CN104062098B - 一种双线阵ccd扫描成像测量光束质量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双线阵CCD扫描成像快速测量激光光束质量的装置，包括计算机、电控平移台、设置在电控平移台上的手动角位台和设置在手动角位台上的安装有被测激光器的电控旋转台，还包括以被测激光器为中心顺时针依次设置的第二线阵CCD、面阵CCD和第一线阵CCD，第一线阵CCD与被测激光器的距离为Z₂大于第二线阵CCD与被测激光器的距离为Z₁。还公开了一种双线阵CCD扫描成像快速测量激光光束质量的方法。本发明通过双线阵CCD快速地获取大尺寸线状长条(水平方向×垂直方向为90°×2°)的激光光束的能量分布，利用其能量分布对计算视野角角度、各视野方向相对强度分布、发散角、俯仰角等光束质量参数。

Description

一种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的装置及方法

技术领域

本发明涉及激光光束质量的测量技术领域，具体涉及一种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的装置，还涉及一种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的方法，适用于对于大尺寸线状长条的激光光束质量进行快速测量。

背景技术

光束质量是激光应用中极为重要的参数，它是激光束定向传输能力的量度，直接影响到激光的应用范围和应用效率，如何有效地检测和评价激光光束质量是成为激光技术研究中的关键问题。国际标准化ISO11146-1/2/3制定了光束质量的应的测量标准，包括两维面阵探测系统或二维单元扫描系统、套孔法、移动刀口法和移动狭缝法。目前市场上也有基于不同原理的光束质量测量仪，如面阵CCD成像法、刀口法、狭缝法、套筒法等。Siegman提出的M2因子用来作为评价光束质量的一个行业标准，它指在相同腰围尺寸下有限衍射光束的发散与光束发散的比值。作为M2因子的重要参数，光束发散角反映远距离传输时的发散特性，其关键就是确定激光光束的能量分布。ISO-TR11146-1-2005也将基于光束能量分布的光束发散角作为评价光束质量的标准参数之一。上述方法分别适用于不同的光束大小、波长范围、重复频率以及激光功率。这两种方法在测试时都依赖于光束形状，可能与实际光束发散角不匹配，而且光圈法仅适用于圆形对称光束，并不适用于半导体激光器的椭圆光束。刀口法的测试依赖于光束的模式、触发基准和矫正因子的确定，这些参数有可能会引起较大的测试误差。其中CCD是目前激光光束质量中成熟的技术，但是ISO标准建议的方法需要通过一段时间不断移动CCD采集在光束近场和远场不同位置上的光斑能量分布，测试速度慢，实时性差。

为了提高光束质量测试的实时性，房滔等提出基于衍射光栅测量光束质量的实时检测技术，于永爱等提出基于平板反射镜组成的多平面成像系统测量光束质量，R.Cortes[Cortes,R.et al,"Laser beam quality factor(M²)measured by distorted Fresnelzone plates,"Revista Mecicane De Fisica.2008,54(4),279-283],Robert W.Lambert[Lambert,R.W.et al.,"Compact optical system for pulse-to-pulse laser beam quality measurement andapplications in laser machining,"Appl.Opt..2004,43(26),5037-5046.]和Haotong Ma[Ma,H.T.,et al.,"Simultaneous displacement and angular drift measurement based on defocus grating,"Appl.Opt..2010,49(23),4420-4426]分别提出了基于扭曲光栅波前传感法测量光束质量.，Oliver A.Schmidt[Schmidt,O.A.,et al,"Real-time determination of laser beamquality by modal decomposition,"Opt.Express.2011,19(7),6741-6748.]and DanielFlamm[Flamm,D.,et al,"Fast M2measurement for fiber beams based on modalanalysis,"Appl.Opt.2012,51(7),987-993.]也提出利用模式分解的方法计算光束质量。但是目前的方法都不能适用于大尺寸线状长条(水平方向×垂直方向为90°×2°)的激光光束测量，这种激光往往会用在测距、目标探测等领域，上述方法也无法测试激光光束各视野方向发射角、俯仰角、各视野方向发射光束相对强度。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的装置，还提供一种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的方法，适用于大尺寸线状长条(水平方向×垂直方向为90°×2°)的激光光束质量的测量，采用该装置及方法可以快速地对其光束进行评价与测量，该方法也适用于圆形、椭圆形等激光光束质量地快速测量。

