专利名称：基于正交精细扫描的微小光斑质心测量方法
技术领域：
本发明涉及一种光斑的质心测量方法。
背景技术：
聚焦的激光光束广泛应用在科学实验和工程项目等领域。实现对微小光斑质心位 置的精确测量，是激光引导以及瞄准的前提。因此，对这种微小光斑质心位置的测量有很高 的要求。现有的光斑质心测量技术主要可分为以下几类刀口扫描法、狭缝扫描法、可变光 阑法等。但这些方法均无法实现对微小光斑的质心的直接测量。
发明内容
本发明的目的是解决目前无法对微小光斑直接进行质心测量的问题，提供了一种 基于正交精细扫描的微小光斑质心测量方法。基于正交精细扫描的微小光斑质心测量方法，它基于一个光斑测量装置实现，所 述光斑测量装置由二维移动架、CCD探测器和数据采集单元组成，所述CCD探测器安装在二 维移动架的移动平台上，CCD探测器的电信号输出端连接数据采集单元的信号输入端；它的具体过程如下步骤一、调整二维移动架，将经过聚焦的入射光完全投射到CXD探测器光敏面的 某个像元上，数据采集单元显示CCD探测器输出的该单个像元的灰度值，并作为完整的微 小光斑产生的灰度值保存，用Htl表示；将此时二维移动架的位置记为Ptl ；在C⑶探测器的光 敏面上建立X-Y坐标系，并将该单个像元的中心位置设置为该坐标系的原点；用D1表示该 单个像元的X向尺寸，D2表示该单个像元的Y向尺寸；步骤二、调整二维移动架，使所述单个像元沿X轴正向移动，每次移动的步长为dQ， 每移动一次记录下此时二维移动架的位置与Ptl位置的相对位移量及此时数据采集单元显 示的该单个像元对应的灰度值，直至当所述数据采集单元显示的该单个像元对应的灰度值 减小为Htl的2%或以下时，停止调整二维移动架；步骤三、调整二维移动架回到位置Ptl，然后再调整二维移动架，使所述单个像元沿 Y轴正向移动，每次移动的步长为Cltl，每移动一次记录下此时二维移动架的位置与Ptl位置的 相对位移量及此时数据采集单元显示的该单个像元对应的灰度值，当所述数据采集单元显 示的该单个像元对应的灰度值减小为Htl的2%或以下时，停止调整二维移动架，并记录下此 时二维移动架的位置与Ptl位置的相对位移量；步骤四、根据已记录的二维移动架的所有相对位移量及其对应的灰度值，计算获 得光斑的质心位置。本发明的基于正交精细扫描的微小光斑质心测量方法的测量过程简单，能够快速 准确的测量出入射的微小光斑的质心位置，精度高，可达微米量级。
图1为光斑测量装置的结构示意图；图2为具体实施方式
一中步骤四一获得的灰 度值曲线；图3为具体实施方式
一中步骤四二获得的灰度值曲线；图4为执行步骤一后，光 斑与CCD探测器的光敏面的单个像元的位置示意图，其中Al为光斑，A2为单个像元；图5为 本发明的基于正交精细扫描的微小光斑质心测量方法的流程图；图6为步骤四的流程图。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式的基于正交精细扫描的微小光斑质心测量方法，它 基于一个光斑测量装置实现，所述光斑测量装置由二维移动架1、CCD探测器2和数据采集 单元3组成，所述CCD探测器2安装在二维移动架1的移动平台上，CCD探测器2的电信号 输出端连接数据采集单元的信号输入端；它的具体过程如下步骤一、调整二维移动架1，将经过聚焦的入射光完全投射到CXD探测器2光敏面 的某个像元上，数据采集单元3显示CCD探测器2输出的该单个像元的灰度值，并作为完整 的微小光斑产生的灰度值保存，用Htl表示；将此时二维移动架1的位置记为Ptl ；在C⑶探测 器2的光敏面上建立X-Y坐标系，并将该单个像元的中心位置设置为该坐标系的原点；用D1 表示该单个像元的X向尺寸，D2表示该单个像元的Y向尺寸；步骤二、调整二维移动架1，使所述单个像元沿X轴正向移动，每次移动的步长为 dQ，并使入射光光斑从该单个像元内向外逐步移出，每移动一次记录下此时二维移动架1的 位置与Ptl位置的相对位移量及此时数据采集单元3显示的该单个像元对应的灰度值，直至 