CN101907490A - 基于二维细分法的微小光斑强度分布测量方法 - Google Patents

基于二维细分法的微小光斑强度分布测量方法 Download PDF

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基于二维细分法的微小光斑强度分布测量方法，它涉及一种微小光斑强度分布的测量方法，它解决了目前无法对能量分布不均匀或者尺寸很小的光斑进行强度分布测量的问题。该测量方法将入射光斑完全照射到CCD探测器的光敏探测面的一个像元内，通过蛇形扫描的方式，记录各个扫描状态的灰度图像，通过计算可最终获得入射光光斑的强度分布。本发明能够对能量分布不均匀或者尺寸很小的光斑的强度分布进行直接测量，适用于微小光斑测量领域。

Description

基于二维细分法的微小光斑强度分布测量方法
技术领域
本发明涉及一种微小光斑强度分布的测量方法。
背景技术
光斑强度分布是激光系统的重要参数之一，现有的光斑强度分布测量技术主要可分为以下几类：刀口扫描法、狭缝扫描法、可变光阑法、CCD摄像法。而在激光加工、材料处理等许多激光应用领域中，都需要把光束进行聚焦后再进行下一步工作，在这种情况下，由于光斑尺寸极小或能量分布不均匀，这些方法往往无法对光斑的强度分布进行直接测量。
发明内容
本发明的目的是解决目前无法对能量分布不均匀或者尺寸很小的光斑进行强度分布测量的问题，提供了一种基于二维细分法的微小光斑强度分布测量方法。
基于二维细分法的微小光斑强度分布测量方法，它基于一个光斑测量装置实现，所述光斑测量装置由二维移动架、CCD探测器和数据采集单元组成，所述CCD探测器安装在二维移动架上，CCD探测器的电信号输出端连接数据采集单元的信号输入端；
所述基于二维细分法的微小光斑强度分布测量方法的具体过程如下：
步骤一、入射光入射到CCD探测器的光敏探测面上，数据采集单元实时监测并显示CCD探测器输出的灰度图像；调整二维移动架，使得入射光聚焦成的微小光斑完全照射到CCD探测器的某个光敏像元上，将此时的灰度图像作为完整光斑产生的灰度图像保存，并将此时二维移动架的位置记为P0；在CCD探测器的接收面上建立X-Y坐标系；用D1表示光敏面元的X向尺寸，D2表示光敏面元的Y向尺寸；
步骤二、沿X轴正向调整二维移动架，使入射光光斑从该光敏像元内向外移出，每次移动的步长为d0，且每移动一次记录下此时二维移动架的位置及此时CCD探测器的灰度图像，则当二维移动架的位置与P0的距离等于D1-d0时，停止移动，并将此时二维移动架的位置记为P1；
步骤三、沿Y轴正向调整二维移动架，使CCD探测器的光敏像元沿Y轴正向移动一个步长d0，记录下此时CCD探测器的灰度图像，并记录下当前二维移动架的位置P1′；
步骤四、判断此时二维移动架的位置P1′与P0的Y向距离是否达到D2-d0：若是，则执行步骤八；否则，执行步骤五；
步骤五、沿X轴负向调整二维移动架，每次移动的步长为d0，且每移动一次记录下此时二维移动架的位置及此时CCD探测器的灰度图像，当二维移动架的位置与P1的距离等于D1-d0时，停止移动，并将此时二维移动架的位置记为P2；
步骤六、沿Y轴正向调整二维移动架，使CCD探测器的光敏像元沿Y轴正向移动一个步长d0，记录下此时CCD探测器的灰度图像，并记录下当前二维移动架的位置P2′；
步骤七、判断此时二维移动架的位置P2′与P0的Y向距离是否达到D2-d0：若是，则执行步骤八；否则，返回执行步骤二；
步骤八、根据已记录的所有位置及各个位置对应的灰度图像，计算获得整个光斑的强度分布。
