[發明專利]一種基于正交光楔分光特性及焦斑重構算法的激光遠場焦斑測量方法

有效

• 申請號: 201210026465.5
• 申請日: 2012-02-07
• 公開（公告）號: CN102564575A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 賀元興;李新陽
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G01J1/00
• 分類號: G01J1/00;G01B11/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 顧煒;盧紀

技術領域

本發明涉及激光遠場焦斑的測量的技術領域，特別是一種基于正交光楔分光特性及焦斑重構算法的激光遠場焦斑測量方法，具有結構簡單、實施方便等特點。

背景技術

激光遠場焦斑空間能量分布的準確測量是正確評估光束質量的前提。目前，激光遠場焦斑的測量方法很多，有掃描法、感光法、燒蝕法和陣列探測法等，其中，掃描法測量遠場焦斑能量分布實時性較差，它對光源的穩定性有一定要求；感光法和燒蝕法存在不能準確定量的問題；陣列探測法(如基于CCD相機成像方法)克服了前幾種方法的不足，具有實時性好、靈敏度高、操作和計算處理方便等諸多優點，已成為測量實際焦斑空間分布的主要手段。然而，由于常用的CCD相機測量動態范圍十分有限，而實際遠場焦斑的中心和旁瓣強度差別懸殊，這意味著實際遠場焦斑的大量旁瓣信息將被測量儀器的噪聲淹沒而無法探測到，從而導致對光束質量評價參數的錯誤評估和計算。準確測量激光遠場焦斑能量分布在本質是要尋找某種有效的方法來拓展CCD相機的測量動態范圍，國內外學者就如何拓展測量儀器的動態范圍開展了大量研究，提出了諸多比較實用的新方法和新技術。

對不同曝光量圖像進行拼接是拓展CCD測量動態范圍的一種常用方法，如日本專利Japanese?08-154201、59-217358，美國專利US5801773、US5420635、US5455621、US5638118和US5638118等均采用了這種方法來實現高動態范圍圖像的測量，通過控制測量儀器的曝光量以得到高曝光和低曝光圖像，其中高曝光圖像的亮區明顯飽和而使暗區凸顯出來，低曝光圖像的亮區處于測量儀器動態范圍之內但暗區受測量儀器的噪聲污染，通過拼接不同曝光量的圖像從而可以獲得一幅完整的高對比度圖像。該方法的不足在于要求CCD可以調節曝光時間，測量動態范圍的拓展取決于曝光時間的設置范圍，而且它僅適用于靜態光斑的測量，對于實時變化的光斑分布情況并不適用，尤其是短脈沖光的探測，當短脈沖光的時間寬度小于探測儀器最小曝光時間時，用戶是無法通過改變曝光時間來獲取不同曝光量的光強分布的。

紋影法是另一種提高CCD動態范圍、實現高動態范圍光斑測量的方法。Wegner?P?J等在文章“Third-harmonic?performance?of?the?beamlet?prototype?laser”Proc.of?SPIE，Vol.3047，1996，Stephane?Bouillet等在文章“Measuring?a?laser?focal?spot?on?a?large?intensity?range-Effect?ofoptical?component?laser?damages?on?the?focal?spot”Porc.of?SPIE，Vol.7405，2009，均采取這種方法獲得高動態范圍焦斑的分布形態。該方法的基本思想是通過一個不透光的掩模板(MASK)遮擋待測焦斑中心主核區域內超出CCD測量動態范圍的光斑分布信息而獲取焦斑高頻旁瓣分布信息，再通過去掉掩模板并引入已知衰減從而測得中心主核區域內的光斑分布，通過兩幀光斑圖像的拼接得到完整的焦斑分布。該方法要求待測光斑的隨機漂移不大，這無疑增加了對光束控制系統的要求。

像素曝光空間可變(Spatially?Varying?Pixel?Exposures)的測量方法是Shree?K.Nayar和Tomoo?Mitsunaga在文章“High?Dynamic?Range?Imaging：Spatially?Varying?PixelExposures”IEEE，2000提出的，該方法的核心思想是CCD像素不同光敏元的靈敏度大小成周期性變化規律(也可以通過在測量光路中加入一個衰減倍率周期性變化的掩模板來達到這一目的)，若某一像素已經飽和，那么一定存在與此相鄰的某一像素不飽和，反之若某一像素沒能測得光輻射，那么也一定存在與此相鄰的某一像素有非零的測量值，通過提取所有有效的測量數據，從而重構出高對比度圖像。該方法的不足在于，若基于像素靈敏度周期性變化的測量方法，無疑對探測器(如CCD)的結構設計有更高的要求，這增加了制造成本，若基于掩模板的測量方法，則掩模板不同透過率子區域與CCD像素陣列之間的精確匹配是需要認真解決的問題，此外由于CCD部分像素點數據存在飽和或受噪聲污染，這還增加了測量的采樣誤差。