专利名称：一种基于正交光楔分光特性及焦斑重构算法的激光远场焦斑测量方法
技术领域：
本发明涉及激光远场焦斑的测量的技术领域，特别是一种基于正交光楔分光特性及焦斑重构算法的激光远场焦斑测量方法，具有结构简单、实施方便等特点。
背景技术：
激光远场焦斑空间能量分布的准确测量是正确评估光束质量的前提。目前，激光远场焦斑的测量方法很多，有扫描法、感光法、烧蚀法和阵列探测法等，其中，扫描法测量远场焦斑能量分布实时性较差，它对光源的稳定性有一定要求；感光法和烧蚀法存在不能准确定量的问题；阵列探测法(如基于CCD相机成像方法)克服了前几种方法的不足，具有实时性好、灵敏度高、操作和计算处理方便等诸多优点，已成为测量实际焦斑空间分布的主要手段。然而，由于常用的CCD相机测量动态范围十分有限，而实际远场焦斑的中心和旁瓣强度差别悬殊，这意味着实际远场焦斑的大量旁瓣信息将被测量仪器的噪声淹没而无法探测到，从而导致对光束质量评价参数的错误评估和计算。准确测量激光远场焦斑能量分布在本质是要寻找某种有效的方法来拓展CCD相机的测量动态范围，国内外学者就如何拓展测量仪器的动态范围开展了大量研究，提出了诸多比较实用的新方法和新技术。对不同曝光量图像进行拼接是拓展CCD测量动态范围的一种常用方法，如日本专禾lJ Japanese 08-154201,59-217358,美国专利 US5801773、US5420635、US5455621、 US5638118和US5638118等均采用了这种方法来实现高动态范围图像的测量，通过控制测量仪器的曝光量以得到高曝光和低曝光图像，其中高曝光图像的亮区明显饱和而使暗区凸显出来，低曝光图像的亮区处于测量仪器动态范围之内但暗区受测量仪器的噪声污染，通过拼接不同曝光量的图像从而可以获得一幅完整的高对比度图像。该方法的不足在于要求 CCD可以调节曝光时间，测量动态范围的拓展取决于曝光时间的设置范围，而且它仅适用于静态光斑的测量，对于实时变化的光斑分布情况并不适用，尤其是短脉冲光的探测，当短脉冲光的时间宽度小于探测仪器最小曝光时间时，用户是无法通过改变曝光时间来获取不同曝光量的光强分布的。纹影法是另一种提高C⑶动态范围、实现高动态范围光斑测量的方法。ffegner P J 等在文章"Third—harmonic performance of the beamlet prototype laser" Proc. of SPIE, Vol. 3047,1996, Stephane Bouillet 等在文章“Measuring a laser focal spot on a large intensity range-Effect ofoptical component laser damages on the focal spot” Pore, of SPIE, Vol. 7405，2009，均采取这种方法获得高动态范围焦斑的分布形态。 该方法的基本思想是通过一个不透光的掩模板(MASK)遮挡待测焦斑中心主核区域内超出 CCD测量动态范围的光斑分布信息而获取焦斑高频旁瓣分布信息，再通过去掉掩模板并引入已知衰减从而测得中心主核区域内的光斑分布，通过两帧光斑图像的拼接得到完整的焦斑分布。该方法要求待测光斑的随机漂移不大，这无疑增加了对光束控制系统的要求。像素曝光空间可变(SpatiallyVarying Pixel Exposures)的测量方法是 ShreeK. Nayar 禾口 Tomoo Mitsunaga 在文章“High Dynamic Range Imaging :Spatially Varying PiXelEXpOSureS”IEEE，2000提出的，该方法的核心思想是CCD像素不同光敏元的灵敏度大小成周期性变化规律(也可以通过在测量光路中加入一个衰减倍率周期性变化的掩模板来达到这一目的)，若某一像素已经饱和，那么一定存在与此相邻的某一像素不饱和，反之若某一像素没能测得光辐射，那么也一定存在与此相邻的某一像素有非零的测量值，通过提取所有有效的测量数据，从而重构出高对比度图像。