[發(fā)明專利]一種計(jì)算激光光束光斑大小的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510323703.2
• 申請(qǐng)日: 2015-06-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104966308B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田勁東;張磊;李東
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 深圳大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T7/62
• 分類號(hào): G06T7/62
• 代理公司: 廣州嘉權(quán)專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司44205
• 代理人: 唐致明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)信息獲取與處理領(lǐng)域，尤其是涉及一種計(jì)算激光光束光斑大小的方法。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，激光技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于激光制造、微細(xì)加工、激光制導(dǎo)、光學(xué)存儲(chǔ)、激光醫(yī)療等領(lǐng)域。在激光的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，光束質(zhì)量是指從質(zhì)的方面對(duì)激光進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)激光的設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、應(yīng)用等具有重要意義。目前已有很多指標(biāo)參數(shù)用以評(píng)價(jià)激光光束質(zhì)量，不同光束質(zhì)量的定義對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用目的，其所能反映的光束質(zhì)量的側(cè)重點(diǎn)也不同，所以光束質(zhì)量的好壞應(yīng)視具體應(yīng)用目的做出評(píng)價(jià)。

除此以外，激光的光斑大小、束腰尺寸、能量分布、相位分布、發(fā)散角也是衡量激光器性能的重要參數(shù)。在激光的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)形成的光斑質(zhì)量要求越來(lái)越高，激光光斑的測(cè)量與分析對(duì)于評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量、激光光束穩(wěn)定性等起著重要作用，因此，有必要對(duì)激光光束光斑進(jìn)行精確的測(cè)量與分析。

常用的激光光束光斑大小的測(cè)量方法有套孔法、刀口法以及CCD法。其中，套孔法是指利用半徑可變的圓形光闌進(jìn)行遮光，通過(guò)計(jì)算遮擋能量的百分比和光闌半徑推算出激光光斑大小，該方法需要將光闌中心與光斑中心對(duì)準(zhǔn)，實(shí)際操作比較困難。刀口法采用的是基于總透射量的測(cè)量方法，其透過(guò)率函數(shù)為階躍函數(shù)，設(shè)定某一功率閾值，沿著某一方向推動(dòng)刀片，將在刀片移動(dòng)過(guò)程中兩次功率閾值之間的距離定義為光斑大小，該方法原理簡(jiǎn)單，但需要高精度移動(dòng)裝置。基于CCD相機(jī)的激光光束光斑大小測(cè)量方法，具有空間分辨率高，適用范圍廣，計(jì)算算法靈活等特點(diǎn)，已成為常見(jiàn)的激光光束光斑大小測(cè)量方法。基于CCD相機(jī)的激光光束光斑大小測(cè)量方法包括1/e²定義法以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織提供的基于矩不變性的二階矩定義法，但這兩種方法均需要對(duì)入射光強(qiáng)進(jìn)行嚴(yán)格衰減，且為保證精度需防止采集相機(jī)過(guò)曝，光斑圖像灰度值大小需控制在一定范圍之內(nèi)，操作復(fù)雜且魯棒性較差。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是：提供一種簡(jiǎn)單、精度高和魯棒性好的計(jì)算激光光束光斑大小的方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種計(jì)算激光光束光斑大小的方法，包括：

A、沿光軸方向采集激光光束的光斑圖像以及相應(yīng)的背景噪聲圖像；

B、根據(jù)采集的光斑圖像和背景噪聲圖像采用背景減除法與閾值法進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)處理后的光斑圖像；

C、計(jì)算預(yù)處理后的光斑圖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圖像像素灰度值大小，然后進(jìn)行高斯曲線擬合，計(jì)算水平方向和垂直方向高斯擬合曲線的方差，并根據(jù)計(jì)算的方差得到光斑圖像在水平方向和垂直方向的光斑半徑大小。

進(jìn)一步，所述步驟A，其具體為：

搭建好光路系統(tǒng)，然后采用相機(jī)沿光軸方向采集z點(diǎn)處激光光束的光斑圖像I₁(x,y,z)，并在遮擋入射激光光束后通過(guò)相機(jī)采集z點(diǎn)處的背景噪聲圖像I₂(x,y,z)。

進(jìn)一步，所述步驟B，其包括：

B1、將光斑圖像I₁(x,y,z)減去背景噪聲圖像I₂(x,y,z)得到消除背景噪聲后的光斑圖像I₀(x,y,z)；

B2、根據(jù)光斑圖像I₀(x,y,z)的分辨率選擇背景區(qū)域，計(jì)算背景區(qū)域圖像的像素灰度值平均值δ；

B3、將光斑圖像中像素灰度值小于δ的圖像像素灰度值全部置為0，其余位置像素灰度值保持不變，得到預(yù)處理后的光斑圖像I(x,y,z)。

進(jìn)一步，所述步驟C，其具體為：

計(jì)算預(yù)處理后的光斑圖像的激光光斑中心位置(x_c，y_c)，所述激光光斑中心位置(x_c，y_c)的計(jì)算公式為：

其中，m為光斑圖像I(x,y,z)的列數(shù)，n為光斑圖像I(x,y,z)的行數(shù)，光斑圖像I(x,y,z)的坐標(biāo)原點(diǎn)為左上角像素I(1,1,z)，I(i,j,z)表示位于光斑圖像中第i行、第j列像素點(diǎn)的灰度值大小。

進(jìn)一步，所述步驟D，其包括：

D1、計(jì)算激光光斑中心位置(x_c，y_c)在水平方向和垂直方向的光斑圖像像素灰度值大小；