WO2016197477A1 - 一种计算激光光束光斑大小的方法 - Google Patents

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WO2016197477A1 PCT/CN2015/089904 CN2015089904W WO2016197477A1 WO 2016197477 A1 WO2016197477 A1 WO 2016197477A1 CN 2015089904 W CN2015089904 W CN 2015089904W WO 2016197477 A1 WO2016197477 A1 WO 2016197477A1
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    • G06T2207/20212—Image combination
    • G06T2207/20224—Image subtraction

Definitions

  • the invention belongs to the field of optical information acquisition and processing, and in particular to a method for calculating the spot size of a laser beam.
  • beam quality refers to the evaluation of laser from the aspect of quality, which is of great significance to the design, manufacture, detection and application of laser.
  • index parameters to evaluate the quality of laser beam.
  • the definition of different beam quality corresponds to different application purposes.
  • the focus of beam quality can be different, so the quality of beam should be made according to the specific application purpose. Evaluation.
  • the laser spot size, beam size, energy distribution, phase distribution, and divergence angle are also important parameters for measuring laser performance.
  • the quality of the spot formed by the optical system is getting higher and higher.
  • the measurement and analysis of the laser spot plays an important role in evaluating the imaging quality of the optical system and the stability of the laser beam. Therefore, it is necessary to The beam spot is accurately measured and analyzed.
  • Commonly used methods for measuring the spot size of a laser beam include a hole-hole method, a knife-edge method, and a CCD method.
  • the socket method refers to the use of a circular aperture with variable radius for shading, and the laser spot size is calculated by calculating the percentage of occlusion energy and the pupil radius. This method needs to align the center of the pupil with the center of the spot, and the actual operation is compared. difficult.
  • the knife-edge method uses a measurement method based on total transmission.
  • the transmittance function is a step function. Setting a power threshold and pushing the blade in a certain direction will be between the two power thresholds during the blade movement. The distance is defined as the spot size. This method is simple in principle but requires a high-precision mobile device.
  • the laser beam spot size measurement method based on CCD camera has the characteristics of high spatial resolution, wide application range and flexible calculation algorithm, and has become a common laser beam spot size measurement method.
  • the laser beam spot size measurement method based on CCD camera includes 1/e 2 definition method and second moment definition method based on moment invariance provided by international standard organization, but both methods need to strictly attenuate the incident light intensity, and In order to ensure the accuracy to prevent the over-exposure of the acquisition camera, the grayscale value of the spot image needs to be controlled within a certain range, and the operation is complicated and the robustness is poor.
  • an object of the present invention is to provide a method for calculating the spot size of a laser beam which is simple, high precision, and robust.
  • a method of calculating the spot size of a laser beam comprising:
  • the background subtraction method and the threshold method are used for pre-processing, and the pre-processed spot image is obtained;
  • step A is specifically:
  • step B includes:
  • the spot images I 1 (x, y, z ) by subtracting the spot image I 0 (x, y, z ) after the background noise image I 2 (x, y, z ) to obtain eliminate background noise;
  • the gray value of the image pixel whose pixel gray value is smaller than ⁇ in the spot image is all set to 0, and the gray value of the remaining position pixel remains unchanged, and the pre-processed spot image I(x, y, z) is obtained.
  • step C is specifically:
  • the laser spot center position (x c , y c ) of the pre-processed spot image is calculated as:
  • n is the number of rows of the spot image I(x, y, z)
  • the origin of the spot image I(x, y, z) is the upper left corner
  • the pixel I(1,1,z), I(i,j,z) represents the magnitude of the gray value of the pixel points of the i-th row and the j-th column in the spot image.
  • step D includes:
  • Gaussian curve fitting is performed on the pixel gray value data of the laser spot center position (x c , y c ) in the horizontal direction and the vertical direction, and the variances ⁇ x and ⁇ y of the horizontal and vertical Gaussian fitting curves are calculated;
  • the spot radius of the spot image in the horizontal direction and the vertical direction is obtained according to the calculated variance, and the spot radius of the spot image in the horizontal direction and the vertical direction are respectively with
  • the beneficial effects of the invention are: first calculating the center position of the laser spot according to the result of the pretreatment, and then calculating the spot radius of the laser beam by fitting the center position of the laser spot to the height of the spot of the laser beam, without first arranging the light spot
  • the center is aligned with the center of the spot, and the high-precision mobile device is not needed.
