CN116007747A - 光束质量测量系统和方法以及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种光束质量测量系统和方法以及电子设备。该系统包括依次设置的光束发射部、光束导引部和光束信息处理部，其中，光束发射部发出的光束能够在光束导引部第一侧产生移动的光斑，通过控制光束发射部相对于光束导引部的运动，使所述光斑移动进入和/或掠过在光束导引部第一侧界定的测量视场，同时光束信息处理部连续地捕捉落入测量视场而在光束导引部第二侧产生的图像，至少直至获取完整的光斑成像信息，借以求出光束的质量参数。依据本发明提出的技术方案，允许实现对光束质量如大角度光斑发散角的准确测量。

Description

光束质量测量系统和方法以及电子设备

技术领域

本发明涉及无线探测技术领域，具体而言，本发明涉及一种光束质量测量系统和方法以及电子设备。

背景技术

雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。由于激光具有许多优点，如它的单色性好、亮度高、方向性强等，使激光雷达得到越来越多的关注。

激光雷达光场光束质量通常包括光斑发散角、均匀度、光学效率这三项参数，这些参数是评价激光雷达发射端镜头光学性能优劣的重要指标，会直接影响激光雷达整机性能。在激光雷达发射端镜头设计验证中，需要通过光场测试设备精确检测光斑发散角、均匀度、光学效率，保证发射端镜头产品质量，目前常见的光场测试设备是光束质量分析仪。

然而，光束质量分析仪测试视场角不够大，无法直接完整地测量出大角度的光斑发散角及均匀度。若要使用光束质量分析仪测量大角度发散角，需将发射端发射的光束投射到标靶上进行，光束质量分析仪通过拍摄标靶上的光斑进行间接测量。由于标靶的表面各位置的材质与平整度存在差异，当光斑照射到标靶表面后由于粗糙度影响会产生光晕，使得测量光斑尺寸时存在较大的测量误差，导致计算发散角时不准确。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提出一种光束质量测量系统和方法以及电子设备，至少部分克服或弥补上述现有技术的缺陷，尤其是允许实现对光束质量如大角度光斑发散角的准确测量。

按照本发明的第一方面，提供一种光束质量测量系统，包括依次设置的光束发射部、光束导引部和光束信息处理部，其中，所述光束发射部发出的光束能够在所述光束导引部第一侧产生移动的光斑，通过控制光束发射部相对于光束导引部的运动，使所述光斑移动进入和/或掠过在所述光束导引部第一侧界定的测量视场，同时所述光束信息处理部连续地捕捉落入测量视场而在所述光束导引部第二侧产生的图像，至少直至获取完整的光斑成像信息，借以求出光束的质量参数。

依此，一方面，通过使光束投射至摄像装置的成像面得到采样光斑，直接对其进行拍照检测，相应的图像能够正确反映光束的特征信息，从而可实现精准测量；另一方面，通过光斑分段采样、连续拍照、综合图像处理的方式，使得被测光束(或者说其光斑)的尺寸不再受制于测量视场的大小，从而在理论上可以检测任意截面尺寸的光束，并且尤其适合于检测大发散角的光束。

在本发明中，所述光束的质量参数可以为光束发散角或光束均匀性或光学效率或者它们的组合。

适宜的是，在执行光束质量测量时，所述光束发射部发出的光束产生的光斑可以在垂直于光传播方向的至少一个方向上移动。

在一些实施例中，所述光束导引部的所述测量视场在光斑移动方向上具有一最大视场宽度W1，所述光束信息处理部连续捕捉图像时，每一帧图像对应于所述光斑的一位移量W2，该最大视场宽度W1与该位移量W2满足：W1/W2≥1。

依据本发明的一些具体实施例，所述光束信息处理部包括摄像装置和计算机装置。

依据本发明，有利的是，所述计算机装置能够对捕捉的图像进行分析处理，将多个图像节段拼接为包含完整的光斑成像信息的融合图像。

为此，所述计算机装置可以包括图像拼接算法功能模块，能够执行模板匹配算法来对图像节段进行拼接。

进一步有利的是，所述计算机装置包括二值化计算功能模块，用于对拼接好的融合图像进行二值化处理。

进一步有利的是，所述计算机装置包括像素点累加算法功能模块，用于由融合图像计算出光斑的几何尺寸。

在此，适宜的是，所述摄像装置至少在光斑一个边缘进入测量视场到光斑另一边缘进入测量视场的过程中，对在光束导引部第二侧投射至其成像面的光斑图进行连续拍照，以得到至少一组载有光斑成像信息的静态图像。

