CN103309031A - 用于激光光束质量分析仪的机电复合式调光系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的用于激光光束质量分析仪的机电复合式调光系统，包括单轮可变光学衰减器、CCD相机、步进电机、电控系统、PC机。对采集到的一幅图像，入射激光束经过单轮可变光学衰减器 ， 再经过CCD相机预置快门时间衰减后，PC机对采集到的一幅新的光斑图像，根据灰度值的大小，通过电控系统调整CCD相机的电子快门时间档，再联合单轮可变光学衰减器，实现了入射激光光强的连续衰减，线性度好、动态范围大、激光光束质量分析仪器衰减模块体积小，使用方便。激光光束质量分析仪中传统光强光楔式连续衰减存在的调光范围窄，大约20-300倍，本发明的调光系统获得调光5000倍的宽动态范围。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域，涉及用于激光光束质量分析仪的机电复合式调光系统，采用机械式单轮可变光学衰减器与CCD相机电子快门级联，实现激光光强的连续衰减。
背景技术
用激光光束质量分析仪进行激光束参数测量与评价系统研究中，由于面阵CCD探测器件的高灵敏度和低饱和光强，使被测光束的无像差连续衰减成为测量过程中的一项关键技术。常用的连续调光技术主要有：机械式调节光阑连续调光技术、光电连续调光技术、采用吸收式渐变衰减片实现连续调光技术和晶体吸收法连续调光技术。其中，机械式调节光阑连续调光技术是通过可变光阑方式，实现对光束的空间衰减，实现起来体积小、速度快、功耗小、技术相对较成熟，但动态范围小、线性度不好，不易实现级联工作；光电连续调光技术包括法拉第旋光、电光晶体调光和液晶调光，实现起来动态范围小、需要级联工作、调光非线性严重，需要闭环补偿提高精度，不适合大范围、高精度调光；采用吸收式渐变衰减片实现连续调光，可实现大范围、连续调光，但是大动态范围条件下，其衰减的线性度对于镀膜要求较高，多级级联时容易产生散斑；晶体吸收法连续调光技术可实现宽范围的光强调节，但调节精度取决于材料的均匀性和丝杠的控制精度。已有的激光光束质量分析系统中激光能量连续衰减技术采用的双机械式光阑连续调光技术存在动态范围小、线性度不好的缺陷；采用的机械式光阑级联吸收式渐变衰减片连续调光技术，存在线性度不好和激光散斑问题，影响光束质量分析结果。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于激光光束质量分析仪的机电复合式调光系统。采用机械式单轮可变光学衰减器与CCD相机电子快门级联，实现激光光强的连续衰减，为激光光束质量分析仪提供了一种全新的机电复合式激光光强连续衰减系统。
如附图1所示，本发明提供的一种用于激光光束质量分析仪的机电复合式调光系统，包括单轮可变光学衰减器1、CCD相机2、步进电机3、电控系统4、PC机5；单轮可变光学衰减器1和CCD相机2、步进电机3连接，电控系统4和CCD相机2、步进电机3、PC机5连接；
如附图2所示，所述的单轮可变光学衰减器1是一个具有固定衰减量的光学圆盘，光学圆盘上装有直径相等的六个衰减片和2个相邻第一圆孔6、第二圆孔7，它们的圆心均布在同一个圆上；光学圆盘的中心圆14与步进电机3的轴键连接，步进电机3带动单轮可变光学衰减器1的转动，实现对入射光强的衰减；所述的第一衰减片8、第二衰减片9、第三衰减片10，第四衰减片11、第五衰减片12、第六衰减片13的衰减倍率分别为10、31、100、 360、1000、2500顺次增加；单轮可变光学衰减器1的第二圆孔7的圆心与圆盘中心所成直线与垂直线的正方向成45度角时，单轮可变光学衰减器1处于初始位置；在单轮可变光学衰减器1的初始位置后，步进电机3每顺时针转动45度，单轮可变光学衰减器1为光路提供10倍至2500倍六挡逐渐增加的光强衰减率；