  • the principle is simple and easy to operate. It is not affected by the incident light intensity and the exposure time of the camera.
  • the spot image of different exposure time can maintain the stability and high precision of the measurement result. , the robustness is better.
  • 1 is a flow chart showing the steps of a method for calculating a spot size of a laser beam
  • FIG. 2 is a flow chart of step B of the present invention.
  • FIG. 3 is a flow chart of step D of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic view showing propagation of a laser beam along an optical axis direction
  • Figure 5 is an ideal laser beam spot image of different spot sizes
  • FIG. 6 is a schematic diagram of calculating a spot size of an ideal laser beam by the method of the present invention.
  • Figure 7 is an ideal laser beam spot image of different linear transform coefficients
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing the size of an ideal laser beam spot using different methods of calculating linear transform coefficients by the method of the present invention
  • Figure 9 is an actual laser beam spot image of different exposure times
  • Figure 10 is a schematic illustration of the actual laser beam spot size for different exposure times using the method of the present invention.
  • a method of calculating a laser beam spot size includes:
  • the background subtraction method and the threshold method are used for pre-processing, and the pre-processed spot image is obtained;
  • step A is specifically:
  • the step B includes:
  • the spot images I 1 (x, y, z ) by subtracting the spot image I 0 (x, y, z ) after the background noise image I 2 (x, y, z ) to obtain eliminate background noise;
  • the gray value of the image pixel whose pixel gray value is smaller than ⁇ in the spot image is all set to 0, and the gray value of the remaining position pixel remains unchanged, and the pre-processed spot image I(x, y, z) is obtained.
  • step C is specifically:
  • the laser spot center position (x c , y c ) of the pre-processed spot image is calculated as:
  • n is the number of rows of the spot image I(x, y, z)
  • the origin of the spot image I(x, y, z) is the upper left corner
  • the pixel I(1,1,z), I(i,j,z) represents the i-th row, the jth in the spot image
  • the step D includes:
  • Gaussian curve fitting is performed on the pixel gray value data of the laser spot center position (x c , y c ) in the horizontal direction and the vertical direction, and the variances ⁇ x and ⁇ y of the horizontal and vertical Gaussian fitting curves are calculated;
  • the spot radius of the spot image in the horizontal direction and the vertical direction is obtained according to the calculated variance, and the spot radius of the spot image in the horizontal direction and the vertical direction are respectively with
  • This embodiment describes the related theory and principle of a method for calculating the spot size of a laser beam according to the present invention.
  • the laser beam generated in the stable cavity has a characteristic and propagation law that is completely different from that of a normal spherical wave or a plane wave.
  • the present invention refers to all possible laser modes as a laser beam or a Gaussian beam. As shown in FIG. 4, the laser beam propagates along the optical axis direction, and the field of the Gaussian beam propagating along the z-axis direction, regardless of the structure of the stable cavity, can be expressed as follows.
  • ⁇ is the wavelength of light
  • w 0 is the beam waist radius of the Gaussian beam
  • f is the confocal parameter of the Gaussian beam
  • R(z) is the radius of curvature of the phase plane of the Gaussian beam intersecting the propagation axis at the z-point
  • w( z) is the spot radius on the phase plane of the Gaussian beam intersecting the propagation axis at the z-point.
  • the intensity of the laser beam U(x, y, z) is proportional to the square of the complex amplitude, ie:
  • E * (x, y, z) represents a conjugate complex function of the complex amplitude E(x, y, z) of the laser beam.
  • the center position (x c , y c ) of the laser spot image can be calculated according to the following formula:
  • the spot image I(1,1,z) of the upper left corner of the spot image I(x,y,z) with a resolution of m (column) ⁇ n (row) is defined as the coordinate origin, and I(i,j,z) represents The size of the gray value of the pixel in the i-th row and the j-th column in the spot image.
  • a Gaussian curve fitting can be performed on the horizontal and vertical pixel gray values of the center position of the spot image to determine the variance value of the fitted Gaussian curve in the two directions.
