CN1740759A - 基于图像处理的激光光束参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于图像处理的激光光束参数测量方法，属激光参数测量仪器领域。首先，在待测激光光束的轴向传播方向上任取一点，将该点处的光强分布转换成二维光强分布，并将其转换成数字图像，通过阈值化得到二值化图像，计算上述二值化图像中等光强区域的长、短轴方向角和中心点P₀的坐标；根据q其与和数字图像的对应关系，并利用长、短轴方向角和中心点坐标，得到数字图像中沿长、短轴方向上的点集；将点集与待测激光光束轴向传播路径上长、短轴方向上的理想二维光强分布进行拟合，得到待测激光光束参数，并利用其得到长、短轴的半功率发散角和1/e²功率发散角。本发明的测量方法，可测量大功率、大发散角的激光光束，并且测量精度高，测量过程简单。

Description

基于图像处理的激光光束参数测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于图像处理的激光光束参数测量方法，尤其涉及大功率激光二极管的激光光束参数测量装置和测量方法，属于激光参数测量仪器领域。

背景技术

随着半导体元器件成本大幅度下降，大功率激光二极管在测距、制导、加工、医疗等领域获得了广泛应用。在这些应用中，激光二极管激光束的光束参数(光场光强分布、光束宽度、发散角等)是影响应用效果的重要因素，因此精确测定激光器的光束参数在近年来引起人们的广泛关注。

通常的测量方法分为扫描法和成像法(以下简称CCD法)。扫描法又分为小孔扫描法、刀口扫描法、狭缝扫描法和孔径扫描法。扫描法需要机械扫描机构，要求机械定位精度高，不利于后续计算机处理。而CCD法具有无需机械扫描、可实现同步触发控制等特点，现有激光参数测量方式多采用CCD方式。

但是现有的CCD测量方法中多采用在激光光束后加一透镜重建光束的束腰，并通过偏振片来衰减激光的光强，直接将衰减后的激光照射在成像元器件的光敏面。这种方式由于是成像元器件直接与激光光束相耦合，成像元器件容易饱合，易受外界干扰。并且由于大功率激光二极管发散角大，成像元器件感光面积小，所能测量的范围小，因此大多不能采用此种方式测量。

发明内容

本发明目的是提出一种基于图像处理的激光光束参数测量方法，根据大功率激光二极管的特点，即发散角大、功率大和不易直接测量等特点，进行基于图像处理的参数测量，得到激光二极管的光束参数，如发散角和光束分布等。

本发明提出的基于图像处理的激光光束参数测量方法，包括以下步骤：

(1)在待测激光光束的轴向传播方向上任取一点，将该点处的光强分布转换成二维光强分布；

(2)将上述二维光强分布图转换成数字图像；

(3)将得到的数字图像通过阀值化得到二值化图像，其中灰度值相等的N个点集构成等光强区域；

(4)计算上述二值化图像中等光强区域的长轴方向角α_L、短轴方向角α_S和中心点P₀的坐标P₀(x₀，y₀)，其中x₀和y₀是中心点P₀在二值化图像上的坐标；

(5)根据上述二值化图像和数字图像的对应关系，并利用长轴方向角α_L、短轴方向角α_S和中心点坐标P₀，得到数字图像中沿长轴方向上的点集S_L和沿短轴方向上的集S_W；

(6)将上述点集S_L和S_W分别与待测激光光束轴向传播路径上长轴和短轴方向上的理想二维光强分布

和

进行拟合，得到待测激光光束参数σ_L和σ_S，其中r为点集S_L和S_W中的任意一点到中心点P₀的距离；

(7)利用得到的激光光束参数σ_L和σ_S，则长轴的半功率发散角α₁为

${\mathrm{\α}}_1=\mathrm{arcc}\tan \left(\frac{\sqrt{{\mathrm{\σ}}_L\ln 2}}{f}\frac{d2}{d1}\right)$

短轴的半功率发散角α₂为

${\mathrm{\α}}_2=\mathrm{arcc}\tan \left(\frac{\sqrt{{\mathrm{\σ}}_S\ln 2}}{f}\frac{d2}{d1}\right)$

