CN115096177A

CN115096177A - 一种用子光束位置监测激光合束系统光束的装置及方法

Info

Publication number: CN115096177A
Application number: CN202210010441.4A
Authority: CN
Inventors: 程鑫彬; 顿雄; 李冬冬; 薛栋柏; 张锦龙
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2022-01-06
Filing date: 2022-01-06
Publication date: 2022-09-23
Anticipated expiration: 2042-01-06
Also published as: CN115096177B

Abstract

本发明涉及一种用子光束位置监测激光合束系统光束的装置及方法，所述装置包括光栅、透镜、以及用于检测子束光斑相对位置的相机和计算机；所述相机与计算机连接；激光合束系统发出的激光合束光束依次经过光栅和透镜，并聚焦到相机的相面上。与现有技术相比，本发明通过光学设计的方法保证了子束光斑位置在同一相机上且能够分开，通过实时监测子束的相对位置，确保了激光合束光束中的各个子束光斑位置一直处于给定的范围位置内，从而保证激光合束光束质量。

Description

一种用子光束位置监测激光合束系统光束的装置及方法

技术领域

本发明涉及激光合束技术领域，尤其是涉及一种用子光束位置监测激光合束系统光束的装置及方法。

背景技术

由于单路激光器受热效应、非线性效应、元器件的结构及散热等因素的影响，其输出的功率和激光波长有限。激光合束技术是突破单路激光输出功率和波长的重要方法之一，通过将多路激光合成一束，保持了较好的光束质量。

激光合束中装配精度误差、热效应、单路激光光束抖动、空气扰动、设备振动、环境温度变化等因素影响了激光合束各子束光斑重合；而子束光斑重合越低，其合成的激光光束质量就越差。

目前针对上述问题，只有极少的研究涉及到一些设计方法或装置。陈昌博设计了一种多波长激光合束系统中光束监测装置。该监测装置该利用监测合成后的光束，利用合成时各子束没有完全重合的位置，用一个CCD监测存在很大问题。合成光束在理论上是一束光，或者是已经调成接近一束光束，这样才能保证近场合远场的高光束质量，合成才有意义。

1)在受到外界因素干扰时，合成光束不再重合，众多子束很难监测，且每个子束受影响的程度不一样，监测难度非常大，需要复杂的设计与算法；

2)目前众多监测都是利用CCD监测合成光束，主要是利用子束在合成时有较大的位置偏差，这样激光系统还没受外界干扰时，在近场和远场子束光斑已经有很大位置偏差，光束质量是非常差的；

3)利用实测光斑位置，其误差较大；并且激光光束是具有一定抖动的，且功率越高，抖动频率越大；

4)在一个CCD相机上利用三种光斑中心定位算法很难实现位置监测。因为在受外界因素影响时，当其中某个光斑中心与另外一个或几个瞬间重合时候，光斑中心监测算法无法识别监测的是哪一束子束，导致整个系统无法工作；

此外，现有专利基本大多利用分光镜或分色片等光学元件将一束激光分出微弱光束进行单独监测，只能针对一束激光，无法对合成的激光进行分光作用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的子束检测困难且检测精度低的缺陷而提供了一种用子光束位置监测激光合束系统光束的装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的第一方面，提供了一种用子光束位置监测激光合束系统光束的装置，包括光栅1、透镜2以及用于检测子束相对位置的相机3和计算机4；所述相机3与计算机4连接；

激光合束系统发出的激光合束光束依次经过光栅1和透镜2，聚焦到相机3的相面上。

优选地，所述光栅1为透射光栅或反射光栅。

优选地，所述透镜2将经过光栅1得到的子束聚焦到相机3相面的均布位置。

优选地，所述监测装置集成在所述激光合束系统上。

根据本发明的第二方面，提供了一种基于上述装置的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1、基于精度需求确定光栅、透镜以及相机的选型，并在相机的相面上将子束的相对位置进行标定；

步骤S2、获取并处理子束光斑相对位置；

步骤S3、判断子束光斑相对位置是否在相对位置监测精度范围内，若不在，对激光合束系统进行控制调整。

优选地，所述步骤S1中基于精度需求确定光栅、透镜以及相机的选型过程具体为：

1)光栅方程：

θ_m d(sinθ_m-sinθ_i)＝kλ (1)