本发明的积极效果：
本发明的基于二维细分法的微小光斑强度分布测量方法，利用一个光斑测量装置，对能量分布不均匀或者尺寸很小的光斑的强度分布进行直接测量，解决了目前无法对能量分布不均匀或者尺寸很小的光斑进行强度分布测量的问题；本发明的方法简单、可行，测量精度可达微米级。
附图说明
图1为本发明的光斑测量装置的结构示意图；图2是步骤一中CCD探测器的像元与光斑位置示意图；图3是实施方式五中的实施例中光斑分块后的示意图；图4至图11是实施方式五中的实施例中，利用本发明方法对光斑进行扫描时的各状态示意图；图12是CCD探测器探测到的原始光斑图像；图13是获得的重构光斑图像；图14为本发明的基于二维细分法的微小光斑强度分布测量方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的基于二维细分法的微小光斑强度分布测量方法，它基于一个光斑测量装置实现，所述光斑测量装置由二维移动架1、CCD探测器2和数据采集单元3组成，所述CCD探测器2安装在二维移动架1上，CCD探测器2的电信号输出端连接数据采集单元的信号输入端；
所述基于二维细分法的微小光斑强度分布测量方法的具体过程如下：
步骤一、入射光入射到CCD探测器2的光敏探测面上，数据采集单元3实时监测并显示CCD探测器2输出的灰度图像；调整二维移动架1，使得入射光聚焦成的微小光斑完全照射到CCD探测器2的某个光敏像元上，此时，数据采集单元显示的灰度图像为待测的光斑激活的像元输出的灰度图像，将此时的灰度图像作为完整光斑产生的灰度图像保存，并将此时二维移动架1的位置记为P0；在CCD探测器2的接收面上建立X-Y坐标系；用D1表示光敏面元的X向尺寸，D2表示光敏面元的Y向尺寸；
步骤二、沿X轴正向调整二维移动架1，使CCD探测器2被入射光照射到的光敏像元沿X轴正向移动，同时使入射光光斑从该光敏像元内向外移出，每次移动的步长为d0，且每移动一次记录下此时二维移动架1的位置及此时CCD探测器2的灰度图像，则当二维移动架1的位置与P0的距离等于D1-d0时，停止移动，并将此时二维移动架1的位置记为P1；其中，所述移动步长等于二维移动架1的最小调整距离；
步骤三、沿Y轴正向调整二维移动架1，使CCD探测器2的光敏像元沿Y轴正向移动一个步长d0，记录下此时CCD探测器2的灰度图像，并记录下当前二维移动架1的位置P1′；
步骤四、判断此时二维移动架1的位置P1′与P0的Y向距离是否达到D2-d0：若是，则执行步骤八；否则，执行步骤五；
步骤五、沿X轴正向调整二维移动架1，每次移动的步长为d0，且每移动一次记录下此时二维移动架1的位置及此时CCD探测器2的灰度图像，当二维移动架1的位置与P1的距离等于D1-d0时，停止移动，并将此时二维移动架1的位置记为P2；
步骤六、沿Y轴正向调整二维移动架1，使CCD探测器2的光敏像元沿Y轴正向移动一个步长d0，记录下此时CCD探测器2的灰度图像，并记录下当前二维移动架1的位置P2′；
步骤七、判断此时二维移动架1的位置P2′与P0的Y向距离是否达到D2-d0：若是，则执行步骤八；否则，返回执行步骤二；
步骤八、根据已记录的所有位置及各个位置对应的灰度图像，计算获得整个光斑的强度分布。
其中，步骤二和步骤五中的X轴正向也可同时替换为X轴负向；
步骤三和步骤六中的Y轴正向也可同时替换为Y轴负向。
本发明的基于二维细分法的微小光斑强度分布测量方法，利用一个光斑测量装置，对能量分布不均匀或者尺寸很小的光斑的强度分布进行直接测量，解决了目前无法对能量分布不均匀或者尺寸很小的光斑进行强度分布测量的问题；本发明的方法简单、可行，测量精度可达微米级。