一种双线阵CCD扫描成像快速测量激光光束质量的装置，包括计算机，其特征在于，还包括电控平移台、设置在电控平移台上的手动角位台和设置在手动角位台上的安装有被测激光器的电控旋转台，还包括以被测激光器为中心顺时针依次设置的第二线阵CCD、面阵CCD和第一线阵CCD，第一线阵CCD与被测激光器的距离为Z₂大于第二线阵CCD与被测激光器的距离为Z₁，还包括用于控制电控旋转台进行旋转和用于控制电控平移台平移的运动控制器，第一线阵CCD和第二线阵CCD均通过线阵CCD图像采集卡与计算机连接，面阵CCD通过面阵CCD图像采集卡与计算机连接，计算机与运动控制器连接。

一种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的方法：

步骤1：对第一线阵CCD和第二线阵CCD进行非线性校正；

步骤2：安装非线性校正后的第一线阵CCD和第二线阵CCD，将被测激光器安装到电控旋转台上，调整手动角位台保证被测激光器水平，通过面阵CCD监测激光器光束在接收屏上的像点，控制电控平移台前后移动进行被测激光器光束像点的调节，直到像点清晰；

步骤3：控制电控旋转台使得被测激光器朝向第二线阵CCD，并以预定的间隔正负旋转，通过第二线阵CCD获取激光光束相对光强分布，计算相对光强最大值，该相对光强最大位置为零位并记录，将相对光强最大值的预定百分比作为阈值，然后使电控旋转台归零，使被测激光器正对第二线阵CCD；

步骤4：控制电控旋转台以预定的间隔顺时针转，找到光强值小于步骤3获得的阈值对应的角度，即为边界1，再控制电控旋转台反方向转，找到另一半光强值小于阈值对应的角度，即为边界2；

步骤5：测量视野角度，控制电控旋转台进行从边界2旋转扫描至边界1，扫描完成后，即得到相对光强随在每个扫描角度上的分布，光束强度的峰值，选取扫描得到的光强值的峰值强度的1/e²点对应的两个角度，两个角度的差值θ₂-θ₁为视野角度。

还包括步骤6：测量发散角，控制电控旋转台进行从边界2旋转扫描至边界1，用第一线阵CCD和第二线阵CCD采集每个视野角度对应的纵向光强分布曲线，得到每个视野角度对应位置的束宽d₂和d₁，发散角由下式获得：

$\mathrm{\θ}=\frac{d_2-d_1}{z_2-z_1}.$

还包括步骤7：测量俯仰角，控制电控旋转台进行从边界2旋转扫描至边界1，用第一线阵CCD和第二线阵CCD采集各个视野角度纵向光强分布曲线计算各视野角度对应的出射光束俯仰角：

式中：△Z是指第一线阵CCD到被测激光器之间的距离Z₂与第二线阵CCD到被测激光器之间的距离Z₁的差值，

h₁和h₂为光束中心位置，即光束强度的重心，以每个像素点为基本单位，每个像素点上的光强为I_i，像素大小为Δp，则光束中心位置可表示为：

$h=\frac{\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{i\Δp}{I}_i}{\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i}$

