技术领域
[0001] 本
发明属于光学信息获取与处理领域，尤其是涉及一种计算激光光束光斑大小的方法。
背景技术
[0002] 随着科学技术的不断发展，激光技术已经广泛应用于激光制造、
微细加工、激光制导、光学存储、激光医疗等领域。在激光的实际应用过程中，光束
质量是指从质的方面对激光进行评价，对激光的设计、制造、检测、应用等具有重要意义。目前已有很多指标参数用以评价激光光束质量，不同光束质量的定义对应不同的应用目的，其所能反映的光束质量的侧重点也不同，所以光束质量的好坏应视具体应用目的做出评价。
[0003] 除此以外，激光的光斑大小、束腰尺寸、
能量分布、
相位分布、发散
角也是衡量
激光器性能的重要参数。在激光的实际应用中，对经过光学系统形成的光斑质量要求越来越高，激光光斑的测量与分析对于评价光学系统成像质量、激光光束
稳定性等起着重要作用，因此，有必要对激光光束光斑进行精确的测量与分析。
[0004] 常用的激光光束光斑大小的测量方法有套孔法、刀口法以及CCD法。其中，套孔法是指利用半径可变的圆形光阑进行遮光，通过计算遮挡能量的百分比和光阑半径推算出激光光斑大小，该方法需要将光阑中心与光斑中心对准，实际操作比较困难。刀口法采用的是基于总透射量的测量方法，其透过率函数为阶跃函数，设定某一功率
阈值，沿着某一方向推动刀片，将在刀片移动过程中两次功率阈值之间的距离定义为光斑大小，该方法原理简单，但需要高
精度移动装置。基于CCD相机的激光光束光斑大小测量方法，具有空间
分辨率高，适用范围广，计算
算法灵活等特点，已成为常见的激光光束光斑大小测量方法。基于CCD相2
机的激光光束光斑大小测量方法包括1/e定义法以及国际标准组织提供的基于矩不变性的二阶矩定义法，但这两种方法均需要对入射光强进行严格衰减，且为保证精度需防止采集相机过曝，光斑图像灰度值大小需控制在一定范围之内，操作复杂且鲁棒性较差。
发明内容
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种简单、精度高和鲁棒性好的计算激光光束光斑大小的方法。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] 一种计算激光光束光斑大小的方法，包括：
[0008] A、沿光轴方向采集激光光束的光斑图像以及相应的背景噪声图像；
[0009] B、根据采集的光斑图像和背景噪声图像采用背景减除法与阈值法进行预处理，得到预处理后的光斑图像；
[0010] C、计算预处理后的光斑图像的激光光斑中心
位置；
[0011] D、保存激光光斑中心位置在
水平方向和垂直方向的光斑图像
像素灰度值大小，然后进行高斯曲线拟合，计算水平方向和垂直方向高斯拟合曲线的方差，并根据计算的方差得到光斑图像在水平方向和垂直方向的光斑半径大小。
[0012] 进一步，所述步骤A，其具体为：
[0013] 搭建好光路系统，然后采用相机沿光轴方向采集z点处激光光束的光斑图像I1(x,y,z)，并在遮挡入射激光光束后通过相机采集z点处的背景噪声图像I2(x,y,z)。
[0014] 进一步，所述步骤B，其包括：
[0015] B1、将光斑图像I1(x,y,z)减去背景噪声图像I2(x,y,z)得到消除背景噪声后的光斑图像I0(x,y,z)；
[0016] B2、根据光斑图像I0(x,y,z)的分辨率选择背景区域，计算背景区域图像的像素灰度值平均值δ；
[0017] B3、将光斑图像中像素灰度值小于δ的图像像素灰度值全部置为0，其余位置像素灰度值保持不变，得到预处理后的光斑图像I(x,y,z)。
[0018] 进一步，所述步骤C，其具体为：
[0019] 计算预处理后的光斑图像的激光光斑中心位置(xc，yc)，所述激光光斑中心位置(xc，yc)的计算公式为：
[0020]
[0021] 其中，m为光斑图像I(x,y,z)的列数，n为光斑图像I(x,y,z)的行数，光斑图像I(x,y,z)的坐标原点为左上角像素I(1,1,z)，I(i,j,z)表示位于光斑图像中第i行、第j列像素点的灰度值大小。
[0022] 进一步，所述步骤D，其包括：
[0023] D1、计算激光光斑中心位置(xc，yc)在水平方向和垂直方向的光斑图像像素灰度值大小；
[0024] D2、对激光光斑中心位置(xc，yc)在水平方向和垂直方向的像素灰度值数据进行高斯曲线拟合，计算水平方向和垂直方向高斯拟合曲线的方差σx、σy；
[0025] D3、根据计算的方差得到光斑图像在水平方向和垂直方向的光斑半径大小，所述光斑图像在水平方向和垂直方向的光斑半径大小分别为 和
[0026] 本发明的有益效果是：先根据预处理的结果计算出激光光斑的中心位置，然后通过对激光光斑的中心位置进行高斯曲线拟合来计算出激光光束的光斑半径大小，不需要先将光阑中心与光斑中心对准，也不需要高精度移动装置，原理简单，操作方便；不受入射光强度和相机曝光时间的影响，对不同曝光时间的光斑图像均能保持测量结果的稳定性和高精度，鲁棒性较好。
