CN104537656B - 光纤扩束准直镜筒出射偏心高斯光束的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤扩束准直镜筒出射偏心高斯光束的检测方法，包括构建CCD摄像装置，调节待检测镜筒的机械轴与图像采集平面垂直，图像采集、处理及偏心检测的三个步骤组成。本发明对因光学元件偏轴失调产生的偏心高斯光束而引起的垂直于机械轴截面上的光强分布不均性能有效地检测，能较为准确地获得垂直于镜筒机械轴面上的光强分布数据，能快速地进行检测，能获得垂直于机械轴的截面上的不同方向上的光强分布信息。本发明具有方法简单、实用、可靠性高等优点，可在冷原子研究领域、喷泉钟研究领域以及激光传输工程中推广使用。

Description

光纤扩束准直镜筒出射偏心高斯光束的检测方法

技术领域

本发明属于光电精密检测技术领域，可用于光纤扩束准直镜筒出射偏心高斯光束的检测。

背景技术

在冷原子喷泉钟的研究领域中，应用于磁光阱的激光束是由光纤扩束准直镜产生，激光束的准直性、同轴性和光斑强度分布的均匀性对于喷泉钟使用的冷原子样品的制备至关重要。在各个光学器件没有失调的理想情况下，光纤扩束准直镜筒出射光束波前的波矢应该与扩束准直光学系统的光轴(也即镜筒的机械轴)平行；出射光束在垂直于镜筒机械轴的截面上的光斑大小沿机械轴方向不变；出射光束的光强最大值轨迹应该沿着镜筒的机械轴，而在垂直于机械轴截面上的光强分布应该是以镜筒机械轴为对称轴的圆对称的高斯分布，这样的光束就具有了良好的同轴性、准直性和光强分布均匀性。然而由于各种原因引起的光学失调不可避免，离焦将破坏准直性，在垂直于机械轴的截面上光斑大小沿轴向会发生改变；入射光离轴将破坏同轴性，出射光波波前的波矢将不再平行于机械轴；而入射光的离轴和偏轴都将破坏光斑的均匀性，出射光束的光强最大值轨迹不再沿着机械轴传播，出射的光束将是偏心高斯光束，垂直于机械轴的光束截面的光强分布不再均匀。

因此，由于系统光学元件失调而造成的光纤扩束准直镜筒出射光束光强分布的不均匀性的检测可以通过偏心高斯光束的检测来获得。而光纤扩束准直镜筒在离焦和离轴都已经校正好的情况下，出射的高斯光束的强度分布的检测现在多用小孔扫描法(参见：1.陈江，铯原子喷泉钟冷原子粘团的制备及参数测量[D],西安，2012；2.段小春，原子干涉重力梯度测量原理性实验研究[D],武汉，2011)即分别沿两个正交的方向移动小孔对光斑的强度进行扫描。小孔扫描法要确保小孔行进的方向与镜筒机械轴垂直是非常困难的，而要确保小孔移动轨迹就是激光圆形光斑的直径也是困难的，因而难以准确得到垂直于镜筒机械轴的光斑的强度分布结果；并且小孔扫描法费时长，虽然可以在激光功率稳定后进行检测，但长时间的检测过程中难免会有功率起伏，造成测量误差，而实现激光功率稳定又需要一套造价不菲的反馈控制系统；小孔扫描法虽然能得到两个正交方向上光强分布的高斯曲线，但不能准确地反映出高斯光束光强最大值位置是否与镜筒机械轴重合或者其偏离机械轴的程度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种可准确获得垂直于光纤扩束准直镜筒机械轴的高斯光束截面强度分布，并测量出偏心高斯光束的光强最大值与机械轴的偏离量的方法，通过对偏心高斯光束的检测可以实现光纤扩束准直镜筒光强分布不均匀性的检测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一，搭建拍摄装置，能够获取从扩束准直镜筒出射的高斯光束在垂直于机械轴截面上的光强分布数据；所述的拍摄装置将光学石英玻璃片和双面磨砂毛玻璃片紧紧贴后固定在一个镜架上，镜架和滤光片平行固定在底板上，CCD相机通过一维平移台安装在底板上，能够沿镜架的轴线平移，CCD相机的镜头轴向与双面磨砂毛玻璃片垂直；底板固定在一个能够调节竖直和水平倾角的二维调节架上，二维调节架通过一个螺旋升降杆与另一个水平的一维平移台连接，两个一维平移台的平移方向相互垂直；

