CN114608701A - 一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光的光束质量测量系统及方法，具体涉及一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统及方法，解决现有的激光光束质量测量系统为接触式测量，且现有的三维光学层析成像系统通过增加相机数量增加成像角度，使得实验成本较高的技术问题。该激光光强三维空间分布的非接触测量系统，包括三维测量机构；三维测量机构包括依次连接的像增强器件、第一成像器件、传像光纤组件、多个第二成像器件以及环形角度调节架；传像光纤束汇聚段的一端与第一成像器件连接；每个传像光纤束分叉段的一端分别连接对应的第二成像器件；多个第二成像器件沿环形角度调节架设置。实现入射激光光强三维空间分布的非接触式测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光的光束质量测量系统及方法，具体涉及一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统及方法。
背景技术
激光的光强分布关系到激光系统的光束质量、到靶能力、瞄准精度等重要参数，也是分析激光大气传输效应和评价激光系统出光性能的技术依据。在实际应用中，由于受到激光器件和大气传输等因素的影响，使得输出的激光光强分布往往不规则，甚至会出现多个光强峰值。因此，在工业加工、光谱诊断、损伤效应等激光应用领域中均需要对激光光强分布等参数进行在线测量。
目前，常用的激光强度分布测量方法主要有CCD成像法、扫描取样法和光电阵列探测法等，这些方法具有各自的应用特点，已在激光性能评估中发挥着重要作用。但上述方法主要不足有两点：第一、在测量中需要对激光束进行分束取样，而分束取样过程中或多或少会对激光的光强分布产生影响，难以做到非接触式测量；第二、这些方法均为激光光束传播方向某横截面的二维光强分布测量，无法在单次测量中获得光束传输方向纵向截面的光强分布，需要在激光传播方向上的多个位置进行测量以实现激光光束质量的评价。
近几年来，随着光谱分析和计算成像技术的发展，基于气体分子瑞利散射或颗粒物的米散射进行激光光束非接触测量愈来愈受到重视。例如，2003年K.C.Jorge等人，首次利用水的瑞利散射图像实现了入射激光纵向二维光强分布的测量。2016年美国弗吉尼亚理工学院Q.C.Lei等人利用7台高速相机实现了湍流火焰三维结构的重建。通常认为，在三维光学层析成像测量过程中，通过增加相机数量，成像角度也随之增加，重建的结果也更接近于真实值，因此传统的光学层析成像系统普遍采用4至8台相机，导致该技术实验成本较高。
发明内容
本发明的目的是解决现有激光光束质量测量系统为接触式测量，且现有的三维光学层析成像系统通过增加相机数量增加成像角度，使得实验成本较高的技术问题，而提供一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统及方法，实现入射激光光强三维空间分布的非接触测量。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统，其特殊之处在于：包括三维测量机构；
三维测量机构包括依次连接的像增强器件、第一成像器件、传像光纤组件、多个第二成像器件以及用于设置多个第二成像器件的环形角度调节架；
传像光纤组件包括依次连接的传像光纤束汇聚段和多根传像光纤束分叉段；
传像光纤束汇聚段的一端与第一成像器件连接；
每个传像光纤束分叉段的一端分别连接对应的第二成像器件；
环形角度调节架的中心用于设置待测激光，多个第二成像器件沿环形角度调节架在180°半圆内径向设置，且每个第二成像器件均垂直于待测激光的入射光方向。
进一步地，传像光纤束分叉段数量为9个，第二成像器件为9个，相邻的所述第二成像器件沿环形角度调节架在180°半圆内径向均匀设置。
