一種雙線陣ccd掃描成像測量光束質(zhì)量的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙線陣CCD掃描成像快速測量激光光束質(zhì)量的裝置，包括計(jì)算機(jī)、電控平移臺、設(shè)置在電控平移臺上的手動(dòng)角位臺和設(shè)置在手動(dòng)角位臺上的安裝有被測激光器的電控旋轉(zhuǎn)臺，還包括以被測激光器為中心順時(shí)針依次設(shè)置的第二線陣CCD、面陣CCD和第一線陣CCD，第一線陣CCD與被測激光器的距離為Z2大于第二線陣CCD與被測激光器的距離為Z1。還公開了一種雙線陣CCD掃描成像快速測量激光光束質(zhì)量的方法。本發(fā)明通過雙線陣CCD快速地獲取大尺寸線狀長條(水平方向×垂直方向?yàn)?0°×2°)的激光光束的能量分布，利用其能量分布對計(jì)算視野角角度、各視野方向相對強(qiáng)度分布、發(fā)散角、俯仰角等光束質(zhì)量參數(shù)。
【專利說明】一種雙線陣CCD掃描成像測量光束質(zhì)量的裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光光束質(zhì)量的測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種雙線陣CCD掃描成像測 量光束質(zhì)量的裝置，還涉及一種雙線陣CCD掃描成像測量光束質(zhì)量的方法，適用于對于大 尺寸線狀長條的激光光束質(zhì)量進(jìn)行快速測量。

【背景技術(shù)】
[0002] 光束質(zhì)量是激光應(yīng)用中極為重要的參數(shù)，它是激光束定向傳輸能力的量度，直接 影響到激光的應(yīng)用范圍和應(yīng)用效率，如何有效地檢測和評價(jià)激光光束質(zhì)量是成為激光技術(shù) 研究中的關(guān)鍵問題。國際標(biāo)準(zhǔn)化IS011146-1/2/3制定了光束質(zhì)量的應(yīng)的測量標(biāo)準(zhǔn)，包括兩 維面陣探測系統(tǒng)或二維單元掃描系統(tǒng)、套孔法、移動(dòng)刀口法和移動(dòng)狹縫法。目前市場上也有 基于不同原理的光束質(zhì)量測量儀，如面陣C⑶成像法、刀口法、狹縫法、套筒法等。Siegman 提出的M2因子用來作為評價(jià)光束質(zhì)量的一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它指在相同腰圍尺寸下有限衍射 光束的發(fā)散與光束發(fā)散的比值。作為M2因子的重要參數(shù)，光束發(fā)散角反映遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)的 發(fā)散特性，其關(guān)鍵就是確定激光光束的能量分布。IS0-TR11146-1-2005也將基于光束能量 分布的光束發(fā)散角作為評價(jià)光束質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)之一。上述方法分別適用于不同的光束大 小、波長范圍、重復(fù)頻率以及激光功率。這兩種方法在測試時(shí)都依賴于光束形狀，可能與實(shí) 際光束發(fā)散角不匹配，而且光圈法僅適用于圓形對稱光束，并不適用于半導(dǎo)體激光器的橢 圓光束。刀口法的測試依賴于光束的模式、觸發(fā)基準(zhǔn)和矯正因子的確定，這些參數(shù)有可能會 引起較大的測試誤差。其中CCD是目前激光光束質(zhì)量中成熟的技術(shù)，但是ISO標(biāo)準(zhǔn)建議的 方法需要通過一段時(shí)間不斷移動(dòng)CCD采集在光束近場和遠(yuǎn)場不同位置上的光斑能量分布， 測試速度慢，實(shí)時(shí)性差。