附图说明
[0027] 下面结合附图和
实施例对本发明作进一步说明。
[0028] 图1为一种计算激光光束光斑大小的方法的步骤
流程图；
[0029] 图2为本发明步骤B的流程图；
[0030] 图3为本发明步骤D的流程图；
[0031] 图4为激光光束沿光轴方向传播示意图；
[0032] 图5为不同光斑大小的理想激光光束光斑图像；
[0033] 图6为采用本发明的方法计算理想激光光束光斑大小示意图；
[0034] 图7为不同线性变换系数的理想激光光束光斑图像；
[0035] 图8为采用本发明的方法计算不同线性变换系数的理想激光光束光斑大小示意图；
[0036] 图9为不同曝光时间的实际激光光束光斑图像；
[0037] 图10为采用本发明的方法计算不同曝光时间的实际激光光束光斑大小示意图。
具体实施方式
[0038] 参照图1，一种计算激光光束光斑大小的方法，包括：
[0039] A、沿光轴方向采集激光光束的光斑图像以及相应的背景噪声图像；
[0040] B、根据采集的光斑图像和背景噪声图像采用背景减除法与阈值法进行预处理，得到预处理后的光斑图像；
[0041] C、计算预处理后的光斑图像的激光光斑中心位置；
[0042] D、保存激光光斑中心位置在水平方向和垂直方向的光斑图像像素灰度值大小，然后进行高斯曲线拟合，计算水平方向和垂直方向高斯拟合曲线的方差，并根据计算的方差得到光斑图像在水平方向和垂直方向的光斑半径大小。
[0043] 进一步作为优选的实施方式，所述步骤A，其具体为：
[0044] 搭建好光路系统，然后采用相机沿光轴方向采集z点处激光光束的光斑图像I1(x,y,z)，并在遮挡入射激光光束后通过相机采集z点处的背景噪声图像I2(x,y,z)。
[0045] 参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述步骤B，其包括：
[0046] B1、将光斑图像I1(x,y,z)减去背景噪声图像I2(x,y,z)得到消除背景噪声后的光斑图像I0(x,y,z)；
[0047] B2、根据光斑图像I0(x,y,z)的分辨率选择背景区域，计算背景区域图像的像素灰度值平均值δ；
[0048] B3、将光斑图像中像素灰度值小于δ的图像像素灰度值全部置为0，其余位置像素灰度值保持不变，得到预处理后的光斑图像I(x,y,z)。
[0049] 进一步作为优选的实施方式，所述步骤C，其具体为：
[0050] 计算预处理后的光斑图像的激光光斑中心位置(xc，yc)，所述激光光斑中心位置(xc，yc)的计算公式为：
[0051]
[0052] 其中，m为光斑图像I(x,y,z)的列数，n为光斑图像I(x,y,z)的行数，光斑图像I(x,y,z)的坐标原点为左上角像素I(1,1,z)，I(i,j,z)表示位于光斑图像中第i行、第j列像素点的灰度值大小。
[0053] 参照图3，进一步作为优选的实施方式，所述步骤D，其包括：
[0054] D1、计算激光光斑中心位置(xc，yc)在水平方向和垂直方向的光斑图像像素灰度值大小；
[0055] D2、对激光光斑中心位置(xc，yc)在水平方向和垂直方向的像素灰度值数据进行高斯曲线拟合，计算水平方向和垂直方向高斯拟合曲线的方差σx、σy；
[0056] D3、根据计算的方差得到光斑图像在水平方向和垂直方向的光斑半径大小，所述光斑图像在水平方向和垂直方向的光斑半径大小分别为 和
[0057] 下面结合
说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0058] 实施例一
[0059] 本实施例对本发明一种计算激光光束光斑大小的方法的相关理论及原理进行说明。
[0060] 在稳定腔中产生的
激光束，其特性和传播规律与普通球面波或平面波完全不同，本发明把所有可能存在的激光波型称为激光光束或高斯光束。如图4所示的激光光束沿光轴方向传播示意图，沿z轴方向传播的高斯光束的场，不管它是由何种结构的稳定腔所产生的，其复振幅分布均可表示为如下式(1)的一般形式：
[0061]
[0062] 式(1)中，x和y属于激光光束截面的平面
坐标系，z为激光光束沿光轴传播的方向，c为常数因子，其余各符号的表达式为：
[0063]
[0064] 其中，λ为光
波长，w0为高斯光束的束腰半径，f为高斯光束的共焦参数，R(z)为与传播轴线相交于z点的高斯光束等相位面的
曲率半径，w(z)是与传播轴线相交于z点的高斯光束等相位面上的光斑半径。
[0065] 激光光束的光强U(x,y,z)正比于复振幅的平方，即：
[0066]