特别有利的是，所述摄像装置连续拍照的速度能够依据所述光源器件的移动速度适配调整。

具体地，按照一些实施例，所述摄像装置包括CCD和/或红外成像元件，例如可以为CCD红外相机。

在一些实施例中，所述光束导引部包括带有至少一个透镜的光学器件。

在此，有利的是，所述光束发射部与所述光束导引部的相对位置设定为：沿着所述透镜的光轴方向，光束发射部产生的所述光斑与透镜入射面之间的距离LA和该透镜的焦距F满足：LA/F≤0.35，优选LA/F≤0.3。

进一步有利的是，所述光束质量测量系统还包括准直模块，该准直模块用于使光束发射部发出的光束平行入射所述光束导引部的所述透镜。

具体地，按照一些实施例，所述准直模块可以构造为TIR透镜、平凸透镜、球面或非球面透镜或者它们的组合。

在一些实施例中，所述光束发射部包括承载装置和固定于该承载装置的光源器件。

具体地，按照一些实施例，所述承载装置包括旋转台，所述光源器件可拆式固定在所述旋转台上，所述旋转台能够带动所述光源器件转动，以使光源器件发射的光束在所述光束导引部第一侧产生相应移动的光斑。

在此，适宜的是，所述光束导引部的所述测量视场具有一最大视场角FV1，所述光束信息处理部连续捕捉图像时，每一帧图像对应于旋转台的一旋转角度FV2，该最大视场角FV1与该旋转角度FV2满足：FV1/FV2≥1，优选FV1/FV2≥1.5。

具体地，按照一些实施例，所述承载装置包括升降台，所述旋转台支承于所述升降台上，通过所述升降台能够调整所述旋转台的高度位置，以使所述光源器件发射的光束对准所述光束导引部第一侧的测量视场。

在一些实施例中，所述光源器件为LD或LED或卤素灯或其组合。原则上，本发明提出的光束质量测量系统适用于各种类型光源的光束质量测量。所述光源器件可以是激光发射器，例如红外激光发射器，可以是脉冲激光器或连续激光器。

按照本发明的第二方面，提供一种光束质量测量方法，包括如下步骤：

I.提供光束发射部；

II.提供光束信息处理部；

III.提供光束导引部；

IV.依次布置光束发射部、光束导引部和光束信息处理部并调准三者间的相对位置关系；

V.执行光束质量测量；

本发明特别提出，在步骤V中，使所述光束发射部发出的光束在所述光束导引部第一侧产生移动的光斑，其中，使光斑移动进入和/或掠过在所述光束导引部第一侧界定的测量视场，同时使所述光束信息处理部连续地捕捉落入测量视场而在所述光束导引部第二侧产生的图像，至少直至获取完整的光斑成像信息；然后，对捕捉的图像进行分析处理，以求出光束的质量参数。

在步骤I中，通常将待检测的光源器件可拆式固定于承载装置而形成所述光束发射部。

在一些实施例中，具体设定：在步骤V中，驱动所述光源器件相对于所述光束导引部在垂直于光传播方向的至少一个方向上移动，以使光源器件发射的光束在所述光束导引部第一侧产生相应移动的光斑。

在一些实施例中，特别规定：光源器件的运动形式为转动。也就是说，在步骤V 中，驱动所述光源器件转动，以使光源器件发射的光束在所述光束导引部第一侧产生相应移动的光斑。

在一些实施例中，提出：在步骤IV中，调整所述光源器件的高度位置，以使光源器件发射的光束对准所述光束导引部第一侧的测量视场。

在一些实施例中，提出：在步骤III中，提供带有至少一个透镜的光学器件以形成所述光束导引部。

依据本发明，有利的是，在利用计算机装置对拍照捕捉的图像进行分析处理的阶段，包括如下分步骤：

(a)将摄像装置拍摄的多个图像节段拼接为包含完整光斑成像信息的融合图像；

(b-1)对拼接好的融合图像进行二值化处理；

(c-1)由融合图像测定或计算出光斑的几何尺寸；

(d-1)基于光斑的几何尺寸求出光束的发散角。

对此适宜的是，在分步骤(c-1)中，进一步包括：

(c-1-1)基于融合图像的灰度值函数、融合图像宽与融合图像高、光斑总能量、摄像装置在水平和垂直方向的相机分辨率，计算出光斑的质心坐标(X，Y)；

(c-1-2)以光斑质心为中心，分别在水平、垂直方向上进行光斑像素点累加计算，统计累加后像素点个数，并依此求出光斑在水平和垂直维度的尺寸。

应能理解：本发明所提技术方案针对光束质量的检测并不仅仅局限于发散角，根据捕捉到的图像，对光束均匀性和光学效率进行相应评价，也是完全可行的。因此，依据本发明，在利用计算机装置对拍照捕捉的图像进行分析处理的阶段，可以包括如下分步骤：