[0003] 為了提高光束質(zhì)量測試的實(shí)時(shí)性，房滔等提出基于衍射光柵測量光束質(zhì)量的 實(shí)時(shí)檢測技術(shù)，于永愛等提出基于平板反射鏡組成的多平面成像系統(tǒng)測量光束質(zhì)量， R. Cortes [Cortes, R. et al,''Laser beam quality factor (M2)measured by distorted Fresnel zone plates, "Revista Mecicane De Fisica. 2008,54(4) ,279-283]，Rober t ff. Lambert [Lambert, R. ff. et al.，''Compact optical system for pulse-to-pulse laser beam quality measurement and applications in laser machining, 〃Appl. Opt. .2004, 43 (26) ,5037-5046·]和 Haotong Ma[Ma，H.T.，et al·，"Simultaneous displacement and angular drift measurement based on defocus grating, 〃Appl. Opt. . 2010, 49(23)，4420-4426]分別提出了基于扭曲光柵波前傳感法測量光束質(zhì)量.， Oliver A. Schmidt [Schmidt, 0. A. , et al,''Real-time determination of laser beam quality by modal decomposition, 〃0pt. Express. 2011，19(7)，6741-6748. ]and Daniel Flamm[Flamm, D. , et al,"Fast M2measurement for fiber beams based on modal analysis, "Appl. Opt. 2012, 51 (7)，987-993.]也提出利用模式分解的方法計(jì)算光束質(zhì)量。 但是目前的方法都不能適用于大尺寸線狀長條（水平方向X垂直方向?yàn)?0° X2° )的 激光光束測量，這種激光往往會用在測距、目標(biāo)探測等領(lǐng)域，上述方法也無法測試激光光束 各視野方向發(fā)射角、俯仰角、各視野方向發(fā)射光束相對強(qiáng)度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提供一種雙線陣CCD掃描成 像測量光束質(zhì)量的裝置，還提供一種雙線陣CCD掃描成像測量光束質(zhì)量的方法，適用于大 尺寸線狀長條（水平方向X垂直方向?yàn)?0° X2° )的激光光束質(zhì)量的測量，采用該裝置 及方法可以快速地對其光束進(jìn)行評價(jià)與測量，該方法也適用于圓形、橢圓形等激光光束質(zhì) 量地快速測量。
[0005] -種雙線陣C⑶掃描成像快速測量激光光束質(zhì)量的裝置，包括計(jì)算機(jī)，其特征在 于，還包括電控平移臺、設(shè)置在電控平移臺上的手動(dòng)角位臺和設(shè)置在手動(dòng)角位臺上的安裝 有被測激光器的電控旋轉(zhuǎn)臺，還包括以被測激光器為中心順時(shí)針依次設(shè)置的第二線陣CCD、 面陣CCD和第一線陣CCD，第一線陣CCD與被測激光器的距離為Z 2大于第二線陣CCD與被 測激光器的距離為Zi，還包括用于控制電控旋轉(zhuǎn)臺進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和用于控制電控平移臺平移的 運(yùn)動(dòng)控制器，第一線陣CCD和第二線陣CCD均通過線陣CCD圖像采集卡與計(jì)算機(jī)連接，面陣 CCD通過面陣CCD圖像采集卡與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器連接。
[0006] -種雙線陣C⑶掃描成像測量光束質(zhì)量的方法：
[0007] 步驟1 :對第一線陣C⑶和第二線陣C⑶進(jìn)行非線性校正；
[0008] 步驟2 :安裝非線性校正后的第一線陣C⑶和第二線陣(XD，將被測激光器安裝 到電控旋轉(zhuǎn)臺上，調(diào)整手動(dòng)角位臺保證被測激光器水平，通過面陣CCD監(jiān)測激光器光束在 接收屏上的像點(diǎn)，控制電控平移臺前后移動(dòng)進(jìn)行被測激光器光束像點(diǎn)的調(diào)節(jié)，直到像點(diǎn)清 晰；
