CN104006892B - 一种测量激光光束质量的装置、方法及光路准直方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量激光光束质量的装置、方法及光路准直方法，解决了现有激光光束质量测量系统放置激光器后需要花费大量时间进行手动准直的问题。本发明包括激光器，第一衰减片，第二衰减片，全反射棱镜，反射镜，图像采集模块，光束传输距离调节模块，光束传输角度调节模块，数据处理模块。本发明通过光束传输距离调节模块和数据处理模块测量出不同光束传输距离下的光斑中心位置计算出光束偏离角度，从而通过光束传输角度调节模块对激光光束传输方向进行调整，达到使激光光束能够垂直入射到图像采集模块的目的，实现自动准直的功能。因为采用了自动准直，相较人工准直，这样也提高了测量精度。

Description

一种测量激光光束质量的装置、方法及光路准直方法

技术领域

本发明属于光学辐射定标测量仪器领域，更具体地，涉及一种测量激光光束质量的装置、方法及光路准直方法。

背景技术

随着激光技术的不断发展及高科技激光产品(如激光加工机、激光治疗仪等)的不断出现，人们对激光光束质量的要求也越来越高，而在激光光束质量的测量评价中，衍射极限因子法即M2因子法是目前非常有用和常见的一种光束质量测量方法。

市面上现有的激光光束质量测量仪器，如德国Cinogy公司的CinSquare光束质量因子(M2)测量系统，这套系统由可调衰减系统、聚焦镜、高精度的自动导轨以及CCD/CMOS光束分析仪等组成。为了确保最高的准确性和精确度，其全部的测量分析过程由Cinogy公司研发的软件RayCi自动跟踪控制。这虽然实现激光光束质量的自动测量，但是在更换激光器后，我们依然需要在光束的准直过程中花费大量的时间，这给我们的测量带来了极大的不便。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种测量激光光束质量的装置，其目的在于提高激光光束质量的测量精度；同时解决了现有技术中测量激光光束质量时需要在光束的准直过程中花费大量时间的技术问题。

本发明提供了一种测量激光光束质量的装置，包括激光器，图像采集模块，反射镜，全反射棱镜，第一衰减片，第二衰减片，光束传输距离调节模块，光束传输角度调节模块和数据处理模块；所述反射镜与所述光束传输角度调节模块固定连接，通过所述光束传输角度调节模块调节所述反射镜的偏转角度来控制光束传输角度；所述全反射棱镜设置在光束传输距离调节模块上，通过所述全反射棱镜在所述光束传输距离调节模块上移动来控制光束传输距离；所述第一衰减片、所述第二衰减片和所述图像采集模块依次设置在所述全反射棱镜的反射光路上；所述图像采集模块、所述光束传输距离调节模块和所述光束传输角度调节模块分别与所述数据处理模块连接；所述激光器输出的光束经所述反射镜反射后入射至所述全反射棱镜，经所述全反射棱镜反射的光依次通过所述第一衰减片和第二衰减片后入射至所述图像采集模块；所述图像采集模块采集不同传输距离的光斑信号，数据处理模块对光斑信号进行处理，当光斑饱和时反馈控制所述第二衰减片对光斑强度进行调节；当光斑不饱和时，控制所述光束传输距离调节模块对光束传输距离进行调节；判断光束是否准直，若否则控制传输角度调节模块对光束传输角度进行调节；若是则获得光束质量参数。

其中，所述数据处理模块包括光斑饱和判断单元、光斑参数计算单元、第一控制单元、角度计算单元、第二控制单元、准直判断单元和光束质量参数计算单元；光斑饱和判断单元用于接收所述图像采集模块采集的光斑信号，并根据光斑信号的光强来判断光斑是否饱和，饱和时反馈控制所述第二衰减片；光斑参数计算单元用于当光斑不饱和时计算光斑信号的中心值及光斑直径；第一控制单元用于当光斑不饱和时控制传输距离调节模块调节光束传输距离；角度计算单元用于根据光斑信号的中心值和光束传输距离获得光束传输角度；准直判断单元用于将光束传输角度与设定的角度阈值进行比较；第二控制单元用于当光束传输角度大于角度阈值时，控制所述光束传输角度调节模块对光束传输角度进行调节；光束质量参数计算单元用于当光束传输角度小于等于角度阈值时，根据光斑直径和光束传输距离获得光束质量参数。

其中，光束传输角度调节模块包括俯仰调节单元和水平调节单元；俯仰调节单元用于根据第二控制单元输出的俯仰角调节信号控制所述反射镜在俯仰方向的偏转；水平调节单元用于根据第二控制单元输出的水平角调节信号控制所述反射镜在水平方向的偏转。