当所述数据采集单元3显示的该单个像元对应的灰度值减小为Htl的2%或以下时，停止调 整二维移动架1，并记录下此时二维移动架1的位置与Ptl位置的相对位移量；步骤三、调整二维移动架1回到位置Ptl，然后再调整二维移动架1，使所述单个像 元沿Y轴正向移动，每次移动的步长为Cltl，每移动一次记录下此时二维移动架1的位置与Ptl 位置的相对位移量及此时数据采集单元3显示的该单个像元对应的灰度值，当所述数据采 集单元3显示的该单个像元对应的灰度值减小为H0的2%或以下时，停止调整二维移动架 1，并记录下此时二维移动架1的位置与Ptl位置的相对位移量；步骤四、根据已记录的二维移动架1的所有相对位移量及其对应的灰度值，计算 获得光斑的质心位置。步骤四所述内容的具体过程可以为令二维移动架1在Ptl位置时、光敏面上的X-Y坐标系为初始位置坐标系，则步骤四一、根据步骤二中记录的二维移动架1的所有相对位移量及对应的该单个 像元对应的灰度值，绘制灰度值曲线，并由该灰度值曲线获得光斑质心在初始位置坐标系 中的X向坐标；步骤四二、根据步骤三中记录的二维移动架1的所有相对位移量及对应的该单个 像元对应的灰度值，绘制灰度值曲线，并由该灰度值曲线获得光斑质心在初始位置坐标系 中的Y向坐标；步骤四三、由获得的光斑质心在初始位置坐标系中的X向坐标及Y向坐标，即得光 斑的质心位置。
步骤四一所述内容的具体过程为以步骤二中记录的二维移动架1的相对位移量为横坐标，以所述单个像元对应的 灰度值为纵坐标，绘制灰度值曲线，令H1表示该灰度值曲线中最高点的灰度值，令X1表示该
灰度值曲线中灰度值等于的点的横坐标值，则X1与+Dii差即为光斑质心在初始位置
坐标系中的X向坐标。步骤四二所述内容的具体过程为以步骤三中记录的二维移动架1的相对位移量为横坐标，以所述单个像元对应的 灰度值为纵坐标，绘制灰度值曲线，令H2表示该灰度值曲线中最高点的灰度值，令X2表示该
灰度值曲线中灰度值等于IH2的点的横坐标值，则X2与*D2之差即为光斑质心在初始位置
坐标系中的Y向坐标。实验中，移动步长dQ为0. 1 μ m，CXD探测器2的光敏像元的尺寸为ΙΟμπιΧΙΟμπι， 移动的总长度为 ο μ m。调整CXD探测器2的位置，使光斑位于其一个特定的像元内部，如图4所示，然 后沿Y轴水平移动CCD探测器2，设定每次移动步长为0. 1 μ m，移动的总长度为10 μ m, 即把一个与CXD探测器2的单个像元等大的一个10 μ mX 10 μ m的包含完整光斑的图像 完全移动到该像元外，其中，单个像元的X向尺寸D1为10 μ m，Y向尺寸D2为10 μ m，故
Id1=ID2=S^15记录每移动一个步长后该像元所测得的灰度值，并绘制成曲线。找到图中
对应灰度值下降到最大值一半时的位置处的横坐标值\’则Xtl减去5 μ m所得的差即为光 斑质心在初始位置坐标系中的X向坐标。同理，使CCD探测器2以同样的方式沿Y轴方向移动，绘制成曲线，得到图中对 应灰度值下降到最大值一半时的位置处的横坐标值\，则Ytl减去5 μ m所得的差即为光斑 质心在初始位置坐标系中的Y向坐标。因此，光斑质心在初始位置坐标系中的坐标即为 (Χ0-5 μ m, Υ0-5 μ m)。对一个理想高斯光斑的质心位置的仿真测量结果如图2和图3所示，其中，图2是 步骤四一获得的曲线，也即单个像元沿X轴正向移动时，单个像元对应的灰度值随二维移 动架1的相对位移量的变化关系曲线；图3是步骤四二获得的曲线，也即单个像元沿Y轴正 向移动时，单个像元对应的灰度值随二维移动架1的相对位移量的变化关系曲线。本发明的基于正交精细扫描的微小光斑质心测量方法的测量过程简单，能够快速 准确的测量出入射的微小光斑的质心位置，精度高，可达微米量级。
权利要求