(a)将摄像装置拍摄的多个图像节段拼接为包含完整光斑成像信息的融合图像；

(b-2)基于融合图像的灰度等级和灰度分布来分析光束的均匀性以及光学效率。

按照本发明的第三方面，提供一种电子设备，包括：

处理器，用于执行指令，和

与所述处理器可通信地连接的存储器，所述存储器具有至少一个指令；

其中，所述指令被所述处理器执行，以利用如上所述的光束质量测量方法来执行光束质量测量。在此，光束质量参数可以为光束发散角或光束均匀性或光学效率或者它们的组合。

根据本发明第一方面提供的光束质量测量系统的特征和优点同样适用于本发明第二方面提供的光束质量测量方法以及本发明第三方面提供的电子设备。

附图说明

在附图中示出了本发明的一些示例性实施例。本文所公开的实施例和附图应被视作说明性的，而非限制性的。另外值得注意的是，为了图示清楚起见，在附图中对于部分结构细节并不是按照实际比例绘制的。

图1是光束质量测量系统的结构示意图；

图2是光束质量测量系统的工作原理示意图；

图3是摄像装置(相机)采集的光斑图像的示意图；

图4是图像拼接技术下的光斑图像的示意图；

图5是一种实施形式的光斑成像光路示意图；

图6是一种实施形式的光斑成像及几何计算原理示意图；

图7是光束质量测量方法的流程框图；

图8是光束质量测量方法的一种实施形式的示意图。

具体实施方式

下文的描述用于阐释本发明的技术方案，以便本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明精神和范围的其他技术方案。同时，值得注意的是，文中结合某一实施例描述的特征、结构或特性并不一定限于该特定的实施方式，也不表示与其他实施方式互斥，在本领域技术人员的能力范围内，可以考虑实现不同实施例中各个特征的不同组合方式。

在说明书和权利要求书中的措辞“第一”、“第二”等等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”/“包含”和“具有”以及它们的任何变换措辞，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、产品或设备并不局限于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。在本申请的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系而言的，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不意味着相应的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。另外，术语“一”应理解为“至少一个”或者“一个或多个”，即在某一实施例中，某一组件的数量可以为一个，而在另一实施例中，该组件的数量可以为多个，也就是说，术语“一”不能理解为对数量的限制。

除非另有限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)，均具有与本领域普通技术人员通常理解相同的含义，并可依据它们在相关技术描述上下文中的语境作具体解释。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供一种光束质量测量系统，如图1所示，其包括依次设置的光束发射部A、光束导引部B和光束信息处理部C。按照本发明，所述光束发射部A发出的光束能够在所述光束导引部B第一侧E1产生移动的光斑，通过控制光束发射部A相对于光束导引部B的运动，使所述光斑移动进入和/或掠过在所述光束导引部B第一侧E1 界定的测量视场，同时所述光束信息处理部C连续地捕捉落入测量视场而在所述光束导引部B第二侧E2产生的图像，至少直至获取完整的光斑成像信息，借以求出光束的质量参数。在此，所述光束的质量参数可以为光束发散角或光束均匀性或光学效率或者它们的组合。

图1示出了按照本发明一种实施形式的光束质量测量系统的结构示意图，该光束质量测量系统包括依次设置的光束发射部A、光束导引部B和光束信息处理部C，其中，所述光束发射部A包括承载装置11和固定于该承载装置的光源器件12；所述光束导引部B具有在光传播方向上靠近光束发射部的第一侧E1和靠近光束信息处理部的第二侧E2，所述第一侧E1界定一测量视场；所述光束信息处理部C包括摄像装置 14和计算机装置15。

适宜的是，在执行光束质量测量时，所述光束发射部A发出的光束产生的光斑在垂直于光传播方向的至少一个方向上移动。依据本发明的一种具体实施方案，为了产生移动的光斑，所述承载装置11配有致动机构111并设置为能够驱动所述光源器件 12相对于所述光束导引部在垂直于光传播方向的至少一个方向上移动，于是，使光源器件发射的光束在所述光束导引部第一侧E1产生相应移动的初始光斑；在执行光束质量测量时，所述致动机构111受控制地驱动所述光源器件12，使初始光斑移动进入和/或掠过所述测量视场，至少在初始光斑一个边缘进入测量视场到初始光斑另一边缘进入测量视场的过程中，所述摄像装置14对经所述光束导引部第二侧E2投射至其成像面而得到的采样光斑进行连续拍照，所述计算机装置15对拍照捕捉的图像进行分析处理，从而求出光束的质量参数。