步骤二，调节拍摄装置，通过调节固定CCD相机的一维平移台和CCD相机的焦距，使CCD相机能对双面磨砂毛玻璃片表面清晰成像；将已调节好离焦和离轴的扩束准直镜筒与拍摄装置一起固定在光学平台上，使扩束准直镜筒的轴线高度与拍摄装置的光学石英玻璃片的中心高度相同，并调节镜筒轴线的方向与光学石英玻璃片的平面垂直；在镜筒的出射端置入一个开孔在镜筒轴上的小孔光阑；调节拍摄装置的二维调节架，使得从小孔出射的光束经过光学石英玻璃片的反射后能沿原路返回入射到小孔中；取下小孔光阑，由镜筒出射的光束经过光学石英玻璃片后在毛玻璃面上形成的光斑图像即是垂直于扩束准直镜筒光轴的光强分布数据；

步骤三，利用获取的光斑图像检测偏心高斯光束，包括以下步骤：

步骤1、将获取的光斑图像转变为256个灰度级的灰度图像G(x,y)，找出其中最大的灰度级G_max；如果210<G_max<240，表明所获取的光斑图像的照明光强是合适的，进行下一步骤；如果G_max>240或G_max<210，则调节扩束准直镜筒的出射光强而重新采集光斑图像；

步骤2、将上述灰度图像的像素按灰度级进行统计，计算出灰度直方图，采用一个长度为9的游动窗口在直方图数据序列H中从灰度值为0到G_max/e²的范围内搜索第一极小值G_f-min；根据步骤1得到的最大灰度级确定出光斑强度1/e处的光斑图像的灰度级G_e；

步骤3、在全图像范围内搜索灰度级与G_f-min相等的像素，记录下它们的坐标(x_G，y_G)，在相应的坐标序列中搜索出横坐标的最大值x_max和最小值x_min以及纵坐标的最大值y_max和最小值y_min，估计出光斑区域的中心位置坐标x_c＝(x_max+x_min)/2，y_c＝(y_max+y_min)/2以及光斑区域的大致半径

步骤4、对全图像进行搜索，如果像素点(x,y)的灰度值满足G_f-min≤G(x,y)≤G_e，则该像素的灰度值设定为255，否则该像素的灰度值设定为0，形成了一个在黑色背景下的白色圆环分布的图像；

步骤5、应用图像边缘检测算子检测由步骤4得到的白色圆环分布的图像，得到白色圆环的两个边缘图像，即两个白色的线状的圆分布图像；

步骤6、利用步骤5所得的边缘图像，分别获取两个圆形边缘的各个像素点的图像坐标数据序列(x₁(m)、y₁(m))和(x₂(n)、y₂(n))；

步骤7、根据步骤6所得的两个圆形边缘的图像坐标数据序列(x₁(m)，y₁(m))和(x₂(n),y₂(n))，利用圆形拟合的最小二乘法分别计算两个圆形边缘各自的圆心坐标(x_1c,y_1c)和(x_2c,y_2c)；根据所得的圆心坐标计算两个圆心的偏离量Δ_x＝x_2c-x_1c，Δ_y＝y_2c-y_1c，偏离方位角

两个圆心的偏离量如果小于0.5个像素，则给出两个圆心重合无偏心的检测结果；否则检测结果即为计算出的偏离量与偏离方位角；

步骤8、以计算出的高斯强度1/e的圆形分布的圆心为中心，根据在步骤1得到的灰度图像，按照检测者需求的角度获取通过该中心直线上的数据，以此数据作出该考察角度上的强度分布曲线；以计算得到的光斑区域的圆心为中心，以相同考察角度作出过该中心的直线上的光强分布曲线。