所述的CCD相机2，是带有电子快门自动控制的CCD相机； CCD相机有电子快门控制时序，快门速度或曝光时间取决于VINT脉冲的脉宽；CCD相机2的电子快门曝光时间的初始化值为1/1000秒，以便后续根据入射激光光强灵活加减档值，改变衰减量；CCD相机2的电子快门曝光时间共有9档，分别为1/60秒、1/120秒、1/250秒、1/500秒、1/1000秒、1/4500秒、1/6000秒、1/10000秒、1/31000秒；
所述的步进电机3，是两相异步混合式步进电机，步距角为1.8度，在电控系统4的控制下，单轮可变光学衰减器1的第二圆孔7的圆心与圆盘中心所成直线与垂直线的正方向成45度角时，单轮可变光学衰减器1处于初始位置，在单轮可变光学衰减器1的初始位置后，步进电机3每顺时针转动45度，单轮可变光学衰减器1为光路提供10倍、31倍、100倍、360倍、1000倍、2500倍六挡逐渐增加的光强衰减率；
如附图5所示，所述的电控系统4用于步进电机3的控制和CCD相机2电子快门的自动控制；电控系统4主要由单片机15、光耦16、驱动电路17三部分组成，其中单片机15通过自身串口接收PC机5的控制命令，确定步进电机3的转动角度；光耦16起到光电隔离的作用；驱动电路17提供步进电机3转动所需的驱动脉冲；根据PC机5提供的控制命令，如果控制命令为01H，根据电控系统4中单片机15固化的激光光强连续衰减控制软件，单片机15输出VINT脉冲（如附图3所示），CCD相机2接收到该脉冲后，电子快门变化1档，改变相机曝光时间的同时完成了对输入激光光强的1档衰减；如果控制命令为00H，单片机15控制步进电机3的轴转动45度，单轮可变光学衰减器1随着转动45度，圆周上将有一个新的衰减片起作用，实现新一档的衰减量；电控系统4中的激光光强连续衰减控制软件的程序流程，如附图4所示；
所述的PC机5，根据内置的图像采集卡采集的当前光斑的灰度值，确定下一时刻单轮可变光学衰减器1的位置和CCD相机2的电子快门控制脉冲的宽度，调整入射激光光强，保证经图像采集卡后激光光强量化后的灰度值在180-230之间。
数字图像中各个像素所具有的明暗程度由灰度值所标识，将白色的灰度值定义为255，黑色灰度值定义为0，而由黑到白之间的明暗度均匀地划分为256个等级；如果采集卡得到的当前激光图像的灰度值在180-230之间，认为当前数据有效，否则，认为当前数据无效，丢弃此帧数据；
如附图4所示，下面介绍电控系统4中的激光光强连续衰减控制软件的程序流程：
执行步骤30，开始；
执行步骤31，进行初始化；控制步进电机3带动单轮可变光学衰减器1回到初始位置，控制CCD相机2的电子快门曝光时间处于初始化值，即CCD相机2的电子快门曝光时间处于初始值的中间档1/1000，以便后续根据入射激光光强灵活加减档值，改变衰减量；
执行步骤32，电控系统4查询判定串口是否接收到PC机5发出的握手信号；判断是否定的，继续判断是否接收到PC机5发出的握手信号；直到判断是肯定的，进行步骤33；
执行步骤33，电控系统4向PC机5回送握手信号，表示数据链路已建立；
进行步骤34，对图像灰度值进行判断， PC机5发出的操作命令字，电控系统4接收操作命令字并操作：
（1）PC机5指令CCD相机2进行一帧激光光斑图像的采集，PC机5在CCD相机2的电子快门曝光时间的初始化值条件下，进行图像灰度值判断：若图像灰度值不在180-230之间，认定当前数据无效，丢弃此帧数据，进行步骤37；同时， PC机5向电控系统4发出操作命令字：00H或01H，进行步骤35或步骤36，电控系统4控制单轮可变光学衰减器1或CCD相机2电子快门对激光光强进行连续衰减；
进行步骤38，电控系统4向收PC机5发出完成命令字；
（2）PC机5接收到电控系统4回送的完成命令字后， PC机5在CCD相机2的电子快门曝光时间的初始化值条件下，指令CCD相机2进行一帧新的激光光斑图像的采集，进行图像灰度值判断：当图像灰度值大于230，说明激光太强，当图像灰度值小于180，说明激光太弱，认定当前数据无效，丢弃此帧数据，进行步骤37；同时， PC机5向电控系统4发出操作命令字：01H；电控系统4接收PC机5发出的操作命令字01H后，进行步骤36，电控系统4控制CCD相机2增大电子快门曝光时间一档或减小电子快门曝光时间一档；