其中，所述第二衰减片为透过率可调的衰减片。

本发明还提供了一种基于上述的装置的光路准直方法，包括下述步骤：

S1将全反射棱镜沿着同一个方向移动至少两次，获得不同的光束传输距离以及与光束传输距离对应的光斑中心值；

S2根据不同的光束传输距离以及与光束传输距离对应的光斑中心值获得当前光束传输角度；

S3判断当前光束传输角度是否小于设定的角度阈值，若否则转入步骤S4；若是，则准直完成；

S4通过光束传输角度调节模块调节反射镜偏转所述当前光束传输角度，并返回至步骤S1。

其中，所述角度阈值为0.5度。

本发明还提供了一种测量激光光束质量的方法，包括下述步骤：

(1)通过将全反射棱镜设置在预先设定的初始位置获得光束传输距离的初始值；

(2)采集全反射棱镜位于初始位置时的光斑信号；

(3)根据光斑信号的光强来判断光斑是否饱和，若否则转入步骤(5)；若是转入步骤(4)；

(4)通过第二衰减片调节光斑强度并转入步骤(2)；

(5)对光路进行准直调节；

(6)将全反射棱镜沿着同一个方向多次移动，实时采集全反射棱镜位于不同位置时的光斑信号，并利用所述光束传输距离的初始值获得不同的光束传输距离以及与光束传输距离对应的光斑直径；

(7)判断采集次数是否达到设定的次数阈值，若否则返回步骤(6)，若是则转入步骤(8)；

(8)根据不同的光束传输距离以及与光束传输距离对应的光斑直径并采用双曲线拟合方法获得光束质量参数。

其中，步骤(5)具体为：

(5.1)将全反射棱镜沿着同一个方向移动至少两次，获得不同的光束传输距离以及与光束传输距离对应的光斑中心值；

(5.2)根据不同的光束传输距离以及与光束传输距离对应的光斑中心值获得当前光束传输角度；

(5.3)判断当前光束传输角度是否小于设定的角度阈值，若否则转入步骤(5.4)；若是，则准直完成；

(5.4)通过光束传输角度调节模块调节反射镜偏转所述当前光束传输角度，并返回至步骤(5.1)。

其中，所述次数阈值为15。

通过本发明构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用了全反射棱镜，这样解决了由于步进电机运动导致的在水平方向上的误差，同时在步进电机移动相同距离下加倍的激光光束的移动距离，一方面节约了成本，另一方面相对较大的光束移动距离也可以提高激光光束质量的测量精度。目前的激光光束质量测量一般都是采用手动准直的，这样我们就需要花费大量的时间来进行准直，并且准直效果也不一定会很好，而采用了自动准直，因为定量的限定了激光斜入射角度，可以稳定的将激光光束入射角度限定在很小的一个角度上，这样相对手动准直来说也提高了我们激光光束质量的测量精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的测量激光光束质量的装置的结构原理框图；

图2是本发明数据处理模块成员图；

图3是本发明测量激光光束质量的方法的实现流程图；

图4是本发明测量激光光束质量的方法中准直算法实现流程图；

图5是准直过程中角度计算示意图；

图6是本发明实施例提供的测量激光光束质量的方法的实现流程图；

图7是本发明实施例提供的测量激光光束质量的方法中准直算法实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出一种全自动的激光光束质量测量系统装置，解决现有激光光束质量测量系统放置激光器后花费大量时间准直的问题。

本发明实施例提供的全自动的激光光束质量测量装置包括激光器1，图像采集模块2，反射镜3，全反射棱镜4，第一衰减片5，第二衰减片6，光束传输距离调节模块7，光束传输角度调节模块8，数据处理模块9，其中光束传输距离调节模块7与光束传输角度调节模块8，均与数据处理模块9相连，并由其控制运行距离与角度。全反射棱镜4固定在光束传输距离调节模块7上面，两者一起控制光束传输距离。反射镜3固定在光束传输角度调节模块8上面，控制光束传输角度。光束传输角度调节模块8由俯仰调节单元和水平调节单元组成，其中俯仰调节单元在上面，水平调节单元在下面，分别调节光束在俯仰方向和水平方向的偏角。

如附图1所示，在激光器1发出光束经反射镜3后，反射光入射到全反射棱镜4，随后经全反射棱镜4反射，其反射光通过第一衰减片5和第二衰减片6入射到图像采集模块2中，实现对图像的采集，然后通过数据处理模块9对采集的图像进行图像处理和数据的计算处理，获取我们需要的激光光束质量的数据。

如附图2所示，数据处理模块9包括光斑饱和判断单元91，光斑参数计算单元92，第一控制单元93，角度计算单元94，准直判断单元95，第二控制单元96和光束质量计算单元97。光斑饱和判断单元91用于接收所述图像采集模块2采集的光斑信号，并根据光斑信号的光强来判断光斑是否饱和，饱和时反馈控制所述第二衰减片6；光斑参数计算单元92用于当光斑不饱和时计算光斑信号的中心值及光斑直径；第一控制单元93用于当光斑不饱和时控制传输距离调节模块7调节光束传输距离；角度计算单元94用于根据光斑信号的中心值和光束传输距离获得光束传输角度；准直判断单元95用于将光束传输角度与设定的角度阈值进行比较；第二控制单元96用于当光束传输角度大于角度阈值时，控制所述光束传输角度调节模块8对光束传输角度进行调节；光束质量参数计算单元97用于当光束传输角度小于等于角度阈值时，根据光斑直径和光束传输距离获得光束质量参数。

光束传输距离调节模块7主要控制全反射棱镜4的移动，其由数据处理模块9中的第一控制模块控制。光束传输角度调节模块8主要通过控制反射镜3的俯仰偏转方向和水平偏转方向来控制光束俯仰角方向和水平角方向的传输角度，其由数据处理模块9中的第二控制模块控制。