进一步地，所述传像光纤束汇聚段和传像光纤束分叉段的传输波长均为460nm至800nm；
传像光纤束汇聚段的单模光纤呈正方形排布，其数量为90万根单模光纤；
每个传像光纤束分叉段均由10万根单模光纤组成，且每根单模光纤其长度为1500mm。
进一步地，还包括带通滤波片；
带通滤波片设置在传像光纤束汇聚段与第一成像器件(2)之间；
第一成像器件的焦距f1为55mm；
第二成像器件的焦距f2为50mm；
像增强器件为PI-MAX4型像增强相机。
进一步地，所述传像光纤束汇聚段两端的端面尺寸为17.4mm×17.4mm；
传像光纤束分叉段两端的端面尺寸均为5.8mm×5.8mm。
同时，本发明还提供了一种激光光强三维空间分布的非接触测量方法，基于权利要求1所述的一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1：搭建激光光强三维空间分布的非接触测量系统；
步骤2：将待测激光设置于环形角度调节架的几何中心；
步骤3：调节三维测量机构中的第一成像器件和每个第二成像器件的焦距；
步骤4：计算激光光强
4.1)将待测激光入射的探测区域划分为Nx×Ny×Nz个网格，并将每个网格对应入射的激光光强标记为探测区域
其中xi表示x方向的网格坐标标记，1≤i≤Nx；yj表示y方向的网格坐标，1≤j≤Ny；zk表示z方向的网格坐标，1≤k≤Nz；
4.2)记录像增强器件通过第一成像器件和第二成像器件测量的散射光图像
其中xi表示像增强器件x方向的像素点坐标标记，1≤i≤N，yj表示像增强器件y方向的像素点坐标标记，1≤j≤M；
4.3)步骤4.1)中激光光强
与步骤4.2)中散射光图像
满足下式关系
式中：
表示像增强器件测量的散射光图像，具体为由像素点组成的向量，A为探测区域
经第二成像器件、传像光纤组件、第一成像器件成像至像增强相器件的点扩散矩阵；
步骤5：采用Tiknonov正则化计算待测激光入射探测区域的激光光强
进一步地，步骤1具体为：
1.1)将每个传像光纤束分叉段的一端分别连接对应的第二成像器件；
1.2)沿环形角度调节架在180°半圆内径向设置第二成像器件；
1.3)将传像光纤束汇聚段的一端与第一成像器件连接，并将第一成像器件安装于像增强器件上；
1.4)将每个传像光纤束分叉段的另一端连接在传像光纤束汇聚段的另一端上。
进一步地，步骤1.3)中，将传像光纤束汇聚段的一端与第一成像器件连接具体为：在传像光纤束汇聚段的一端与第一成像器件之间设置带通滤光片，并将传像光纤束汇聚段的一端与第一成像器件连接；
步骤2具体为：将第二成像器件沿待测激光(6)的入射光方向垂直设置，且待测激光位于环形角度调节架的几何中心；
步骤4中，所述点扩散矩阵A根据机器视觉标定板成像获得；机器视觉标定板为在陶瓷材料上刻画的10×10黑白相间的正方形棋盘格，每个棋盘格尺寸为2mm×2mm，其精度1μm。
进一步地，步骤4.1)中，Nx×Ny×Nz个网格，其中Nx＝120，Ny＝120，Nz＝120；
步骤4.2)中，N，M均为1024。
进一步地，步骤5具体为：
采用Tiknonov正则化计算探测区域的激光光强，公式为
式中：上标k代表第k次迭代；
β为Tiknonov正则化因子，取值范围为-1至+1；
Pi表示向量
第i行数值；
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1、本发明激光光强三维空间分布的测量系统及方法，可实现入射激光光强三维空间分布的非接触测量。该激光光强三维空间分布的测量装置利用依次连接的像增强器件、第一成像器件、传像光纤组件、多个第二成像器件以及用于设置第二成像器件的环形角度调节架，能够实现入射激光在侧向不同角度的散射光图像的二维分布测量；然后，采用Tiknonov正则化，重建入射激光光强三维空间分布，利用获取的激光光强三维空间分布数据，便可进一步计算入射激光的M2因子、环围功率比等光束质量因子；本发明既实现了入射激光光强三维空间分布的非接触测量，同时解决了现有的三维光学层析成像装置成本较高的技术问题。