式中，N为CCD上总的像素个数。

如上所述的步骤1包括以下步骤：

分别将待测第一线阵CCD和第二线阵CCD光敏面与高精度照度计的探头各自安装在积分球的输出窗口，用30W的白光LED照射积分球输入窗口后从输出窗口输出均匀光场，通过调节白光LED的供电电流以改变光通量，从而在积分球输出窗口上获得变化的光照度，第一线阵CCD和第二线阵CCD输出的信号通过图像采集卡送入计算机，高精度照度计检测到的照度值输入到计算机中，测试时，关掉第一线阵CCD和第二线阵CCD的自动增益控制，测试第一线阵CCD和第二线阵CCD的实际响应曲线，在同样的光照度下用曲线拟合后的标准值代替实测值，即完成补偿。

如上所述的步骤5、步骤6、步骤7中控制电控旋转台进行从边界2旋转扫描至边界1时旋转扫描精度设置为1°或0.5°或0.25°。

如图1所示将第一线阵CCD4放置于近场位置z₂，第二线阵CCD5放置于远场位置z₁，两者之间夹角为φ＝30°，将待测激光器14固定在运动控制器9控制的电动旋转台2上，旋转电动旋转台2，待测激光器14发出的线状光束将依次扫过第一线阵CCD4和第二线阵CCD5，计算机10首先通过运动控制器9控制电动旋转台2带动待测激光器14以1°的间隔正负旋转90°，获取激光光束相对光强分布，计算相对光强最大值，将相对光强最大值的10％作为阈值，然后将电控旋转台1归零正对待测激光器14。再通过计算机10控制电控旋转台1以1°的间隔顺时针转，找到光强值小于阈值对应的角度，即为边界1，再反方向转，找到另一半光强值小于阈值对应的角度，即为边界2。控制电控旋转台1进行从边界2旋转扫描至边界1，旋转扫描精度可以设置为1°、0.5°、0.25°，待测激光器14发出的光束依次扫过第一线阵CCD4和第二线阵CCD5，计算机通过图像采集卡12采集光强数据，通过数据处理和分析得到激光光束质量参数，包括视野角角度、各视野方向相对强度分布、发散角、俯仰角等。带通滤光片13(FWHM为±20nm，透过率大于85％)用来滤除杂散光。在第一线阵CCD4和第二线阵CCD5之间安装一个面阵CCD成像系统(成像接收屏7、带通滤光片13、面阵CCD6)，可观察到部分激光光束，可以用于检测激光器整形镜的位置是否放置正确。系统结构示意图如图1所示。整个装置测试流程图如图4所示。

通过双线阵CCD快速地获取大尺寸线状长条(水平方向×垂直方向为90°×2°)的激光光束的能量分布，利用其能量分布对计算视野角角度、各视野方向相对强度分布、发散角、俯仰角等光束质量参数，该方法也适用于圆形、椭圆形等激光光束质量的快速测量。

附图说明

图1本发明装置结构示意图；

图2激光光束发散角测量原理图；

图3激光光束俯仰角测量示意图；

图4系统测试流程图。

图中：1-电控旋转台；2-手动角位台；3-电控平移台；4-第一线阵CCD；5-第二线阵CCD；6-面阵CCD；7-成像接收屏；8-光学平台；9-运动控制器；10-计算机；11-面阵CCD图像采集卡；12-线阵CCD图像采集卡；13-带通滤光片；14-被测激光器。

具体实施方式

根据图1所示，激光光束质量的测量装置包括电控旋转台1、手动角位台2、电控平移台3、第一线阵CCD4、第二线阵CCD5、面阵CCD6、成像接收屏7、光学平台8、运动控制器9、计算机10、面阵CCD图像采集卡11、线阵CCD图像采集卡12、带通滤光片13、被测激光器14。第一线阵CCD4和第二线阵CCD5选用像素不大于7um，有效像元数不少于5000，300-1000nm光谱响应范围的线阵CCD；面阵CCD6选用1/2吋、795(H)×596(V)的面阵CCD；成像接收屏7选用BK7制作的毛玻璃，粒度#600；光学平台8选用铁磁不锈钢台面，该平台平面度≤0.1，台面尺寸(长×宽×厚)。电控旋转台1台面直径100mm，传动比180:1，旋转角度360°，最大分辨率(8细分)0.00125°，定位重复性≤0.004°，电控平移台3行程200mm，最大分辨率(8细分)0.0025mm，定位重复性≤0.005mm；角位台调整范围为±15°，精度为5′。运动控制器9选用与电控旋转台1、电控平移台3配套的运动控制器。面阵CCD图像采集卡11选用与面阵CCD6配套的图像采集卡，线阵CCD图像采集卡12选用可以同时控制线阵CCD4和线阵CCD5的线阵CCD图像采集卡。