所述步骤2的算法为：

2.1)从灰度级为5开始，对于一个直方图灰度级n(5≤n≤G_max/e²)，使m从1到9计算，W(m)＝H(n+m-5)-H(n)(1≤m≤9)；

2.2)如果W(m)≥0，标记flag(m)＝0；如果W(m)<0，标记flag(m)＝1；

计算标记序列flag(m)的1—范数F_N＝Σ|flag(m)|；

2.3)如果F_N>0，则n增加1，返回步骤2.1)；如果F_N＝0，计算灰度级在0到n-1的直方图的最大值M_L，计算灰度级在n到G_max/e²的直方图的最大值M_R，如果M_L/M_R>5，则此时n即为两个峰之间的最小灰度级G_f-min，结束搜索过程；否则n增加1，返回步骤2.1)。

所述步骤6的算法为：

6.1)根据采集到的图像的像素矩阵的尺寸M×N以及步骤3所得的光斑区域半径确定分离两个圆形边缘的筛选半径r_s＝r_c-k·min[M,N]，其中，k取值在0.02～0.05；

6.2)扫描由步骤5所得的边缘图像，以步骤3得到的光斑区域中心为筛选圆的中心，筛选半径r_s外的边缘图像为光斑区域的边缘，该区域的灰度值等于255的像素点为边缘像素点，其坐标记录到数据序列(x₁(m)、y₁(m))中；筛选半径r_s内的边缘图像为高斯强度1/e处的边缘，该区域的灰度值等于255的像素点为边缘像素点，其坐标记录到数据序列(x₂(n)、y₂(n))中。

本发明的有益效果是：能对因光学元件偏轴失调产生的偏心高斯光束而引起的垂直于机械轴截面上的光强分布不均性能有效地检测，能较为准确地获得垂直于镜筒机械轴面上的光强分布数据，能快速地进行检测，能获得垂直于机械轴的截面上的不同方向上的光强分布信息。本发明具有方法简单、实用、可靠性高等优点，可在冷原子研究领域、喷泉钟研究领域以及激光传输工程中推广使用。

附图说明

图1是本发明获取垂直于扩束准直镜筒机械轴的截面的光强数据的CCD摄像装置图；

图2是本发明实例中获取垂直于扩束准直镜筒机械轴截面的光强数据方法的示意图，表示利用小孔光阑出射的激光束经由CCD摄像装置的石英玻璃片反射回小孔来确保由光纤扩束准直镜筒出射的激光束与石英玻璃片所在的平面垂直，进而确保用于成像的毛玻璃片所在的平面与激光束垂直；

图3是本发明实例中获取垂直于扩束准直镜筒机械轴截面的光强数据方法的示意图，表示的是当小孔光阑取下后，由镜筒直接出射的激光束入射到CCD摄像系统的毛玻璃面上并由CCD相机通过成像镜头采集毛玻璃面上的光强分布数据；

图4是本发明的实例中在获得了垂直于机械轴的光斑光强分布图像后应用本发明的检测算法进行高斯光束偏心检测过程的算法流程示意图；

图中，1.1-CCD相机，1.2-CCD成像镜头，2-一维平移台(行程2cmm)，3-光学滤波片(20％透过率)，4.1-双面磨砂玻璃片或PMMA材料的白色单面磨砂扩散板(2mm厚)，4.2-未镀膜石英玻璃片(1-2mm厚)，4.3-带镜架的底板，5-二维调节架，6-螺旋升降杆，7-小孔光阑，8-光纤扩束准直镜筒，9-镜筒架，10-光学平台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明应用CCD成像和图像处理技术实现偏心高斯光束的检测，具有低成本、高精度和快速检测的优点。

本发明依据偏心高斯光束的理论：

1.Abdul-Azeez R.Al-Rashed and Bahaa E.A.Saleh，Decentered Gaussianbeams[J]，APPLIED OPTICS,1995,Vol.34(30)：6819-6825

2.Claudio Palma,Decentered Gaussian beams,ray bundles,and Bessel-Gauss beams[J].APPLIED OPTICS,1997,Vol.36(6)：1116-1120.

3.季小玲,吕百达.高斯光束通过倾斜光学元件的变换特性[J].激光技术,2001,Vol.25(5)：351-355.