长轴的

功率发散角α₃为

${\mathrm{\α}}_3=\mathrm{arcc}\tan \left(\frac{\sqrt{2{\mathrm{\σ}}_L}}{f}\frac{d2}{d1}\right)$

短轴的

功率发散角α₄为

${\mathrm{\α}}_4=\mathrm{arcc}\tan \left(\frac{\sqrt{2{\mathrm{\σ}}_S}}{f}\frac{d2}{d1}\right)$

其中，d1为待测激光光束光源与将待测激光光束的光强分布转换成二维光强分布的二维光强分布产生装置之间的距离，d2为将待测激光光源的二维光强分布图转换成数字图像的图像采集器的镜头与二维光强分布产生装置之间的距离，f为将待测激光光源的二维光强分布图转换成数字图像的图像采集器的镜头焦距。

本发明提出的基于图像处理的激光光束参数测量方法，其优点是可测量大功率、大发散角的激光光束，并且测量精度高，测量过程简单易行。

附图说明

图1是利用本发明方法测量激光光束参数的装置的结构示意图。

图2是利用本发明方法采集到的数字图像。

图3是对图2的数字图像进行阀值化处理后得到的二值化图像。

图1中，1是暗箱，2是待测激光光源，3是光学衰减片，4是二维光强分布产生装置，本装置中为一毛玻璃，5是焦距为f的标准镜头，6是CCD摄像头，7是视频连接线，8是机箱底座，9是安装有采集卡的计算机。

具体实施方案

本发明提出的基于图像处理的激光光束参数测量方法，包括以下步骤：首先，在待测激光光束的轴向传播方向上任取一点，将该点处的光强分布转换成二维光强分布；将上述二维光强分布图转换成数字图像；将得到的数字图像通过阀值化得到二值化图像，其中灰度值相等的N个点集构成等光强区域；计算上述二值化图像中等光强区域的长轴方向角α_L、短轴方向角α_S和中心点P₀的坐标P₀(x₀，y₀)，其中x₀和y₀是中心点P₀在二值化图像上的坐标；根据上述二值化图像和数字图像的对应关系，并利用长轴方向角α_L、短轴方向角α_S和中心点坐标P₀，得到数字图像中沿长轴方向上的点集S_L和沿短轴方向上的集S_W；将上述点集S_L和S_W分别与待测激光光束轴向传播路径上长轴和短轴方向上的理想二维光强分布 和

进行拟合，得到待测激光光束参数σ_L和σ_S，其中r为点集S_L和S_W中的任意一点到中心点P₀的距离；利用得到的激光光束参数σ_L和σ_S，则长轴的半功率发散角α₁为

${\mathrm{\α}}_1=\mathrm{arcc}\tan \left(\frac{\sqrt{{\mathrm{\σ}}_L\ln 2}}{f}\frac{d2}{d1}\right)$

短轴的半功率发散角α₂为

${\mathrm{\α}}_2=\mathrm{arcc}\tan \left(\frac{\sqrt{{\mathrm{\σ}}_S\ln 2}}{f}\frac{d2}{d1}\right)$

长轴的 功率发散角α₃为

${\mathrm{\α}}_3=\mathrm{arcc}\tan \left(\frac{\sqrt{2{\mathrm{\σ}}_L}}{f}\frac{d2}{d1}\right)$

短轴的

功率发散角α₄为

${\mathrm{\α}}_4=\mathrm{arcc}\tan \left(\frac{\sqrt{{2\mathrm{\σ}}_S}}{f}\frac{d2}{d1}\right)$

其中，d1为待测激光光束光源与将待测激光光束的光强分布转换成二维光强分布的二维光强分布产生装置之间的距离，d2为将待测激光光源的二维光强分布图转换成数字图像的图像采集器的镜头与二维光强分布产生装置之间的距离，f为将待测激光光源的二维光强分布图转换成数字图像的图像采集器的镜头焦距。