在本发明实施例中，由于全反射棱镜4的入射光和反射光始终相互平行，可以直接通过控制反射镜3的偏转角度来控制最后入射图像采集模块2的入射角度，同时它还成倍的减小了平移模块所需要移动的距离，即成倍的减小的平移模块的行程，节约了成本。

系统的总体测量：

(1)初始化：如附图1所示，将光束传输距离调节模块7，光束传输角度调节模块8均与数据处理模块9相连来传输数据。将反射镜3固定在光束传输角度调节模块8上面，将全反射棱镜4固定在光束传输距离调节模块7上面。控制激光器1发出的激光光束经过反射镜3后能入射到全反射棱镜4上，在全反射棱镜4的反射光路上依次放置第一衰减片5和第二衰减片6，光路末端放置一个图像采集模块2，图像采集模块2通过数据处理模块9显示出当前的光斑图像。粗调图像采集模块2的采集方向与激光器1的发射方向，使激光器出射光能入射到图像采集模块2中，能够在数据处理模块9中显示一个完整的光斑，即尽量让光斑出现在图像的中间；

(2)光强调整：在数据处理模块9中显示的激光光斑饱和时，我们会发现其灰度图最亮区域的灰度值均为255，我们通过调节第二衰减片6，直至数据处理模块9中显示的激光光斑的灰度值在很小范围内显示为255，如通过在计数饱和点的数量，当饱和点总数少于一个阈值(如10，这个可以尽量小)了，我们就可以认为激光光斑在图像采集模块2中不再饱和了；

(3)准直：理论上在激光光束垂直入射到图像采集模块2中的光敏面时我们才认为已经完全准直了，但是实际入射到光敏面的激光光束不可能完全垂直入射到光敏面，始终会存在一定的斜入射角度，故而在不同光束传输距离下看到的激光光斑的中心值是变化的，因此可以通过测量不同距离下的光斑中心位置来确定光束斜入射角度，从而通过光束传输角度调节模块8来调整反射镜的角度，直至光束能够垂直入射到图像采集模块2的光敏面。

(4)数据采集：当准直完毕后，可以开始进行图像采集和数据处理，首先通过将全反射棱镜设置在预先设定的初始位置获得光束传输距离的初始值，随后通过光束传输距离调节模块7使全反射棱镜4朝一个方向运动，每隔固定时间(如2s)采集一个光斑图像，如此可以知道全反射棱镜4运动距离，从而获取激光光束传输距离z，记初始光束从经全反射棱镜4两次反射后到图像采集模块2的距离为z₁，在全反射棱镜4中运动的距离为z₂，,从激光器输出到入射到全反射棱镜4的距离为z₃，全反射棱镜4运动距离为z₄，那么z＝z₁+z₂+z₃+2z₄，在对采集到的图像，获取光斑的质心位置：

式中：为光斑质心的横坐标，为光斑质心的纵坐标，x_i为光斑图上任一点的横坐标；y_i为光斑图上任一点的纵坐标；I(x_i，y_i)为光斑图上任一点(x_i，y_i)处的光束强度值。在这里我们以一张图片的左上角为原点，向右为x轴，向下为y轴建立坐标系来获取各个坐标的。

我们可以根据计算的质心位置计算出光斑半径：即光斑的直径为：式中σ_x为光斑横向半径，σ_y为光斑纵向半径，ω_x为光斑横向直径，ω_y为光斑纵向直径。将激光光束传输距离z和其对应的光斑直径ω(z)分别存入数组，以供后面的数据处理。

(5)参数计算：判断数组内的采集到的数据是否达到15个，如果没有达到15个，继续使全反射棱镜4移动，否则停止运行，开始通过以下双曲线拟合公式计算激光光束质量M²因子：ω²(z)＝az²+bz+c

在测量不同光束传输距离z处的光斑直径ω(z)时，采用最小二乘法拟合求系数a、b、c，则激光光束质量参数计算依据公式如下：光束M²因子：即完成了激光光束质量的测量。

理想高斯光束的M²因子是等于1的，但是实际应用中，激光器的光束的M²因子都是大于1的，M²因子越是逼近1则说明这个激光器的光束质量越好。

本发明激光光束质量测量的光路准直过程如下：

1.初始位置记录：如附图5，假设直线DO是激光光束理想垂直入射到图像采集模块2中光敏面的情况，AA`，BB`，CC`分别是在同一入射角度下不同光束传输距离下的实际入射到图像采集模块2中光敏面的情况，A<sub>x</sub>`O，B_x`O，C<sub>x</sub>`O是分别是光束从A，B，C三点出发入射到光敏面中其在水平方向与理想入射点的距离，A_y`O，B<sub>y</sub>`O，C_y`O是分别是光束从A，B，C三点出发入射到光敏面中其在俯仰方向与理想入射点的距离。在光强调整使得光斑不在饱和后，记录下当前光斑中心的位置和全反射棱镜4的位置。