4.周胜国,沈学举.扩束准直光学系统中光学元件失调对高斯光束传输变换的影响分析[J].应用光学,2008,Vol.29(2)：253-256

可以知道由于扩束准直镜筒的光学元件的失调，从镜筒出射光束是偏心高斯光束，其在垂直于光轴z(即镜筒机械轴)的截面上的光强应满足

其中I₀为最大光强，x_D(z)和y_D(z)为x和y在方向上从束腰处传播距离为z处由于偏轴和离轴引起的光强最大值偏离光轴的距离。w(z)为距离束腰为z处的束宽。上式表明偏心高斯光束在垂直于z轴截面上的分布是以光强最大值点(x_D(z)，y_D(z))为对称中心的圆对称的高斯分布，高斯光束在该截面上光强最大值的1/e处的所有点必定处于以点(x_D(z)，y_D(z))为圆心的同一个圆上。已经校正好离焦和离轴的扩束准直镜筒，在偏轴程度较小的情况下,对于距离镜筒出射端较近的情况，在垂直于机械轴的截面上，出射光束形成的光斑为圆形，圆心为机械轴与截面的交点(0，0)。因此，在垂直于机械轴的截面上高斯光束的光强存在着两个圆形分布，一个圆形分布是以点(0,0)为圆心，另一个圆形分布是以点(x_D(z)，y_D(z))为圆心。如果点(x_D(z)，y_D(z))与点(0,0)重合，则表明出射高斯光束的光强最大值位于光轴(即镜筒机械轴)上，高斯光束的光强分布是以机械轴为对称轴，具有光强分布的均匀性；如果点(x_D(z)，y_D(z))与点(0,0)不重合，则表明出射高斯光束的光强最大值位置不位于光轴上，高斯光束在垂直于光轴的截面上的光强分布不以光轴为对称轴，光强分布不均匀，其不均匀的分布性质可由点(x_D(z)，y_D(z))偏离点(0,0)的距离和方位来判断。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

通过获取垂直于光纤扩束准直镜筒光轴的镜筒出射光束截面的光强分布数据，并依据该数据计算出上述两个圆形分布，从而得到两个圆心的坐标，据此判断光纤扩束准直镜筒出射的高斯光束光强最大值位置是否与镜筒机械轴重合，并得到其偏离机械轴的程度。

本发明实现偏心高斯光束的检测包含如下步骤：

一.利用计算机、带USB接口的CCD相机、相机成像镜头、光学滤光片、双面磨砂石英毛玻璃片(或PMMA材料的白色单面磨砂扩散板)、未镀膜的光学石英玻璃片以及相应的光学机械件来构建一个拍摄光斑图像的摄像装置。

二.将光纤扩束准直镜筒以及上述摄像装置架设在光学平台上，通过调节摄像装置的相应的机械件实现获取扩束准直镜筒出射光束在垂直于镜筒机械轴的截面上的光强分布数据(光强图像)。

三.在计算机中利用相应的图像处理的算法构成的计算机程序实现上述两个圆形分布的圆心位置坐标的计算，给出检测结果，并绘制出按照检测者需要的在光斑平面上不同方向的光强分布曲线。

本发明获取垂直于扩束准直镜筒机械轴的截面的光强分布数据的CCD摄像装置及方法如下：

本发明装置的特点是能够获取从扩束准直镜筒出射的高斯光束在垂直于机械轴截面上的光强分布数据。装置由计算机、带USB接口的CCD相机、相机镜头、光学滤光片、2mm厚双面磨砂石英毛玻璃片(或2mm厚的PMMA材料的白色单面磨砂扩散板)、1.1mm厚的光学石英玻璃片(未镀膜)、两个行程为2cm的一维平移台、可调节竖直和水平倾角的二维调节架以及螺旋升降支架构成。光学石英玻璃片和毛玻璃片紧密重叠在一起，固定在一个带有底板的镜架上，底板和该镜架成直角。底板上依次固定滤光片和一维平移台，一维平移台的平移方向沿底板上镜架的轴线，平移台上固定CCD相机，调节相机镜头的方向，使相机镜头的轴向与毛玻璃平面大致垂直。底板固定在一个二维调节架上。自上而下，二维调节架通过一个螺旋升降的支架与一个水平的一维平移台连接，两个平移台的平移方向相互垂直。

