CN102252690A - 激光模式与光阑的相对位置测量***及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光模式与光阑的相对位置测量***及其测量方法，主要解决现有***测量精度低的不足。整个***包括激光器(1)、光学***(15)、待测谐振腔(6)、分光镜(7)、全反镜(8)、图像采集与数据采集***(16)、主控计算机(13)和压电陶瓷驱动器(14)，压电陶瓷驱动器驱动激光器输出激光，调节光学***，使激光器输出的激光耦合到待测谐振腔中，待测谐振腔输出的激光经过分光镜与全反镜分为两路，此两路激光被图像采集与数据采集***采集并传输至主控计算机上，主控计算机采用高精度图像处理算法处理光阑与激光模式的图像，并分别计算出光阑与激光模式的中心坐标。本发明具有同步CCD相机采集与锯齿波信号、测量精度高的优点，适用于激光器的高精度自动调腔。

Description

激光模式与光阑的相对位置测量***及其测量方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及对激光陀螺谐振腔内光阑以及激光模式的测量，用于实现激光器的高精度自动调腔。

背景技术

在激光陀螺的生产过程中，谐振腔、镜片等光学组件的加工和安装误差及周围环境温度、压力的扰动会使反射镜片的位置和倾斜角产生偏移，造成腔镜失调，导致激光陀螺谐振腔的性能降低，即谐振腔的光学损耗增大。因此，为了使谐振腔的损耗最小，需要对谐振腔进行调腔，通过调整反射镜的位置和倾斜角来对上述误差和扰动进行补偿，消除腔镜失调。而在调腔过程中，需要对谐振腔中光阑和光束的位置进行检测，据此对反射镜的位置进行调整。传统的对谐振腔中光阑和光束的位置进行检测的方法一般是用检测仪进行检测，这种方法数字化程度不高，对***的可控性不强。

目前，国内在激光陀螺光学谐振腔中光阑和光束的位置进行检测方面有较新的应用，参见《基于视觉的环形激光陀螺自动调腔***》(沈扬等，高技术通讯，2007)一文，该文献中所述的***，使用了CCD相机和光电转换器采集谐振腔输出的信号，并提出了一种基于统计的图像处理方法，然后由主控计算机分析计算光阑与光束的相对位置。该文献中对光阑和光束的相对位置的检测方法解决了传统方法中直接用检测仪检测的不足，但该***中由于摄像机的采集无法与锯齿波信号同步，从摄像机观察到的光束的强度会随着锯齿波信号的变化而不断的在强弱之间交替变化，得到的光束位置会由于光束强度的不断变化而出现很大的波动，识别结果很不可靠。虽然文中还提出了一种基于统计的图像处理算法，对光束进行有效的识别，但当光束偏离谐振腔的中轴线较远时，光束的强度和形状都不稳定，图像的分析结果会出现较大的波动，影响了测量精度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种激光模式与光阑的相对位置测量***及其测量方法，以避免光束强度变化引起的光束位置波动，实现CCD相机采集与锯齿波信号的同步，提高测量精度。

实现本发明的目的的技术思路是：采用单模扫频激光器作为激励源，由压电陶瓷驱动器产生的锯齿波高电压信号驱动激光器中的压电陶瓷以使激光器输出周期性的、频率连续变化的激光，由主控计算机控制压电陶瓷驱动器的幅值、偏置电压以及触发控制CCD相机实现了CCD相机采集指定单个激光模式的图像，并采用高精度的图像处理方法，分别计算出光阑图像与激光模式图像的中心坐标。其技术方案描述如下：

一.本发明的激光模式与光阑的相对位置测量***包括：激光器、待测谐振腔、CCD相机、光电探测器、图像采集卡、数据采集卡、主控计算机和压电陶瓷驱动器，其中：

激光器与待测谐振腔之间设有光学***，该光学***包括：球面反射镜、二维平行平板、偏振片和1/2波片；

待测谐振腔与图像采集卡与数据采集卡之间设有分光镜和全反镜；

激光器发出的激光依次经过球面反射镜、二维平行平板、偏振片、1/2波片的调节，入射到待测谐振腔中，待测谐振腔输出的激光经过分光镜分为两路，一路通过光电探测器转化为电压信号，并通过数据采集卡传输到主控计算机上；另一路经分光镜改变方向后被CCD相机采集，经过图像采集卡传输到主控计算机上；

主控计算机中设有控制模块和图像处理模块，该控制模块由USB驱动和界面程序组成，USB驱动主控计算机分别与压电陶瓷驱动器和CCD相机通信，传输控制指令，界面程序将激光模式和光阑的图像进行实时显示并保存，处理模块用于对图像进一步的分割，并通过计算得到不同模式激光光束相对光阑的位置。