2.角度计算：移动全反射棱镜4到B点，记录下当前全反射棱镜4的位置和图像采集模块采集到的光斑中心在整个图片中的位置，移动全反射棱镜4到C点，记录下当前全反射棱镜4的位置和图像采集模块采集到的光斑中心在整个图片中的位置，这样由已知数据就可以通过以下公式求取出此时激光光束在水平偏角方向的斜入射角度θ_x和俯仰偏角方向的斜入射角度θ_y。

式中z1为全反射棱镜4从A移动到B的距离；z2为全反射棱镜4从B移动到C的距离；x1为全反射棱镜4从A移动到B中光斑中心在水平方向移动的距离；x2为全反射棱镜4从B移动到C中光斑中心在俯仰方向移动的距离；y1为全反射棱镜4从A移动到B中光斑中心在水平方向移动的距离；y2为全反射棱镜4从B移动到C中光斑中心在俯仰方向移动的距离；θ_x1为光束从B点入射到图像采集模块2时在水平方向的偏角；θ_x2为光束从C点入射到图像采集模块2时在水平方向的偏角；θ_y1为光束从B点入射到图像采集模块2时在俯仰方向的偏角；θ_y2为光束从C点入射到图像采集模块2时在俯仰方向的偏角；

3.检测：因为斜入射角度越大，激光光斑中心值测量的精度就越低，故而在最初的角度计算中求取出激光光束斜入射角度后，我们也要观察这个斜入射角度是否满足我们的需求的小角度(如0.5度)，如果大于等于这个角度则将反射镜3移动对应的角度后重新移动全反射棱镜4进行角度计算。如果小于这个角度且移动对应角度后再次进行角度计算后的角度值大于这个小角度，我们依然需要重新开始角度计算。只有在连续两次小于我们需求的小角度我们才认为准直完毕。

即我们认为此时的光束垂直入射到图像采集模块2中的光敏面，激光光束质量测量的光路准直完成。

系统的总体测量：

(1)初始化：如附图1所示，将光束传输距离调节模块7的电动平移台，光束传输角度调节模块8的电动倾斜台和电动旋转台均与数据处理模块9相连来传输数据，电动倾斜台在上面，电动旋转台在下面。将反射镜3固定在电动倾斜台的载物台上，将全反射棱镜4固定在电动平移台的载物台上。控制激光器1发出的激光光束经过反射镜3后能入射到全反射棱镜4上，在全反射棱镜4的反射光路上依次放置第一衰减片5和第二衰减片6，光路末端放置一个图像采集模块2，图像采集模块2通过数据处理模块9显示出当前的光斑图像。粗调图像采集模块2的采集方向与激光器1的发射方向，使激光器出射光能入射到图像采集模块2中，能够在数据处理模块9中显示一个完整的光斑，即尽量让光斑出现在图像的中间；

(2)光强调整：在数据处理模块9中显示的激光光斑饱和时，我们会发现其灰度图最亮区域的灰度值均为255，我们通过调节第二衰减片6，直至数据处理模块9中显示的激光光斑的灰度值在很小范围内显示为255，如通过在计数饱和点的数量，当饱和点总数少于一个阈值(如10，这个可以尽量小)了，我们就可以认为激光光斑在图像采集模块2中不再饱和了；

(3)准直：启动上位机软件上的准直开关，开始自动准直。理论上在激光光束垂直入射到图像采集模块2中的光敏面时我们才认为已经完全准直了，但是实际入射到光敏面的激光光束不可能完全垂直入射到光敏面，始终会存在一定的斜入射角度，故而在不同光束传输距离下看到的激光光斑的中心值是变化的，因此可以通过测量不同距离下的光斑中心位置来确定光束斜入射角度，从而通过电动倾斜台与电动旋转台来调整反射镜的角度，直至光束能够垂直入射到图像采集模块2的光敏面。

(4)数据采集：当系统提示自动准直完毕，首先通过将全反射棱镜设置在预先设定的初始位置，随后可以开始进行图像采集和数据处理，通过上位机软件控制电动平移台朝一个方向运动，每隔固定时间(如2s)采集一个光斑图像，如此可以知道全反射棱镜4运动距离，从而获取激光光束传输距离z，记初始光束从经全反射棱镜4两次反射后到图像采集模块2的距离为z₁，在全反射棱镜4中运动的距离为z₂，,从激光器输出到入射到全反射棱镜4的距离为z₃，全反射棱镜4运动距离为z₄，那么z＝z₁+z₂+z₃+2z₄，在对采集到的图像，获取光斑的质心位置：

式中：为光斑质心的横坐标，为光斑质心的纵坐标，x_i为光斑图上任一点的横坐标；y_i为光斑图上任一点的纵坐标；I(x_i，y_i)为光斑图上任一点(x_i，y_i)处的光束强度值。在这里我们以一张图片的左上角为原点，向右为x轴，向下为y轴建立坐标系来获取各个坐标的。

我们可以根据计算的质心位置计算出光斑半径：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&sigma;}}_x^2\left(z\right)=\frac{\mathrm{\&Sigma;}I(x_i,y_i)\&CenterDot;{(x_i-\stackrel{\&OverBar;}{x_0})}^2}{\mathrm{\&Sigma;}I(x_i,y_i)}\\ {\mathrm{\&sigma;}}_y^2\left(z\right)=\frac{\mathrm{\&Sigma;}I(x_i,y_i)\&CenterDot;{(y_i-\stackrel{\&OverBar;}{y_0})}^2}{\mathrm{\&Sigma;}I(x_i,y_i)}\end{array}\right.$