在应用该装置前，先调节固定CCD相机的一维平移台和相机镜头的焦距，使CCD相机能对毛玻璃面成清晰的像。本发明获得垂直于扩束准直镜筒光轴(机械轴)的光强分布数据的方法是将已调节好离焦和离轴的扩束准直镜筒用镜筒架架设好，并与上述的摄像装置一起固定在光学平台上，调节镜筒架的高度，使镜筒的轴线高度与上述摄像装置的石英玻璃片的中心高度相同，并调节镜筒轴线的方向大致与摄像装置的石英玻璃片的平面垂直。在镜筒的出射端置入一个开孔在镜筒轴上的小孔光阑。调节摄像装置的二维调节架，使得从小孔出射的光束经过石英玻璃片的反射后能沿原路返回入射到小孔中。这样，石英玻璃片的反射面与镜筒的机械轴垂直。取下小孔光阑，由镜筒出射的光束经过石英玻璃片后在毛玻璃面上形成的光斑图像即是垂直于扩束准直镜筒光轴(机械轴)的光强分布数据,该光斑图像通过CCD相机镜头成像在CCD感光面上，CCD相机将该光强分布信息转变电信号并通过USB接口采集到计算机中。拍摄光斑图像的操作在暗室的条件下进行，避免成像过程中其他光源干扰。

本发明利用获取的光斑图像检测偏心高斯光束的方法包括以下步骤：

步骤1、将获取的光斑图像转变为256个灰度级的灰度图像G(x,y)，找出其中最大的灰度级G_max。

如果210<G_max<240，表明所获取的光斑图像的照明光强是合适的，可以进行下一步骤。如果G_max>240，则表明照明光强过强，可能出现光强饱和的现象；如果G_max<210，则表明照明光强较弱，会造成光斑强度1/e处的圆形分布的边缘比较靠近光斑的边缘，不利于图像的后续处理，这两种情况都需要调节扩束准直镜筒的出射光强而重新采集光斑图像。

步骤2、将上述灰度图像的像素按灰度级进行统计，计算出灰度直方图，通过直方图确定出光斑图像区域与背景图像区域界限的灰度级G_f-min；根据步骤1得到的最大灰度级确定出光斑强度1/e处的光斑图像的灰度级G_e。

由于在暗室中获得的图像，背景图像区域和光斑图像区域的界限清晰，因而该直方图具有典型的双峰分布的特征，直方图中代表背景的峰较高而且较窄，而代表光斑的峰较低而且宽广平滑，大峰与小峰的峰值比通常大于5。两个峰之间的最小的灰度级也就是背景区域和光斑区域界限的灰度级。由于步骤1已经获得最大灰度值G_max，而通常意义上的激光束的高斯半径的强度为最大光强的1/e²，为节省计算时间，本发明采用一个长度为9的游动窗口在直方图数据序列H中从灰度值为0到G_max/e²的范围内搜索第一极小值G_f-min，从而确定光斑区域和背景区域的分界线的灰度值。其算法为：

2.1)从灰度级为5开始，对于一个直方图灰度级n(5≤n≤G_max/e²)，使m从1到9计算，W(m)＝H(n+m-5)-H(n)(1≤m≤9)；

2.2)如果W(m)≥0，标记flag(m)＝0；如果W(m)<0，标记flag(m)＝1；

计算标记序列flag(m)的1—范数F_N＝Σ|flag(m)|；

2.3)如果F_N>0，则n增加1，返回步骤2.1)。如果F_N＝0，计算灰度级在0到n-1的直方图的最大值M_L，计算灰度级在n到G_max/e²的直方图的最大值M_R，如果M_L/M_R>5，则此时n即为两个峰之间的最小灰度级G_f-min，结束搜索过程；否则n增加1，返回步骤2.1)。