进行步骤38，电控系统4向收PC机5发出完成命令字；
（3）PC机5再次进行图像灰度值判断，若不在180-230之间，则重复步骤36、步骤38；如果CCD相机2的电子快门时间最大档或最小档也无法采集有效数据，则PC机5向电控系统4发送操作命令字00H；电控系统4接收到PC机5发出的操作命令字00H后，执行步骤35，控制步进电机3带动单轮可变光学衰减器1转动45度，衰减片衰减倍率增加或减小，入射到CCD相机2的光强进一步衰减或增大；
PC机5对采集的一帧激光光斑图像，进行图像灰度值判断，若不在180-230之间，则重复步骤35、步骤38，直至采集的激光光斑图像灰度值在180-230之间为止，说明采集图像数据有效；
进行步骤38，电控系统4向收PC机5发出完成命令字；
有益效果：本发明提供的激光光束质量分析仪中机电复合式调光系统，对采集到的一幅图像，入射激光束经过单轮可变光学衰减器1 ， 再经过CCD相机2预置快门时间衰减后，PC机5对采集到的一幅新的光斑图像，根据灰度值的情况，通过电控系统4调整CCD相机2的电子快门时间档，再联合单轮可变光学衰减器1，实现了入射激光光强的连续衰减，线性度好、动态范围大、激光光束质量分析仪器衰减模块体积小，使用方便。激光光束质量分析仪中传统光强光楔式连续衰减存在的调光范围窄，大约20-300倍，发明提供的激光光束质量分析仪中机电复合式调光系统获得调光5000倍的宽动态范围，为激光光束质量分析仪器设计提供了一种新的光强衰减技术。
附图说明
图1是用于激光光束质量分析仪的机电复合式调光系统的构成示意框图。
图2是单轮可变光学衰减器1的结构示意图。
图3是带有电子快门自动控制功能的CCD相机快门控制时序图。
图4是电控系统4光强连续衰减控制软件的程序流程图。
图5是电控系统4的结构示意图。
具体实施方式
实施例1 如附图1所示，本发明提供的一种用于激光光束质量分析仪的机电复合式调光系统，包括单轮可变光学衰减器1、CCD相机2、步进电机3、电控系统4、PC机5；单轮可变光学衰减器1和CCD相机2、步进电机3连接，电控系统4和CCD相机2、步进电机3、PC机5连接；
如附图2所示，所述的单轮可变光学衰减器1是一个具有固定衰减量的光学圆盘，光学圆盘上装有直径相等的六个衰减片和2个相邻第一圆孔6、第二圆孔7，它们的圆心均布在同一个圆上；光学圆盘的中心圆14与步进电机3的轴键连接，步进电机3带动单轮可变光学衰减器1的转动，实现对入射光强的衰减；所述的第一衰减片8、第二衰减片9、第三衰减片10，第四衰减片11、第五衰减片12、第六衰减片13的衰减倍率分别为10、31、100、 360、1000、2500顺次增加；单轮可变光学衰减器1的第二圆孔7的圆心与圆盘中心所成直线与垂直线的正方向成45度角时，单轮可变光学衰减器1处于初始位置；在单轮可变光学衰减器1的初始位置后，步进电机3每顺时针转动45度，单轮可变光学衰减器1为光路提供10倍至2500倍六挡逐渐增加的光强衰减率；
所述的CCD相机2，是带有电子快门自动控制的CCD相机； CCD相机有电子快门控制时序，快门速度或曝光时间取决于VINT脉冲的脉宽；CCD相机2的电子快门曝光时间的初始化值为1/1000秒，以便后续根据入射激光光强灵活加减档值，改变衰减量；CCD相机2的电子快门曝光时间共有9档，分别为1/60秒、1/120秒、1/250秒、1/500秒、1/1000秒、1/4500秒、1/6000秒、1/10000秒、1/31000秒；
所述的步进电机3，是两相异步混合式步进电机，步距角为1.8度，在电控系统4的控制下，单轮可变光学衰减器1的第二圆孔7的圆心与圆盘中心所成直线与垂直线的正方向成45度角时，单轮可变光学衰减器1处于初始位置，在单轮可变光学衰减器1的初始位置后，步进电机3每顺时针转动45度，单轮可变光学衰减器1为光路提供10倍、31倍、100倍、360倍、1000倍、2500倍六挡逐渐增加的光强衰减率；