其中，手动角位台2安装在电控平移台3上，电控旋转台1安装在手动角位台2上，被测激光器14通过螺钉卡口固定在电控旋转台1上，带通滤光片13(FWHM为±20nm，透过率大于85％)分别安装在第一线阵CCD4、第二线阵CCD5和面阵CCD6上，用于屏蔽环境光干扰，成像接收屏7放置于面阵CCD6前150mm处，激光器光束在成像接收屏7上的像点的移动可以通过面阵CCD6监测，以方便调试。第一线阵CCD4和第二线阵CCD5的图像数据由线阵CCD图像采集卡12获取，送入计算机10进行数据处理，从而计算光束参数。面阵CCD6的图像数据由面阵CCD图像采集卡11获取，送入计算机10进行显示。其中第二线阵CCD5和第一线阵CCD4到被测激光器14的距离的位置分别为z₁＝0.31m，z₂＝0.63m，距离Δz＝z₂-z₁，第一线阵CCD4与被测激光器14之间构成的直线和第二线阵CCD5与被测激光器14之间构成的直线的夹角为φ＝30°，被测激光器14发光面正对第一线阵CCD4的光敏面，面阵CCD6的位置可放置于第一线阵CCD4与被测激光器(14)之间构成的直线和第二线阵CCD5与被测激光器14之间构成的直线的夹角中任意位置，电控平移台3用来调整待测激光器与第一线阵CCD4、第二线阵CCD5之间的位置。所有部件均通过可调节光具座安装于铁磁不锈钢台面光学平台8上，保持等高。

用双线阵CCD扫描成像快速测量激光光束质量的方法：步骤1：由于第一线阵CCD4和第二线阵CCD5中感光光敏元的灵敏度差异性，光电转换的非线性误差，灰度值V_CCD与光照度I_E的非线性关系，需要对数字图像数据进行非线性校正。分别将待测第一线阵CCD4和第二线阵CCD5光敏面与高精度照度计的探头各自安装在积分球的输出窗口，用30W的白光LED照射积分球输入窗口后从输出窗口输出均匀光场，通过调节高精度直流恒流电源改变白光LED的供电电流以改变光通量，从而在积分球输出窗口上获得变化的光照度。第一线阵CCD4和第二线阵CCD5输出的信号通过图像采集卡送入计算机10，高精度照度计检测到的照度值也可以通过软件输入到计算机10中。测试时，关掉第一线阵CCD4和第二线阵CCD5的自动增益控制。正确测试CCD的实际响应曲线，在同样的光照度下用曲线拟合后的标准值代替实测值，即完成补偿。

步骤2：将进行非线性校正后的第一线阵CCD4和第二线阵CCD5按图1要求安装在光学平台8上，将待测激光器14安装到电控旋转台1上，调整手动角位台2保证待测激光器14水平。打开计算机10和运动控制器9的电源开关，通过面阵CCD6监测激光器光束在接收屏上的像点，控制电控平移台3前后移动进行被测激光器光束像点的调节，直到像点清晰。

步骤3：通过计算机10控制电控旋转台1使得被测激光器(14)朝向第二线阵CCD5，并以1°的间隔正负旋转90°，通过第二线阵CCD5获取激光光束相对光强分布，计算相对光强最大值，该相对光强最大位置为零位并记录，将相对光强最大值的10％作为阈值，然后使电控旋转台1归零，使测激光器14正对第二线阵CCD5。