即光斑的直径为：

式中σ_x为光斑横向半径，σ_y为光斑纵向半径，ω_x为光斑横向直径，ω_y为光斑纵向直径。将激光光束传输距离z和其对应的光斑直径ω(z)分别存入数组，以供后面的数据处理。

(5)参数计算：判断数组内的采集到的数据是否达到15个，如果没有达到15个，继续使全反射棱镜4移动，否则停止运行，开始通过以下双曲线拟合公式计算激光光束质量M²因子：ω²(z)＝az²+bz+c

在测量不同光束传输距离z处的光斑直径ω(z)时，采用最小二乘法拟合求系数a、b、c，则激光光束质量参数计算依据公式如下：

光束M²因子：

即完成了激光光束质量的测量。

理想高斯光束的M²因子是等于1的，但是实际应用中，激光器的光束的M²因子都是大于1的，M²因子越是逼近1则说明这个激光器的光束质量越好。

本发明激光光束质量测量的光路准直过程如下：

1.初始位置记录：如附图5，假设直线DO是激光光束理想垂直入射到图像采集模块2中光敏面的情况，AA`，BB`，CC`分别是在同一入射角度下不同光束传输距离下的实际入射到图像采集模块2中光敏面的情况，A<sub>x</sub>`O，B_x`O，C<sub>x</sub>`O是分别是光束从A，B，C三点出发入射到光敏面中其在水平方向与理想入射点的距离，A_y`O，B<sub>y</sub>`O，C_y`O是分别是光束从A，B，C三点出发入射到光敏面中其在俯仰方向与理想入射点的距离。在光强调整使得光斑不在饱和后，记录下当前光斑中心的位置和全反射棱镜4的位置。

2.角度计算：移动全反射棱镜4到B点，记录下当前全反射棱镜4的位置和图像采集模块采集到的光斑中心在整个图片中的位置，移动全反射棱镜4到C点，记录下当前全反射棱镜4的位置和图像采集模块采集到的光斑中心在整个图片中的位置，这样由已知数据就可以通过以下公式求取出此时激光光束在水平偏角方向的斜入射角度θ_x和俯仰偏角方向的斜入射角度θ_y。

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1{\mathrm{tan\&theta;}}_{x1}=z_1\\ x_2{\mathrm{tan\&theta;}}_{x2}=z_2\\ {\mathrm{\&theta;}}_x=({\mathrm{\&theta;}}_{x1}+{\mathrm{\&theta;}}_{x2})/2\end{array}\right.\left\{\begin{array}{c}{y}_{1}tan{\mathrm{\&theta;}}_{y1}=z_1\\ y_2{\mathrm{tan\&theta;}}_{y2}=z_2\\ {\mathrm{\&theta;}}_y=({\mathrm{\&theta;}}_{y1}+{\mathrm{\&theta;}}_{y2})/2\end{array}\right.$

式中z1为全反射棱镜4从A移动到B的距离；z2为全反射棱镜4从B移动到C的距离；x1为全反射棱镜4从A移动到B中光斑中心在水平方向移动的距离；x2为全反射棱镜4从B移动到C中光斑中心在俯仰方向移动的距离；y1为全反射棱镜4从A移动到B中光斑中心在水平方向移动的距离；y2为全反射棱镜4从B移动到C中光斑中心在俯仰方向移动的距离；θ_x1为光束从B点入射到图像采集模块2时在水平方向的偏角；θ_x2为光束从C点入射到图像采集模块2时在水平方向的偏角；θ_y1为光束从B点入射到图像采集模块2时在俯仰方向的偏角；θ_y2为光束从C点入射到图像采集模块2时在俯仰方向的偏角；

3.检测：因为电动平移台行程有限，为了不让电动平移台不停的前后反复运动，我们可以通过降低精度即减小每次运动的距离来初步计算出光束偏离的角度，随后再加大每次运动的距离来提高精度。故而最初的角度计算中我们都可以采用每次移动一个固定的2cm(根据选择的电动平移台来决定)。因为斜入射角度越大，激光光斑中心值测量的精度就越低，故而在最初的角度计算中求取出激光光束斜入射角度后，我们也要观察这个斜入射角度是否满足我们的需求的小角度(如1度，这个根据自己的图像采集模块2与电动平移台的可移动距离来确定)，如果大于等于这个角度则将反射镜3移动对应的角度后重新移动全反射棱镜4进行角度计算。如果小于这个角度且移动对应角度后再次进行角度计算后的角度值大于这个小角度，我们依然需要重新开始角度计算。只有在连续两次小于我们需求的小角度我们才认为初步准直完毕，然后在进入复测。

4.复测：在初测中我们需要选择全反射棱镜4(即电动平移台每次运动的距离)每次移动的距离相对比较短，复测中为了更加精确的获得准直效果，将全反射棱镜4每次移动的距离变大，如将其移动距离变为4cm，重复步骤2的过程，获取一个角度。观察这个斜入射角度是否满足我们的需求的小角度(如0.5度，这个根据自己的图像采集模块2与电动平移台的可移动距离以及自身需求的精度来确定)，如果这个角度不符合我们需求的角度，那么重新开始步骤2，直至我们能够连续两次获取到小于我们需求的小角度那么我们就认为激光光束传播方向已经符合我们的需求，复测结束。