如附图5所示，所述的电控系统4用于步进电机3的控制和CCD相机2电子快门的自动控制；电控系统4主要由单片机15、光耦16、驱动电路17三部分组成，其中单片机15通过自身串口接收PC机5的控制命令，确定步进电机3的转动角度；光耦16起到光电隔离的作用；驱动电路17提供步进电机3转动所需的驱动脉冲；根据PC机5提供的控制命令，如果控制命令为01H，根据电控系统4中单片机15固化的激光光强连续衰减控制软件，单片机15输出VINT脉冲（如附图3所示），CCD相机2接收到该脉冲后，电子快门变化1档，改变相机曝光时间的同时完成了对输入激光光强的1档衰减；如果控制命令为00H，单片机15控制步进电机3的轴转动45度，单轮可变光学衰减器1随着转动45度，圆周上将有一个新的衰减片起作用，实现新一档的衰减量；电控系统4中的激光光强连续衰减控制软件的程序流程，如附图4所示；
所述的PC机5，根据内置的图像采集卡采集的当前光斑的灰度值，确定下一时刻单轮可变光学衰减器1的位置和CCD相机2的电子快门控制脉冲的宽度，调整入射激光光强，保证经图像采集卡后激光光强量化后的灰度值在180-230之间。
数字图像中各个像素所具有的明暗程度由灰度值所标识，将白色的灰度值定义为255，黑色灰度值定义为0，而由黑到白之间的明暗度均匀地划分为256个等级；如果采集卡得到的当前激光图像的灰度值在180-230之间，认为当前数据有效，否则，认为当前数据无效，丢弃此帧数据；
如附图4所示，下面介绍电控系统4中的激光光强连续衰减控制软件的程序流程：
执行步骤30，开始；
执行步骤31，进行初始化；控制步进电机3带动单轮可变光学衰减器1回到初始位置，控制CCD相机2的电子快门曝光时间处于初始化值，即CCD相机2的电子快门曝光时间处于初始值的中间档1/1000，以便后续根据入射激光光强灵活加减档值，改变衰减量；
执行步骤32，电控系统4查询判定串口是否接收到PC机5发出的握手信号；判断是否定的，继续判断是否接收到PC机5发出的握手信号；直到判断是肯定的，进行步骤33；
执行步骤33，电控系统4向PC机5回送握手信号，表示数据链路已建立；
进行步骤34，对图像灰度值进行判断， PC机5发出的操作命令字，电控系统4接收操作命令字并操作：
（1）PC机5指令CCD相机2进行一帧激光光斑图像的采集，PC机5在CCD相机2的电子快门曝光时间的初始化值条件下，进行图像灰度值判断：若图像灰度值不在180-230之间，认定当前数据无效，丢弃此帧数据，进行步骤37；同时， PC机5向电控系统4发出操作命令字：00H或01H，进行步骤35或步骤36，电控系统4控制单轮可变光学衰减器1或CCD相机2电子快门对激光光强进行连续衰减；
进行步骤38，电控系统4向收PC机5发出完成命令字；
（2）PC机5接收到电控系统4回送的完成命令字后， PC机5在CCD相机2的电子快门曝光时间的初始化值条件下，指令CCD相机2进行一帧新的激光光斑图像的采集，进行图像灰度值判断：当图像灰度值大于230，说明激光太强，当图像灰度值小于180，说明激光太弱，认定当前数据无效，丢弃此帧数据，进行步骤37；同时， PC机5向电控系统4发出操作命令字：01H；电控系统4接收PC机5发出的操作命令字01H后，进行步骤36，电控系统4控制CCD相机2增大电子快门曝光时间一档或减小电子快门曝光时间一档；
进行步骤38，电控系统4向收PC机5发出完成命令字；
（3）PC机5再次进行图像灰度值判断，若不在180-230之间，则重复步骤36、步骤38；如果CCD相机2的电子快门时间最大档或最小档也无法采集有效数据，则PC机5向电控系统4发送操作命令字00H；电控系统4接收到PC机5发出的操作命令字00H后，执行步骤35，控制步进电机3带动单轮可变光学衰减器1转动45度，衰减片衰减倍率增加或减小，入射到CCD相机2的光强进一步衰减或增大；
