CN108414094A - 基于Labview的激光光束分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光光束分析技术领域，提供了一种基于Labview的激光光束分析系统，包括相机识别模块、图像抓取处理模块、图像保存模块、图像参数计算处理模块以及参数统计模块。还提供一种基于Labview的激光光束分析方法。本发明通过相机识别模块对相机进行控制，通过图像参数计算处理模块进行参数计算，通过参数统计模块进行统计，通过图像保存模块自动生成带有软件截图的报告，可以减少测试工作量，缩短测试时间；系统开发成本低，若代替外购软件则可减少生产的成本费用，并且功能完善、易于维护。

Description

基于Labview的激光光束分析系统及方法

技术领域

本发明涉及激光光束分析技术领域，具体为一种基于Labview的激光光束分析系统及方法。

背景技术

光束分析在激光相关的测试、制造、焊接和切割等领域备受关注。随着生产制造业的不断发展，激光的用越来越广泛。比如通过测量光斑坐标的稳定性，可以间接测量激光打标头的稳定性；在光学领域，对聚焦光斑的分析可被用来评估透镜或所设计光学系统对光束的作用效果，为产品的质量改善提供指导；在手机壳、玩具等各类塑料、玻璃、金属等材料的激光打标、切割、焊接领域中，都需要预先分析激光的光斑质量以改进工艺或者提高良品率等等。

目前的光束分析大多采用国外系统，价格高昂。此外，测试时需要测试者手动截图并自己撰写测试报告，较为繁琐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Labview的激光光束分析系统及方法，成本低、功能完善、易于维护，兼具相机控制和参数计算、统计功能，并能自动生成带有软件截图的报告，可以减少测试工作量，缩短测试时间。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种基于Labview的激光光束分析系统，包括相机识别模块、图像抓取处理模块、图像保存模块、图像参数计算处理模块以及参数统计模块；

所述相机识别模块，用于在程序开始或运行过程中识别已连接或新连接的相机，并供用户选择；

所述图像抓取处理模块，用于根据读图模式是否启用来执行读取图片生成光斑图像数据或者从所述相机中获取光斑图像；

所述图像保存模块，用于单独或连续保存所述图像抓取处理模块中获取的光斑图像，并将单独的光斑图像进行自动截图，将连续生成的光斑图像保存成视频；

所述图像参数计算处理模块，用于计算出图像的光斑参数；

所述参数统计模块，用于记录和统计光斑参数，并将其保存起来。

进一步，还包括程序初始化模块，所述程序初始化模块用于在分析开始时读取并应用保存的配置。

进一步，还包括序列号管理模块，所述序列号管理模块用于读取并验证被选中的相机的序列号。

进一步，还包括相机初始化模块，所述相机初始化模块用于对选中的相机的状态进行初始化，并进行初始化增益和曝光。

进一步，还包括扩展模块，所述扩展模块用于局部放大显示图像和观察光斑两轴的强度分布曲线。

本发明实施例提供另一种技术方案：一种基于Labview的激光光束分析方法，包括如下步骤：

S1，对从相机中获取的光斑图像采用二值化处理，求得图像的质心和峰值；对图像的像素值进行多次采样取平均得到平均的图像的像素值，在显示前，所有的图像的像素值都减去平均的图像的像素值，以消除噪声；

S2，在显示后，框选ROI区域，选取的方框可拖动和改变大小，以便于接下来的步骤计算参数；

S3，在框选的ROI区域中，图像的光斑的中心位置以所述质心为中心位置、以所述峰值为中心位置或通过手动选择的方式来确定中心位置，当采用手动选择的方式来确定中心位置时，通过右键点击目标位置或在附近进行右键拖动，直接选择要设为中心的点；

S4，确定完所述中心位置后，采用图像保存模块保存光斑图像；

S5，并将单独的光斑图像进行自动截图，将连续生成的光斑图像保存成视频，通过保存的光斑图像计算图像的光斑参数。

进一步，计算框选的ROI区域的参数时，手动选择计算区域，并计算所选区域的中心位置所在横纵两坐标轴的脉冲宽度，以质心或峰值为几何中心，以所述横纵两坐标的脉冲宽度的若干倍数值分别作为长和宽，作为自由区域，截取所述自由区域的图像，作为实际的计算区域，来计算参数。

