限位开关(96)感应出电信号回送给电子学单元(3)的嵌入式处理器-ARM11(41)，通知嵌入式处理器-ARM11(41)光学单元(1)中的平面反射镜(7)和平面反射镜(8)已运动到初始零位，嵌入式处理器-ARM11(41)控制数字信号处理器(42)控制步进电机(44)做反方向运动；

所述的电子学单元(3)的构成包括触摸屏(40)、嵌入式处理器-ARM11(41)、数字信号处理器(42)、数据缓存(43)、步进电机(44)和相机(45)；所述的数字信号处理器(42)驱动步进电机(44)，带动平面反射镜(7)和平面反射镜(8)做一维运动，同时数字信号处理器(42)控制相机(45)进行曝光，采集激光光斑图像信息传输到数据缓存(43)中暂存，嵌入式处理器-ARM11(41)取出数据缓存(43)中的图像信息进行图像处理并在触摸屏(40)上显示二维和三维的激光光斑曲线；或者，嵌入式处理器-ARM11(41)取出数据缓存(43)中的图像信息进行图像处理并在VGA显示器或PC机上显示二维和三维的激光光斑曲线；

嵌入式激光光束质量测量装置的软件(69)保存在嵌入式处理器-ARM11(41)中，执行的步骤如下：

操作者将所选择的步进电机(44)的起始位置、步进电机(44)的停止位置、步进电机(44)的步进距离、相机(45)采集图像的个数、被测激光器的波长、相机(45)的像元尺寸信息输入嵌入式处理器-ARM11(41)，嵌入式处理器-ARM11(41)控制数字信号处理器(42)控制步进电机(44)带动丝杠(93)水平运动往返一周，回到限位开关(96)确定的初始零位；

嵌入式处理器-ARM11(41)执行步骤(72)，判定检测开始按钮是否按下；如果该判断是肯定的，则进行步骤(73)；如果该判断是否定的，则执行步骤(72)，继续判断检测开始按钮是否按下，直到判断是是肯定的，进行步骤(73)；

进行步骤(73)，在数字信号处理器(42)控制下，步进电机(44)按照步骤(71)选择的步进距离向前运动一步确定一个位置后，嵌入式处理器-ARM11(41)执行步骤(74)，判断相机(45)采集图像是否饱和，所述的相机(45)采集图像饱和是指相机(45)的像素最大灰度值大于256，如果该判断是肯定的，则进行步骤(81)，控制液晶调光单元(5)增大衰减倍数，直到相机(45)采集图像不饱和为止；如果该判断是否定的，则进行步骤(75)；

进行步骤(75)，进行处理采集图像和保存计算结果：数字信号处理器(42)控制相机(45)将激光光斑图像数据采集到数据缓存(43)中，嵌入式处理器-ARM11(41)根据存储其内的如下公式计算光斑的质心位置：

$\stackrel{\‾}{x_c}=\frac{\mathrm{\ΣI}(x,y)*x}{\mathrm{\ΣI}(x,y)}$

$\stackrel{\‾}{y_c}=\frac{\mathrm{\ΣI}(x,y)*y}{\mathrm{\ΣI}(x,y)}$

式中，x_c为光斑质心的横坐标，y_c为光斑质心的纵坐标，x为光斑上任一点的横坐标，y光斑上任一点的纵坐标，I(x，y)为沿光轴横截面上(x，y)点处的光束强度值；

并根据如下公式计算光斑的直径：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x=2\sqrt{\frac{\mathrm{\ΣI}(x,y)*{(x_i-\stackrel{\‾}{x_c})}^2}{\mathrm{\ΣI}(x,y)}}\\ {\mathrm{\ω}}_y=2\sqrt{\frac{\mathrm{\ΣI}(x,y)*{(y_i-\stackrel{\‾}{y_c})}^2}{\mathrm{\ΣI}(x,y)}}\end{array}\right.$

式中ω_x为光斑横向直径，ω_y为光斑纵向直径，x_i为横截面上某点的横坐标，y_i为横截面上某点的纵坐标。

根据上述公式计算得到的质心位置和光斑直径存储在嵌入式处理器-ARM11(41)中；

紧接着，嵌入式处理器-ARM11(41)执行步骤(76)，判断采集图像的个数是否小于预设值，如果判断是肯定的，则执行步骤(73)，数字信号处理器(42)驱动步进电机(44)再向前运动一步，带动丝杠(93)把旋转运动转换成滑块(97)的直线位移，改变平面反射镜(7)和平面反射镜(8)接入光路的位置，激光光束光程发生变化，数字信号处理器(42)控制相机(45)采集图像；如果判断是否定的，则执行步骤(77)；

执行步骤(77)，进行后续的数据处理，包括利用上述步骤中得到的光斑直径与采集位置的数值信息，嵌入式处理器-ARM11(41)进行曲线拟和，得到光斑直径参数值、远场束散角参数值、束宽积参数值、激光光束质量因子参数值，并把得到的参数值保存在嵌入式处理器-ARM11(41)中；

执行步骤(78)，把数据处理结果显示在触摸屏(40)上，包括显示激光光斑图像的二维分布、三维分布、激光光斑的性能参数、激光光束拟和曲线，至此，已进行一次完整的激光光束质量测量；

执行步骤(79)，判断是否退出程序，操作者若继续新一轮的测量，则执行步骤(72)按下开始测量按钮，若结束测量，则关闭程序；执行步骤(80)退出。

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