光纤扩束准直镜筒出射偏心高斯光束的检测方法

摘要

本发明提供了一种光纤扩束准直镜筒出射偏心高斯光束的检测方法，包括构建CCD摄像装置，调节待检测镜筒的机械轴与图像采集平面垂直，图像采集、处理及偏心检测的三个步骤组成。本发明对因光学元件偏轴失调产生的偏心高斯光束而引起的垂直于机械轴截面上的光强分布不均性能有效地检测，能较为准确地获得垂直于镜筒机械轴面上的光强分布数据，能快速地进行检测，能获得垂直于机械轴的截面上的不同方向上的光强分布信息。本发明具有方法简单、实用、可靠性高等优点，可在冷原子研究领域、喷泉钟研究领域以及激光传输工程中推广使用。

主权项

一种光纤扩束准直镜筒出射偏心高斯光束的检测方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一，搭建拍摄装置，能够获取从扩束准直镜筒出射的高斯光束在垂直于机械轴截面上的光强分布数据；所述的拍摄装置将光学石英玻璃片和双面磨砂毛玻璃片紧紧贴后固定在一个镜架上，镜架和滤光片平行固定在底板上，CCD相机通过一维平移台安装在底板上，能够沿镜架的轴线平移，CCD相机的镜头轴向与双面磨砂毛玻璃片垂直；底板固定在一个能够调节竖直和水平倾角的二维调节架上，二维调节架通过一个螺旋升降杆与另一个水平的一维平移台连接，两个一维平移台的平移方向相互垂直；步骤二，调节拍摄装置，通过调节固定CCD相机的一维平移台和CCD相机的焦距，使CCD相机能对双面磨砂毛玻璃片表面清晰成像；将已调节好离焦和离轴的扩束准直镜筒与拍摄装置一起固定在光学平台上，使扩束准直镜筒的轴线高度与拍摄装置的光学石英玻璃片的中心高度相同，并调节镜筒轴线的方向与光学石英玻璃片的平面垂直；在镜筒的出射端置入一个开孔在镜筒轴上的小孔光阑；调节拍摄装置的二维调节架，使得从小孔出射的光束经过光学石英玻璃片的反射后能沿原路返回入射到小孔中；取下小孔光阑，由镜筒出射的光束经过光学石英玻璃片后在毛玻璃面上形成的光斑图像即是垂直于扩束准直镜筒光轴的光强分布数据；步骤三，利用获取的光斑图像检测偏心高斯光束，包括以下步骤：步骤1、将获取的光斑图像转变为256个灰度级的灰度图像G(x,y)，找出其中最大的灰度级G_max；如果210<G_max<240，表明所获取的光斑图像的照明光强是合适的，进行下一步骤；如果G_max>240或G_max<210，则调节扩束准直镜筒的出射光强而重新采集光斑图像；步骤2、将上述灰度图像的像素按灰度级进行统计，计算出灰度直方图，采用一个长度为9的游动窗口在直方图数据序列H中从灰度值为0到G_max/e²的范围内搜索第一极小值G_f‑min；根据步骤1得到的最大灰度级确定出光斑强度1/e处的光斑图像的灰度级G_e；步骤3、在全图像范围内搜索灰度级与G_f‑min相等的像素，记录下它们的坐标(x_G，y_G)，在相应的坐标序列中搜索出横坐标的最大值x_max和最小值x_min以及纵坐标的最大值y_max和最小值y_min，估计出光斑区域的中心位置坐标x_c＝(x_max+x_min)/2，y_c＝(y_max+y_min)/2以及光斑区域的大致半径$r_c=\frac{1}{2}\sqrt{{(x_{\max }-x_{\min })}^2+{(y_{\max }-y_{\min })}^2};$步骤4、对全图像进行搜索，如果像素点(x,y)的灰度值满足G_f‑min≤G(x,y)≤G_e，则该像素的灰度值设定为255，否则该像素的灰度值设定为0，形成了一个在黑色背景下的白色圆环分布的图像；步骤5、应用图像边缘检测算子检测由步骤4得到的白色圆环分布的图像，得到白色圆环的两个边缘图像，即两个白色的线状的圆分布图像；步骤6、利用步骤5所得的边缘图像，分别获取两个圆形边缘的各个像素点的图像坐标数据序列(x₁(m)、y₁(m))和(x₂(n)、y₂(n))；步骤7、根据步骤6所得的两个圆形边缘的图像坐标数据序列(x₁(m)，y₁(m))和(x₂(n),y₂(n))，利用圆形拟合的最小二乘法分别计算两个圆形边缘各自的圆心坐标(x_1c,y_1c)和(x_2c,y_2c)；根据所得的圆心坐标计算两个圆心的偏离量Δ_x＝x_2c‑x_1c，Δ_y＝y_2c‑y_1c，$d=\sqrt{{{\Delta }_x}^2+{{\Delta }_y}^2},$偏离方位角$\phi ={\tan }^{-1}\left(\frac{{\Delta }_y}{{\Delta }_x}\right);$两个圆心的偏离量如果小于0.5个像素，则给出两个圆心重合无偏心的检测结果；否则检测结果即为计算出的偏离量与偏离方位角；步骤8、以计算出的高斯强度1/e的圆形分布的圆心为中心，根据在步骤1得到的灰度图像，按照检测者需求的角度获取通过该中心直线上的数据，以此数据作出该考察角度上的强度分布曲线；以计算得到的光斑区域的圆心为中心，以相同考察角度作出过该中心的直线上的光强分布曲线。