CN108287060A - 一种激光发散角的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种激光发散角的测量装置及方法，属光学计量领域。其特点是利用CCD成像元件搭配合适焦距的透镜进行激光发散角的测量。激光经过透镜在CCD上成像，测得透镜与CCD不同间隔处的光斑的大小，通过数据拟合即可求出激光器在透镜焦点处光斑的大小。利用光斑大小与透镜焦距的关系就可以求出激光器的发散角。该方法对透镜与CCD之间的距离没有苛刻要求，方法简单精度高，应用前景广的特点。

Description

一种激光发散角的测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学计量领域，主要涉及激光发散角的测量方法，尤其涉及单模激光器发散角的测量装置及方法。

背景技术

发散角是表征激光器输出特性的重要参数之一，该参数的优劣直接影响着激光在许多领域中的应用效能，因此激光发散角的精确测量在激光器的研制、生产和应用过程中都具有非常重要的意义。

常用的测量方法有焦点刀口扫描法、CCD摄像法、偏振光干涉法等。其中刀口扫描法、偏振光干涉法操作麻烦，光阑法由于光阑口径难以精确测量，误差很大。CCD法操作最为简便。CCD法中要求CCD准确放置于透镜的焦点位置，由于现有技术限制，CCD严格放置于焦点位置很难实现，其偏离量直接影响测量精度，这种影响在使用短焦距透镜测量时尤为明显，也成为CCD法测量激光发散角的难点。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种激光发散角的测量装置及方法，通过测量透镜不同距离处的激光光斑大小，并将光斑直径与位置关系进行数据拟合，巧妙的找出透镜焦点位置处激光光斑的大小，从而规避了原有CCD测量方法中对CCD位置的苛刻要求，使得CCD测量方法更加方便快捷，在同等条件下测量精度也极高，为CCD测量激光发散角设备的小型化提供一种途径。

本发明的技术方案为：

所述一种激光发散角的测量装置，其特征在于：包括激光光源、CCD、衰减器、透镜和图像记录与处理系统；激光光源和CCD分别安装在两个平移台上，两个平移台能够沿光路光轴方向移动；衰减器和透镜依次布置在激光光源与CCD相机之间的光路上，激光光源、透镜和CCD三者共光轴；图像记录与处理系统控制CCD采集图像，并根据图像进行数据处理。

所述一种激光发散角的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：点亮激光光源，图像记录与处理系统控制CCD采集图像；通过调节衰减器的衰减量以及CCD积分时间，使得CCD采集到的图像数据的最大灰度值与CCD饱和灰度值的百分比值不小于60％，且CCD采集到的图像数据灰度值不饱和；

步骤2：控制安装CCD的平移台沿光轴做等间隔运动，记录每个间隔点的位置z_i，并在每个间隔点处通过CCD采集图像；

步骤3：控制安装激光光源的平移台沿光轴移动设定距离，再次控制安装CCD的平移台沿光轴做等间隔运动，记录每个间隔点的位置z_i’，并在每个间隔点处通过CCD采集图像；

步骤4：图像记录与处理系统对步骤2和步骤3得到的图像进行以下处理：

步骤4.1：计算步骤2中每个间隔点处采集图像中的光斑水平方向大小x_i1和竖直方向大小y_i1，计算步骤3中每个间隔点处采集图像中的光斑水平方向大小x_i2和竖直方向大小y_i2，其中光斑边缘灰度值为光斑中心灰度值的1/e^2倍；

步骤4.2：将步骤2中每个间隔点处采集图像中的光斑水平方向大小x_i1，以及对应的间隔点位置z_i代入方程x²＝az²+bz+c进行拟合，得到x1方程；将步骤3中每个间隔点处采集图像中的光斑水平方向大小x_i2，以及对应的间隔点位置z_i’代入方程x²＝az²+bz+c进行拟合，得到x2方程；取x1方程和x2方程的交点记为(z,x)；得到激光水平方向的发散角为σ为像元大小，f为透镜焦距；

步骤4.3：将步骤2中每个间隔点处采集图像中的光斑竖直方向大小y_i1，以及对应的间隔点位置z_i代入方程y²＝az²+bz+c进行拟合，得到y1方程；将步骤3中每个间隔点处采集图像中的光斑竖直方向大小y_i2，以及对应的间隔点位置z_i’代入方程y²＝az²+bz+c进行拟合，得到y2方程；取y1方程和y2方程的交点记为(z,y)；得到激光竖直方向的发散角为σ为像元大小，f为透镜焦距。

有益效果

本发明通过测量透镜不同距离处的激光光斑大小，并将光斑直径与位置关系进行数据拟合，巧妙的找出透镜焦点位置处激光光斑的大小，从而规避了原有CCD测量方法中对CCD位置的苛刻要求，使得CCD测量方法更加方便快捷，在同等条件下测量精度也极高，为CCD测量激光发散角设备的小型化提供一种方法。

附图说明

图1一种激光发散角的测量方法示意图。

具体实施方式

为了进一步揭示本发明，下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本实施例中的激光发散角的测量装置包括激光光源、CCD、衰减器、透镜和图像记录与处理系统；激光光源和CCD分别安装在两个平移台上，两个平移台能够沿光路光轴方向移动；衰减器和透镜依次布置在激光光源与CCD相机之间的光路上，激光光源、透镜和CCD三者共光轴；图像记录与处理系统控制CCD采集图像，并根据图像进行数据处理。