由此，无论光束发射部发射的光斑大于测量视场(对应于大的发散角)，还是小于测量视场(对应于小的发散角)，理论上均可通过此系统进行测量。本发明提出的技术方案尤其适合于测量大发散角的光束。

如图1所示，按照此实施形式，所述承载装置11包括一旋转台111b，所述光源器件12可拆式固定在所述旋转台上，所述致动机构111连接于所述旋转台并且能够驱动该旋转台进行旋转运动，从而带动所述光源器件转动，以使光源器件发射的光束在所述光束导引部第一侧E1产生相应移动的初始光斑。依据系统设备的常规布置形式，光传播方向大致为水平方向，在此情况下，光源器件的移动(进而光斑的移动) 可以是垂直于光传播方向向左或向右的运动，例如在图示实施例中，旋转台带动光源器件在一个水平平面内向左或者向右进行转动。当然，也可设想，依据光源器件的布置取向及其光束的特定形状，光源器件的移动(进而光斑的移动)还可以是垂直于光传播方向向上或向下的运动，例如，可以使致动机构带动光源器件在一个竖直平面内向上或者向下进行俯仰转动。

如图1所示，所述承载装置11还包括一升降台111a，所述旋转台111b支承于所述升降台上，通过所述升降台能够调整所述旋转台的高度位置，以使所述光源器件 12发射的光束对准所述光束导引部第一侧E1的测量视场。

所述升降台111a可以由所述致动机构111驱动，以进行升降运动；或者，所述升降台111a可以单独配置有用于实现其升降运动的驱动装置。本发明在此方面并无限制。

为了实现综合图像分析处理，以获得被测光束的质量参数(包括光斑发散角、均匀度、光学效率)，按照本发明，所述计算机装置15包括图像拼接算法功能模块，用于将摄像装置拍摄的多个图像节段拼接为包含完整光斑成像信息的融合图像，借以全面、准确地反映被测光束/光斑的质量特性。优选地，所述图像拼接算法功能模块能够执行模板匹配算法来对图像节段进行拼接。

图2是光束质量测量系统的工作原理示意图。作为示例，图3示出了摄像装置 (相机)采集的光斑图像的示意图；图4是图像拼接技术下的光斑图像的示意图。

所述摄像装置14至少在光斑一个边缘进入测量视场到光斑另一边缘进入测量视场的过程中，对在光束导引部B第二侧E2投射至其成像面的光斑图进行连续拍照，以得到至少一组载有光斑成像信息的静态图像。依据实际需要和设备条件，所述摄像装置14可以包括CCD和/或红外成像元件，例如为CCD红外相机。

按照一种有益的实施例，所述摄像装置14连续拍照的速度能够依据所述光源器件12的移动速度适配调整。通过这样的适配调整，可以在记录完整的光束/光斑信息的前提下，避免过多冗余数据采集，减少各图像节段的重叠，便于后续处理。例如，在使光源器件转动以执行光束测量的过程中，摄像装置的拍照速度与光源器件的移动速度可以适配为：光源器件每转动一度，摄像装置就拍摄一帧图像并进行保存。

为了无遗漏、不失真地采集完整的光斑成像信息，本发明进一步规定：所述光束导引部B的所述测量视场在光斑移动方向上具有一最大视场宽度W1，所述光束信息处理部C连续捕捉图像时，每一帧图像对应于所述光斑的一位移量W2，该最大视场宽度W1与该位移量W2满足：W1/W2≥1。在此方面，特别针对于利用旋转台111b 带动光源器件12转动的实施形式，具体设定：所述光束导引部B的所述测量视场具有一最大视场角FV1，所述光束信息处理部C连续捕捉图像时，每一帧图像对应于旋转台111b的一旋转角度FV2，该最大视场角FV1与该旋转角度FV2满足：FV1/FV2≥1，优选FV1/FV2≥1.5，例如可以设定：FV1＝1-2度，FV2＝1-1.5度。由于旋转角度小于测量视场的视场角，因此，可以使得每次拍摄的光斑具有一定长度的重合信息，重合信息可用作拼接时的基准，从而确保图像拼接的高效性、完整性和准确性。