进一步，所述S5步骤中参数的计算的具体步骤为：

S50，求得光斑的旋转角和峰值宽度；

S51，对图像进行不丢失像素信息的旋转处理，并转化为数组；

S52，根据所述数组，计算光束的能量宽度；

S53，求出光束的椭圆率或幅值。

进一步，求得旋转角的具体方法为：

S500，若所述S3步骤中采用手动选择的方式，则以手动设置的角度为旋转角，若不是则进行下面的步骤；

S501，计算选择区域的中心位置坐标，其中，当选择的中心位置为质点时，直接使用求质点的函数计算选择区域的中心位置坐标，当选择的中心位置是峰值时，先将图像转为数组，再以最大值为阈值进行二值化处理，再使用求质心的函数计算选择区域的中心位置坐标；

S502，以选择的中心位置为中点，在图像上设一条线段，提取线段覆盖像素点的强度值，即可获得光斑径向的强度分布的数列；

S503，求出线段中强度大于峰值0.135倍的像素点的范围，即获得光斑的像素宽度；

S504，根据线段的角度，将返回的光斑像素宽度转换为对应于光斑图像中的实际长度，其换算关系为：

其中，θ为线段的旋转角度，Δx和Δy为相机在x和y方向的像元尺寸，l为像素宽度；L为实际脉冲宽度；

S505，0～180度的区间内设定间隔的若干旋转角度，并重复所述S502～S504步骤；

S506，由上述不同的旋转角度获得不同的实际长度，比较所有的实际长度，找出相邻最大两值对应的角度，以两个角度为区间，中间再间隔较小的角度，取最大者对应的角度，作为最终的旋转角。

进一步，所述S5还可以在横纵两坐标轴中计算光斑参数，具体为：将光斑长短轴的强度分布曲线放在单独的窗口中，并将该窗口分成用于显示分布曲线的两个窗格，且两个所述窗格进行对齐显示，通过观察其是否一致，来查看具体的数值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过相机识别模块对相机进行控制，通过图像参数计算处理模块进行参数计算，通过参数统计模块进行统计，通过图像保存模块自动生成带有软件截图的报告，可以减少测试工作量，缩短测试时间；系统开发成本低，若代替外购软件则可减少生产的成本费用，并且功能完善、易于维护。

2、由于有图像显示时，可以随时直接框选ROI区域，且选取的区域可随意拖动和改变大小，因此该操作相对于其它软件更为方便。

3、可根据需要选择质心、峰值或手动，灵活多变；其中选择手动，能够通过鼠标右键单击或右键移动来直接选择，不需要找到原来的中心位置再拖动，更加地方便。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于Labview的激光光束分析系统的结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种基于Labview的激光光束分析方法的步骤流程图；

图3为本发明实施例提供的一种基于Labview的激光光束分析系统与相机、计算机的配合图；

图4为本发明实施例提供的一种基于Labview的激光光束分析方法的S5步骤中的窗格显示对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供一种基于Labview的激光光束分析系统，它包括有相机识别模块、图像抓取处理模块、图像保存模块、图像参数计算处理模块以及参数统计模块。其中，相机识别模块，用于在程序开始或运行过程中识别已连接或新连接的相机，并供用户选择，可以设定只有指定型号的相机才能被打开；图像抓取处理模块，用于根据读图模式是否启用来执行读取图片生成光斑图像数据或者从所述相机中获取光斑图像，当获取相机光斑图像时还能够消除图像噪声；图像保存模块，用于单独或连续保存所述图像抓取处理模块中获取的光斑图像，并将单独的光斑图像进行自动截图，将连续生成的光斑图像保存成视频；图像参数计算处理模块，用于计算出图像的光斑参数，并给图像添加十字线、方框等标记；参数统计模块，用于实时记录和统计光斑参数，并将其保存起来，采用实时记录能够保证记录的准确性和及时性。在本实施例中，通过相机识别模块对相机进行控制，通过图像参数计算处理模块进行参数计算，通过参数统计模块进行统计，通过图像保存模块自动生成带有软件截图的报告，可以减少测试工作量，缩短测试时间；系统开发成本低，若代替外购软件则可减少生产的成本费用，并且功能完善、易于维护。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，本系统还包括程序初始化模块，所述程序初始化模块用于在分析开始时读取并应用保存的配置。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，本系统还包括序列号管理模块以及相机初始化模块，序列号管理模块用于读取并验证被选中的相机的序列号，而相机初始化模块用于对选中的相机的状态进行初始化，并进行初始化增益和曝光，其中选中的相机即经过序列号验证通过的相机。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，本系统还包括扩展模块，具体为小光斑显示和xy显示，分别用于局部放大显示图像和观察光斑两轴的强度分布曲线。