2、本发明激光光强三维空间分布的测量系统，对于激光光强测量为非接触测量方法，而现有的测量方法为接触式测量。
3、本发明通过沿环形角度调节架180°半圆内径向均匀设置多个第二成像器件，并将每个第二成像器件的镜头垂直于与待测激光的入射光方向，且待测激光位于环形角度调节架的几何中心，最后利用Tiknonov正则化层析迭代求解算法实现了入射激光光强三维空间分布的测量；然而，现有的测量方法均为激光光束某一截面的二维分布测量。
4、本发明采用传像光纤束汇聚段连接多根传像光纤束分叉段传像光纤束，与环形角度调节架的相互配合，实现了利用一台像增强相机对不同角度散射光的成像。
附图说明
图1为本发明激光光强三维空间分布的非接触测量系统的立体结构示意图；
图2为本发明激光光强三维空间分布的非接触测量系统实施例中传像光纤束汇聚段端面的单模光纤呈正方形排布示意图；
图3为本发明激光光强三维空间分布的非接触测量系统实施例中每个传像光纤束分叉段端面的单模光纤排布示意图；
图4为本发明激光光强三维空间分布的非接触测量系统实施例中，探测区域的激光散射光经第一成像器件与第二成像器件，在像增强相机上成像过程及探测区域与像增强相机的坐标定义示意图；其中，OI为探测区域的中心坐标，A为探测区域
经第二成像器件、传像光纤组件、第一成像器件成像至像增强相器件的点扩散矩阵，OP为像增强相机的中心坐标，
为探测区域的激光散射光经第一成像器件与第二成像器件，在像增强相机上所成的图像；
图5为本发明实施例中在陶瓷材料上刻画黑白相间正方形棋盘格构成的机器视觉标定板示意图；
图6为本发明激光光强三维空间分布的非接触测量系统实施例的像增强相机，从9个不同角度同时拍摄的入射激光散射光图像示意图；
图7为本发明激光光强三维空间分布的非接触测量系统实施例中，获取的YAG-532nm激光光强三维空间分布示意图；
图8为图7中沿Z轴方向排布的垂直于Z轴的剖视图。
图中附图标记为：
1-像增强器件，2-第一成像器件，3-传像光纤束汇聚段，4-传像光纤束分叉段，5-第二成像器件，6-待测激光，7-环形角度调节架，8-传像光纤束汇聚段外壳，9-传像光纤束汇聚段端面，10-传像光纤束分叉段外壳，11-传像光纤束分叉段端面。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明技的术方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统，包括三维测量机构；
三维测量机构包括依次连接的像增强器件1、第一成像器件2、传像光纤组件、多个第二成像器件5以及用于设置多个第二成像器件5的环形角度调节架7；传像光纤组件包括依次连接的传像光纤束汇聚段3和多根传像光纤束分叉段4；传像光纤束汇聚段3的一端与第一成像器件2连接；每个传像光纤束分叉段4的一端分别连接对应的第二成像器件5；环形角度调节架7的中心用于设置待测激光6，多个第二成像器件5沿环形角度调节架7在180°半圆内径向均匀设置，且每个第二成像器件5均垂直于待测激光6的入射光方向。
YAG-532nm激光在光谱诊断领域有着广泛的应用，例如激光诱导荧光技术、相干反斯托克斯拉曼散射技术、拉曼散射技术、激光诱导热光栅技术等。而在实际应用过程中，YAG-532nm激光的光强空间分布决定了上述光谱诊断技术的信号强度，也是上述光谱诊断技术能否成功应用的关键所在。因此，有必要对YAG-532nm激光的光强空间分布进行在线监测，以便获取良好的光谱探测信号。
其中，还设置有带通滤波片；带通滤波片设置在传像光纤束汇聚段3与第一成像器件2之间，带通滤波片中心波长为入射激光波长，FWHM＝25nm；第一成像器件2的焦距f1为55mm；第二成像器件5的焦距f2为50mm；传像光纤束汇聚段3两端的端面尺寸为17.4mm×17.4mm；传像光纤束分叉段4两端的端面尺寸均为5.8mm×5.8mm；相邻的第二成像器件5的延长线夹角为22.5°。