在图2中，为清楚起见，夸大地图解示出如下情形：旋转台111b带动光源器件12转动角度ω(例如1度)，使得光斑发生相应移动，亦即光斑M1位移至光斑M2，其分别对应于所捕捉的两帧图像P1和P2，光斑的重合信息区MR则对应于图像P1与 P2的成像数据重叠区PR。由于采集的序列图像之间存在重叠区，因此，在形成融合图像之前，须消减重叠区，如上文所述，该重叠区可以用作图像拼接处理时的对位基准。

特别有益的是，所述计算机装置15包括二值化计算功能模块，用于对拼接好的融合图像进行二值化处理，从而可以得到边界分明的图像，便于测定或计算光斑的几何尺寸。

按照一种特别有利的实施例，所述计算机装置15包括像素点累加算法功能模块，用于由融合图像计算出光斑的几何尺寸。基于此，可以准确地进一步计算出待测光束的发散角，对此还将在下文作详细阐释。

按照本发明的技术方案，光束产生的光斑(或者说各个光斑区段)通过光束导引部B导向、整形后，应当在摄像装置14的成像面得到相应的实像，例如缩小倒立的实像，以便感光记录所述光斑(或者说各个光斑区段)的光学数据/信息。

所述光束导引部B由导光组件13构成，例如可以包括带有透镜的光学器件131。由此，依据相应的几何光学模型，基于拍照直接捕捉的采样光斑图像，便可计算出初始光斑(对应于光源器件发射的光束)的几何参数，特别是光束发散角(或者说“光斑发散角”)。同时，也可以由采样光斑图像的灰度等级和灰度分布来分析光束的均匀性、光学效率。值得一提的是，采用适宜的导光组件，特别是固定焦距的导光组件，可保证图像质量，以便正确反映光束的特征信息，实现精准测量。作为示例，光学器件131可以构造为平行光管、光学镜头等。

图5是一种实施形式的光斑成像光路示意图。光源器件12发射的光束经由导光组件13导向、整形后，在摄像装置14处记录其光斑成像信息。光束导引部(或者说导光组件13)包括带有至少一个透镜S1的光学器件。

在此，所述光束发射部A与所述光束导引部B的相对位置可以设定为：沿着所述透镜S1的光轴方向，光束发射部A产生的光斑与透镜入射面之间的距离LA和该透镜的焦距F满足：LA/F≤0.35，优选LA/F≤0.3。由此有利于使光束发射部的光斑有效部分进入光束导引部中，光斑光线尽可能地进入后方系统中。按照一种通常可行的实施例，LA和F的取值可以是：LA＝60-90mm，F＝300-400mm。按照一种具体化实施例，所述导光组件13包括光学器件131和用于固定支承该光学器件的承重台132(如图1所示)。优选的是，所述承重台与所述承载装置11的相对位置可调，以便设定光束发射部A与光束导引部B间的距离，并可适配于对不同类型、不同规格光源器件的测量。

在此实施形式中，本申请的光束质量测量系统还可包括准直模块，准直模块设置于光束发射部A和光束导引部B之间，用于使光束发射部A发出的光束平行入射所述光束导引部B的所述透镜S1。所述准直模块构造为TIR透镜、平凸透镜、球面或非球面透镜或者它们的组合，在图5中以透镜S2示意性表示。

作为备选或附加方案，光束导引部可依据小孔成像原理予以实施，借助适当设计的导光组件13，将光源器件12出射光束所产生的光斑M(或者说各个光斑区段)投射至摄像装置14的成像面。基于小孔成像原理，光斑的每一点元通过小孔后与成像 (实像)的点元一一对应，因而能够准确反映光斑的光学数据/信息，可用于获取光束的质量参数。图6示出了一种实施形式的光斑成像及几何计算原理示意图。

按照图5和图6所示的实施形式，特别是对于光斑尺寸以及发散角的计算，可采用简单的几何光学模型予以实现。例如，按照一种最为简单的实施形式，依图5所示，可以设定：光束发射部A(具体为激光器)到所述准直模块(具体为透镜S2)的距离等于平行光管(亦即带有透镜S1的所述光学器件131)的焦距。对此还将在下文作详细阐释。