如图3所示，本系统置于计算机4中，待测激光光源1通过聚焦透镜2聚焦后射入带有衰减片的相机3，再由相机传输给计算机4，计算机4中的本系统对待测激光光源1进行光束分析，计算出光斑参数。整个结构构架简单，同时本系统成本低，易于推广使用。

本发明实施例提供一种基于Labview(一种程序开发环境)的激光光束分析方法，请参阅图2，包括如下步骤：S1，对图像采用二值化处理，求得图像的质心和峰值，具体的，在计算峰值中心的时候，以最大强度为阈值的二值化处理，然后再求图像的质心，当光斑中心强度分布较为平坦时，通过上述算法计算峰值，可以得出一个更符合几何中心的点；对图像的像素值进行多次采样取平均得到平均的图像的像素值，例如可以进行10次采样取平均，在显示前，所有的图像的像素值都减去平均的图像的像素值，以消除噪声；S2，在显示时，可以随时直接框选ROI区域(感兴趣区域)，选取的方框也可以随时可拖动和改变大小，以便于接下来的步骤计算参数；S3，图像的光斑的中心位置以所述质心为中心位置、以所述峰值为中心位置或通过手动选择的方式来确定中心位置，当采用手动选择的方式来确定中心位置时，通过右键点击目标位置或在附近进行右键拖动，随时直接选择要设为中心的点；S4，确定完所述中心位置后，选择采用图像保存模块保存光斑图像，并将单独的光斑图像进行自动截图，将连续生成的光斑图像保存成视频；S5，通过保存的光斑图像计算图像的光斑参数。在本实施例中，在保存光斑图像中，支持保存的图片为光斑图像或是软件截图，并能设定是否包含有色阶、标记线等参数，还可以将其保存为视频，便于连续观察。且在本实施例中，还可以直接读取保存的光斑图片并计算参数，支持PNG、JPEG以及BMP格式，而不需要额外格式的文件来保存数据。本软件的界面具有自主设计得外观，并依据功能划分将控制相机和设置计算参数的控件放在不同选项卡下，将例如保存图像、统计参数等需要弹出额外窗口的按钮控件放置于主显示控件的下面，而且本软件界面简洁，可通过按钮直接将子窗口打开或置于顶端，能够很方便地管理多个窗口。

作为本发明实施例的优化方案，计算框选的ROI区域的参数时，采用手动选择计算区域，并根据设定的类型计算所选区域的中心位置所在横纵两坐标轴的脉冲宽度，以质心或峰值为几何中心，以所述横纵两坐标的脉冲宽度的若干倍数值分别作为长和宽，作为自由区域，截取所述自由区域的图像，作为实际的计算区域，来计算参数。在本实施例中，根据选择的区域会生成自动计算区域，使计算结果更为稳定和精确。当光斑位于手动选择区域内部时，自动计算区域会跟随光斑移动，而且可以选择多个计算区域，用于分析多光斑的情况。在本实施例中，计算的中心点不是最终计算参数中的中心点。

作为本发明实施例的优化方案，S5步骤中参数的计算的具体步骤为：S50，求得光斑的旋转角和峰值宽度；S51，对图像进行不丢失像素信息的旋转处理，并转化为数组；S52，根据所述数组，计算光束的能量宽度；S53，求出光束的椭圆率、幅值等其他参数。