本实施例中，采用的YAG-532nm激光为法国Quantel公司生产的Q-smart型激光器，其输出的待测激光6波长为532nm，激光脉宽为6ns，单脉冲能量为约200mJ，重复频率为10Hz。
像增强器件1采用美国PI公司生产的PI-MAX4型像增强相机，其像素为1024×1024，光谱范围为500nm至1100nm，分辨率为16bit，最小开门时间为2ns，最大增益为1000。
传像光纤束汇聚段3和传像光纤束分叉段4的传输波长均为460nm至800nm；如图2所示，为传像光纤束汇聚段3的传像光纤束汇聚段外壳8与传像光纤束汇聚段端面9，传像光纤束汇聚段3内的单模光纤呈正方形排布，其数量为90万根单模光纤；传像光纤束分叉段4数量为9个，如图3所示，为一根传像光纤束分叉段4的传像光纤束分叉段外壳10、传像光纤束分叉段端面11，每个传像光纤束分叉段4均由10万根单模光纤组成，且每根单模光纤其长度为1500mm。
第二成像器件5为9个，传像光纤束分叉段4的9个分叉段端面分别配有一个第二成像器件5；本实施例中，第一成像器件2采用Nikon镜头，其焦距f＝55mm；第二成像器件5采用Nikon镜头，其焦距f＝50mm；传像光纤束汇聚段3的输出信号经带通滤光片，传输至像增强相机，该像增强相机前配有第一成像器件2；
同时，本发明还提供了一种激光光强三维空间分布的非接触测量方法，基于一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统，包括以下步骤：
步骤1：搭建激光光强三维空间分布的非接触测量系统
1.1)将每个传像光纤束分叉段4的一端分别连接对应的第二成像器件5；
1.2)沿环形角度调节架7在180°半圆内径向均匀设置第二成像器件5；
1.3)将传像光纤束汇聚段3的一端与第一成像器件2连接，并将第一成像器件2安装于像增强器件1上；
1.4)将传像光纤束汇聚段3的一端与第一成像器件2连接具体为：在传像光纤束汇聚段3的一端与第一成像器件2之间设置带通滤光片，并将传像光纤束汇聚段3的一端与第一成像器件2连接；
1.5)将每个传像光纤束分叉段4的另一端连接在传像光纤束汇聚段3的另一端上。
步骤2：将待测激光6设置于环形角度调节架7的几何中心；
步骤3：调节三维测量机构中的第一成像器件2和每个第二成像器件5的焦距；
步骤4：计算激光光强
4.1)如图4所示，将待测激光6入射的探测区域划分为Nx×Ny×Nz个网格，并将每个网格对应入射的激光光强标记为探测区域
其中xi表示x方向的网格坐标标记，1≤i≤Nx；yj表示y方向的网格坐标，1≤j≤Ny；zk表示z方向的网格坐标，1≤k≤Nz；
4.2)记录像增强器件1通过第一成像器件2和第二成像器件5测量的散射光图像
其中xi表示像增强器件1x方向的像素点坐标标记，1≤i≤N，yj表示像增强器件1y方向的像素点坐标标记，1≤j≤M；
4.3)步骤4.1)中激光光强
与步骤4.2)中散射光图像
满足下式关系
式中：
表示像增强器件1测量的散射光图像，具体为由像素点组成的向量；A为探测区域
经第二成像器件5、传像光纤组件、第一成像器件2成像至像增强相器件1的点扩散矩阵；
步骤5：采用Tiknonov正则化计算待测激光6入射探测区域的激光光强
公式为
式中：上标k代表第k次迭代；
β为Tiknonov正则化因子，取值范围为-1至+1；
Pi表示向量
第i行数值；
为了进一步说明本发明的技术方案，本实施例采用Q-smart型激光器，测量激YAG-532nm激光光强三维空间分布，具体步骤如下：
步骤1：搭建激光光强三维空间分布的非接触测量系统
1.1)将9个传像光纤束分叉段4的一端分别连接对应的第二成像器件5；
1.2)沿环形角度调节架7在180°半圆内径向等角度排布9个第二成像器件5，相邻第二成像器件5之间的延长线夹角为22.5°。
1.3)将传像光纤束汇聚段3的一端与第一成像器件2连接，并将第一成像器件2安装于像增强相机上；