[0067] 其中，E*(x,y,z)表示激光光束复振幅E(x,y,z)的共轭复函数。
[0068] 进一步，对公式(3)进行形式变换可得：
[0069]
[0070] 此时，可以根据如下公式计算激光光斑图像的中心位置(xc，yc)：
[0071]
[0072] 其中，定义分辨率为m(列)×n(行)的光斑图像I(x,y,z)左上角像素I(1,1,z)为坐标原点，I(i,j,z)代表位于光斑图像中第i行、第j列像素点的灰度值大小。
[0073] 因此，对光强符合高斯分布的光斑图像,可对光斑图像中心位置的水平方向和垂直方向像素灰度值进行高斯曲线拟合，以确定这两个方向的拟合高斯曲线的方差值大小，即σx、σy，并结合公式(4)，可得光斑图像I(x,y,z)在水平方向和垂直方向的光斑半径大小wx(x)以及wy(x)分别为：
[0074]
[0075] 在线性系统中，光斑图像灰度值线性增大或减小，由公式(4)可知，此时激光光强的振幅线性变化，均值和方差均保持稳定，因此本发明的方法具有很好的鲁棒性。
[0076] 实施例二
[0077] 本实施例对理想激光光束光斑大小的计算过程和计算结果进行说明。
[0078] 如图5所示的不同光斑大小的理想激光光束光斑图像，图像分辨率均为1025×1025，光斑中心像素位置为(513，513)，像元尺寸为5.2μm，水平方向和垂直方向的光斑大小相等。图5(a)-图5(e)分别对应的理论光斑半径依次为0.2mm，0.4mm，0.6mm，
0.8mm，1.0mm。
[0079] 如图6所示的采用本发明的方法计算理想激光光束的光斑大小示意图，水平方向和垂直方向的虚线交点表示理想激光光束的光斑中心，实线表示理想激光光束光斑大小，其中，实际的计算数据表如下表1所示：
[0080] 表1
[0081]
[0082] 从表1的数据可以得知，实测激光光束的光斑大小与理论光斑大小能保持很高的精度，误差小于0.2％，因此采用本发明的方法可以准确计算不同光斑大小的理想激光光束光斑图像。
[0083] 如图7所示的不同线性变换系数的理想激光光束光斑图像，以最大像素灰度值为255的光斑图像(即图6(d))为基准，该光斑图像的理论光斑半径为1.0mm，以不同的线性变换系数对其进行线性衰减和线性增强。设图像分辨率均为1025×1025，光斑中心像素位置为(513，513)，像元尺寸为5.2μm，水平方向和垂直方向的光斑大小相等。图7(a)-图
7(e)分别对应的线性变换系数依次为0.4，0.6，0.8，1.0，2.0，3.0。
[0084] 如图8所示的采用本发明的方法计算不同线性变换系数的理想激光光束光斑大小示意图，水平方向和垂直方向的虚线交点表示理想激光光束的光斑中心，实线表示理想激光光束的光斑大小，其中，实际的计算数据表如下表2所示：
[0085] 表2
[0086]
[0087] 从表2的数据可以得知，对不同线性变换系数下的理想激光光束光斑图像，实测激光光束的光斑大小与理论光斑大小能保持很高的精度，误差小于0.12％，即对应不同线性变换系数，采用本发明的算法具有很好的鲁棒性。
[0088] 实施例三
[0089] 本实施例对不同曝光时间下的实际激光光束光斑图像的计算过程及计算结果进行说明。
[0090] 如图9所示的不同曝光时间的实际激光光束光斑图像，调节工业相机的曝光时间，在某一位置对光斑图像进行采集，设图像的分辨率均为1280×1024，像元尺寸为5.2μm，图9(a)-图9(f)分别对应的曝光时间依次为130ms、170ms、210ms、250ms、270ms、
290ms。
[0091] 如图10所示，采用本发明的方法计算不同曝光时间下的实际激光光束光斑大小，水平方向和垂直方向的虚线交点表示实际激光光束的光斑中心，实线表示实际激光光束的光斑大小，当曝光时间为250ms时，光斑图像的像素灰度值达到饱和状态。其中，实际的计算数据表如下表3所示：
[0092] 表3
[0093]
[0094]
[0095] 与
现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0096] (1)先根据预处理的结果计算出激光光斑的中心位置，然后通过对激光光斑的中心位置进行高斯曲线拟合来计算出激光光束的光斑半径大小，不需要先将光阑中心与光斑中心对准，也不需要高精度移动装置，原理简单，适用范围广，操作方便；
[0097] (2)不受入射光强度和相机曝光时间的影响，对不同曝光时间的光斑图像均能保持测量结果的稳定性和高精度，重复性好，鲁棒性较好，测试成本更低。
[0098] 以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同
变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本
申请权利要求所限定的范围内。
