[發明專利]嵌入式激光光束質量測量裝置

無效

• 申請號: 200810051666.4
• 申請日: 2008-12-25
• 公開（公告）號: CN101644600A
• 公開（公告）日: 2010-02-10
• 發明（設計）人: 王彩霞;王曉曼;王菲;景文博;劉樹昌;趙海麗
• 申請（專利權）人: 長春理工大學
• 主分類號: G01J1/00
• 分類號: G01J1/00;G01B11/08;G01M11/02
• 代理公司: 長春科宇專利代理有限責任公司
• 代理人: 馬守忠

1.嵌入式激光光束質量測量裝置，其特征在于，其構成包括光學單元(1)、 機械單元(2)、電子學單元(3)三個部分；所述的電子學單元(3)通過相機 (45)、步進電機(44)與機械單元(2)連接；被測試激光器發射出的激光光 束經光學單元(1)入射到電子學單元(3)的相機(45)上；

所述的光學單元(1)由液晶調光單元(5)、平凸透鏡(6)、平面反射鏡A (7)和平面反射鏡B(8)組成；所述的平凸透鏡(6)、平面反射鏡A(7)共 光軸且從左至右依次放置，激光器發射出的激光光束經平凸透鏡(6)聚焦縮束， 由反射率達99％的平面反射鏡A(7)和平面反射鏡B(8)反射后，通過液晶調 光單元(5)進行連續衰減，由電子學單元(3)中的相機(45)進行接收；

所述的光學單元(1)中的液晶調光單元(5)的構成包括起偏片(60)、液 晶(61)、檢偏片(62)和液晶控制電源(63)；所述的起偏片(60)、液晶(61) 和檢偏片(62)同軸依次順序放置且起偏片(60)和檢偏片(62)必須正交放 置，液晶控制電源(63)是由數字信號處理器(42)控制數模轉換器DAC0832 的輸出實現的數值可以變化的電源；液晶調光單元(5)的光路如下：激光器發 射出激光光束經平凸透鏡(6)進行變換又經起偏片(60)起偏后變成圓偏振光， 經液晶(61)和檢偏片(62)衰減后，入射到相機(45)的光敏面上，由相機 (45)接收激光光斑的圖像信息；

所述的液晶(61)由兩塊極板以及其間夾含的液晶層構成，液晶層有10μm 厚，液晶分子平行于極板表面排列，但是排列方向在兩塊之間連續扭轉了90°而 具有旋光效應，起偏片(60)和檢偏片(62)正交擺放；當兩個極板上沒有電 壓時，經起偏片(60)起偏的線偏振光垂直入射和通過液晶層后，其偏振方向 會被液晶扭轉90°，經過檢偏片(62)后，光束完全透過；當兩個極板上加有電 壓V，并達到閾值電壓V′時，液晶(61)的旋光現象消失，液晶分子長軸一律 沿電場方向進行再排列，這時通過液晶層的線偏振光的偏振方向沒有改變，再 經過檢偏片(62)后，光束被完全遮擋；

所述的機械單元(2)的構成包括底板(86)、滑塊A(87)、滑塊B(88)、軸 承(89)、前端板(90)、外罩(91)、后端板(92)、絲杠(93)、圓柱導軌(94)、 透鏡壓圈(95)、限位開關(96)、連接板(97)、相機調整架(98)和聯軸節(99)；

電子學單元(3)的相機(45)通過相機調整架(98)固定在前端板(90) 上；光學單元(1)的液晶調光單元(5)直接固定在前端板(90)上；透鏡壓 圈(95)將平凸透鏡(6)固定在前端板(90)上；底板(86)位于前端板(90) 和后端板(92)之間且兩端分別與前端板(90)和后端板(92)固定連接；滑 塊A(87)置于絲杠(93)之上，滑塊B(88)置于圓柱導軌(94)之上，連接板(97) 固定置于滑塊A(87)和滑塊B(88)之上，滑塊A(87)和滑塊B(88)可以分別沿著 絲杠(93)和圓柱導軌(94)同步軸向滑動，置于連接板(97)上的平面反射 鏡A(7)和平面反射鏡B(8)也一起同步滑動；圓柱導軌(94)的一端固定在 前端板(90)上，圓柱導軌(94)的另一端固定在后端板(92)上；軸承(89) 一端固定在前端板(90)上，另一端與絲杠(93)相連；電子學單元(3)的步 進電機(44)固定在后端板(92)上，絲杠(93)的一端與軸承(89)連接， 絲杠(93)的另一端與聯軸節(99)連接，步進電機(44)與聯軸節(99)連 接并且通過聯軸節(99)帶動絲杠(93)做旋轉運動并帶動滑塊A(87)在絲杠 (93)之上作軸向滑動，通過連接板(97)相連成一體的滑塊B(88)也同步沿 著圓柱導軌(94)作軸向滑動，平面反射鏡A(7)和平面反射鏡B(8)也同步 作一維水平運動；限位開關(96)直接固定在底板(86)上，限位開關(96) 用于確定平面反射鏡A(7)和平面反射鏡B(8)的初始零位，光學單元(1) 中的平面反射鏡A(7)和平面反射鏡B(8)運動到限位開關(96)處，限位開 關(96)感應出電信號回送給電子學單元(3)的嵌入式處理器-ARM11(41)， 通知嵌入式處理器-ARM11(41)光學單元(1)中的平面反射鏡A(7)和平面 反射鏡B(8)已運動到初始零位，嵌入式處理器-ARM11(41)控制數字信號 處理器(42)控制步進電機(44)做反方向運動；