步骤3、在全图像范围内搜索灰度级与G_f-min相等的像素，记录下它们的坐标(x_G，y_G)，在相应的坐标序列中搜索出横坐标的最大值x_max和最小值x_min以及纵坐标的最大值y_max和最小值y_min。

据此，可粗略地估计出光斑区域的中心位置坐标

x_c＝(x_max+x_min)/2，y_c＝(y_max+y_min)/2

以及光斑区域的大致半径

步骤4、根据计算所得的G_f-min和G_e，将图像进行阈值分割，使图像二值化，即对全图像进行搜索，如果像素点(x,y)的灰度值满足G_f-min≤G(x,y)≤G_e，则该像素的灰度值设定为255，否则该像素的灰度值设定为0。这样就形成了在黑色背景下的一个白色圆环分布的图像。

步骤5、应用图像边缘检测算子如Sobel边缘检测算子检测由步骤4得到的白色圆环分布的图像，可以得到白色圆环的两个边缘图像，即两个白色的线状的圆分布图像。

步骤6、利用步骤5所得的边缘图像，分别获取两个圆形边缘的各个像素点的图像坐标数据序列(x₁(m)，y₁(m))和(x₂(n),y₂(n))。其算法为：

6.1)根据采集到的图像的像素矩阵的尺寸M×N以及步骤3所得的光斑区域半径确定分离两个圆形边缘的筛选半径：r_s＝r_c-k·min[M,N]，其中，min[]表示取最小值，k一般取值在0.02～0.05，可根据分离的情况进行调整。

6.2)扫描由步骤5所得的边缘图像，以步骤3得到的光斑区域中心为筛选圆的中心，筛选半径r_s外的边缘图像为光斑区域的边缘，该区域的灰度值等于255的像素点为边缘像素点，其坐标记录到数据序列(x₁(m)，y₁(m))中；筛选半径r_s内的边缘图像为高斯强度1/e处的边缘，该区域的灰度值等于255的像素点为边缘像素点，其坐标记录到数据序列(x₂(n)，y₂(n))中。

步骤7、根据步骤6所得的两个圆形边缘的像素坐标数据序列(x₁(m)，y₁(m))和(x₂(n),y₂(n))，利用圆形拟合的最小二乘法分别计算两个圆形边缘各自的圆心坐标(x_1c,y_1c)和(x_2c,y_2c)。根据所得的圆心坐标计算两个圆心的偏离量

以及偏离方位角

由于圆形拟合的最小二乘法所得到的结果可以达到亚像素的精度，因此两个圆心的偏离量如果小于0.5个像素，则给出两个圆心重合无偏心的检测结果；否则检测结果即为计算出的偏离量与偏离方位角。

步骤8、以计算出的高斯强度1/e的圆形分布的圆心为中心，根据在步骤1得到的灰度图像数据，按照检测者需求的角度获取通过该中心直线上的数据，以此数据作出该考察角度上的强度分布曲线。同样，以计算得到的光斑区域的圆心为中心，以相同考察角度作出过该中心的直线上的光强分布曲线。

本发明完成高斯光束偏心检测所需的整个检测系统除了图1所示的CCD摄像装置外还包括图2中所示的小孔光阑、镜筒架、光学平台、带有USB口的计算机系统以及按照本发明的检测方法编制的数字图像的采集和处理的计算机软件系统。整个检测过程分为三个阶段：

一.搭建检测系统。按照图1的描述组装本发明的CCD摄像装置。之后按照图2的描述将CCD摄像装置、光纤准直扩束镜筒、镜筒架一起架设到光学平台上,并将CCD相机的USB口连接到计算机，通过计算机图像采集软件实时在计算机的监视器上显示CCD所拍摄的图像。