即我们认为此时的光束垂直入射到图像采集模块2，激光光束质量测量的光路准直完成。

本发明相对国内现有的激光光束质量测量系统来说，实现了激光光束质量的全自动测量。

附图1显示了激光光束质量测量系统的系统图，包括激光器1，图像采集模块2，反射镜3，全反射棱镜4，第一衰减片5，第二衰减片6，光束传输距离调节模块7，光束传输角度调节模块8，数据处理模块9，其中光束传输距离调节模块7与光束传输角度调节模块8，均与数据处理模块9相连，并由其控制运行距离与角度。全反射棱镜4固定在光束传输距离调节模块7上面，两者一起控制光束传输距离。反射镜3固定在光束传输角度调节模块8上面，控制光束传输角度。光束传输角度调节模块8由俯仰调节单元和水平调节单元组成，其中俯仰调节单元在上面，水平调节单元在下面，分别调节光束在俯仰方向和水平方向的偏角。在激光器1发出光束经反射镜3后，反射光入射到全反射棱镜4，随后经全反射棱镜4反射，其反射光通过第一衰减片5和第二衰减片6入射到图像采集模块2中，实现对图像的采集，然后通过数据处理模块9对采集的图像进行图像处理和数据的计算处理，获取我们需要的激光光束质量的数据。

激光器1可采用宁波明新光电有限公司的LSR635NL的半导体激光器，光斑直径为3.5mm；

图像采集模块2可采用台湾显泰SUNTIME 130E型号的相机；

反射镜3可以采用鑫恒达公司的硅反射镜片，直径选择20mm；

全反射棱镜4可采用边长为5cm的三边相等的三角反射棱镜；

第一衰减片5可采用透过率为5％～10％的可见光固定衰减片；

第二衰减片6可以采用北京莱腾奥光电科技有限公司的LORVF01型圆形渐变中性密度滤光片；

光束传输距离调节模块7中可以采用北京塞凡光电仪器有限公司的7STA01300A电动平移台，行程选择300mm；

光束传输角度调节模块8中的俯仰调节单元可以采用北京塞凡光电仪器有限公司的7SIA0205电动双轴倾斜台；水平调节单元可以采用北京塞凡光电仪器有限公司的7SRA160电动旋转台；

图2显示的是本发明数据处理模块成员图，其包括光斑饱和判断单元91，光斑参数计算单元92，第一控制单元93，角度计算单元94，准直判断单元95，第二控制单元96和光束质量计算单元97。光斑饱和判断单元91用于接收所述图像采集模块2采集的光斑信号，并根据光斑信号的光强来判断光斑是否饱和，饱和时反馈控制所述第二衰减片6；光斑参数计算单元92用于当光斑不饱和时计算光斑信号的中心值及光斑直径；第一控制单元93用于当光斑不饱和时控制传输距离调节模块7调节光束传输距离；角度计算单元94用于根据光斑信号的中心值和光束传输距离获得光束传输角度；准直判断单元95用于将光束传输角度与设定的角度阈值进行比较；第二控制单元96用于当光束传输角度大于角度阈值时，控制所述光束传输角度调节模块8对光束传输角度进行调节；光束质量参数计算单元97用于当光束传输角度小于等于角度阈值时，根据光斑直径和光束传输距离获得光束质量参数。

图3显示的是本发明的工作流程图。首先初始化，将全反射棱镜4移动到规定的位置，将光路搭建好，使得激光器1出射的光束经过反射镜3与全反射棱镜4后，反射光通过第一衰减片5和第二衰减片6后能够入射到图像采集模块2中，并且能够在计算机的数据处理模块9中显示出光斑。这时在计算机中显示的光斑可能还是饱和的，我们可以调节第二衰减片，直至计算机中显示的光斑不饱和。这时可以开始准直了，在准直完毕后即可以对参数进行测量。移动全反射棱镜4，记录下不同激光光束传输距离z以及在该传输距离下对应的激光光束的光斑直径ω(z)，在记录数据达到15组后，全反射棱镜4停止运动，开始数据计算，即可以计算出我们需要的激光光束质量。

图4显示的是准直算法流程图。首先记录下当前光斑的中心值，然后利用全反射棱镜4连续移动两次的定距离得到的不同的光斑中心位置的偏移量来联立方程式求取斜入射角度。因为斜入射角度越大，激光光斑中心值测量的精度就越低，故而在本次角度计算中求取出激光光束斜入射角度后，还需要观察这个斜入射角度是否满足我们的需求的小角度(如0.5度)，如果大于等于这个角度则将反射镜3移动对应的角度后重新移动全反射棱镜4进行角度计算；如果小于这个角度且移动对应角度后再次进行角度计算后的角度值大于这个小角度，我们依然需要重新开始角度计算。只有在连续两次小于我们需求的小角度我们才认为准直完毕。