二.本发明的激光模式与光阑的相对位置测量方法，包括如下步骤：

(1)根据环境中的光线强弱，在0～60dB范围内选择CCD相机的增益值，在1/15s～1/3100s范围内选择该CCD相机的曝光时间，通过该CCD相机检测待测谐振腔中光阑及其激光模式的图像，通过光电探测器检测待测谐振腔输出激光的功率，并传输给主控计算机；

(2)主控计算机根据光电探测器采集到的激光基模模式的信号，调整压电陶瓷驱动器输出锯齿波信号的幅值与偏置电压，调整激光基模模式的位置、幅值以及谱线宽度，使其谱线宽度与CCD相机的曝光时间一致；

(3)根据***标定设置CCD相机的触发电压为0～1V，当调整过的激光基模模式的电压达到此触发电压时，主控计算机给该CCD相机发出触发信号，该CCD相机开始采集此激光模式及光阑的图像，并把采集的图像信息通过图像采集卡发送到主控计算机存储；

(4)采用高斯滤波器去除图像噪声，利用基于自动阈值的图像分割方法，从去噪后的图像中分别分割出谐振腔光阑图像和激光基模模式图像，并对这两个图像进行二值化处理，然后分别计算出光阑图像和激光基模模式图像的中心坐标

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{jB}[i,j]}{A},$

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{iB}[i,j]}{A},$

其中[i，j]为图像中像素的坐标，n为图像中像素的总行数，m为图像中像素的总列数，

为图像的面积，B[i，j]为二值化图像后的像素值。

本发明具有如下优点：

1)本发明由于采用球面反射镜和二维平行平板的组合，可同时精细调节入射到待测谐振腔激光的入射角度和平移尺度，提高了耦合效率，并通过球面反射镜对激光器和待测谐振腔进行模式匹配，有效减少了模式间的交叉耦合，从而提高了测量精度。

2)本发明设计了独特的光学成像***，将成像误差减至了最小。本发明由于采用高灵敏度、高分辨率、增益可调的、小象元尺寸的CCD相机，实现了光阑和激光模式图像的高清晰拍摄。本发明采用控制模块使主控计算机能够触发控制CCD相机进行抓拍，实现了CCD相机采集与锯齿波信号的同步。

3)本发明使用的压电陶瓷驱动器，使输出锯齿波信号的电压步进分辨率达到1mV，保证了激光器输出激光的频率变化量小于待测谐振腔输出激光的谱线宽度，成功实现了任意选择激光模式进行拍摄的功能。

4)本发明由于采用单模扫频激光器，该激光器输出激光的频率与待测谐振腔固有激光模式的频率可长时间保持一致，给拍摄激光模式提供了充足的时间，保证了高清晰地拍摄待测谐振腔的固有激光模式，进一步提高了测量精度。

5)本发明由于使用了偏振片和1/2波片，可以方便转换激励光束的偏振态、偏振方向和光强，从而兼容了线偏振模式和圆偏振模式的测量，既能满足抖动激光陀螺调腔需要也能满足零闭锁激光陀螺调腔需要。

6)本发明采用了高精度的图像处理算法，即先采用高斯滤波器去除采集到的激光模式与光阑的图像噪声，采用基于自动阈值的图像分割方法，从去噪后的图像中分别分割出谐振腔光阑图像和激光模式图像，并对这两个图像进行二值化处理，然后分别计算出光阑图像和激光模式图像的中心坐标，实现了高精度地测量光阑中心与激光模式中心的坐标。

附图说明

图1是本发明激光模式与光阑相对位置测量***结构框图；

图2是本发明激光模式与光阑相对位置测量方法流程图；

具体实施方式

以下将结合附图，清楚、完整地描述本发明的光学***、激光模式与光阑相对位置测量***的设置，用图像处理模块进行处理、计算得到激光模式中心坐标与光阑中心坐标的详细过程。

参照图1，本发明的测量***包括激光器1、光学***15、待测谐振腔6、分光镜7、全反镜8、图像采集与数据采集***16、主控计算机13和压电陶瓷驱动器14。其中：

激光器1，采用单模扫频激光器，其上附有压电陶瓷，通过控制压电陶瓷，可调节激光器1输出激光的频率，其输出的激光传输给光学***15。

光学***15，包括球面反射镜2、二维平行平板3、偏振片4和1/2波片5，该球面反射镜2置放于激光器1输出激光的束腰位置，在该球面反射镜2之后依次放置有二维平行平板3、偏振片4和1/2波片5；球面反射镜2和二维平行平板3可精确调节入射激光的角度和位置，降低光路调节难度，提高入射激光与待测激光陀螺谐振腔的耦合效率；偏振片4和1/2波片5可根据测量需要，调节和转换入射到待测谐振腔6的激光偏振态、偏振方向和光强。