  • the spot radius size w x (x) and w y (x) of the spot image I(x, y, z) in the horizontal direction and the vertical direction are respectively :
  • the gray value of the spot image linearly increases or decreases. It can be known from equation (4) that the amplitude of the laser light intensity changes linearly, and the mean and variance remain stable. Therefore, the method of the present invention has a good method. Robustness.
  • This embodiment describes the calculation process and calculation results of the ideal laser beam spot size.
  • the ideal laser beam spot image with different spot sizes as shown in Fig. 5 has an image resolution of 1025 ⁇ 1025, a spot center pixel position of (513, 513), a pixel size of 5.2 ⁇ m, and a horizontal and vertical spot. Equal in size.
  • the theoretical spot radii corresponding to Fig. 5(a) to Fig. 5(e) are respectively 0.2 mm, 0.4 mm, 0.6 mm, 0.8 mm, and 1.0 mm.
  • a schematic diagram of the spot size of an ideal laser beam is calculated by the method of the present invention as shown in FIG. 6.
  • the intersection of the dotted line in the horizontal direction and the vertical direction represents the center of the spot of the ideal laser beam, and the solid line represents the spot size of the ideal laser beam, wherein the actual calculation is performed.
  • the data sheet is shown in Table 1 below:
  • the ideal laser beam spot image of different linear transform coefficients as shown in FIG. 7 is based on a spot image having a maximum pixel gray value of 255 (ie, FIG. 6(d)), and the theoretical spot radius of the spot image is 1.0 mm. It is linearly attenuated and linearly enhanced with different linear transform coefficients.
  • the image resolution is 1025 ⁇ 1025
  • the center pixel position of the spot is (513, 513)
  • the pixel size is 5.2 ⁇ m
  • the spot sizes in the horizontal direction and the vertical direction are equal.
  • the linear transformation coefficients corresponding to Fig. 7(a) to Fig. 7(e) are respectively 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 2.0, 3.0.
  • FIG. 8 A schematic diagram of the ideal laser beam spot size for calculating different linear transform coefficients by the method of the present invention as shown in FIG. 8.
  • the dotted line intersection point of the horizontal direction and the vertical direction represents the spot center of the ideal laser beam, and the solid line represents the spot size of the ideal laser beam.
  • Table 2 the actual calculation data table is shown in Table 2 below:
  • This embodiment describes the calculation process and calculation results of the actual laser beam spot image at different exposure times.
  • the actual laser beam spot image of different exposure times as shown in FIG. 9 adjusts the exposure time of the industrial camera, and collects the spot image at a certain position, and the resolution of the image is 1280 ⁇ 1024, and the pixel size is 5.2 ⁇ m.
  • the exposure times corresponding to FIGS. 9(a) to 9(f) are 130ms, 170ms, 210ms, 250ms, 270ms, and 290ms, respectively.
  • the actual laser beam spot size under different exposure times is calculated by the method of the present invention.
  • the dotted line intersection point of the horizontal direction and the vertical direction represents the spot center of the actual laser beam, and the solid line represents the spot size of the actual laser beam.
  • the exposure time is 250 ms
  • the pixel gray value of the spot image reaches a saturated state.