图5为一次准直过程中一次测量的角度计算示意图。假设直线DO是激光光束理想垂直入射到图像采集模块2中光敏面的情况，AA`，BB`，CC`分别是在同一入射角度下不同光束传输距离下的实际入射到图像采集模块2中光敏面的情况，A<sub>x</sub>`O，B_x`O，C<sub>x</sub>`O是分别是光束从A，B，C三点出发入射到光敏面中其在水平方向与理想入射点的距离，A_y`O，B<sub>y</sub>`O，C_y`O是分别是光束从A，B，C三点出发入射到光敏面中其在俯仰方向与理想入射点的距离。首先移动全反射棱镜4到A点，记录下当前全反射棱镜4的位置和图像采集模块采集到的光斑中心在整个图片中的位置，再次移动全反射棱镜4到B点，记录下当前全反射棱镜4的位置和图像采集模块采集到的光斑中心在整个图片中的位置，移动全反射棱镜4到C点，记录下当前全反射棱镜4的位置和图像采集模块采集到的光斑中心在整个图片中的位置，这样由已知数据就可以通过以下公式求取出此时激光光束在水平偏角方向的斜入射角度θ_x和俯仰偏角方向的斜入射角度θ_y。

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1{\mathrm{tan\&theta;}}_{x1}=z_1\\ x_2{\mathrm{tan\&theta;}}_{x2}=z_2\\ {\mathrm{\&theta;}}_x=({\mathrm{\&theta;}}_{x1}+{\mathrm{\&theta;}}_{x2})/2\end{array}\right.\left\{\begin{array}{c}{y}_{1}tan{\mathrm{\&theta;}}_{y1}=z_1\\ y_2{\mathrm{tan\&theta;}}_{y2}=z_2\\ {\mathrm{\&theta;}}_y=({\mathrm{\&theta;}}_{y1}+{\mathrm{\&theta;}}_{y2})/2\end{array}\right.$

式中z1为全反射棱镜4从A移动到B的距离；z2为全反射棱镜4从B移动到C的距离；x1为全反射棱镜4从A移动到B中光斑中心在水平方向移动的距离；x2为全反射棱镜4从B移动到C中光斑中心在俯仰方向移动的距离；y1为全反射棱镜4从A移动到B中光斑中心在水平方向移动的距离；y2为全反射棱镜4从B移动到C中光斑中心在俯仰方向移动的距离；θ_x1为光束从B点入射到图像采集模块2时在水平方向的偏角；θ_x2为光束从C点入射到图像采集模块2时在水平方向的偏角；θ_y1为光束从B点入射到图像采集模块2时在俯仰方向的偏角；θ_y2为光束从C点入射到图像采集模块2时在俯仰方向的偏角；

图6显示的是本发明的实际应用工作流程图，也是系统软件工作流程图。首先初始化，将电动平移台移动到规定的位置，将光路搭建好，使得激光器出射的光束经过反射镜与全反射棱镜后，反射光通过第一衰减片和第二衰减片后能够入射到图像采集模块中，并且能够在计算机的数据处理模块中显示出光斑。这时在计算机中显示的光斑可能还是饱和的，我们可以调节第二衰减片，直至计算机中显示的光斑不饱和。这时启动系统软件中的准直按钮，开始自动准直。当软件中提示准直成功后就可以开始光束质量的测量了。这时启动自动测量按钮，每隔2s钟，软件就会自动存储此时激光光束传输距离z和在该传输距离下的激光光束的光斑直径ω(z)，在软件数组存储数据达到15组后，电动平移台停止运动，同时软件采用最小二乘法拟合求出拟合二项式的各个系数，然后通过计算公式，利用这些系数就可以求取出我们需要的各种激光光束的光束质量参数。

图7显示的是本次实际应用中的准直算法流程图。首先将电动平移台移动到我们设定的初始位置，并记录下当前光斑中心的位置。因为电动平移台行程有限，为了不让电动平移台不停的前后反复运动，我们可以通过降低精度即减小每次运动的距离来初步计算出光束偏离的角度，随后再加大每次运动的距离来提高精度。我们可以利用电动平移台连续移动两次的固定距离得到的不同的光斑中心位置偏移量来联立方程式求取斜入射角度。因为斜入射角度越大，激光光斑中心值测量的精度就越低，故而我们还需观察这个斜入射角度是否满足我们的需求的小角度(如1度，这个根据自己的图像采集模块2与电动平移台的可移动距离来确定)，如果大于等于这个角度则将反射镜3移动对应的角度后重新移动全反射棱镜4进行角度计算。如果小于这个角度且移动对应角度后再次进行角度计算后的角度值大于这个小角度，我们依然需要重新开始角度计算。只有在连续两次小于我们需求的小角度我们才认为初步准直完毕。在测量过程中如果在下两步测量中，电动平移台的移动距离超出了其行程，我们需要让其反方向移动。在初步准直中我们选择电动平移台移动的距离比较短，复测中为了更加精确的获得准直效果，将电动平移台每次移动的距离变大，再次测量，获取一个角度。观察这个斜入射角度是否满足我们的需求的小角度(如0.5度，这个根据自己的图像采集模块2与电动平移台的可移动距离以及自身需求的精度来确定)，将其记录下来并再次进行复测，只有连续两次满足我们需求的小角度我们认为复测结束，即认为准直完毕。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种测量激光光束质量的装置，其特征在于，包括激光器(1)，图像采集模块(2)，反射镜(3)，全反射棱镜(4)，第一衰减片(5)，第二衰减片(6)，光束传输距离调节模块(7)，光束传输角度调节模块(8)和数据处理模块(9)；

