一種計算激光光束光斑大小的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光學信息獲取與處理領域，尤其是設及一種計算激光光束光斑大小的 方法。
【背景技術】
[0002] 隨著科學技術的不斷發展，激光技術已經廣泛應用于激光制造、微細加工、激光制 導、光學存儲、激光醫療等領域。在激光的實際應用過程中，光束質量是指從質的方面對激 光進行評價，對激光的設計、制造、檢測、應用等具有重要意義。目前已有很多指標參數用W 評價激光光束質量，不同光束質量的定義對應不同的應用目的，其所能反映的光束質量的 側重點也不同，所W光束質量的好壞應視具體應用目的做出評價。
[0003] 除此W外，激光的光斑大小、束腰尺寸、能量分布、相位分布、發散角也是衡量激光 器性能的重要參數。在激光的實際應用中，對經過光學系統形成的光斑質量要求越來越高， 激光光斑的測量與分析對于評價光學系統成像質量、激光光束穩定性等起著重要作用，因 此，有必要對激光光束光斑進行精確的測量與分析。
[0004] 常用的激光光束光斑大小的測量方法有套孔法、刀口法W及CCD法。其中，套孔法 是指利用半徑可變的圓形光闊進行遮光，通過計算遮擋能量的百分比和光闊半徑推算出激 光光斑大小，該方法需要將光闊中屯、與光斑中屯、對準，實際操作比較困難。刀口法采用的是 基于總透射量的測量方法，其透過率函數為階躍函數，設定某一功率闊值，沿著某一方向推 動刀片，將在刀片移動過程中兩次功率闊值之間的距離定義為光斑大小，該方法原理簡單， 但需要高精度移動裝置。基于CCD相機的激光光束光斑大小測量方法，具有空間分辨率高， 適用范圍廣，計算算法靈活等特點，已成為常見的激光光束光斑大小測量方法。基于CCD相 機的激光光束光斑大小測量方法包括1/e2定義法W及國際標準組織提供的基于矩不變性 的二階矩定義法，但該兩種方法均需要對入射光強進行嚴格衰減，且為保證精度需防止采 集相機過曝，光斑圖像灰度值大小需控制在一定范圍之內，操作復雜且魯椿性較差。

【發明內容】

[0005] 為了解決上述技術問題，本發明的目的是；提供一種簡單、精度高和魯椿性好的計 算激光光束光斑大小的方法。
[0006] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0007] -種計算激光光束光斑大小的方法，包括：
[000引A、沿光軸方向采集激光光束的光斑圖像W及相應的背景噪聲圖像；
[0009] B、根據采集的光斑圖像和背景噪聲圖像采用背景減除法與闊值法進行預處理，得 到預處理后的光斑圖像；
[0010] C、計算預處理后的光斑圖像的激光光斑中屯、位置；
[0011] D、保存激光光斑中屯、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 后進行高斯曲線擬合，計算水平方向和垂直方向高斯擬合曲線的方差，并根據計算的方差 得到光斑圖像在水平方向和垂直方向的光斑半徑大小。
[0012] 進一步，所述步驟A，其具體為：
[0013] 搭建好光路系統，然后采用相機沿光軸方向采集Z點處激光光束的光斑圖像 Ii(X，y，Z)，并在遮擋入射激光光束后通過相機采集Z點處的背景噪聲圖像12 (X，y，Z)。
[0014] 進一步，所述步驟B，其包括：
[0015] B1、將光斑圖像Ii(x，y，z)減去背景噪聲圖像l2(x，y，z)得到消除背景噪聲后的光 斑圖像I(i(x，y,Z);
[0016] B2、根據光斑圖像I"(x，y，z)的分辨率選擇背景區域，計算背景區域圖像的像素灰 度值平均值5;
[0017] B3、將光斑圖像中像素灰度值小于5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，得到預處理后的光斑圖像I(X，y，Z)。
[0018] 進一步，所述步驟C，其具體為：
[0019] 計算預處理后的光斑圖像的激光光斑中屯、位置（X。，y。），所述激光光斑中屯、位置 (Xc，y。）的計算公式為：
[0020]
[002。 其中，m為光斑圖像I(X,y,Z)的列數，n為光斑圖像I(X,y,Z)的行數，光斑圖像I(X，y,Z)的坐標原點為左上角像素I(1，1，Z)，I(i,j,Z)表示位于光斑圖像中第i行、第j 列像素點的灰度值大小。
[0022] 進一步，所述步驟D，其包括：
[0023] D1、計算激光光斑中屯、位置（X。，y。）在水平方向和垂直方向的光斑圖像像素灰度 值大小；
[0024] D2、對激光光斑中屯、位置（X。，y。）在水平方向和垂直方向的像素灰度值數據進行 高斯曲線擬合，計算水平方向和垂直方向高斯擬合曲線的方差Oy、曰y;