  • the actual calculation data table is shown in Table 3 below:
  • the present invention has the following advantages:

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Abstract

一种计算激光光束光斑大小的方法，包括：沿光轴方向采集激光光束的光斑图像以及相应的背景噪声图像；根据采集的光斑图像和背景噪声图像采用背景减除法与阈值法进行预处理，得到预处理后的光斑图像；计算预处理后的光斑图像的激光光斑中心位置；保存激光光斑中心位置在水平方向和垂直方向的光斑图像像素灰度值大小，然后进行高斯曲线拟合，计算水平方向和垂直方向高斯拟合曲线的方差，并根据计算的方差得到光斑图像在水平方向和垂直方向的光斑半径大小。该方法具有原理简单、操作方便、高精度和鲁棒性好的优点，可广泛应用于光学计量领域。

Description

一种计算激光光束光斑大小的方法 技术领域
本发明属于光学信息获取与处理领域，尤其是涉及一种计算激光光束光斑大小的方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，激光技术已经广泛应用于激光制造、微细加工、激光制导、光学存储、激光医疗等领域。在激光的实际应用过程中，光束质量是指从质的方面对激光进行评价，对激光的设计、制造、检测、应用等具有重要意义。目前已有很多指标参数用以评价激光光束质量，不同光束质量的定义对应不同的应用目的，其所能反映的光束质量的侧重点也不同，所以光束质量的好坏应视具体应用目的做出评价。
除此以外，激光的光斑大小、束腰尺寸、能量分布、相位分布、发散角也是衡量激光器性能的重要参数。在激光的实际应用中，对经过光学系统形成的光斑质量要求越来越高，激光光斑的测量与分析对于评价光学系统成像质量、激光光束稳定性等起着重要作用，因此，有必要对激光光束光斑进行精确的测量与分析。
常用的激光光束光斑大小的测量方法有套孔法、刀口法以及CCD法。其中，套孔法是指利用半径可变的圆形光阑进行遮光，通过计算遮挡能量的百分比和光阑半径推算出激光光斑大小，该方法需要将光阑中心与光斑中心对准，实际操作比较困难。刀口法采用的是基于总透射量的测量方法，其透过率函数为阶跃函数，设定某一功率阈值，沿着某一方向推动刀片，将在刀片移动过程中两次功率阈值之间的距离定义为光斑大小，该方法原理简单，但需要高精度移动装置。基于CCD相机的激光光束光斑大小测量方法，具有空间分辨率高，适用范围广，计算算法灵活等特点，已成为常见的激光光束光斑大小测量方法。基于CCD相机的激光光束光斑大小测量方法包括1/e2定义法以及国际标准组织提供的基于矩不变性的二阶矩定义法，但这两种方法均需要对入射光强进行严格衰减，且为保证精度需防止采集相机过曝，光斑图像灰度值大小需控制在一定范围之内，操作复杂且鲁棒性较差。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种简单、精度高和鲁棒性好的计算激光光束光斑大小的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种计算激光光束光斑大小的方法，包括：
A、沿光轴方向采集激光光束的光斑图像以及相应的背景噪声图像；
B、根据采集的光斑图像和背景噪声图像采用背景减除法与阈值法进行预处理，得到预处理后的光斑图像；
C、计算预处理后的光斑图像的激光光斑中心位置；
D、保存激光光斑中心位置在水平方向和垂直方向的光斑图像像素灰度值大小，然后进行高斯曲线拟合，计算水平方向和垂直方向高斯拟合曲线的方差，并根据计算的方差得到光斑图像在水平方向和垂直方向的光斑半径大小。
进一步，所述步骤A，其具体为：
搭建好光路系统，然后采用相机沿光轴方向采集z点处激光光束的光斑图像I1(x，y，z)，并在遮挡入射激光光束后通过相机采集z点处的背景噪声图像I2(x，y，z)。
进一步，所述步骤B，其包括：
B1、将光斑图像I1(x，y，z)减去背景噪声图像I2(x，y，z)得到消除背景噪声后的光斑图像I0(x，y，z)；
B2、根据光斑图像I0(x，y，z)的分辨率选择背景区域，计算背景区域图像的像素灰度值平均值δ；
B3、将光斑图像中像素灰度值小于δ的图像像素灰度值全部置为0，其余位置像素灰度值保持不变，得到预处理后的光斑图像I(x，y，z)。
进一步，所述步骤C，其具体为：