原则上，本发明提出的光束质量测量系统适用于各种类型光源的光束质量测量。所述光源器件12可以为LD或LED或卤素灯或其组合。

本发明还提供一种光束质量测量方法。

图7示出了光束质量测量方法的流程框图。该方法大体上包括如下步骤：

I.将待检测的光源器件12固定于承载装置11而形成光束发射部A；

II.提供包括摄像装置14和计算机装置15的光束信息处理部C；

III.提供光束导引部B，该光束导引部B具有在光传播方向上靠近光束发射部的第一侧E1和靠近光束信息处理部的第二侧E2，所述第一侧E1界定一测量视场；

IV.沿着光传播方向依次布置光束发射部A、光束导引部B和光束信息处理部C 并调准三者间的相对位置关系；

V.执行光束质量测量。

依据本发明提出的技术方案，在步骤V中，驱动所述光源器件12相对于所述光束导引部在垂直于光传播方向的至少一个方向上移动，使光源器件发射的光束在所述光束导引部第一侧E1产生相应移动的初始光斑，其中，使初始光斑移动进入和/或掠过所述测量视场，至少在初始光斑一个边缘进入测量视场到初始光斑另一边缘进入测量视场的过程中，利用摄像装置14对经所述光束导引部第二侧E2投射至其成像面而得到的采样光斑进行连续拍照；然后，利用计算机装置15对拍照捕捉的图像进行分析处理，以求出光束的质量参数。

在一些实施例中，特别规定：光源器件的运动形式为转动。也就是说，在步骤V 中，驱动所述光源器件转动，以使光源器件发射的光束在所述光束导引部第一侧E1 产生相应移动的初始光斑。

在一些实施例中，提出：在步骤IV中，调整所述光源器件12的高度位置，以使光源器件发射的光束对准所述光束导引部第一侧E1的测量视场。

在一些实施例中，提出：在步骤III中，提供带有至少一个透镜的光学器件以形成所述光束导引部。

依据本发明，有利的是，在利用计算机装置15对拍照捕捉的图像进行分析处理的阶段，包括如下分步骤：

(a)将摄像装置拍摄的多个图像节段拼接为包含完整光斑成像信息的融合图像；

(b-1)对拼接好的融合图像进行二值化处理；

(c-1)由融合图像测定或计算出光斑的几何尺寸；

(d-1)基于光斑的几何尺寸求出光束的发散角。

在分步骤(c-1)中，可以进一步包括：

(c-1-1)基于融合图像的灰度值函数、融合图像宽与融合图像高、光斑总能量、摄像装置在水平和垂直方向的相机分辨率，计算出光斑的质心坐标(X，Y)；

(c-1-2)以光斑质心为中心，分别在水平、垂直方向上进行光斑像素点累加计算，统计累加后像素点个数，并依此求出光斑在水平和垂直维度的尺寸。

应能理解：本发明所提技术方案针对光束质量的检测并不仅仅局限于发散角，根据捕捉到的图像，对光束均匀性和光学效率进行相应评价，也是完全可行的。因此，依据本发明，在利用计算机装置15对拍照捕捉的图像进行分析处理的阶段，包括如下分步骤：

(a)将摄像装置拍摄的多个图像节段拼接为包含完整光斑成像信息的融合图像；

(b-2)基于融合图像的灰度等级和灰度分布来分析光束的均匀性以及光学效率。

具体地，本发明的光束质量测量方法可按下述方式予以实现：

-测试时，被测激光器发出激光，入射到光束导引部的光学器件中，光学器件视场角为1.3°，单次采集1.3°光斑图像；

-电控旋转台位置初始化，转动电控旋转台，使光斑边缘恰好进入光学器件视场中，此时利用红外相机采集第一幅光斑图像；

-然后，按照1°的间隔，多次控制电控旋转台转动，红外相机在电控旋转台转动后依次拍摄光斑图像。当红外相机采集到光斑另一侧边缘图像后，电控旋转台停止转动，红外相机停止拍摄。

具体地，本发明可以实现这样一种光束质量测量系统，其大体包括三部分：光束发射部A、光束导引部B和光束信息处理部C。所述光束发射部A具有一承载装置11 和一光源器件12，所述光束导引部B可以包括一导光组件13，所述光束信息处理部可以包括摄像装置14和计算机装置15。

所述承载装置11用以承载光源器件12，例如激光发射器。在此，承载装置11配有一致动机构111，该致动机构111能够驱动设置于承载装置上的光源器件12运动 (例如左右转动或者摆动)，以调整光源器件12的光束发射角度。所述致动机构111 连接于一升降台111a与一旋转台111b。以图1所示系统设备的常规布置形式为例，为描述方便起见，在此可定义一个空间坐标系：X轴沿水平方向延伸，与光传播方向一致；Y轴沿水平方向延伸，与光传播方向垂直；Z轴沿竖直方向或者说高度方向延伸；那么，所述升降台111a可用以在Z轴方向(亦即高度方向)上移动光源器件12，而旋转台111b则可用以在XY平面上(或绕Z轴)、或者在ZX平面上(或绕Y轴) 移动或转动光源器件12。在此，致动机构111的控制方式可以为自动、手动或其组合。