所述的電子學單元(3)的構成包括觸摸屏(40)、嵌入式處理器-ARM11(41)、 數字信號處理器(42)、數據緩存(43)、步進電機(44)和相機(45)；所述的 數字信號處理器(42)驅動步進電機(44)，帶動平面反射鏡A(7)和平面反 射鏡B(8)做一維運動，同時數字信號處理器(42)控制相機(45)進行曝光， 采集激光光斑圖像信息傳輸到數據緩存(43)中暫存，嵌入式處理器-ARM11(41) 取出數據緩存(43)中的圖像信息進行圖像處理并在觸摸屏(40)上顯示二維 和三維的激光光斑曲線；或者，嵌入式處理器-ARM11(41)取出數據緩存(43) 中的圖像信息進行圖像處理并在VGA顯示器或PC機上顯示二維和三維的激光光 斑曲線；

嵌入式激光光束質量測量裝置的軟件(69)保存在嵌入式處理器-ARM11 (41)中，執行的步驟如下：

操作者將所選擇的步進電機(44)的起始位置、步進電機(44)的停止位 置、步進電機(44)的步進距離、相機(45)采集圖像的個數、被測激光器的 波長、相機(45)的像元尺寸信息輸入嵌入式處理器-ARM11(41)，嵌入式處 理器-ARM11(41)控制數字信號處理器(42)控制步進電機(44)帶動絲杠(93) 水平運動往返一周，回到限位開關(96)確定的初始零位；

嵌入式處理器-ARM11(41)執行步驟72，判定檢測開始按鈕是否按下； 如果該判斷是肯定的，則進行步驟73；如果該判斷是否定的，則執行步驟72， 繼續判斷檢測開始按鈕是否按下，直到判斷是是肯定的，進行步驟73；

進行步驟73，在數字信號處理器(42)控制下，步進電機(44)按照步驟 71選擇的步進距離向前運動一步確定一個位置后，嵌入式處理器-ARM11(41) 執行步驟74，判斷相機(45)采集圖像是否飽和，所述的相機(45)采集圖像 飽和是指相機(45)的像素最大灰度值大于256，如果該判斷是肯定的，則進 行步驟81，控制液晶調光單元(5)增大衰減倍數，直到相機(45)采集圖像 不飽和為止；如果該判斷是否定的，則進行步驟75；

進行步驟75，進行處理采集圖像和保存計算結果：數字信號處理器(42) 控制相機(45)將激光光斑圖像數據采集到數據緩存(43)中，嵌入式處理器 -ARM11(41)根據存儲其內的如下公式計算光斑的質心位置：

xc‾=ΣI(x,y)*xΣI(x,y)]]>

yc‾=ΣI(x,y)*yΣI(x,y)]]>

式中，為光斑質心的橫坐標，為光斑質心的縱坐標，x為光斑上任一 點的橫坐標，y光斑上任一點的縱坐標，I(x，y)為沿光軸橫截面上(x，y)點處的 光束強度值；

并根據如下公式計算光斑的直徑：

ωx=2ΣI(x,y)*(xi-xc‾)2ΣI(x,y)ωy=2ΣI(x,y)*(yi-yc‾)2ΣI(x,y)]]>

式中ω_x為光斑橫向直徑，ω_y為光斑縱向直徑，x_i為橫截面上某點的橫坐標， y_i為橫截面上某點的縱坐標；

根據上述公式計算得到的質心位置和光斑直徑存儲在嵌入式處理器-ARM11 (41)中；

緊接著，嵌入式處理器-ARM11(41)執行步驟76，判斷采集圖像的個數 是否小于預設值，如果判斷是肯定的，則執行步驟73，數字信號處理器(42) 驅動步進電機(44)再向前運動一步，帶動絲杠(93)把旋轉運動轉換成滑塊 (97)的直線位移，改變平面反射鏡A(7)和平面反射鏡B(8)接入光路的位 置，激光光束光程發生變化，數字信號處理器(42)控制相機(45)采集圖像； 如果判斷是否定的，則執行步驟77；

執行步驟77，進行后續的數據處理，包括利用上述步驟中得到的光斑直徑 與采集位置的數值信息，嵌入式處理器-ARM11(41)進行曲線擬和，得到光斑 直徑參數值、遠場束散角參數值、束寬積參數值、激光光束質量因子參數值， 并把得到的參數值保存在嵌入式處理器-ARM11(41)中；

執行步驟78，把數據處理結果顯示在觸摸屏(40)上，包括顯示激光光斑 圖像的二維分布、三維分布、激光光斑的性能參數、激光光束擬和曲線，至此， 已進行一次完整的激光光束質量測量；

執行步驟79，判斷是否退出程序，操作者若繼續新一輪的測量，則執行步 驟72按下開始測量按鈕，若結束測量，則關閉程序；執行步驟80退出。