计算预处理后的光斑图像的激光光斑中心位置(xc，yc)，所述激光光斑中心位置(xc，yc)的计算公式为：
Figure PCTCN2015089904-appb-000001
其中，m为光斑图像I(x，y，z)的列数，n为光斑图像I(x，y，z)的行数，光斑图像I(x，y，z)的坐标原点为左上角像素I(1，1，z)，I(i，j，z)表示位于光斑图像中第i行、第j列像素点的灰度值大小。
进一步，所述步骤D，其包括：
D1、计算激光光斑中心位置(xc，yc)在水平方向和垂直方向的光斑图像像素灰度值大小；
D2、对激光光斑中心位置(xc，yc)在水平方向和垂直方向的像素灰度值数据进行高斯曲线拟合，计算水平方向和垂直方向高斯拟合曲线的方差σx、σy；
D3、根据计算的方差得到光斑图像在水平方向和垂直方向的光斑半径大小，所述光斑图像在水平方向和垂直方向的光斑半径大小分别为
Figure PCTCN2015089904-appb-000002
和
Figure PCTCN2015089904-appb-000003
本发明的有益效果是：先根据预处理的结果计算出激光光斑的中心位置，然后通过对激光光斑的中心位置进行高斯曲线拟合来计算出激光光束的光斑半径大小，不需要先将光阑中心与光斑中心对准，也不需要高精度移动装置，原理简单，操作方便；不受入射光强度和相机曝光时间的影响，对不同曝光时间的光斑图像均能保持测量结果的稳定性和高精度，鲁棒性较好。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为一种计算激光光束光斑大小的方法的步骤流程图；
图2为本发明步骤B的流程图；
图3为本发明步骤D的流程图；
图4为激光光束沿光轴方向传播示意图；
图5为不同光斑大小的理想激光光束光斑图像；
图6为采用本发明的方法计算理想激光光束光斑大小示意图；
图7为不同线性变换系数的理想激光光束光斑图像；
图8为采用本发明的方法计算不同线性变换系数的理想激光光束光斑大小示意图；
图9为不同曝光时间的实际激光光束光斑图像；
图10为采用本发明的方法计算不同曝光时间的实际激光光束光斑大小示意图。
具体实施方式
参照图1，一种计算激光光束光斑大小的方法，包括：
A、沿光轴方向采集激光光束的光斑图像以及相应的背景噪声图像；
B、根据采集的光斑图像和背景噪声图像采用背景减除法与阈值法进行预处理，得到预处理后的光斑图像；
C、计算预处理后的光斑图像的激光光斑中心位置；
D、保存激光光斑中心位置在水平方向和垂直方向的光斑图像像素灰度值大小，然后进行高斯曲线拟合，计算水平方向和垂直方向高斯拟合曲线的方差，并根据计算的方差得到光斑图像在水平方向和垂直方向的光斑半径大小。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤A，其具体为：
搭建好光路系统，然后采用相机沿光轴方向采集z点处激光光束的光斑图像I1(x，y，z)，并在遮挡入射激光光束后通过相机采集z点处的背景噪声图像I2(x，y，z)。
参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述步骤B，其包括：
B1、将光斑图像I1(x，y，z)减去背景噪声图像I2(x，y，z)得到消除背景噪声后的光斑图像I0(x，y，z)；
B2、根据光斑图像I0(x，y，z)的分辨率选择背景区域，计算背景区域图像的像素灰度值平均值δ；
B3、将光斑图像中像素灰度值小于δ的图像像素灰度值全部置为0，其余位置像素灰度值保持不变，得到预处理后的光斑图像I(x，y，z)。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤C，其具体为：
计算预处理后的光斑图像的激光光斑中心位置(xc，yc)，所述激光光斑中心位置(xc，yc)的计算公式为：
Figure PCTCN2015089904-appb-000004
其中，m为光斑图像I(x，y，z)的列数，n为光斑图像I(x，y，z)的行数，光斑图像I(x，y，z)的坐标原点为左上角像素I(1，1，z)，I(i，j，z)表示位于光斑图像中第i行、第j 列像素点的灰度值大小。
参照图3，进一步作为优选的实施方式，所述步骤D，其包括：
D1、计算激光光斑中心位置(xc，yc)在水平方向和垂直方向的光斑图像像素灰度值大小；
D2、对激光光斑中心位置(xc，yc)在水平方向和垂直方向的像素灰度值数据进行高斯曲线拟合，计算水平方向和垂直方向高斯拟合曲线的方差σx、σy；