二.调节检测系统。先调节固定CCD相机的一维平移台和相机镜头的焦距，通过观察计算机监视器，使CCD相机能对毛玻璃面成清晰的像。然后，将一个开孔在镜筒机械轴上的小孔光阑置入镜筒架的通光孔并将光纤头插入扩束准直镜筒上的光纤座。通过人眼或摄像头观察由CCD摄像装置中的石英玻璃片反射到小孔光阑表明的光斑，调节CCD摄像装置与扩束准直镜筒的相对角度，使反射回的光斑在小孔附近。调节CCD摄像装置的二维调节架，使得从小孔出射的光束经过石英玻璃片的反射后能沿原路返回入射到小孔中。这样，石英玻璃片的反射面与镜筒的机械轴垂直。取下小孔光阑，由镜筒出射的光束经过石英玻璃片后在毛玻璃面上形成的光斑图像即是垂直于扩束准直镜筒光轴(机械轴)的光强分布数据。

三.图像的采集、处理和偏心检测。应用通用图像USB接口软件包(如windows系统下的avicap32.dll)或CCD厂商提供的软件接口编制程序采集CCD摄像装置所得到的垂直于机械轴的光斑强度分布的图像数据，将所得图像转变成为8位灰度图像，并搜索出图像的最大灰度，如果最大灰度不在区间[210,240]，则要求调节光强，重新采集；如果最大灰度在目标区间内，则通过图像的灰度直方图搜索出光斑区域边界的像素的灰度值，将这个灰度值与图像灰度最大值1/e的灰度值作为分割阈值对图像进行二值化分割。之后，将所得的二值图像进行边缘检测操作(如采用Sobel边缘检测算子)，并将结果图像中的两个圆形边缘分布进行分离，分别记录两个圆形分别中的像素点在图像中的位置坐标。根据这些像素点的位置坐标，采用圆拟合的最小二乘算法分别计算两个圆形边缘分布的圆心的位置坐标。最后，根据计算出的两个圆心坐标的偏离量和偏离方位角给出检测结果；并根据两个圆心的位置坐标，在采集得到的灰度图像上分别获取以这两个坐标为中心的，以相对于图像水平方向角度分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°的直线上的灰度值，分别绘制出相应的灰度分布曲线以供寻找除元件失调产生的光强不均性的其他原因(如光学元件自身的缺陷等)。

Claims (3)

1.一种光纤扩束准直镜筒出射偏心高斯光束的检测方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一，搭建拍摄装置，能够获取从扩束准直镜筒出射的高斯光束在垂直于机械轴截面上的光强分布数据；所述的拍摄装置将光学石英玻璃片和双面磨砂毛玻璃片紧紧贴后固定在一个镜架上，镜架和滤光片平行固定在底板上，CCD相机通过一维平移台安装在底板上，能够沿镜架的轴线平移，CCD相机的镜头轴向与双面磨砂毛玻璃片垂直；底板固定在一个能够调节竖直和水平倾角的二维调节架上，二维调节架通过一个螺旋升降杆与另一个水平的一维平移台连接，两个一维平移台的平移方向相互垂直；

步骤二，调节拍摄装置，通过调节固定CCD相机的一维平移台和CCD相机的焦距，使CCD相机能对双面磨砂毛玻璃片表面清晰成像；将已调节好离焦和离轴的扩束准直镜筒与拍摄装置一起固定在光学平台上，使扩束准直镜筒的轴线高度与拍摄装置的光学石英玻璃片的中心高度相同，并调节镜筒轴线的方向与光学石英玻璃片的平面垂直；在镜筒的出射端置入一个开孔在镜筒轴上的小孔光阑；调节拍摄装置的二维调节架，使得从小孔出射的光束经过光学石英玻璃片的反射后能沿原路返回入射到小孔中；取下小孔光阑，由镜筒出射的光束经过光学石英玻璃片后在毛玻璃面上形成的光斑图像即是垂直于扩束准直镜筒光轴的光强分布数据；

步骤三，利用获取的光斑图像检测偏心高斯光束，包括以下步骤：

步骤1、将获取的光斑图像转变为256个灰度级的灰度图像G(x,y)，找出其中最大的灰度级G_max；如果210<G_max<240，表明所获取的光斑图像的照明光强是合适的，进行下一步骤；如果G_max>240或G_max<210，则调节扩束准直镜筒的出射光强而重新采集光斑图像；