基于正交精细扫描的微小光斑质心测量方法，其特征在于它基于一个光斑测量装置实现，所述光斑测量装置由二维移动架(1)、CCD探测器(2)和数据采集单元(3)组成，所述CCD探测器(2)安装在二维移动架(1)的移动平台上，CCD探测器(2)的电信号输出端连接数据采集单元的信号输入端；它的具体过程如下步骤一、调整二维移动架(1)，将经过聚焦的入射光完全投射到CCD探测器(2)光敏面的某个像元上，数据采集单元(3)显示CCD探测器(2)输出的该单个像元的灰度值，并作为完整的微小光斑产生的灰度值保存，用H0表示；将此时二维移动架(1)的位置记为P0；在CCD探测器(2)的光敏面上建立X Y坐标系，并将该单个像元的中心位置设置为该坐标系的原点；用D1表示该单个像元的X向尺寸，D2表示该单个像元的Y向尺寸；步骤二、调整二维移动架(1)，使所述单个像元沿X轴正向移动，每次移动的步长为d0，，每移动一次记录下此时二维移动架(1)的位置与P0位置的相对位移量及此时数据采集单元(3)显示的该单个像元对应的灰度值，直至当所述数据采集单元(3)显示的该单个像元对应的灰度值减小为H0的2％或以下时，停止调整二维移动架(1)；步骤三、调整二维移动架(1)回到位置P0，然后再调整二维移动架(1)，使所述单个像元沿Y轴正向移动，每次移动的步长为d0，每移动一次记录下此时二维移动架(1)的位置与P0位置的相对位移量及此时数据采集单元(3)显示的该单个像元对应的灰度值，当所述数据采集单元(3)显示的该单个像元对应的灰度值减小为H0的2％或以下时，停止调整二维移动架(1)，并记录下此时二维移动架(1)的位置与P0位置的相对位移量；步骤四、根据已记录的二维移动架(1)的所有相对位移量及其对应的灰度值，计算获得光斑的质心位置。
2.根据权利要求1所述的基于正交精细扫描的微小光斑质心测量方法，其特征在于步 骤四所述内容的具体过程为令二维移动架(1)在Ptl位置时、光敏面上的X-Y坐标系为初始位置坐标系，则步骤四一、根据步骤二中记录的二维移动架(1)的所有相对位移量及对应的该单个像 元对应的灰度值，绘制灰度值曲线，并由该灰度值曲线获得光斑质心在初始位置坐标系中 的X向坐标；步骤四二、根据步骤三中记录的二维移动架(1)的所有相对位移量及对应的该单个像 元对应的灰度值，绘制灰度值曲线，并由该灰度值曲线获得光斑质心在初始位置坐标系中 的Y向坐标；步骤四三、由获得的光斑质心在初始位置坐标系中的X向坐标及Y向坐标，即得光斑的 质心位置。
3.根据权利要求2所述的基于正交精细扫描的微小光斑质心测量方法，其特征在于步 骤四一所述内容的具体过程为以步骤二中记录的二维移动架(1)的相对位移量为横坐标，以所述单个像元对应的灰 度值为纵坐标，绘制灰度值曲线，令氏表示该灰度值曲线中最高点的灰度值，令X1表示该灰度值曲线中灰度值等于+H1的点的横坐标值，则X1与+D1之差即为光斑质心在初始位置坐标系中的X向坐标。
4.根据权利要求2所述的基于正交精细扫描的微小光斑质心测量方法，其特征在于步 骤四二所述内容的具体过程为以步骤三中记录的二维移动架(1)的相对位移量为横坐标，以所述单个像元对应的灰 度值为纵坐标，绘制灰度值曲线，令吐表示该灰度值曲线中最高点的灰度值，令X2表示该灰度值曲线中灰度值等于IH2的点的横坐标值，则X2与*D2之差即为光斑质心在初始位置坐标系中的Y向坐标。
全文摘要
基于正交精细扫描的微小光斑质心测量方法，它涉及一种光斑的质心测量方法，它解决了目前无法对微小光斑直接进行质心测量的问题。该测量方法基于光斑测量装置实现，所述光斑测量装置由二维移动架、CCD探测器和数据采集单元组成，该方法通过CCD探测器探测接收入射光光斑，使光斑完全照射到CCD探测器的某个光敏像元上，并采用数据采集单元显示光斑的灰度值，然后通过多次移动二维移动架，使光敏像元在X向和Y向分别移动，移动的过程中，每移动一步即记录当前相对位移量及当前灰度值，最后通过制作灰度值曲线即可计算获得光斑的质心位置。本发明可用于光斑质心的测量领域。
文档编号G01B11/00GK101968342SQ20101028920
公开日2011年2月9日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者刘晓妍, 吕志伟, 姜振华, 巴德欣, 王新 申请人:哈尔滨工业大学