嵌入式激光光束质量测量装置

摘要

本发明提供了嵌入式激光光束质量测量装置，其构成包括光学单元(1)、机械单元(2)、电子学单元(3)三个部分；嵌入式激光光束质量测量装置用相机45对激光光斑成像，通过数字信号处理器42控制采样多个位置的激光光斑信息，嵌入式处理器-ARM11 41运行嵌入式激光光束质量测量装置软件69进行激光光斑图像处理，计算出光束质量因子M²、束宽积、束腰半径w及远场光束发散角θ，激光光束质量测量精度达到±6％，嵌入式激光光束质量测量装置体积小，工作无需个人计算机，使用方便。

主权项

1、嵌入式激光光束质量测量装置，其特征在于，其构成包括光学单元(1)、机械单元(2)、电子学单元(3)三个部分；所述的电子学单元(3)通过相机(45)、步进电机(44)与机械单元(2)连接；被测试激光器发射出的激光光束经光学单元(1)入射到电子学单元(3)的相机(45)上；所述的光学单元(1)由液晶调光单元(5)、平凸透镜(6)、平面反射镜(7)和平面反射镜(8)组成；所述的平凸透镜(6)、平面反射镜(7)共光轴且从左至右依次放置，激光器发射出的激光光束经平凸透镜(6)聚焦缩束，由反射率达99％的平面反射镜(7)和平面反射镜(8)反射后，通过液晶调光单元(5)进行连续衰减，由电子学单元(3)中的相机(45)进行接收；所述的光学单元(1)中的液晶调光单元(5)的构成包括起偏片(60)、液晶(61)、检偏片(62)和液晶控制电源(63)；所述的起偏片(60)、液晶(61)和检偏片(62)同轴依次顺序放置且起偏片(60)和检偏片(62)必须正交放置，液晶控制电源(63)是由数字信号处理器(42)控制数模转换器DAC0832的输出实现的数值可以变化的电源；液晶调光单元(5)的光路如下：激光器发射出激光光束经平凸透镜(6)进行变换又经起偏片(60)起偏后变成圆偏振光，经液晶(61)和检偏片(62)衰减后，入射到相机(45)的光敏面上，由相机(45)接收激光光斑的图像信息；所述的液晶(61)由两块极板以及其间夹含的液晶层构成，液晶层有10μm厚，液晶分子平行于极板表面排列，但是排列方向在两块之间连续扭转了90°而具有旋光效应，起偏片(60)和检偏片(62)正交摆放；当两个极板上没有电压时，经起偏片(60)起偏的线偏振光垂直入射和通过液晶层后，其偏振方向会被液晶扭转90°，经过检偏片(62)后，光束完全透过；当两个极板上加有电压V，并达到阈值电压V′时，液晶(61)的旋光现象消失，液晶分子长轴一律沿电场方向进行再排列，这时通过液晶层的线偏振光的偏振方向没有改变，再经过检偏片(62)后，光束被完全遮挡；所述的机械单元(2)的构成包括底板(86)、滑块(87)、滑块(88)、轴承(89)、前端板(90)、外罩(91)、后端板(92)、丝杠(93)、圆柱导轨(94)、透镜压圈(95)、限位开关(96)、连接板(97)、相机调整架(98)和联轴节(99)；电子学单元(3)的相机(45)通过相机调整架(98)固定在前端板(90)上；光学单元(1)的液晶调光单元(5)直接固定在前端板(90)上；透镜压圈(95)将平凸透镜(6)固定在前端板(90)上；底板(86)位于前端板(90)和后端板(92)之间且两端分别与前端板(90)和后端板(92)固定连接；滑块(87)置于丝杠(93)之上，滑块(88)置于圆柱导轨(94)之上，连接板(97)固定置于滑块(87)和滑块(88)之上，滑块(87)和滑块(88)可以分别沿着丝杠(93)和圆柱导轨(94)同步轴向滑动，置于连接板(97)上的平面反射镜(7)和平面反射镜(8)也一起同步滑动；圆柱导轨(94)的一端固定在前端板(90)上，圆柱导轨(94)的另一端固定在后端板(92)上；轴承(89)一端固定在前端板(90)上，另一端与丝杠(93)相连；电子学单元(3)的步进电机(44)固定在后端板(92)上，丝杠(93)的一端与轴承(89)连接，丝杠(93)的另一端与联轴节(99)连接，步进电机(44)与联轴节(99)连接并且通过联轴节(99)带动丝杠(93)做旋转运动并带动滑块(87)在丝杠(93)之上作轴向滑动，通过连接板(97)相连成一体的滑块(88)也同步沿着圆柱导轨(94)作轴向滑动，平面反射镜(7)和平面反射镜(8)也同步作一维水平运动；限位开关(96)直接固定在底板(86)上，限位开关(96)用于确定平面反射镜(7)和平面反射镜(8)的初始零位，光学单元(1)中的平面反射镜(7)和平面反射镜(8)运动到限位开关(96)处，限位开关(96)感应出电信号回送给电子学单元(3)的嵌入式处理器-ARM11(41)，通知嵌入式处理器-ARM11(41)光学单元(1)中的平面反射镜(7)和平面反射镜(8)已运动到初始零位，嵌入式处理器-ARM11(41)控制数字信号处理器(42)控制步进电机(44)做反方向