本发明提出的基于图像处理的激光光束参数测量方法，其具体的实施装置示例如图1所示。在图1中，1是暗箱，2是待测大功率激光二极管，3是光学衰减片，4是二维光强分布产生装置，在本实施例中采用毛玻璃，5是焦距f的标准镜头，6是CCD摄像头，本实施例采用的是Pulnix公司的NIR300摄像头，7是视频连接线，8是机箱底座。9是计算机，安装在其中的采集卡选用Euresys公司的Picolo Pro 2视频采集卡，本发明所提出测量方法中的计算参数部分编写为可在计算机9上运行的程序，该数字图像经过上述程序计算后得到待测大功率激光二极管的光束参数。于是本测量方法包括以下步骤：

(1)待测大功率激光二极管2发出的激光经过衰减后照射在毛玻璃4上，形成二维光强分布图像。

(2)该二维光强分布图像经过镜头5成像于CCD摄像头6的靶面上，通过CCD进行光电转换形成视频信号。该视频信号通过视频连接线7输入到计算机9的视频采集卡上，视频信号经过视频采集卡后AD转换后得到数字图像如图2所示。该二维光强分布图需经合适的衰减倍数使得数字图像不存在饱合点。

(3)采用Otsu方法得到数字图像的阀值，利用该阀值对数字图像进行二值化，得到二值化图像如图3所示。其中灰度值相等的N个点集构成等光强区域，则附图3中的白色区域A代表了激光光束某等光强区域，此二值化图像的像素与数字图像2中的像素是一一对应的，两个图像中的像素坐标也是一一对应的；

(4)设(x_i，y_i)为等光强区域A中的任意一点的坐标，则等光强区域的中心P₀(x₀，y₀)为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=\frac{1}{N}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{x}_i\\ y_0=\frac{1}{N}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{y}_i\end{array}\right.$

并有如下结果：

$I_x=\frac{1}{N}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{(y_i-y_0)}^2$

$I_y=\frac{1}{N}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{(x_i-x_0)}^2$

$I_{\mathrm{xy}}=\frac{1}{N}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(x_i-x_0)(y_i-y_0)$

$I_a=\frac{I_x+I_y}{2}+\sqrt{{\left(\frac{I_x+I_y}{2}\right)}^2+I_{\mathrm{xy}}^2+I_x{I}_y}$

$I_b=\frac{I_x+I_y}{2}-\sqrt{{\left(\frac{I_x+I_y}{2}\right)}^2+I_{\mathrm{xy}}^2+I_x{I}_y}$

(5)长轴的角度α_L为

${\mathrm{\α}}_L=\mathrm{arcc}\tan \left(\frac{I_x-I_a}{I_{\mathrm{xy}}}\right)$

短轴方向角α_S

                                 α_S＝90+α_L

(6)长轴方向角α_L、短轴方向角α_S和中心点坐标P₀，设长轴方向上的点集为S_L，S_L中的点为(x_li，y_li)，其坐标可由以下关系式求得

                                y_li＝y₀+tgn(α_L)(x_li-x₀)

短轴方向上的点集为S_W，S_W中的点为(x_si，y_si)，其坐标可由以下关系式求得

                           y_si＝y₀+tgn(α_S)(x_si-x₀)

(7)由于二值化图像上的坐标和数字图像上的坐标是一一对应的，于是数字图像上的长轴方向上点集为S_L[r_li，g_li]，短轴方向上的点集为S_W[r_si，g_si]，其中， $r_{\mathrm{li}}=\sqrt{{(x_{\mathrm{li}}-x_0)}^2+{(y_{\mathrm{li}}-y_0)}^2},$ $r_{\mathrm{si}}=\sqrt{{(x_{\mathrm{si}}-x_0)}^2+{(y_{\mathrm{si}}-y_0)}^2},$ g_li为(x_li，y_li)点的灰度，g_si为(x_si，y_si)。

(8)将上述点集S_L和S_W分别与待测激光光束轴向传播路径上长轴和短轴方向上的理想二维光强分布 $g_l=A_L\mathrm{Exp}(-\frac{{r_l}^2}{{\mathrm{\σ}}_L})$ 和 $g_s=A_S\mathrm{Exp}(-\frac{{r_s}^2}{{\mathrm{\σ}}_S})$ 进行拟合得到σ_L和σ_W值，得到待测激光光束参数σ_L和σ_S。