所述反射镜(3)与所述光束传输角度调节模块(8)固定连接，通过所述光束传输角度调节模块(8)调节所述反射镜(3)的偏转角度来控制光束传输角度；

所述全反射棱镜(4)设置在光束传输距离调节模块(7)上，通过所述全反射棱镜(4)在所述光束传输距离调节模块(7)上移动来控制光束传输距离；

所述第一衰减片(5)、所述第二衰减片(6)和所述图像采集模块(2)依次设置在所述全反射棱镜(4)的反射光路上；

所述图像采集模块(2)、所述光束传输距离调节模块(7)和所述光束传输角度调节模块(8)分别与所述数据处理模块(9)连接；

所述激光器(1)输出的光束经所述反射镜(3)反射后入射至所述全反射棱镜(4)，经所述全反射棱镜(4)反射的光依次通过所述第一衰减片(5)和第二衰减片(6)后入射至所述图像采集模块(2)；

所述图像采集模块(2)采集不同传输距离的光斑信号，数据处理模块(9)对光斑信号进行处理，当光斑饱和时反馈控制所述第二衰减片(6)对光斑强度进行调节；当光斑不饱和时，控制所述光束传输距离调节模块(7)对光束传输距离进行调节；判断光束是否准直，若否则控制光束传输角度调节模块(8)对光束传输角度进行调节；若是则获得光束质量参数。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块(9)包括光斑饱和判断单元(91)、光斑参数计算单元(92)、第一控制单元(93)、角度计算单元(94)、第二控制单元(96)、准直判断单元(95)和光束质量参数计算单元(97)；

光斑饱和判断单元(91)用于接收所述图像采集模块(2)采集的光斑信号，并根据光斑信号的光强来判断光斑是否饱和，饱和时反馈控制所述第二衰减片(6)；

光斑参数计算单元(92)用于当光斑不饱和时计算光斑信号的中心值及光斑直径；

第一控制单元(93)用于当光斑不饱和时控制光束传输距离调节模块(7)调节光束传输距离；

角度计算单元(94)用于根据光斑信号的中心值和光束传输距离获得光束传输角度；

准直判断单元(95)用于将光束传输角度与设定的角度阈值进行比较；

第二控制单元(96)用于当光束传输角度大于角度阈值时，控制所述光束传输角度调节模块(8)对光束传输角度进行调节；

光束质量参数计算单元(97)用于当光束传输角度小于等于角度阈值时，根据光斑直径和光束传输距离获得光束质量参数。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，光束传输角度调节模块(8)包括俯仰调节单元和水平调节单元；

俯仰调节单元用于根据第二控制单元(96)输出的俯仰角调节信号控制所述反射镜(3)在俯仰方向的偏转；

水平调节单元用于根据第二控制单元(96)输出的水平角调节信号控制所述反射镜(3)在水平方向的偏转。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二衰减片(6)为透过率可调的衰减片。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述的装置的光路准直方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1将全反射棱镜沿着同一个方向移动至少两次，获得不同的光束传输距离以及与光束传输距离对应的光斑中心值；

S2根据不同的光束传输距离以及与光束传输距离对应的光斑中心值获得当前光束传输角度；

S3判断当前光束传输角度是否小于设定的角度阈值，若否则转入步骤S4；若是，则准直完成；

S4通过光束传输角度调节模块调节反射镜偏转所述当前光束传输角度，并返回至步骤S1。

6.如权利要求5所述的光路准直方法，其特征在于，所述角度阈值为0.5度。

7.一种测量激光光束质量的方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)通过将全反射棱镜设置在预先设定的初始位置获得光束传输距离的初始值；

(2)采集全反射棱镜位于初始位置时的光斑信号；

(3)根据光斑信号的光强来判断光斑是否饱和，若否则转入步骤(5)；若是转入步骤(4)；

(4)通过第二衰减片调节光斑强度并转入步骤(2)；

(5)对光路进行准直调节；

(6)将全反射棱镜沿着同一个方向多次移动，实时采集全反射棱镜位于不同位置时的光斑信号，并利用所述光束传输距离的初始值获得不同的光束传输距离以及与光束传输距离对应的光斑直径；

(7)判断采集次数是否达到设定的次数阈值，若否则返回步骤(6)，若是则转入步骤(8)；

(8)根据不同的光束传输距离以及与光束传输距离对应的光斑直径并采用双曲线拟合方法获得光束质量参数。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(5)具体为：

(5.1)将全反射棱镜沿着同一个方向移动至少两次，获得不同的光束传输距离以及与光束传输距离对应的光斑中心值；

(5.2)根据不同的光束传输距离以及与光束传输距离对应的光斑中心值获得当前光束传输角度；

(5.3)判断当前光束传输角度是否小于设定的角度阈值，若否则转入步骤(5.4)；若是，则准直完成；

(5.4)通过光束传输角度调节模块调节反射镜偏转所述当前光束传输角度，并返回至步骤(5.1)。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述次数阈值为15。