具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一的进一步说明，在步骤一中还包括如下过程：
将该光敏面元沿X-Y方向分为M个正方形小块，即每个正方形小块的边长分别与X轴或Y轴平行，每个小块的边长为d0，D1、D2均为d0的整数倍，则该M个正方形小块构成一个矩阵，该矩阵的行数为D2/d0，该矩阵的列数为D1/d0，令Q(i，j)表示第i行、第j列的正方形小块，其中，i＝1，2，...，D2/d0，j＝1，2，...，D1/d0；在P0位置时，将Q(i，j)小块测得的灰度值记为Z(i，j)。
具体实施方式三：本实施方式是对实施方式二的进一步说明，步骤八所述内容的具体过程为：
根据已记录的所有位置及各个位置对应的灰度图像，计算获得在P0位置时各个小块Q(i，j)的灰度值Z(i，j)，i＝1，2，...，D2/d0，j＝1，2，...，D1/d0；通过对CCD探测器2进行标定，获得CCD探测器2测得的灰度值与光强的关系；结合已得的P0位置时各个小块Q(i，j)的灰度值Z(i，j)，即可获得整个光斑的强度分布。
下面为应用本发明的一个具体实施例：
利用计算机仿真获得一个低噪声高斯分布的原始光斑，参见图12，应用本发明的测量方法测量该原始光斑的强度分布，具体过程如下：
将光斑移动至CCD探测器2的某一个像元内后，该像元为正方形，变成为a，如图2所示；此后，需要在光斑位置不变的情况下，每次以一个步长的距离蛇形移动CCD，对光斑进行切割扫描，并记录每次移动后CCD该特定像元所读取的灰度值，因此，可根据移动步长将单个像元分割成若干个等大的正方形小块，每个小块的边长为a/3，即每个正方形小块的边长等于移动的步长，使得每个正方形小块重包含一小块光斑。在本实施例中，将单个像元分为9个小块，相应地，光斑也被分割成9块，参见图3，将原光斑图像的9个小块分别用编号01、02、03、04、05、06、07、08和09表示；然后，调整二维移动架1，使CCD探测器2依次按照图4至图11的顺序对光斑进行扫描；
设01号小块、02号小块、...、09号小块对应的灰度值为分别为z01、z02、...、z09，图4至图11中每个状态的CCD该像元读取的灰度值分别为Z(a4)、Z(a5)、...、Z(a11)，则扫描结束后，07号小块的灰度值可直接由图11中读到的灰度求得，即z07＝Z(a11)，对于除07号小块外的下边界和左边界处的各小块，可以通过两个状态灰度值的一次求差得到。如04号小块的灰度值为图6读到的灰度值与图11读到的灰度值之差，即z04＝Z(a6)-Z(a11)。对于其他不在左边界和下边界上的小块，可以通过四个已知状态灰度值的相加减得到，以求06号小块的灰度值为例说明：
首先求得06号小块所在行的所有小块的灰度和，也即04号、05号和06号小块的灰度和，求得其值为Z(a8)-Z(a9)，同理我们可以求得04号和05号小块的灰度值之和，其值为Z(a7)-Z(a10)，则易知06号小块的灰度为此两部分灰度之差，即：
z06＝[Z(a8)-Z(a9)]-[Z(a7)-Z(a10)]；
因此01号至09号小块的灰度都可以求得，进而可得整个光斑的光强分布，根据各小块的灰度对整个光斑进行重构，可得如图13所示的重构光斑。通过比较图12和图13及其相应数据可知，重构效果较好，这表明了本发明的测量方法能够获得较准确的光斑强度分布，测量精度高。
综上，本方法的方法，可以有效检测出小尺度光斑的强度分布，具有检测精度高、简单实用等优点。