如图1所示，将激光光源放置于电动平移台，电动平移台固定于光学平台上。在光源后面10mm处放置可变衰减器，将焦距为50mm的透镜放置于光源后面70mm处，将行程为20mm的电动平移台置于透镜后面70mm处，CCD摄像机置于电动平移台之上，使CCD摄像机可以随电动平移台沿光轴方向移动。调整光源、透镜、CCD摄像机之间的相对高度及相对位置，使三者共光轴。CCD摄像机与图像记录与处理系统相连；测试前，首先调整衰减器至其最大衰减量，开启光源，该光束经透镜后成像于CCD摄像机。

利用上述装置进行激光发散角的测量方法步骤为：

步骤1：点亮激光光源，图像记录与处理系统控制CCD采集图像；通过调节衰减器的衰减量以及CCD积分时间，使得CCD采集到的图像数据的最大灰度值与CCD饱和灰度值的百分比值为80％；

步骤2：控制安装CCD的平移台沿光轴做等间隔运动，记录每个间隔点的位置z_i，并在每个间隔点处通过CCD采集图像；

步骤3：控制安装激光光源的平移台沿光轴移动5cm，再次控制安装CCD的平移台沿光轴做等间隔运动，记录每个间隔点的位置z_i’，并在每个间隔点处通过CCD采集图像；

步骤4：图像记录与处理系统对步骤2和步骤3得到的图像进行以下处理：

步骤4.1：计算步骤2中每个间隔点处采集图像中的光斑水平方向大小x_i1和竖直方向大小y_i1，计算步骤3中每个间隔点处采集图像中的光斑水平方向大小x_i2和竖直方向大小y_i2，其中光斑边缘灰度值为光斑中心灰度值的1/e²倍；

步骤4.2：将步骤2中每个间隔点处采集图像中的光斑水平方向大小x_i1，以及对应的间隔点位置z_i代入方程x²＝az²+bz+c进行拟合，得到x1方程；将步骤3中每个间隔点处采集图像中的光斑水平方向大小x_i2，以及对应的间隔点位置z_i’代入方程x²＝az²+bz+c进行拟合，得到x2方程；取x1方程和x2方程的交点记为(z,x)；得到激光水平方向的发散角为σ为CCD摄像机像元大小，f为透镜焦距；

步骤4.3：将步骤2中每个间隔点处采集图像中的光斑竖直方向大小y_i1，以及对应的间隔点位置z_i代入方程y²＝az²+bz+c进行拟合，得到y1方程；将步骤3中每个间隔点处采集图像中的光斑竖直方向大小y_i2，以及对应的间隔点位置z_i’代入方程y²＝az²+bz+c进行拟合，得到y2方程；取y1方程和y2方程的交点记为(z,y)；得到激光竖直方向的发散角为σ为像元大小，f为透镜焦距。

本发明利用CCD成像元件搭配合适焦距的透镜进行激光发散角的测量，激光经过透镜在CCD上成像，测得透镜与CCD不同间隔处的光斑的大小，通过数据拟合即可求出激光器在透镜焦点处光斑的大小。利用光斑大小与透镜焦距的关系就可以求出激光器的发散角。该方法对透镜与CCD之间的距离没有苛刻要求，方法简单精度高，应用前景广的特点。

Claims (2)

1.一种激光发散角的测量装置，其特征在于：包括激光光源、CCD、衰减器、透镜和图像记录与处理系统；激光光源和CCD分别安装在两个平移台上，两个平移台能够沿光路光轴方向移动；衰减器和透镜依次布置在激光光源与CCD相机之间的光路上，激光光源、透镜和CCD三者共光轴；图像记录与处理系统控制CCD采集图像，并根据图像进行数据处理。

2.利用权利要求1所述装置进行激光发散角测量的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：点亮激光光源，图像记录与处理系统控制CCD采集图像；通过调节衰减器的衰减量以及CCD积分时间，使得CCD采集到的图像数据的最大灰度值与CCD饱和灰度值的百分比值不小于60％，且CCD采集到的图像数据灰度值不饱和；

步骤2：控制安装CCD的平移台沿光轴做等间隔运动，记录每个间隔点的位置z_i，并在每个间隔点处通过CCD采集图像；

步骤3：控制安装激光光源的平移台沿光轴移动设定距离，再次控制安装CCD的平移台沿光轴做等间隔运动，记录每个间隔点的位置z_i’，并在每个间隔点处通过CCD采集图像；

步骤4：图像记录与处理系统对步骤2和步骤3得到的图像进行以下处理：

步骤4.1：计算步骤2中每个间隔点处采集图像中的光斑水平方向大小x_i1和竖直方向大小y_i1，计算步骤3中每个间隔点处采集图像中的光斑水平方向大小x_i2和竖直方向大小y_i2，其中光斑边缘灰度值为光斑中心灰度值的1/e^2倍；

步骤4.2：将步骤2中每个间隔点处采集图像中的光斑水平方向大小x_i1，以及对应的间隔点位置z_i代入方程x²＝az²+bz+c进行拟合，得到x1方程；将步骤3中每个间隔点处采集图像中的光斑水平方向大小x_i2，以及对应的间隔点位置z_i’代入方程x²＝az²+bz+c进行拟合，得到x2方程；取x1方程和x2方程的交点记为(z,x)；得到激光水平方向的发散角为σ为像元大小，f为透镜焦距；

步骤4.3：将步骤2中每个间隔点处采集图像中的光斑竖直方向大小y_i1，以及对应的间隔点位置z_i代入方程y²＝az²+bz+c进行拟合，得到y1方程；将步骤3中每个间隔点处采集图像中的光斑竖直方向大小y_i2，以及对应的间隔点位置z_i’代入方程y²＝az²+bz+c进行拟合，得到y2方程；取y1方程和y2方程的交点记为(z,y)；得到激光竖直方向的发散角为σ为像元大小，f为透镜焦距。