步骤2、将上述灰度图像的像素按灰度级进行统计，计算出灰度直方图，采用一个长度为9的游动窗口在直方图数据序列H中从灰度值为5到G_max/e²的范围内搜索第一极小值G_f-min；根据步骤1得到的最大灰度级确定出最大光斑强度1/e处的光斑图像的灰度级G_e；

步骤3、在全图像范围内搜索灰度级与G_f-min相等的像素，记录下它们的坐标(x_G，y_G)，在相应的坐标序列中搜索出横坐标的最大值x_max和最小值x_min以及纵坐标的最大值y_max和最小值y_min，估计出光斑区域的中心位置坐标x_c＝(x_max+x_min)/2，y_c＝(y_max+y_min)/2以及光斑区域的半径

步骤4、对全图像进行搜索，如果像素点(x,y)的灰度值满足G_f-min≤G(x,y)≤G_e，则该像素的灰度值设定为255，否则该像素的灰度值设定为0，形成了一个在黑色背景下的白色圆环分布的图像；

步骤5、应用图像边缘检测算子检测由步骤4得到的白色圆环分布的图像，得到白色圆环的两个边缘图像，即两个白色的线状的圆分布图像；

步骤6、利用步骤5所得的边缘图像，分别获取两个圆形边缘的各个像素点的图像坐标数据序列(x₁(m)、y₁(m))和(x₂(n)、y₂(n))；

步骤7、根据步骤6所得的两个圆形边缘的图像坐标数据序列(x₁(m)，y₁(m))和(x₂(n),y₂(n))，利用圆形拟合的最小二乘法分别计算两个圆形边缘各自的圆心坐标(x_1c,y_1c)和(x_2c,y_2c)；根据所得的圆心坐标计算两个圆心的偏离量Δ_x＝x_2c-x_1c，Δ_y＝y_2c-y_1c，偏离方位角

两个圆心的偏离量如果小于0.5个像素，则给出两个圆心重合无偏心的检测结果；否则检测结果即为计算出的偏离量与偏离方位角；

步骤8、以计算出的最大高斯强度1/e的圆形分布的圆心为中心，根据在步骤1得到的灰度图像，按照检测者需求的角度获取通过该中心直线上的数据，以此数据作出该角度上的强度分布曲线；以计算得到的光斑区域的圆心为中心，以相同角度作出过该中心的直线上的光强分布曲线。

2.根据权利要求1所述的光纤扩束准直镜筒出射偏心高斯光束的检测方法，其特征在于所述步骤2中搜索第一极小值的步骤为：

2.1)从灰度级为5开始，对于一个直方图灰度级n，5≤n≤G_max/e²，使m从1到9计算，W(m)＝H(n+m-5)-H(n)，1≤m≤9；

2.2)如果W(m)≥0，标记flag(m)＝0；如果W(m)<0，标记flag(m)＝1；

计算标记序列flag(m)的1—范数F_N＝Σ|flag(m)|；

2.3)如果F_N>0，则n增加1，返回步骤2.1)；如果F_N＝0，计算灰度级在0到n-1的直方图的最大值M_L，计算灰度级在n到G_max/e²的直方图的最大值M_R，如果M_L/M_R>5，则此时n即为两个峰之间的最小灰度级G_f-min，结束搜索过程；否则n增加1，返回步骤2.1)。

3.根据权利要求1所述的光纤扩束准直镜筒出射偏心高斯光束的检测方法，其特征

在于所述步骤6的步骤为：

6.1)根据采集到的图像的像素矩阵的尺寸M×N以及步骤3所得的估计出的光斑区域半径确定分离两个圆形边缘的筛选半径r_s＝r_c-k·min[M,N]，其中，k取值在0.02～0.05；

6.2)扫描由步骤5所得的边缘图像，以步骤3得到的估计出的光斑区域中心为筛选圆的中心，筛选半径r_s外的边缘图像为估计出的光斑区域的边缘，该区域的灰度值等于255的像素点为边缘像素点，其坐标记录到数据序列(x₁(m)、y₁(m))中；筛选半径r_s内的边缘图像为最大高斯强度1/e处的边缘，该区域的灰度值等于255的像素点为边缘像素点，其坐标记录到数据序列(x₂(n)、y₂(n))中。