所述光源器件12设置于承载装置11上，用以发射光束。在此，光源器件12可以为红外激光发射器，发射红外激光。当然，在本发明的框架下，光源器件12也可以是LD(LaserDiode，雷射二极管)、LED(Light Emitting Diode，发光二极管)、卤素灯以及它们的组合。

所述导光组件13邻近于所述承载装置11和光源器件12布置。该导光组件13包含一光学器件(例如构造为平行光管的形式)131与一承重台132。承重台132承载光学器件131，使光学器件131在高度(Z轴方向)上对齐或对应于光源器件12。在此，承重台132可视为光学器件131的承载部件。所述摄像装置14配置于光学器件 131的一侧，用以接收来自光源器件12所发出的激光。具体而言，所述光源器件12 位于所述光学器件131的第一侧E1，所述摄像装置14则设置于光学器件131的第二侧E2，其中，所述第二侧E2与所述第一侧E1彼此对置。优选地，光学器件131的长度≤300mm，光学器件131具有一透镜，该透镜具有一焦距F。按照一种构造方式，光学器件131的透镜可设计为包含两个子镜片，调整两子镜片的焦距以得到上述总的焦距F，而后将两子镜片彼此胶合。光学器件的横截面可以为圆形、矩形、多边形以及其组合。

在此，摄像装置14可以为CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合组件)相机和 /或红外相机。

参见图2所示实施例，光源器件12发射出的激光光束进入光学器件131，并被导引至摄像装置14的成像面，以获取图像。通过致动机构111，例如驱动旋转台111b 转动，使光源器件12绕Y轴(或绕Z轴)转动，产生一转动角度ω。在执行测量时，调整或转动所述旋转台111b，使光源器件12具有发散角的光斑进入和/或掠过光学器件131的视场，在旋转台111b转动的同时，摄像装置14连续不断地进行拍照，以获取进入视场的光斑图像，特别是捕捉多张节段式光斑图，如图3所示。接着，对多张光斑图进行拼接，例如将所拍摄的这些图像传送至一计算机装置15中，以预先编制的光斑图像算法进行图像拼接，形成一条均匀光斑，如图4所示。

具体地，依此系统，在实施光束质量测量时，首先将待测的光源器件12安置于旋转台111b上，并调整光源器件12相对于光学器件131的高度，使其对准、等高，以保证光斑成像位于图像的中心。接着，将旋转台位置初始化，并以旋转台111b带动光源器件12转动，使具有发散角的光斑的一个边缘恰好进入光学器件131视场中，然后继续转动旋转台111b，使得整个光斑从一个边缘向另一边缘转动，直至光斑的另一边缘恰好进入光学器件131视场中，以此能够保证准确测量出光斑长度。在旋转台111b带动光源器件12转动的过程中，摄像装置14不断地拍照来捕捉节段式光斑的图像。然后，将摄像装置14所拍摄的图像传送至计算机装置15进行分析处理，利用图像拼接技术将捕捉到的多张光斑图像拼接起来，使其形成一条均匀光斑的融合图像。具体方式是：将捕捉到的多张光斑图像，通过模板匹配算法来提取光斑的相同特征进行融合(而不是通过将光斑打在标靶上，利用标靶标记进行拍照融合)。依此系统，适宜的是，光源器件12发出的光斑为长条状光斑，其中，对旋转至不同角度位置的长条状光斑进行拍照并继而进行融合处理。作为另一种示例，光斑形状还可为圆形、方形、三角形、多边形以及它们的组合。

图8是光束质量测量方法的一种实施形式的示意图，特别具体地示出了发散角算法流程。针对拼接得到的融合图像，进一步对其作二值化计算，以对光斑进行二值化图像处理，如此可使得光斑图像边界分明，从而能够更加准确地测定或计算出光斑的长度。在此，将拼接好的图像进行像素提取，设定大于一阈值的为255(白)，小于该阈值的则为0(黑)，使图像成为黑白图。

接着，计算光斑质心，二值化处理后的光斑为一条均匀条形光斑，根据下列公式(1)、(2)，对整条光斑进行质心计算，以求得此光斑的质心坐标(X,Y)：

其中，f(i,j)表示图像的灰度值函数，m表示图像宽，n表示图像高，E为光斑总能量，θ1为X方向的相机分辨率，θ2为Y方向的相机分辨率。

继而，进行像素点累加计算，以光斑质心(X,Y)为中心，分别在X、Y方向对光斑像素点进行累加，并统计出累加后像素点个数，按照下述公式(3)求出光斑长度或宽度，例如，由此可以计算出光斑长度:

L＝μ×N…         (3)