运动；所述的电子学单元(3)的构成包括触摸屏(40)、嵌入式处理器-ARM11(41)、数字信号处理器(42)、数据缓存(43)、步进电机(44)和相机(45)；所述的数字信号处理器(42)驱动步进电机(44)，带动平面反射镜(7)和平面反射镜(8)做一维运动，同时数字信号处理器(42)控制相机(45)进行曝光，采集激光光斑图像信息传输到数据缓存(43)中暂存，嵌入式处理器-ARM11(41)取出数据缓存(43)中的图像信息进行图像处理并在触摸屏(40)上显示二维和三维的激光光斑曲线；或者，嵌入式处理器-ARM11(41)取出数据缓存(43)中的图像信息进行图像处理并在VGA显示器或PC机上显示二维和三维的激光光斑曲线；嵌入式激光光束质量测量装置的软件(69)保存在嵌入式处理器-ARM11(41)中，执行的步骤如下：操作者将所选择的步进电机(44)的起始位置、步进电机(44)的停止位置、步进电机(44)的步进距离、相机(45)采集图像的个数、被测激光器的波长、相机(45)的像元尺寸信息输入嵌入式处理器-ARM11(41)，嵌入式处理器-ARM11(41)控制数字信号处理器(42)控制步进电机(44)带动丝杠(93)水平运动往返一周，回到限位开关(96)确定的初始零位；嵌入式处理器-ARM11(41)执行步骤(72)，判定检测开始按钮是否按下；如果该判断是肯定的，则进行步骤(73)；如果该判断是否定的，则执行步骤(72)，继续判断检测开始按钮是否按下，直到判断是是肯定的，进行步骤(73)；进行步骤(73)，在数字信号处理器(42)控制下，步进电机(44)按照步骤(71)选择的步进距离向前运动一步确定一个位置后，嵌入式处理器-ARM11(41)执行步骤(74)，判断相机(45)采集图像是否饱和，所述的相机(45)采集图像饱和是指相机(45)的像素最大灰度值大于256，如果该判断是肯定的，则进行步骤(81)，控制液晶调光单元(5)增大衰减倍数，直到相机(45)采集图像不饱和为止；如果该判断是否定的，则进行步骤(75)；进行步骤(75)，进行处理采集图像和保存计算结果：数字信号处理器(42)控制相机(45)将激光光斑图像数据采集到数据缓存(43)中，嵌入式处理器-ARM11(41)根据存储其内的如下公式计算光斑的质心位置：$\overline{x_c}=\frac{\mathrm{\Sigma I}(x,y)*x}{\mathrm{\Sigma I}(x,y)}$$\overline{y_c}=\frac{\mathrm{\Sigma I}(x,y)*y}{\mathrm{\Sigma I}(x,y)}$式中，xc为光斑质心的横坐标，yc为光斑质心的纵坐标，x为光斑上任一点的横坐标，y光斑上任一点的纵坐标，I(x，y)为沿光轴横截面上(x，y)点处的光束强度值；并根据如下公式计算光斑的直径：$\left\{\begin{array}{c}{\omega }_x=2\sqrt{\frac{\mathrm{\Sigma I}(x,y)*{(x_i-\overline{x_c})}^2}{\mathrm{\Sigma I}(x,y)}}\\ {\omega }_y=2\sqrt{\frac{\mathrm{\Sigma I}(x,y)*{(y_i-\overline{y_c})}^2}{\mathrm{\Sigma I}(x,y)}}\end{array}\right.$式中ωx为光斑横向直径，ωy为光斑纵向直径，xi为横截面上某点的横坐标，yi为横截面上某点的纵坐标。根据上述公式计算得到的质心位置和光斑直径存储在嵌入式处理器-ARM11(41)中；紧接着，嵌入式处理器-ARM11(41)执行步骤(76)，判断采集图像的个数是否小于预设值，如果判断是肯定的，则执行步骤(73)，数字信号处理器(42)驱动步进电机(44)再向前运动一步，带动丝杠(93)把旋转运动转换成滑块(97)的直线位移，改变平面反射镜(7)和平面反射镜(8)接入光路的位置，激光光束光程发生变化，数字信号处理器(42)控制相机(45)采集图像；如果判断是否定的，则执行步骤(77)；执行步骤(77)，进行后续的数据处理，包括利用上述步骤中得到的光斑直径与采集位置的数值信息，嵌入式处理器-ARM11(41)进行曲线拟和，得到光斑直径参数值、远场束散角参数值、束宽积参数值、激光光束质量因子参数值，并把得到的参数值保存在嵌入式处理器-ARM11(41)中；执行步骤(78)，把数据处理结果显示在触摸屏(40)上，包括显示激光光斑图像的二维分布、三维分布、激光光斑的性能参数、激光光束拟和曲线，至此，已进行一次完整的激光光束质量测量；执行步骤(79)，判断是否退出程序，操作者若继续新一轮的测量，则执行步骤(72)按下开始测量按钮，若结束测量，则关闭程序；执行步骤(80)退出。