步骤4：通过计算机10控制电控旋转台1以1°的间隔顺时针转，找到光强值小于阈值对应的角度，即为边界1，再反方向转，找到另一半光强值小于阈值对应的角度，即为边界2。通过第二线阵CCD5来回转动寻找左右边界。

步骤5：测量视野角度，控制电控旋转台1进行从边界2旋转扫描至边界1，旋转扫描精度可以设置为1°或0.5°或0.25°，扫描完成后，即得到相对光强随在每个扫描角度上的分布，光束强度的峰值，选取扫描得到的光强值的峰值强度的1/e²点对应的两个角度，两个角度的差值θ₂-θ₁为视野角度。

步骤6：测量发散角，控制电控旋转台1进行从边界2旋转扫描至边界1，旋转扫描精度可以设置为1°或0.5°或0.25°，用位置z₁的第二线阵CCD5和位置z₂的第一线阵CCD4，采集每个视野角度对应的纵向光强分布曲线，(激光光束是一根很长的线状光束，这个线状光束的长就是我们指的横向，宽就是我们指的纵向，在图1中也就是垂直于纸面的是纵向，平行于纸面的是横向)，通过噪声滤除、边缘检测、灰度修正处理，还原真实光强分布，得到每个视野角度对应位置的束宽d₁和d₂，在远场情况下，束宽符合直线方程，采用两点拟合的方法，利用几何关系，如图2所示，可得：

$\mathrm{\θ}\≈\mathrm{\α}=2\arg \mathrm{}\tan \frac{d_2-d_1}{2(z_2-z_1)}\≈\frac{d_2-d_1}{z_2-z_1}---\left(1\right)$

其中z₂为第一线阵CCD(4)到被测激光器(14)之间的距离，z₁为第二线阵CCD(5)到被测激光器(14)之间的距离。

步骤7：测量俯仰角说明，控制电控旋转台1进行从边界2旋转扫描至边界1，旋转扫描精度可以设置为1°或0.5°或0.25°，用位置z₂的第一线阵CCD4和位置z₁的第二线阵CCD5采集各个视野角度纵向光强分布曲线计算各视野角度对应的出射光束俯仰角，如图3所示，根据几何关系，可得：

式中：△Z是指第一线阵CCD4到待测激光器14之间的距离z₂与第二线阵CCD5到待测激光器14之间的距离z₁的差值。

式(2)中h₁和h₂为第二线阵CCD5和第一线阵CCD4的光束中心位置，可用光束强度的重心表示。假设以每个像素点为基本单位，每个像素点上的光强为I_i，像素大小为Δp，则光束中心位置可表示为：

$h=\frac{\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{i\Δp}{I}_i}{\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i}---\left(3\right)$

N为CCD上总的像素个数。

步骤5、6、7在控制电控旋转台1进行从边界2旋转扫描至边界1的一次扫描过程中完成，旋转扫描精度可以设置为1°或0.5°或0.25°。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的方法，利用一种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的装置，包括计算机(10)，还包括电控平移台(3)、设置在电控平移台(3)上的手动角位台(2)和设置在手动角位台(2)上的安装有被测激光器(14)的电控旋转台(1)，还包括以被测激光器(14)为中心顺时针依次设置的第二线阵CCD(5)、面阵CCD(6)和第一线阵CCD(4)，第一线阵CCD(4)与被测激光器(14)的距离为Z₂大于第二线阵CCD(5)与被测激光器(14)的距离为Z₁，还包括用于控制电控旋转台(1)进行旋转和用于控制电控平移台(3)平移的运动控制器(9)，第一线阵CCD(4)和第二线阵CCD(5)均通过线阵CCD图像采集卡(12)与计算机(10)连接，面阵CCD(6)通过面阵CCD图像采集卡(11)与计算机(10)连接，计算机(10)与运动控制器(9)连接，其特征在于，