其中，θ_i为激光合束入射角度，θ_m为每个子束的衍射角度，k为级次，d为光栅周期；

2)相机像面上的上下两个子束夹角Δθ为以对称中心为基准的相面两个对称位置波长的衍射角度，表达式为：

Δθ＝|θ_ma-θ_mb| (2)

其中，θ_ma、θ_mb为分别子束a、b的衍射角度；

3)根据焦距、子光束位置及与子光束衍射角关系得到

其中，y为相机的像面长度，焦距为f；

4)依据相机精度及焦距f之间的关系得到：

其中，相机精度依据相机选型得到，系统精度满足激光合束光束的可调节精度；所述相机选型依据激光合束系统中激光抖动频率及激光合成精度；

通过公式(1)～(4)的约束条件，计算出光栅的周期d以及焦距f；

5)最后通过zemax确定具体透镜、优化焦距以及优化光栅周期。

优选地，所述步骤S2具体为：

步骤S21、实时获取动态子束光斑的质心数据；

步骤S22、标定子束光斑的相对位置；

步骤S23、根据激光合束系统的合成光束要求，给定子束相对位置的精度要求；

步骤S24、给定子束的监测精度范围。

优选地，所述步骤S21具体为：采用质心定位算法实时获取动态子束光斑的质心数据。

根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述的方法。

根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现任一项所述的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明设计的一种用子光束位置监测激光合束系统光束的装置及方法，通过光学设计的方法保证子束光斑位置在同一相机上且能够分开，实时监测动态子束光斑质心位置是否在给定的范围位置内，提高了激光合束系统的光束位置检测的精度，进而提高了激光合束光束的质量；

2)本发明的监测装置结构简单可靠，且易于集成到激光合束系统中，成本较低；

3)本发明的方法对检测算法要求较低，无需采用复杂算法，便可精确检测到子束光斑质心位置。

附图说明

图1为本发明的基于子光束相对位置的激光合束系统监测装置结构示意图；

图2为子光束在相机上的位置示意图；

图3为子光束衍射示意图；

图4为本发明监测方法的数据处理流程示意图；

图5为光斑质心定位算法处理流程示意图；

图6为实施例1中的三路激光合束子束检测的方法示意图；

图7为实施例1路激光合束子束在相机上的标定示意图；

图8为实施例2中的激光合束系统监测装置结构示意图。

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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明提出了一种用子光束位置监测激光合束系统光束的装置及方法，通过光学设计的方法保证子束光斑位置在同一相机上且能够分开，利用计算机算法实时监测具备动态光束质心位置，实时监测子束的相对位置；通过对激光合束子束光斑相对位置监测，对激光合束系统进行调节控制，保证激光合束中的各个子束光斑位置一直处于给定的范围位置，从而保证激光合束光束质量。

如图1所示，给出本发明的装置实施例，一种激光合束系统的子束光斑位置监测装置，该装置包括光栅1、透镜2、相机3和用于监测子束相对位置的计算机4；所述相机3与计算机4连接；激光合束系统输出的激光合束光束依次经过光栅1和透镜2，并聚焦到相机3的相面上。所述透镜2将经过光栅1得到的子束聚焦到相机3相面的均布位置。所述光栅1为透射光栅。所述监测装置集成在所述激光合束系统上。工作过程为：

1)激光合束系统将多路激光合成一束激光合束光束；

2)光栅1基于光栅分光原理将激光合束光束中不同波长的子光束分隔开，具体原理如下：由光栅方程θ_m d(sinθ_m-sinθ_i)＝kλ可知，以相同的入射角θ_i投射到光栅1上，激光合束光束中的不同波长子光束以不同的衍射角θ_m出射。这样经过光栅衍射后，原先合成的激光合束光束彼此分开；

3)透镜2将光栅1分开的每束子束激光聚焦到相机3像面上设计均布的范围位置；如图6及图7所示的3路激光合束系统，其合成的三子束在相机3像面上的均布标定，理论上每个位置占据总的相机的位置是一样的，即相机像面大小的y/3。

4)相机3与计算机4通过串口连接，实现控制子束光斑的相对位置监测；相机3接收子束光斑位置，并进行标定和监测；计算机4主要利用算法检测每一束激光的质心位置，实现每一束相对位置的标定。

下面给出本发明的方法实施例，如图4所示，该监测方法基于子束光斑的质心位置得到子束光斑质心相对位置，并对其进行实时监测；当激光合成光束中的任一子束存在波动，可通过子束的相对位置进行监测并确定哪一束子束产生的波动。所述方法具体包括以下步骤：