D3、根据计算的方差得到光斑图像在水平方向和垂直方向的光斑半径大小，所述光斑图像在水平方向和垂直方向的光斑半径大小分别为
Figure PCTCN2015089904-appb-000005
和
Figure PCTCN2015089904-appb-000006
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一
本实施例对本发明一种计算激光光束光斑大小的方法的相关理论及原理进行说明。
在稳定腔中产生的激光束，其特性和传播规律与普通球面波或平面波完全不同，本发明把所有可能存在的激光波型称为激光光束或高斯光束。如图4所示的激光光束沿光轴方向传播示意图，沿z轴方向传播的高斯光束的场，不管它是由何种结构的稳定腔所产生的，其复振幅分布均可表示为如下式(1)的一般形式：
Figure PCTCN2015089904-appb-000007
式(1)中，x和y属于激光光束截面的平面坐标系，z为激光光束沿光轴传播的方向，c为常数因子，其余各符号的表达式为：
Figure PCTCN2015089904-appb-000008
其中，λ为光波长，w0为高斯光束的束腰半径，f为高斯光束的共焦参数，R(z)为与传播轴线相交于z点的高斯光束等相位面的曲率半径，w(z)是与传播轴 线相交于z点的高斯光束等相位面上的光斑半径。
激光光束的光强U(x，y，z)正比于复振幅的平方，即：
Figure PCTCN2015089904-appb-000009
其中，E*(x，y，z)表示激光光束复振幅E(x，y，z)的共轭复函数。
进一步，对公式(3)进行形式变换可得：
Figure PCTCN2015089904-appb-000010
此时，可以根据如下公式计算激光光斑图像的中心位置(xc，yc)：
Figure PCTCN2015089904-appb-000011
其中，定义分辨率为m(列)×n(行)的光斑图像I(x，y，z)左上角像素I(1，1，z)为坐标原点，I(i，j，z)代表位于光斑图像中第i行、第j列像素点的灰度值大小。
因此，对光强符合高斯分布的光斑图像，可对光斑图像中心位置的水平方向和垂直方向像素灰度值进行高斯曲线拟合，以确定这两个方向的拟合高斯曲线的方差值大小，即σx、σy，并结合公式(4)，可得光斑图像I(x，y，z)在水平方向和垂直方向的光斑半径大小wx(x)以及wy(x)分别为：
Figure PCTCN2015089904-appb-000012
在线性系统中，光斑图像灰度值线性增大或减小，由公式(4)可知，此时激光光强的振幅线性变化，均值和方差均保持稳定，因此本发明的方法具有很好的鲁棒性。
实施例二
本实施例对理想激光光束光斑大小的计算过程和计算结果进行说明。
如图5所示的不同光斑大小的理想激光光束光斑图像，图像分辨率均为1025×1025，光斑中心像素位置为(513，513)，像元尺寸为5.2μm，水平方向和垂直方向的光斑大小相等。图5(a)-图5(e)分别对应的理论光斑半径依次为0.2mm，0.4mm，0.6mm，0.8mm，1.0mm。
如图6所示的采用本发明的方法计算理想激光光束的光斑大小示意图，水平方向和垂直方向的虚线交点表示理想激光光束的光斑中心，实线表示理想激光光束光斑大小，其中，实际的计算数据表如下表1所示：
表1
Figure PCTCN2015089904-appb-000013
从表1的数据可以得知，实测激光光束的光斑大小与理论光斑大小能保持很高的精度，误差小于0.2％，因此采用本发明的方法可以准确计算不同光斑大小的理想激光光束光斑图像。
如图7所示的不同线性变换系数的理想激光光束光斑图像，以最大像素灰度值为255的光斑图像(即图6(d))为基准，该光斑图像的理论光斑半径为1.0mm，以不同的线性变换系数对其进行线性衰减和线性增强。设图像分辨率均为1025×1025，光斑中心像素位置为(513，513)，像元尺寸为5.2μm，水平方向和垂直方向的光斑大小相等。图7(a)-图7(e)分别对应的线性变换系数依次为0.4，0.6，0.8，1.0，2.0，3.0。
如图8所示的采用本发明的方法计算不同线性变换系数的理想激光光束光斑大小示意图，水平方向和垂直方向的虚线交点表示理想激光光束的光斑中心，实线表示理想激光光束的光斑大小，其中，实际的计算数据表如下表2所示：
表2
Figure PCTCN2015089904-appb-000014
从表2的数据可以得知，对不同线性变换系数下的理想激光光束光斑图像，实测激光光束的光斑大小与理论光斑大小能保持很高的精度，误差小于0.12％，即对应不同线性变换系数，采用本发明的算法具有很好的鲁棒性。