步骤1：对第一线阵CCD(4)和第二线阵CCD(5)进行非线性校正；

步骤2：安装非线性校正后的第一线阵CCD(4)和第二线阵CCD(5)，将被测激光器(14)安装到电控旋转台(1)上，调整手动角位台(2)保证被测激光器(14)水平，通过面阵CCD(6)监测激光器光束在接收屏上的像点，控制电控平移台(3)前后移动进行被测激光器光束像点的调节，直到像点清晰；

步骤3：控制电控旋转台(1)使得被测激光器(14)朝向第二线阵CCD(5)，并以预定的间隔正负旋转，通过第二线阵CCD(5)获取激光光束相对光强分布，计算相对光强最大值，该相对光强最大位置为零位并记录，将相对光强最大值的预定百分比作为阈值，然后使电控旋转台(1)归零，使被测激光器(14)正对第二线阵CCD(5)；

步骤4：控制电控旋转台(1)以预定的间隔顺时针转，找到光强值小于步骤3获得的阈值对应的角度，即为边界1，再控制电控旋转台(1)反方向转，找到另一半光强值小于阈值对应的角度，即为边界2；

步骤5：测量视野角度，控制电控旋转台(1)进行从边界2旋转扫描至边界1，扫描完成后，即得到相对光强随在每个扫描角度上的分布，光束强度的峰值，选取扫描得到的光强值的峰值强度的1/e²点对应的两个角度，两个角度的差值θ₂-θ₁为视野角度。

2.根据权利要求1所述的一种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的方法，其特征在于：

还包括步骤6：测量发散角，控制电控旋转台(1)进行从边界2旋转扫描至边界1，用第一线阵CCD(4)和第二线阵CCD(5)采集每个视野角度对应的纵向光强分布曲线，得到每个视野角度对应位置的束宽d₂和d₁，发散角由下式获得：

$\mathrm{\θ}=\frac{d_2-d_1}{z_2-z_1}.$

3.根据权利要求2所述的一种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的方法，其特征在于：

还包括步骤7：测量俯仰角，控制电控旋转台(1)进行从边界2旋转扫描至边界1，用第一线阵CCD(4)和第二线阵CCD(5)采集各个视野角度纵向光强分布曲线计算各视野角度对应的出射光束俯仰角：

式中：△Z是指第一线阵CCD(4)到被测激光器(14)之间的距离Z₂与第二线阵CCD(5)到被测激光器(14)之间的距离Z₁的差值，

h₂和h₁为光束中心位置，即光束强度的重心，以每个像素点为基本单位，每个像素点上的光强为I_i，像素大小为Δp，则光束中心位置可表示为：

$h=\frac{\underset{i=0}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{i\ΔpI}}_i}{\underset{i=0}{\overset{N}{\Σ}}{I}_i}$

式中，N为CCD上总的像素个数。

4.根据权利要求1-3所述的任意一种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的方法，其特征在于，所述的步骤1包括以下步骤：

分别将待测第一线阵CCD(4)和第二线阵CCD(5)光敏面与高精度照度计的探头各自安装在积分球的输出窗口，用30W的白光LED照射积分球输入窗口后从输出窗口输出均匀光场，通过调节白光LED的供电电流以改变光通量，从而在积分球输出窗口上获得变化的光照度，第一线阵CCD(4)和第二线阵CCD(5)输出的信号通过图像采集卡送入计算机(10)，高精度照度计检测到的照度值输入到计算机(10)中，测试时，关掉第一线阵CCD(4)和第二线阵CCD(5)的自动增益控制，测试第一线阵CCD(4)和第二线阵CCD(5)的实际响应曲线，在同样的光照度下用曲线拟合后的标准值代替实测值，即完成补偿。

5.根据权利要求3所述的一种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的方法，其特征在于，所述的步骤5、步骤6、步骤7中控制电控旋转台(1)进行从边界2旋转扫描至边界1时旋转扫描精度设置为1°或0.5°或0.25°。