1.4)将9个传像光纤束分叉段4的另一端连接在传像光纤束汇聚段3的另一端上；
步骤2：将待测激光6与环形角度调节架7的几何中心垂直设置，使得入射激光与9个第二成像器件5的镜头垂直，且9个传像光纤束分叉段4均位于待测激光6的出射光路上；
步骤3：多次调节三维测量机构中的第一成像器件2和9个第二成像器件5的焦距，直至在像增强相机上能够清晰地观察到待测激光6的散射光图像(即散射光图像)。
步骤4：计算激光光强
4.1)将待测激光6入射探测区域划分为Nx×Ny×Nz个网格，其中Nx＝120，Ny＝120，Nz＝120；并将每个网格对应的激光光强标记为
xi表示x方向的网格坐标标记，且1≤i≤Nx；yj表示y方向的网格坐标标记，且1≤j≤Ny；zk表示z方向的网格坐标标记，且1≤k≤Nz。
4.2)记录像增强相机通过第一成像器件2和第二成像器件5测量的散射光图像，记为
其中，xi表示像增强相机x方向的像素点坐标标记，且1≤i≤1024；yj表示像增强相机y方向的像素点坐标标记，且1≤j≤1024。
4.3)像增强相机记录的散射光图像
与待测激光6的激光光强
满足如下关系式：
式中：
表示像增强器件1测量的散射光图像，具体为由像素点组成的向量；A为探测区域
经第二成像器件5、传像光纤组件、第一成像器件2成像至像增强相器件的点扩散矩阵；
如图5所示，点扩散矩阵A根据机器视觉标定板成像获得；机器视觉标定板为在陶瓷材料上刻画的10×10黑白相间的正方形棋盘格，每个棋盘格尺寸为2mm×2mm，其精度1μm。
步骤5：采用Tiknonov正则化，计算入射探测区域的激光光强
式中：上标k代表第k次迭代；
β为Tiknonov正则化因子，取值范围为-1至+1；
Pi表示向量
第i行数值；
如图6、图7、、图8所示，像增强相机从9个不同的角度，同时拍摄的YAG-532nm激光的散射光图像，然后计算获得的YAG-532nm激光光强三维空间分布图，其中图8为图7沿Z轴方向的垂直Z轴剖视图。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书以及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统，其特征在于：包括三维测量机构；
所述三维测量机构包括依次连接的像增强器件(1)、第一成像器件(2)、传像光纤组件、多个第二成像器件(5)以及用于设置多个第二成像器件(5)的环形角度调节架(7)；
所述传像光纤组件包括依次连接的传像光纤束汇聚段(3)和多根传像光纤束分叉段(4)；
所述传像光纤束汇聚段(3)的一端与第一成像器件(2)连接；
每个所述传像光纤束分叉段(4)的一端分别连接对应的第二成像器件(5)；
所述环形角度调节架(7)的中心用于设置待测激光(6)，多个所述第二成像器件(5)沿环形角度调节架(7)在180°半圆内径向设置，且每个第二成像器件(5)均垂直于待测激光(6)的入射光方向。
2.根据权利要求1所述的一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统，其特征在于：所述传像光纤束分叉段(4)数量为9个，所述第二成像器件(5)为9个，相邻的所述第二成像器件(5)沿环形角度调节架(7)在180°半圆内径向均匀设置。
3.根据权利要求2所述的一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统，其特征在于：所述传像光纤束汇聚段(3)和传像光纤束分叉段(4)的传输波长均为460nm至800nm；
所述传像光纤束汇聚段(3)的单模光纤呈正方形排布，其数量为90万根单模光纤；
每个所述传像光纤束分叉段(4)均由10万根单模光纤组成，且每根单模光纤其长度为1500mm。
4.根据权利要求3所述的一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统，其特征在于：还包括带通滤波片；