实施例三
本实施例对不同曝光时间下的实际激光光束光斑图像的计算过程及计算结果进行说明。
如图9所示的不同曝光时间的实际激光光束光斑图像，调节工业相机的曝光时间，在某一位置对光斑图像进行采集，设图像的分辨率均为1280×1024，像元尺寸为5.2μm，图9(a)-图9(f)分别对应的曝光时间依次为130ms、170ms、210ms、250ms、270ms、290ms。
如图10所示，采用本发明的方法计算不同曝光时间下的实际激光光束光斑大小，水平方向和垂直方向的虚线交点表示实际激光光束的光斑中心，实线表示实际激光光束的光斑大小，当曝光时间为250ms时，光斑图像的像素灰度值达到饱和状态。其中，实际的计算数据表如下表3所示：
表3
Figure PCTCN2015089904-appb-000015
Figure PCTCN2015089904-appb-000016
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)先根据预处理的结果计算出激光光斑的中心位置，然后通过对激光光斑的中心位置进行高斯曲线拟合来计算出激光光束的光斑半径大小，不需要先将光阑中心与光斑中心对准，也不需要高精度移动装置，原理简单，适用范围广，操作方便；
(2)不受入射光强度和相机曝光时间的影响，对不同曝光时间的光斑图像均能保持测量结果的稳定性和高精度，重复性好，鲁棒性较好，测试成本更低。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

  1. 一种计算激光光束光斑大小的方法，其特征在于：包括：
    A、沿光轴方向采集激光光束的光斑图像以及相应的背景噪声图像；
    B、根据采集的光斑图像和背景噪声图像采用背景减除法与阈值法进行预处理，得到预处理后的光斑图像；
    C、计算预处理后的光斑图像的激光光斑中心位置；
    D、保存激光光斑中心位置在水平方向和垂直方向的光斑图像像素灰度值大小，然后进行高斯曲线拟合，计算水平方向和垂直方向高斯拟合曲线的方差，并根据计算的方差得到光斑图像在水平方向和垂直方向的光斑半径大小。
  2. 根据权利要求1所述的一种计算激光光束光斑大小的方法，其特征在于：所述步骤A，其具体为：
    搭建好光路系统，然后采用相机沿光轴方向采集z点处激光光束的光斑图像I1(x，y，z)，并在遮挡入射激光光束后通过相机采集z点处的背景噪声图像I2(x，y，z)。
  3. 根据权利要求2所述的一种计算激光光束光斑大小的方法，其特征在于：所述步骤B，其包括：
    B1、将光斑图像I1(x，y，z)减去背景噪声图像I2(x，y，z)得到消除背景噪声后的光斑图像I0(x，y，z)；
    B2、根据光斑图像I0(x，y，z)的分辨率选择背景区域，计算背景区域图像的像素灰度值平均值δ；
    B3、将光斑图像中像素灰度值小于δ的图像像素灰度值全部置为0，其余位置像素灰度值保持不变，得到预处理后的光斑图像I(x，y，z)。
  4. 根据权利要求3所述的一种计算激光光束光斑大小的方法，其特征在于：所述步骤C，其具体为：
    计算预处理后的光斑图像的激光光斑中心位置(xc，yc)，所述激光光斑中心位置(xc，yc)的计算公式为：
    Figure PCTCN2015089904-appb-100001
    其中，m为光斑图像I(x，y，z)的列数，n为光斑图像I(x，y，z)的行数，光斑图像I(x，y，z)的坐标原点为左上角像素I(1，1，z)，I(i，j，z)表示位于光斑图像中第i行、第j列像素点的灰度值大小。
  5. 根据权利要求4所述的一种计算激光光束光斑大小的方法，其特征在于：所述步骤D，其包括：
    D1、计算激光光斑中心位置(xc，yc)在水平方向和垂直方向的光斑图像像素灰度值大小；
    D2、对激光光斑中心位置(xc，yc)在水平方向和垂直方向的像素灰度值数据进行高斯曲线拟合，计算水平方向和垂直方向高斯拟合曲线的方差σx、σy；
    D3、根据计算的方差得到光斑图像在水平方向和垂直方向的光斑半径大小，所述光斑图像在水平方向和垂直方向的光斑半径大小分别为
    Figure PCTCN2015089904-appb-100002
    和
    Figure PCTCN2015089904-appb-100003
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