PC机5对采集的一帧激光光斑图像，进行图像灰度值判断，若不在180-230之间，则重复步骤35、步骤38，直至采集的激光光斑图像灰度值在180-230之间为止，说明采集图像数据有效；
进行步骤38，电控系统4向收PC机5发出完成命令字。
Claims (1)
1.一种用于激光光束质量分析仪的机电复合式调光系统，其特征在于，包括单轮可变光学衰减器（1）、CCD相机（2）、步进电机（3）、电控系统（4）、PC机（5）；单轮可变光学衰减器（1）和CCD相机（2）、步进电机（3）连接，电控系统（4）和CCD相机（2）、步进电机（3）、PC机（5）连接；
所述的单轮可变光学衰减器（1）是一个具有固定衰减量的光学圆盘，光学圆盘上装有直径相等的六个衰减片和2个相邻第一圆孔（6）、第二圆孔（7），它们的圆心均布在同一个圆上；光学圆盘的中心圆（14）与步进电机（3）的轴键连接，步进电机（3）带动单轮可变光学衰减器（1）的转动；所述的第一衰减片（8）、第二衰减片（9）、第三衰减片（10），第四衰减片（11）、第五衰减片（12）、第六衰减片（13）的衰减倍率分别为10、31、100、 360、1000、2500顺次增加；单轮可变光学衰减器（1）的第二圆孔（7）的圆心与圆盘中心所成直线与垂直线的正方向成45度角时，单轮可变光学衰减器（1）处于初始位置；在单轮可变光学衰减器（1）的初始位置后，步进电机（3）每顺时针转动45度，单轮可变光学衰减器（1）为光路提供10倍至2500倍六挡逐渐增加的光强衰减率；
所述的CCD相机（2）是带有电子快门自动控制的CCD相机； CCD相机有电子快门控制时序，快门速度或曝光时间取决于VINT脉冲的脉宽；CCD相机（2）的电子快门曝光时间的初始化值为1/1000秒， CCD相机（2）的电子快门曝光时间共有9档，分别为1/60秒、1/120秒、1/250秒、1/500秒、1/1000秒、1/4500秒、1/6000秒、1/10000秒、1/31000秒；
所述的步进电机（3）是两相异步混合式步进电机，步距角为1.8度，在电控系统（4）的控制下，单轮可变光学衰减器（1）为光路提供10倍-2500倍的六挡的光强衰减率；
所述的电控系统（4）用于步进电机（3）的控制和CCD相机（2）电子快门的自动控制；电控系统（4）主要由单片机(15)、光耦(16)、驱动电路(17)三部分组成，其中单片机(15)通过自身串口接收PC机(5)的控制命令，确定步进电机(3)的转动角度；光耦(16)起到光电隔离的作用；驱动电路(17)提供步进电机(3)转动所需的驱动脉冲；根据PC机(5)提供的控制命令，如果控制命令为01H，根据电控系统(4)中单片机(15)固化的激光光强连续衰减控制软件，单片机(15)输出VINT脉冲，CCD相机(2)接收到该脉冲后，电子快门变化1档；如果控制命令为00H，单片机(15)控制步进电机(3)的轴转动45度，单轮可变光学衰减器(1)随着转动45度，圆周上将有一个新的衰减片实现新一档的衰减量；
所述的PC机(5)，根据内置的图像采集卡采集的当前光斑的灰度值，确定下一时刻单轮可变光学衰减器(1)的位置和CCD相机(2)的电子快门控制脉冲的宽度，调整入射激光光强，保证经图像采集卡后激光光强量化后的灰度值在180-230之间；
数字图像中各个像素所具有的明暗程度由灰度值所标识，将白色的灰度值定义为255，黑色灰度值定义为0，而由黑到白之间的明暗度均匀地划分为256个等级；如果采集卡得到的当前激光图像的灰度值在180-230之间，认为当前数据有效，否则，认为当前数据无效，丢弃此帧数据。
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| 袁野等: "一种新型微机电系统可调光衰减器", 《光学学报》, vol. 24, no. 3, 31 March 2004 (2004-03-31), pages 364 - 368 * |
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