Claims (3)

1.基于二维细分法的微小光斑强度分布测量方法，其特征在于它基于一个光斑测量装置实现，所述光斑测量装置由二维移动架(1)、CCD探测器(2)和数据采集单元(3)组成，所述CCD探测器(2)安装在二维移动架(1)上，CCD探测器(2)的电信号输出端连接数据采集单元的信号输入端；
所述基于二维细分法的微小光斑强度分布测量方法的具体过程如下：
步骤一、入射光入射到CCD探测器(2)的光敏探测面上，数据采集单元(3)实时监测并显示CCD探测器(2)输出的灰度图像；调整二维移动架(1)，使得入射光聚焦成的微小光斑完全照射到CCD探测器(2)的某个光敏像元上，将此时的灰度图像作为完整光斑产生的灰度图像保存，并将此时二维移动架(1)的位置记为P0；在CCD探测器(2)的接收面上建立X-Y坐标系；用D1表示光敏面元的X向尺寸，D2表示光敏面元的Y向尺寸；
步骤二、沿X轴正向调整二维移动架(1)，使入射光光斑从该光敏像元内向外移出，每次移动的步长为d0，且每移动一次记录下此时二维移动架(1)的位置及此时CCD探测器(2)的灰度图像，则当二维移动架(1)的位置与P0的距离等于D1-d0时，停止移动，并将此时二维移动架(1)的位置记为P1；
步骤三、沿Y轴正向调整二维移动架(1)，使CCD探测器(2)的光敏像元沿Y轴正向移动一个步长d0，记录下此时CCD探测器(2)的灰度图像，并记录下当前二维移动架(1)的位置P1′；
步骤四、判断此时二维移动架(1)的位置Pi′与P0的Y向距离是否达到D2-d0：若是，则执行步骤八；否则，执行步骤五；
步骤五、沿X轴负向调整二维移动架(1)，每次移动的步长为d0，且每移动一次记录下此时二维移动架(1)的位置及此时CCD探测器(2)的灰度图像，当二维移动架(1)的位置与P1的距离等于D1-d0时，停止移动，并将此时二维移动架(1)的位置记为P2；
步骤六、沿Y轴正向调整二维移动架(1)，使CCD探测器(2)的光敏像元沿Y轴正向移动一个步长d0，记录下此时CCD探测器(2)的灰度图像，并记录下当前二维移动架(1)的位置P2′；
步骤七、判断此时二维移动架(1)的位置P2′与P0的Y向距离是否达到D2-d0：若是，则执行步骤八；否则，返回执行步骤二；
步骤八、根据已记录的所有位置及各个位置对应的灰度图像，计算获得整个光斑的强度分布。
2.根据权利要求1所述的基于二维细分法的微小光斑强度分布测量方法，其特征在于在步骤一中还包括如下过程：
将该光敏面元沿X-Y方向分为M个正方形小块，每个小块的边长为d0，D1、D2均为d0的整数倍，则该M个正方形小块构成一个矩阵，该矩阵的行数为D2/d0，该矩阵的列数为D1/d0，令Q(i，j)表示第i行、第j列的正方形小块，其中，i＝1，2，...，D2/d0，j＝1，2，...，D1/d0；在P0位置时，将Q(i，j)小块测得的灰度值记为Z(i，j)。
3.根据权利要求2所述的基于二维细分法的微小光斑强度分布测量方法，其特征在于步骤八所述内容的具体过程为：
根据已记录的所有位置及各个位置对应的灰度图像，计算获得在P0位置时各个小块Q(i，j)的灰度值Z(i，j)，i＝1，2，...，D2/d0，j＝1，2，...，D1/d0；通过对CCD探测器(2)进行标定，获得CCD探测器(2)测得的灰度值与光强的关系；结合已得的P0位置时各个小块Q(i，j)的灰度值Z(i，j)，获得整个光斑的强度分布。
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