[0009] 步驟3 :控制電控旋轉(zhuǎn)臺使得被測激光器朝向第二線陣CCD，并以預(yù)定的間隔正負(fù) 旋轉(zhuǎn)，通過第二線陣CCD獲取激光光束相對光強(qiáng)分布，計(jì)算相對光強(qiáng)最大值，該相對光強(qiáng)最 大位置為零位并記錄，將相對光強(qiáng)最大值的預(yù)定百分比作為閾值，然后使電控旋轉(zhuǎn)臺歸零， 使被測激光器正對第二線陣C⑶；
[0010] 步驟4 :控制電控旋轉(zhuǎn)臺以預(yù)定的間隔順時(shí)針轉(zhuǎn)，找到光強(qiáng)值小于步驟3獲得的閾 值對應(yīng)的角度，即為邊界1，再控制電控旋轉(zhuǎn)臺反方向轉(zhuǎn)，找到另一半光強(qiáng)值小于閾值對應(yīng) 的角度，即為邊界2;
[0011] 步驟5:測量視野角度，控制電控旋轉(zhuǎn)臺進(jìn)行從邊界2旋轉(zhuǎn)掃描至邊界1，掃描完成 后，即得到相對光強(qiáng)隨在每個(gè)掃描角度上的分布，光束強(qiáng)度的峰值，選取掃描得到的光強(qiáng)值 的峰值強(qiáng)度的Ι/e2點(diǎn)對應(yīng)的兩個(gè)角度，兩個(gè)角度的差值θ 2- Θ i為視野角度。
[0012] 還包括步驟6 :測量發(fā)散角，控制電控旋轉(zhuǎn)臺進(jìn)行從邊界2旋轉(zhuǎn)掃描至邊界1，用第 一線陣CCD和第二線陣CCD采集每個(gè)視野角度對應(yīng)的縱向光強(qiáng)分布曲線，得到每個(gè)視野角 度對應(yīng)位置的束寬d 2和屯，發(fā)散角由下式獲得：
[0013]

【權(quán)利要求】
1. 一種雙線陣C⑶掃描成像測量光束質(zhì)量的裝置，包括計(jì)算機(jī)（10)，其特征在于，還 包括電控平移臺（3)、設(shè)置在電控平移臺（3)上的手動(dòng)角位臺（2)和設(shè)置在手動(dòng)角位臺（2) 上的安裝有被測激光器（14)的電控旋轉(zhuǎn)臺（1)，還包括以被測激光器（14)為中心順時(shí)針 依次設(shè)置的第二線陣(XD(5)、面陣(XD(6)和第一線陣(XD(4)，第一線陣(XD(4)與被測激 光器（14)的距離為乙大于第二線陣CCD(5)與被測激光器（14)的距離SZi，還包括用于 控制電控旋轉(zhuǎn)臺（1)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和用于控制電控平移臺（3)平移的運(yùn)動(dòng)控制器（9)，第一線 陣(XD (4)和第二線陣(XD (5)均通過線陣C⑶圖像采集卡（12)與計(jì)算機(jī)（10)連接，面陣 CCD(6)通過面陣CCD圖像采集卡（11)與計(jì)算機(jī)（10)連接，計(jì)算機(jī)（10)與運(yùn)動(dòng)控制器（9) 連接。
2. -種雙線陣CCD掃描成像測量光束質(zhì)量的方法，其特征在于， 步驟1 :對第一線陣CCD (4)和第二線陣CCD (5)進(jìn)行非線性校正； 步驟2 :安裝非線性校正后的第一線陣CCD(4)和第二線陣CCD(5)，將被測激光器 (14)安裝到電控旋轉(zhuǎn)臺⑴上，調(diào)整手動(dòng)角位臺（2)保證被測激光器（14)水平，通過面陣 CCD(6)監(jiān)測激光器光束在接收屏上的像點(diǎn)，控制電控平移臺（3)前后移動(dòng)進(jìn)行被測激光器 光束像點(diǎn)的調(diào)節(jié)，直到像點(diǎn)清晰； 步驟3:控制電控旋轉(zhuǎn)臺（1)使得被測激光器（14)朝向第二線陣CCD(5)，并以預(yù)定的 間隔正負(fù)旋轉(zhuǎn)，通過第二線陣CCD(5)獲取激光光束相對光強(qiáng)分布，計(jì)算相對光強(qiáng)最大值， 該相對光強(qiáng)最大位置為零位并記錄，將相對光強(qiáng)最大值的預(yù)定百分比作為閾值，然后使電 控旋轉(zhuǎn)臺⑴歸零，使被測激光器（14)正對第二線陣CCD (5); 步驟4:控制電控旋轉(zhuǎn)臺（1)以預(yù)定的間隔順時(shí)針轉(zhuǎn)，找到光強(qiáng)值小于步驟3獲得的閾 值對應(yīng)的角度，即為邊界1，再控制電控旋轉(zhuǎn)臺（1)反方向轉(zhuǎn)，找到另一半光強(qiáng)值小于閾值 對應(yīng)的角度，即為邊界2; 步驟5 :測量視野角度，控制電控旋轉(zhuǎn)臺（1)進(jìn)行從邊界2旋轉(zhuǎn)掃描至邊界1，掃描完成 后，即得到相對光強(qiáng)隨在每個(gè)掃描角度上的分布，光束強(qiáng)度的峰值，選取掃描得到的光強(qiáng)值 的峰值強(qiáng)度的Ι/e2點(diǎn)對應(yīng)的兩個(gè)角度，兩個(gè)角度的差值θ 2- Θ i為視野角度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雙線陣CCD掃描成像測量光束質(zhì)量的方法，其特征在 于： 還包括步驟6 :測量發(fā)散角，控制電控旋轉(zhuǎn)臺（1)進(jìn)行從邊界2旋轉(zhuǎn)掃描至邊界1，用第 一線陣CCD(4)和第二線陣CCD(5)采集每個(gè)視野角度對應(yīng)的縱向光強(qiáng)分布曲線，得到每個(gè) 視野角度對應(yīng)位置的束寬d2和屯，發(fā)散角由下式獲得：
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種雙線陣CCD掃描成像測量光束質(zhì)量的方法，其特征在 于： 還包括步驟7 :測量俯仰角，控制電控旋轉(zhuǎn)臺（1)進(jìn)行從邊界2旋轉(zhuǎn)掃描至邊界1，用第 一線陣CCD(4)和第二線陣CCD(5)采集各個(gè)視野角度縱向光強(qiáng)分布曲線計(jì)算各視野角度對 應(yīng)的出射光束俯仰角：
式中：ΛΖ是指第一線陣CXD(4)到被測激光器（14)之間的距離Z2與第二線陣CXD(5) 到被測激光器（14)之間的距離Zi的差值， h2和h為光束中心位置，即光束強(qiáng)度的重心，以每個(gè)像素點(diǎn)為基本單位,每個(gè)像素點(diǎn)上 的光強(qiáng)為Ii，像素大小為Λ p，則光束中心位置可表示為：
式中，Ν為(XD上總的像素個(gè)數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2-4所述的任意一種雙線陣CCD掃描成像測量光束質(zhì)量的方法，其特 征在于，所述的步驟1包括以下步驟： 分別將待測第一線陣CCD (4)和第二線陣CCD (5)光敏面與高精度照度計(jì)的探頭各自安 裝在積分球的輸出窗口，用30W的白光LED照射積分球輸入窗口后從輸出窗口輸出均勻光 場，通過調(diào)節(jié)白光LED的供電電流以改變光通量，從而在積分球輸出窗口上獲得變化的光 照度，第一線陣C⑶(4)和第二線陣(XD (5)輸出的信號通過圖像采集卡送入計(jì)算機(jī)（10)，高 精度照度計(jì)檢測到的照度值輸入到計(jì)算機(jī)（10)中，測試時(shí)，關(guān)掉第一線陣CCD(4)和第二線 陣CCD(5)的自動(dòng)增益控制，測試第一線陣CCD(4)和第二線陣CCD(5)的實(shí)際響應(yīng)曲線，在 同樣的光照度下用曲線擬合后的標(biāo)準(zhǔn)值代替實(shí)測值，即完成補(bǔ)償。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的任意一種雙線陣CCD掃描成像測量光束質(zhì)量的方法，其特征 在于，所述的步驟5、步驟6、步驟7中控制電控旋轉(zhuǎn)臺（1)進(jìn)行從邊界2旋轉(zhuǎn)掃描至邊界1 時(shí)旋轉(zhuǎn)掃描精度設(shè)置為?；?.5°或0.25°。
【文檔編號】G01M11/02GK104062098SQ201410329339
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】譚佐軍, 謝靜, 高貽鈞, 后德家, 王賢峰 申請人:華中農(nóng)業(yè)大學(xué)