进一步优化上述方案，求得旋转角的具体方法为：S500，若所述S3步骤中采用手动选择的方式，则以手动设置的角度为旋转角，若不是则进行下面的步骤；S501，计算选择区域的中心位置坐标，其中，当选择的中心位置为质点时，直接使用求质点的函数计算选择区域的中心位置坐标，当选择的中心位置是峰值时，先将图像转为数组，再以最大值为阈值进行二值化处理，再使用求质心的函数计算选择区域的中心位置坐标；若为手动中心点则直接返回选择的坐标，该坐标可在手动模式下通过鼠标右键在图像上任意选择得到；S502，以选择的中心位置(质心、峰值或手动位置)为中点，在图像上设一条足够长、角度为θ(竖直方向，并以此方向的角度为θ＝0度)的线段，提取线段覆盖像素点的强度值，即可获得光斑径向的强度分布的数列；S503，求出线段中强度大于峰值0.135倍(阈值)的像素点的范围，即获得光斑的像素宽度，其中，计算方法为：从分布曲线两边往中间遍历数列并与阈值比较，将两边第一个大于或等于阈值的元素索引相减得到，若输出小于0，则返回数列长度的一般；S504，根据线段的角度，将返回的光斑像素宽度转换为对应于光斑图像中的实际长度，其换算关系为：

其中，θ为线段的旋转角度，上述式中的分段区间根据1度的计算精度而来，若计算精度变化，则分段区间也要随之改变，但要保证分别位于将0至180度等分的4个区间内；Δx和Δy为相机在x和y方向的像元尺寸，由于所选相机的像元为正方形，因此程序中将其视为1并省略，而将单位转换的工作交给后续处理；l为像素宽度；L为实际脉冲宽度；S505，0～180度的区间内设定间隔的若干旋转角度，并重复所述S502～S504步骤；S506，由上述不同的旋转角度获得不同的实际长度，比较所有的实际长度，找出相邻最大两值对应的角度，以两个角度为区间，中间再间隔较小的角度，取最大者对应的角度，作为最终的旋转角。在本实施例中，由于计算内容为直径，所以上述步骤可以覆盖所有角度范围。

作为本发明实施例的优化方案，S5还可以在横纵两坐标轴中计算光斑参数，具体为：将光斑长短轴的强度分布曲线放在单独的窗口中，并将该窗口分成用于显示分布曲线的两个窗格，且两个所述窗格进行对齐显示，通过观察其是否一致，来查看具体的数值。在本实施例中，还可以另外增设两个游标来帮助查看具体的数值。如图4所示，将窗口分成用于显示分布曲线的两个窗格，上下两个窗格的横轴标尺范围相同、中心位置对齐(即光斑或选择的中心点)，并可以同步调节(通过横向滑杆或下面的数值输入窗口)，并且分别具有两个游标能够实时查看坐标与幅值。通过复位按钮使游标移到横轴原点，方便游标在显示范围外时快速找回游标；四个复选框控制游标的显示。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于Labview的激光光束分析系统，其特征在于：包括相机识别模块、图像抓取处理模块、图像保存模块、图像参数计算处理模块以及参数统计模块；

所述相机识别模块，用于在程序开始或运行过程中识别已连接或新连接的相机，并供用户选择；

所述图像抓取处理模块，用于根据读图模式是否启用来执行读取图片生成光斑图像数据或者从所述相机中获取光斑图像；

所述图像保存模块，用于单独或连续保存所述图像抓取处理模块中获取的光斑图像，并将单独的光斑图像进行自动截图，将连续生成的光斑图像保存成视频；

所述图像参数计算处理模块，用于计算出图像的光斑参数；

所述参数统计模块，用于记录和统计光斑参数，并将其保存起来。

2.如权利要求1所述的一种基于Labview的激光光束分析系统，其特征在于：还包括程序初始化模块，所述程序初始化模块用于在分析开始时读取并应用保存的配置。

3.如权利要求1所述的一种基于Labview的激光光束分析系统，其特征在于：还包括序列号管理模块，所述序列号管理模块用于读取并验证被选中的相机的序列号。

4.如权利要求1所述的一种基于Labview的激光光束分析系统，其特征在于：还包括相机初始化模块，所述相机初始化模块用于对选中的相机的状态进行初始化，并进行初始化增益和曝光。