所述带通滤波片设置在传像光纤束汇聚段(3)与第一成像器件(2)之间；
所述第一成像器件(2)的焦距f1为55mm；
所述第二成像器件(5)的焦距f2为50mm；
所述像增强器件(1)为PI-MAX4型像增强相机。
5.根据权利要求1至4任一所述的一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统，其特征在于：
所述传像光纤束汇聚段(3)两端的端面尺寸为17.4mm×17.4mm；
所述传像光纤束分叉段(4)两端的端面尺寸均为5.8mm×5.8mm。
6.一种激光光强三维空间分布的非接触测量方法，基于权利要求1所述的一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：搭建激光光强三维空间分布的非接触测量系统；
步骤2：将待测激光(6)设置于环形角度调节架(7)的几何中心；
步骤3：调节三维测量机构中的第一成像器件(2)和每个第二成像器件(5)的焦距；
步骤4：计算激光光强
4.1)将待测激光(6)入射的探测区域划分为Nx×Ny×Nz个网格，并将每个网格对应入射的激光光强标记为探测区域
其中xi表示x方向的网格坐标标记，1≤i≤Nx；yj表示y方向的网格坐标标记，1≤j≤Ny；zk表示z方向的网格坐标标记，1≤k≤Nz；
4.2)记录像增强器件(1)通过第一成像器件(2)和第二成像器件(5)测量的散射光图像
其中xi表示像增强器件(1)x方向的像素点坐标，1≤i≤N，yj表示像增强器件(1)y方向的像素点坐标，1≤j≤M；
4.3)步骤4.1)中激光光强
与步骤4.2)中散射光图像
满足下式关系
式中：
表示像增强器件(1)测量的散射光图像，具体为由像素点组成的向量，A为探测区域
经第二成像器件(5)、传像光纤组件、第一成像器件(2)成像至像增强相器件(1)的点扩散矩阵；
步骤5：采用Tiknonov正则化计算待测激光(6)入射探测区域的激光光强
7.根据权利要求6所述的一种激光光强三维空间分布的非接触测量方法其特征在于，步骤1具体为：
1.1)将每个传像光纤束分叉段(4)的一端分别连接对应的第二成像器件(5)；
1.2)沿环形角度调节架(7)在180°半圆内径向设置第二成像器件(5)；
1.3)将传像光纤束汇聚段(3)的一端与第一成像器件(2)连接，并将第一成像器件(2)安装于像增强器件(1)上；
1.4)将每个传像光纤束分叉段(4)的另一端连接在传像光纤束汇聚段(3)的另一端上。
8.根据权利要求7所述的一种激光光强三维空间分布的非接触测量方法，其特征在于：
步骤1.3)中，所述将传像光纤束汇聚段(3)的一端与第一成像器件(2)连接具体为：在传像光纤束汇聚段(3)的一端与第一成像器件(2)之间设置带通滤光片，并将传像光纤束汇聚段(3)的一端与第一成像器件(2)连接；
步骤2具体为：将第二成像器件(5)沿待测激光(6)的入射光方向垂直设置，且待测激光(6)位于环形角度调节架(7)的几何中心；
步骤4中，所述点扩散矩阵A根据机器视觉标定板成像获得；所述机器视觉标定板为在陶瓷材料上刻画的10×10黑白相间的正方形棋盘格，每个棋盘格尺寸为2mm×2mm，其精度1μm。
9.根据权利要求8所述的一种激光光强三维空间分布的非接触测量方法，其特征在于：
步骤4.1)中，所述Nx×Ny×Nz个网格，其中Nx＝120，Ny＝120，Nz＝120；
步骤4.2)中，所述N，M均为1024。
10.根据权利要求6至9任一所述的一种激光光强三维空间分布的非接触测量方法，其特征在于，步骤5具体为：采用Tiknonov正则化计算探测区域的激光光强
公式为
式中：上标k代表第k次迭代；
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Pi表示向量
第i行数值；
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