待测谐振腔6放置于光学***15之后，用于接收光学***15输出的激光，在待测谐振腔6后端依次放置有分光镜7和全反镜8，分光镜7和全反镜8将待测谐振腔6输出的激光分为两路后传输至之后的图像采集与数据采集***16。

图像采集与数据采集***16，包括CCD相机9、光电探测器10、图像采集卡11和数据采集卡12，光电探测器10位于数据采集卡12的前端，用于将采集到的一路激光转化为电压信号，并通过该数据采集卡12传输到主控计算机13上；CCD相机9位于图像采集卡11的前端，用于采集另一路激光，并通过该图像采集卡11传输到主控计算机13上。

主控计算机13，位于图像采集与数据采集***16之后，该主控计算机13设有控制模块和图像处理模块，控制模块由USB驱动和界面程序组成，USB驱动和界面程序相互独立并都与图像处理模块相连；USB驱动用于通过USB接口向外部设备发送控制指令，界面程序将激光模式和光阑的图像进行实时显示并保存；处理模块用于图像处理、反馈信号给控制模块，并通过计算得到不同模式激光光束相对光阑的位置。

测量时，激光器1在压电陶瓷驱动器14的控制下，输出周期性的、频率连续变化的激光，然后调节球面反射镜2、二维平行平板3、偏振片4和1/2波片5，使激光器1输出的激光很好地耦合到待测谐振腔6中，该待测谐振腔6输出的激光经过分光镜7分为两路，一路通过光电探测器10转化为电压信号，并通过数据采集卡12传输到主控计算机13上，另一路经全反镜8改变方向后被CCD相机9采集，经过图像采集卡11传输到主控计算机13上，主控计算机13中的控制模块根据光电探测器10采集到的数据信号同步控制压电陶瓷驱动器14和CCD相机9，图像处理模块处理采集到的图像信息，并计算出光阑和激光模式的中心坐标。

参照图2，本发明的测量方法包括如下步骤：

步骤1，进行***光路调节

1.1)打开压电陶瓷驱动器和激光器，压电陶瓷驱动器驱动激光器输出激光，调节光学***，使激光光束很好地耦合进待测谐振腔；

1.2)调节分光镜，使待测谐振腔输出的激光分为两路，其中一路激光入射到光电探测器上，另一路激光经全反镜改变方向后垂直入射到CCD相机镜头上；

步骤2，设置参数

2.1)打开CCD相机，根据环境中的光线强弱，设置CCD相机的增益值和曝光时间参数；

2.2)根据***标定设置CCD相机的触发电压，当光电探测器采集到的激光模式电压达到此触发电压时，主控计算机给该CCD相机发出触发信号，该CCD相机开始采集激光模式及光阑的图像；

2.3)设置压电陶瓷驱动器输出锯齿波信号的幅值与偏置电压参数，使指定单个激光模式的谱线宽度与CCD相机的曝光时间一致；

步骤3，数据采集卡将光电探测器采集到的激光功率谱波形数据上传至主控计算机并进行实时显示，通过实时观察激光功率谱波形数据，辅助操作者调整***参数的设置；

步骤4，图像采集卡将CCD相机采集到的激光模式与光阑的图像上传至主控计算机并进行实时显示与存储，通过实时观察激光模式与光阑的图像，辅助操作者调节***光路；

步骤5，处理采集到的激光模式与光阑的图像

5.1)采用高斯滤波器去除采集到的激光模式与光阑的图像噪声；

5.2)采用基于自动阈值的图像分割方法，从去噪后的图像中分别分割出谐振腔光阑图像和激光模式图像；

5.3)选择阈值Tb＝b_max-0.1，其中，b_max＝max(f(w，q))，f(w，q)为分割出的激光模式的图像中(w，q)位置处的灰度值，b_max为此图像中的灰度最大值，然后将分割出的激光模式图像按照阈值Tb进行二值化，即：

f(w，q)＝0，当f(w，q)≤Tb，

f(w，q)＝1，当f(w，q)＞Tb；

5.4)使用大津展之Otsu方法选择阈值t^*：

t^*＝max(η²(t))，

η²(t)＝a₀(u₀-u)²+a₁(u₁-u)²＝a₀a₁(u₀-u₁)²，

其中，a₁＝1-a₀，

P_k为图像中各灰度级出现的概率，k为图像的灰度级，L为图像总灰度级数，t为图像的中间某灰度级；

5.5)将分割出的光阑图像按照阈值t^*进行二值化，即：

g(u，v)＝0，当g(u，v)≤t^*，

g(u，v)＝1，当g(u，v)＞t^*，

其中，g(u，v)为分割出的光阑图像中(u，v)位置处的灰度值；

5.6)利用重心计算方法分别计算出二值化后的光阑图像和激光模式图像的中心坐标

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{jB}[i,j]}{A},$

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{iB}[i,j]}{A},$

其中[i，j]为图像中像素的坐标，n为图像中像素的总行数，m为图像中像素的总列数，

为图像的面积，B[i，j]为二值化图像后的像素值。

Claims (7)