所述基于精度需求确定光栅、透镜以及相机的选型具体过程如下：

1)光栅方程：

θ_m d(sinθ_m-sinθ_i)＝kλ (1)

其中，θ_i为激光合束入射角度，一般情况下，为便于计算，入射角度θ_i＝0°；θ_m为每个子束的衍射角度，k为级次，d为光栅周期；

Δθ＝|θ_ma-θ_mb| (2)

其中，θ_ma、θ_mb为分别子束a、b的衍射角度；

3)根据焦距、子光束位置及与子光束衍射角关系得到

其中，y为相机的像面长度，焦距为f；

4)依据相机精度及焦距f之间的关系得到：

5)最后通过zemax确定具体透镜、优化焦距以及优化光栅周期。

步骤S2、获取并处理子束光斑相对位置，具体为：

步骤S21、采用质心定位算法实时获取动态子束光斑的质心数据；

步骤S22、标定子束光斑的相对位置；

步骤S24、给定子束的监测精度范围。

图4为本实施例的方法流程示意图。采用光斑质心定位算法将子束标定和监测，设计给定精度范围内，实时动态检测子束的相对位置

图5为光斑质心定位算法处理流程。光斑质心定位算法采用传统的灰度质心法。灰度质心法主要利用像素的灰度值作为权重来计算光斑质心，假设图片的像素为m×n，每个像素点的灰度值为G(x,y)，计算每一束子光束的质心以及相对位置。其中子光束的质心坐标表达式为：

整个监测装置的监测精度与光栅设计或选型、透镜设计或选型以及相机设计或选型密切相关。

采用光斑质心定位算法(或其它能将子束相对位置标定检测识别的算法)对子束标定和监测，设计给定精度范围内，实时动态检测子束的相对位置。

本发明电子设备包括中央处理单元(CPU)，其可以根据存储在只读存储器(ROM)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(RAM)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在RAM中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。CPU、ROM以及RAM通过总线彼此相连。输入/输出(I/O)接口也连接至总线。

设备中的多个部件连接至I/O接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。

处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法S1～S3。例如，在一些实施例中，方法S1～S3可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到RAM并由CPU执行时，可以执行上文描述的方法S1～S3的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，CPU可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法S1～S3。

本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)等等。

用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本发明的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

实施例2

如图8所示，所述光栅1为反射光栅。其他设置与实施例1相同。

实施例3

所述光斑质心定位算法可替换为采用其它能将子束相对位置标定检测识别的算法。其他设置与实施例1相同。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种用子光束位置监测激光合束系统光束的装置，其特征在于，包括光栅(1)、透镜(2)以及用于检测子束相对位置的相机(3)和计算机(4)；所述相机(3)与计算机(4)连接；

激光合束系统发出的激光合束光束依次经过光栅(1)和透镜(2)，聚焦到相机(3)的相面上。

2.根据权利要求1所述的一种用子光束位置监测激光合束系统光束的装置，其特征在于，所述光栅(1)为透射光栅或反射光栅。

3.根据权利要求1所述的一种用子光束位置监测激光合束系统光束的装置，其特征在于，所述透镜(2)将经过光栅(1)得到的子束聚焦到相机(3)相面的均布位置。

4.根据权利要求1所述的一种用子光束位置监测激光合束系统光束的装置，其特征在于，所述监测装置集成在所述激光合束系统上。

5.一种基于权利要求1所述的一种用子光束位置监测激光合束系统光束的装置的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S2、获取并处理子束光斑相对位置；

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中基于精度需求确定光栅、透镜以及相机的选型过程具体为：

1)光栅方程：

θ_m d(sinθ_m-sinθ_i)＝kλ (1)

Δθ＝|θ_ma-θ_mb| (2)

其中，θ_ma、θ_mb为分别子束a、b的衍射角度；

3)根据焦距、子光束位置及与子光束衍射角关系得到

其中，y为相机的像面长度，焦距为f；

4)依据相机精度及焦距f之间的关系得到：

5)最后通过zemax确定具体透镜、优化焦距以及优化光栅周期。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

步骤S21、实时获取动态子束光斑的质心数据；

步骤S22、标定子束光斑的相对位置；

步骤S24、给定子束的监测精度范围。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S21具体为：采用质心定位算法实时获取动态子束光斑的质心数据。

9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求6～8任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求6～8中任一项所述的方法。