5.如权利要求1所述的一种基于Labview的激光光束分析系统，其特征在于：还包括扩展模块，所述扩展模块用于局部放大显示图像和观察光斑两轴的强度分布曲线。

6.一种基于Labview的激光光束分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，对从相机中获取的光斑图像采用二值化处理，求得图像的质心和峰值；对图像的像素值进行多次采样取平均得到平均的图像的像素值，在显示前，所有的图像的像素值都减去平均的图像的像素值，以消除噪声。

S2，在显示后，框选ROI区域，选取的方框可拖动和改变大小，以便于接下来的步骤计算参数；

S3，在框选的ROI区域中，图像的光斑的中心位置以所述质心为中心位置、以所述峰值为中心位置或通过手动选择的方式来确定中心位置，当采用手动选择的方式来确定中心位置时，通过右键点击目标位置或在附近进行右键拖动，直接选择要设为中心的点；

S4，确定完所述中心位置后，采用图像保存模块保存光斑图像；

S5，并将单独的光斑图像进行自动截图，将连续生成的光斑图像保存成视频，通过保存的光斑图像计算图像的光斑参数。

7.如权利要求6所述的一种基于Labview的激光光束分析方法，其特征在于：计算框选的ROI区域的参数时，手动选择计算区域，并计算所选区域的中心位置所在横纵两坐标轴的脉冲宽度，以质心或峰值为几何中心，以所述横纵两坐标的脉冲宽度的若干倍数值分别作为长和宽，作为自由区域，截取所述自由区域的图像，作为实际的计算区域，来计算参数。

8.如权利要求6所述的一种基于Labview的激光光束分析方法，其特征在于，所述S5步骤中参数的计算的具体步骤为：

S50，求得光斑的旋转角和峰值宽度；

S51，对图像进行不丢失像素信息的旋转处理，并转化为数组；

S52，根据所述数组，计算光束的能量宽度；

S53，求出光束的椭圆率或幅值。

9.如权利要求8所述的一种基于Labview的激光光束分析方法，其特征在于，求得旋转角的具体方法为：

S500，若所述S3步骤中采用手动选择的方式，则以手动设置的角度为旋转角，若不是则进行下面的步骤；

S501，计算选择区域的中心位置坐标，其中，当选择的中心位置为质点时，直接使用求质点的函数计算选择区域的中心位置坐标，当选择的中心位置是峰值时，先将图像转为数组，再以最大值为阈值进行二值化处理，再使用求质心的函数计算选择区域的中心位置坐标；

S502，以选择的中心位置为中点，在图像上设一条线段，提取线段覆盖像素点的强度值，即可获得光斑径向的强度分布的数列；

S503，求出线段中强度大于峰值0.135倍的像素点的范围，即获得光斑的像素宽度；

S504，根据线段的角度，将返回的光斑像素宽度转换为对应于光斑图像中的实际长度，其换算关系为：

其中，θ为线段的旋转角度，Δx和Δy为相机在x和y方向的像元尺寸，l为像素宽度；L为实际脉冲宽度；

S505，0～180度的区间内设定间隔的若干旋转角度，并重复所述S502～S504步骤；

S506，由上述不同的旋转角度获得不同的实际长度，比较所有的实际长度，找出相邻最大两值对应的角度，以两个角度为区间，中间再间隔较小的角度，取最大者对应的角度，作为最终的旋转角。

10.如权利要求6所述的一种基于Labview的激光光束分析方法，其特征在于，所述S5还可以在横纵两坐标轴中计算光斑参数，具体为：将光斑长短轴的强度分布曲线放在单独的窗口中，并将该窗口分成用于显示分布曲线的两个窗格，且两个所述窗格进行对齐显示，通过观察其是否一致，来查看具体的数值。