其中，μ是相机像元尺寸，N为像素点个数，L为光斑长度。

在系统中各部件(包括光束发射部A、光束导引部B和光束信息处理部C)布置关系确定的情况下，按照一种最为简单的实施形式，由于光学器件131的透镜焦距已知，因而便可根据下述公式(4)计算出光束的水平、垂直发散角:

其中，a是光束发散角(或者说“光斑发散角”)，f是光学器件的透镜的焦距。

当公式(4)中的L为X方向上的光斑长度时，求出的发散角α为水平发散角；当L 为Y方向的光斑长度时，求出的发散角α为垂直发散角，参见图6所示的光斑发散角计算原理示意图。

通过上述图像拼接式的光场光束质量测量系统与方法，可以测量大角度光斑发散角，通过摄像装置直接捕捉光斑图像，可以直接准确地测量出大角度光斑尺寸，进而计算出光斑发散角，并通过图像拼接技术获取光斑像素分布图，进而可得出整体光斑均匀度。此外，不需要如传统方式将光束事先投射到标靶上，故测量发散角时不需要考虑标靶的材质、平整度等外在因素对测量的影响。相较于投射到标靶的无法直接测试光效的方式，所述系统与方法提供了更直接、精确的测量方式，且同时改善了现有光束质量分析仪测试视场角不够大、无法完整的测量出大角度光斑发散角、均匀度以及光学效率的不足。

虽然在上面已经描述了本发明的示例性的实施例，但是本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明的示例性实施例进行多种变化和改变，所有变化和改变均包含在本发明的保护范围内。

以上描述仅为本申请的较佳实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种光束质量测量系统，包括依次设置的光束发射部、光束导引部和光束信息处理部，

其特征在于，所述光束发射部发出的光束能够在所述光束导引部第一侧产生移动的光斑，通过控制光束发射部相对于光束导引部的运动，使所述光斑移动进入和/或掠过在所述光束导引部第一侧界定的测量视场，同时所述光束信息处理部连续地捕捉落入测量视场而在所述光束导引部第二侧产生的图像，至少直至获取完整的光斑成像信息，借以求出光束的质量参数。

2.根据权利要求1所述的光束质量测量系统，其特征在于，所述光束导引部的所述测量视场在光斑移动方向上具有一最大视场宽度W1，所述光束信息处理部连续捕捉图像时，每一帧图像对应于所述光斑的一位移量W2，该最大视场宽度W1与该位移量W2满足：W1/W2≥1。

3.根据权利要求1所述的光束质量测量系统，其特征在于，所述光束信息处理部包括摄像装置和计算机装置。

4.根据权利要求3所述的光束质量测量系统，其特征在于，所述计算机装置能够对捕捉的图像进行分析处理，将多个图像节段拼接为包含完整的光斑成像信息的融合图像。

5.根据权利要求3所述的光束质量测量系统，其特征在于，所述摄像装置至少在光斑一个边缘进入测量视场到光斑另一边缘进入测量视场的过程中，对在光束导引部第二侧投射至其成像面的光斑图进行连续拍照，以得到至少一组载有光斑成像信息的静态图像。

6.根据权利要求5所述的光束质量测量系统，其特征在于，所述摄像装置连续拍照的速度能够依据光斑的移动速度适配调整。

7.根据权利要求1至3之任一项所述的光束质量测量系统，其特征在于，所述光束导引部包括带有至少一个透镜的光学器件。

8.根据权利要求7所述的光束质量测量系统，其特征在于，所述光束发射部与所述光束导引部的相对位置设定为：沿着所述透镜的光轴方向，光束发射部产生的所述光斑与透镜入射面之间的距离LA和该透镜的焦距F满足：LA/F≤0.35。

9.根据权利要求7所述的光束质量测量系统，其特征在于，所述光束质量测量系统还包括准直模块，该准直模块用于使光束发射部发出的光束平行入射所述光束导引部的所述透镜。

10.一种光束质量测量方法，包括如下步骤：

I.提供光束发射部；

II.提供光束信息处理部；

III.提供光束导引部；

IV.依次布置光束发射部、光束导引部和光束信息处理部并调准三者间的相对位置关系；

V.执行光束质量测量；

其特征在于，在步骤V中，使所述光束发射部发出的光束在所述光束导引部第一侧产生移动的光斑，其中，使光斑移动进入和/或掠过在所述光束导引部第一侧界定的测量视场，同时使所述光束信息处理部连续地捕捉落入测量视场而在所述光束导引部第二侧产生的图像，至少直至获取完整的光斑成像信息；然后，对捕捉的图像进行分析处理，以求出光束的质量参数。

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