(9))利用得到的激光光束参数σ_L和σ_S，则长轴的半功率发散角α₁为

${\mathrm{\α}}_1=\mathrm{arcc}\tan \left(\frac{\sqrt{{\mathrm{\σ}}_L\ln 2}}{f}\frac{d2}{d1}\right)$

短轴的半功率发散角α₂为

${\mathrm{\α}}_2=\mathrm{arcc}\tan \left(\frac{\sqrt{{\mathrm{\σ}}_S\ln 2}}{f}\frac{d2}{d1}\right)$

长轴的

功率发散角α₃为

${\mathrm{\α}}_3=\mathrm{arcc}\tan \left(\frac{\sqrt{{2\mathrm{\σ}}_L}}{f}\frac{d2}{d1}\right)$

短轴的

功率发散角α₄为

${\mathrm{\α}}_4=\mathrm{arcc}\tan \left(\frac{\sqrt{{2\mathrm{\σ}}_S}}{f}\frac{d2}{d1}\right)$

其中，d1为待测激光光束光源与将待测激光光束的光强分布转换成二维光强分布的二维光强分布产生装置之间的距离，d2为将待测激光光源的二维光强分布图转换成数字图像的图像采集器的镜头与二维光强分布产生装置之间的距离，f为将待测激光光源的二维光强分布图转换成数字图像的图像采集器的镜头焦距。

Claims (1)

1、一种基于图像处理的激光光束参数测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)在待测激光光束的轴向传播方向上任取一点，将该点处的光强分布转换成二维光强分布；

(2)将上述二维光强分布图转换成数字图像；

(3)将得到的数字图像通过阀值化得到二值化图像，其中灰度值相等的N个点集构成等光强区域；

(4)计算上述二值化图像中等光强区域的长轴方向角α_L、短轴方向角α_S和中心点P₀的坐标P₀(x₀，y₀)，其中x₀和y₀是中心点P₀在二值化图像上的坐标；

(5)根据上述二值化图像和数字图像的对应关系，并利用长轴方向角α_L、短轴方向角α_S和中心点坐标P₀，得到数字图像中沿长轴方向上的点集S_L和沿短轴方向上的集S_W；

(6)将上述点集S_L和S_W分别与待测激光光束轴向传播路径上长轴和短轴方向上的理想二维光强分布

和

进行拟合，得到待测激光光束参数σ_L和σ_S，其中r为点集S_L和S_W中的任意一点到中心点P₀的距离；

(7)利用得到的激光光束参数σ_L和σ_S，则长轴的半功率发散角α₁为

${\mathrm{\α}}_1=\mathrm{arcc}\tan \left(\frac{\sqrt{{\mathrm{\σ}}_L\ln 2}}{f}\frac{d2}{d1}\right)$

短轴的半功率发散角α₂为

${\mathrm{\α}}_2=\mathrm{arcc}\tan \left(\frac{\sqrt{{\mathrm{\σ}}_S\ln 2}}{f}\frac{d2}{d1}\right)$

长轴的

功率发散角α₃为

${\mathrm{\α}}_3=\mathrm{arcc}\tan \left(\frac{\sqrt{2{\mathrm{\σ}}_L}}{f}\frac{d2}{d1}\right)$

短轴的

功率发散角α₄为

${\mathrm{\α}}_4=\mathrm{arcc}\tan \left(\frac{\sqrt{2{\mathrm{\σ}}_S}}{f}\frac{d2}{d1}\right)$

其中，d1为待测激光光束光源与将待测激光光束的光强分布转换成二维光强分布的二维光强分布产生装置之间的距离，d2为将待测激光光源的二维光强分布图转换成数字图像的图像采集器的镜头与二维光强分布产生装置之间的距离，f为将待测激光光源的二维光强分布图转换成数字图像的图像采集器的镜头焦距。

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