[00巧]D3、根據計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，所述 光斑圖像在水平方向和垂直方向的光斑半徑大小分別為^/5cr、.和^/^c^y。
[0026] 本發明的有益效果是：先根據預處理的結果計算出激光光斑的中屯、位置，然后通 過對激光光斑的中屯、位置進行高斯曲線擬合來計算出激光光束的光斑半徑大小，不需要先 將光闊中屯、與光斑中屯、對準，也不需要高精度移動裝置，原理簡單，操作方便；不受入射光 強度和相機曝光時間的影響，對不同曝光時間的光斑圖像均能保持測量結果的穩定性和高 精度，魯椿性較好。
【附圖說明】
[0027] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0028] 圖1為一種計算激光光束光斑大小的方法的步驟流程圖；
[0029] 圖2為本發明步驟B的流程圖；
[0030] 圖3為本發明步驟D的流程圖；
[0031] 圖4為激光光束沿光軸方向傳播示意圖；
[0032] 圖5為不同光斑大小的理想激光光束光斑圖像；
[0033] 圖6為采用本發明的方法計算理想激光光束光斑大小示意圖；
[0034] 圖7為不同線性變換系數的理想激光光束光斑圖像；
[00巧]圖8為采用本發明的方法計算不同線性變換系數的理想激光光束光斑大小示意 圖；
[0036] 圖9為不同曝光時間的實際激光光束光斑圖像；
[0037] 圖10為采用本發明的方法計算不同曝光時間的實際激光光束光斑大小示意圖。
【具體實施方式】
[003引參照圖1，一種計算激光光束光斑大小的方法，包括：
[0039] A、沿光軸方向采集激光光束的光斑圖像W及相應的背景噪聲圖像；
[0040] B、根據采集的光斑圖像和背景噪聲圖像采用背景減除法與闊值法進行預處理，得 到預處理后的光斑圖像；
[0041] C、計算預處理后的光斑圖像的激光光斑中屯、位置；
[0042] D、保存激光光斑中屯、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 后進行高斯曲線擬合，計算水平方向和垂直方向高斯擬合曲線的方差，并根據計算的方差 得到光斑圖像在水平方向和垂直方向的光斑半徑大小。
[0043] 進一步作為優選的實施方式，所述步驟A，其具體為：
[0044] 搭建好光路系統，然后采用相機沿光軸方向采集Z點處激光光束的光斑圖像 Ii(X，y，Z)，并在遮擋入射激光光束后通過相機采集Z點處的背景噪聲圖像12 (X，y，Z)。
[0045] 參照圖2,進一步作為優選的實施方式，所述步驟B，其包括：
[0046] B1、將光斑圖像Ii(X，y，Z)減去背景噪聲圖像12 (X，y，Z)得到消除背景噪聲后的光 斑圖像I(i(x，y,Z);
[0047] B2、根據光斑圖像I"(x，y，z)的分辨率選擇背景區域，計算背景區域圖像的像素灰 度值平均值5;
[0048] B3、將光斑圖像中像素灰度值小于5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，得到預處理后的光斑圖像I(X，y，Z)。
[0049] 進一步作為優選的實施方式，所述步驟C，其具體為：
[0050] 計算預處理后的光斑圖像的激光光斑中屯、位置（X。，y。），所述激光光斑中屯、位置 (Xc，y。）的計算公式為：
[0051]
[0052] 其中，m為光斑圖像I(x，y，z)的列數，n為光斑圖像I(x，y，z)的行數，光斑圖像 I(X，y，Z)的坐標原點為左上角像素I(1，1，Z)，I(i，j，Z)表示位于光斑圖像中第i行、第j 列像素點的灰度值大小。
[0053] 參照圖3,進一步作為優選的實施方式，所述步驟D，其包括：
[0054] D1、計算激光光斑中屯、位置（X。，y。）在水平方向和垂直方向的光斑圖像像素灰度 值大小；
[0055] D2、對激光光斑中屯、位置（X。，y。）在水平方向和垂直方向的像素灰度值數據進行 高斯曲線擬合，計算水平方向和垂直方向高斯擬合曲線的方差Oy、Oy;
[0056] D3、根據計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，所述 光斑圖像在水平方向和垂直方向的光斑半徑大小分別為和。
[0057] 下面結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[00則 實施例一
[0059] 本實施例對本發明一種計算激光光束光斑大小的方法的相關理論及原理進行說 明。
[0060] 在穩定腔中產生的激光束，其特性和傳播規律