1.一种激光模式与光阑的相对位置测量***，包括激光器(1)、待测谐振腔(6)、CCD相机(9)、光电探测器(10)、图像采集卡(11)、数据采集卡(12)、主控计算机(13)和压电陶瓷驱动器(14)，其特征在于：

激光器(1)与待测谐振腔(6)之间设有光学***(15)，该光学***包括：球面反射镜(2)、二维平行平板(3)、偏振片(4)和1/2波片(5)；

待测谐振腔与图像采集卡与数据采集卡之间设有分光镜(7)和全反镜(8)；

激光器发出的激光依次经过球面反射镜(2)、二维平行平板(3)、偏振片(4)、1/2波片(5)的调节，入射到待测谐振腔(6)中，待测谐振腔(6)输出的激光经过分光镜(7)分为两路，一路通过光电探测器(10)转化为电压信号，并通过数据采集卡(12)传输到主控计算机(13)上；另一路经全反镜(8)改变方向后被CCD相机(9)采集，经过图像采集卡(11)传输到主控计算机(13)上；

主控计算机(13)中设有控制模块和图像处理模块，该控制模块由USB驱动和界面程序组成，USB驱动主控计算机(13)分别与压电陶瓷驱动器(14)和CCD相机(9)通信，传输控制指令，界面程序将激光模式和光阑的图像进行实时显示并保存，处理模块用于对图像进一步的分割，并通过计算得到不同模式激光光束相对光阑的位置。

2.根据权利要求1所述的测量***，其特征在于激光器(1)采用单模扫频激光器，它在压电陶瓷驱动器(14)的控制下，输出周期性的、频率连续变化的激光，并能在一个扫频周期内逐次激发待测谐振腔(6)的多个本征模式。

3.根据权利要求1所述的测量***，其特征在于CCD相机(9)，采用灵敏度为0.001lux、分辨率为1392*1040、增益调节范围为0～60dB、象元尺寸为4.65um*4.65um的CCD相机。

4.根据权利要求1所述的测量***，其特征在于图像采集卡(11)和数据采集卡(12)为并行设置，以同时完成对待测谐振腔(6)输出两路激光的检测。

5.根据权利要求1所述的测量***，其特征在于压电陶瓷驱动器(14)，由DDS信号发生器和高压放大模块组成，DDS信号发生器在主控计算机(13)的控制下，产生0～5V的锯齿波电压信号，该电压信号通过高压放大模块放大为0～240V的电压锯齿波信号，输出给激光器(1)。

6.根据权利要求1所述的测量***，其特征在于球面反射镜(2)置放于激光器(1)输出激光的束腰位置，以保证该激光器输出激光的模式与待测谐振腔(6)中的固有模式相匹配。

7.一种激光模式与光阑的相对位置测量方法，包括如下步骤：

(1)根据环境中的光线强弱，在0～60dB范围内选择CCD相机的增益值，在1/15s～1/3100s范围内选择该CCD相机的曝光时间，通过该CCD相机检测待测谐振腔中光阑及其激光模式的图像，通过光电探测器检测待测谐振腔输出激光的功率，并传输给主控计算机；

(2)主控计算机根据光电探测器采集到的激光基模模式的信号，调整压电陶瓷驱动器输出锯齿波信号的幅值与偏置电压，调整激光基模模式的位置、幅值以及谱线宽度，使其谱线宽度与CCD相机的曝光时间一致；

(3)根据***标定设置CCD相机的触发电压为0～1V，当调整过的激光基模模式的电压达到此触发电压时，主控计算机给该CCD相机发出触发信号，该CCD相机开始采集此激光模式及光阑的图像，并把采集的图像信息通过图像采集卡发送到主控计算机存储；

(4)采用高斯滤波器去除图像噪声，利用基于自动阈值的图像分割方法，从去噪后的图像中分别分割出谐振腔光阑图像和激光基模模式图像，并对这两个图像进行二值化处理，然后分别计算出光阑图像和激光基模模式图像的中心坐标

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{jB}[i,j]}{A},$

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{iB}[i,j]}{A},$

其中[i，j]为图像中像素的坐标，n为图像中像素的总行数，m为图像中像素的总列数，

为图像的面积，B[i，j]为二值化图像后的像素值。

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