该方法的不足在于，若基于像素灵敏度周期性变化的测量方法，无疑对探测器(如CCD)的结构设计有更高的要求，这增加了制造成本，若基于掩模板的测量方法，则掩模板不同透过率子区域与C⑶像素阵列之间的精确匹配是需要认真解决的问题，此外由于CCD部分像素点数据存在饱和或受噪声污染，这还增加了测量的采样误差。多探测器测量拼接方法是为解决不同曝光量图像拼接方法的不足而提出的一种方法，如美国专利 US5801773,日本专利 Japaese 08-223491,10-069011,07-254965 和 08-340486等均对该方法进行了研究，实际场景图像经由分束器产生多个光学图像并由不同CCD进行测量，通过设置各CCD的曝光量或在各路中使用不同倍率的衰减装置，从而在不同探测器上获得不同强度级别的图像，将所有图像进行拼接融合实现高对比度图像的测量。该方法的最大优点在于能够对实时变化的焦斑进行测量，尤其是短脉冲光的测量，但该方法需多个CCD进行探测，而性能优良的CCD的造价一般都比较昂高，此外捕获和处理多个光学图像对实验硬件也提出了额外的要求，这些均影响了该方法的推广应用。除了上述通过外部手段拓展CCD的测量动态范围的方法外，通过特殊的CCD结构及电路设计也可以达到高对比度图像测量的目的。如日本专利Japanese 08-331461、 59-217；358，美国专利US4623928、US5420635和US5789737，在每一个探测器像素上均集成有两个灵敏度不同的感光元，这样在一个像素上就可以得到两个测量数据，通过提取有效的测量数据并作为该像素点的输出，从而获得一幅高对比度图像。该方法对探测器的制造技术提出了更高要求，增加了制造成本，此外，该方法是以牺牲光斑采样率来换取高对比度图像，这无疑也增加了测量误差。Brajovic和Kanada在文章“A short Image Sensor An Example of MassivelyParallel Intensity-to—Time Processing for Low-Latency Computational Sensors” Proc. of IEEE, 1996，提出了一种全新的固体成像器件，基本思路是在成像器件的每一个像素上集成一个计算单元，由它计算出入射至该像素单元内的辐射通量填充满对应势阱的时间，通过输出所有像素对应的时间阵列图像从而获得高对比度辐射场分布。该方法的不足在于，复杂的硬件及电路设计增加了探测器的制造成本，而且对弱探测区域的曝光时间可能会非常大，增加了电路处理的负担。国内方面，谢旭东等人在文章“强激光远场焦斑重构算法研究”强激光与粒子束， Vol. 15，No. 3，2003，提出了基于尖劈分光原理提高CXD测量焦斑动态范围的新方法，该方法利用一对尖劈将聚焦后光束分为若干路子光束并在同一个CCD光敏面上形成一系列子光斑阵列，通过焦斑重构算法将这些子光斑数据拼接融合在一起，从而获得完整的焦斑分布。该方法原理简单，操作方便，实验要求采用长焦距聚焦系统，但从原理上讲，利用该方法所获得的各子光斑之间或多或少存在不同程度的离焦像差，这会对测量结果引入一定的误差。程娟等人在文章“纹影法测量激光远场焦斑实验研究”强激光与粒子束，Vol. 18,No. 4, 2006，进行了焦斑测量的实验研究。黄林海在专利“基于光栅和CCD成像探测器的宽动态范围成像系统”中提出采用光栅分光原理拓展CCD测量动态范围，该方法无需复杂的探测器结构设计，实验只需一块CCD成像器件，克服了尖劈分束方法存在的小离焦问题，同时放宽了对光束控制系统稳定性的要求，日益成熟的光栅加工技术使得该方法的推广应用成为可能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服激光远场焦斑传统测量方法以及现有的诸多焦斑测量新方法所存在的不足，提供一种新的激光远场焦斑测量方法，该方法是基于正交光楔对入射激光的分光原理，利用聚焦系统将各路子光束会聚至CCD光敏面上并一次形成一系列子光斑，通过有效的光斑拼接重构技术完成高对比度远场焦斑的测量，拓展CXD测量动态范围，提高了测量的信噪比。本发明解决上述技术问题的技术方案为一种基于正交光楔分光特性及焦斑重构算法的激光远场焦斑测量方法，其特征在于该方法的测量装置包括一对正交光楔器件、 聚焦透镜、C⑶成像器件和计算机系统；其中，一对正交光楔器件即两光楔的楔角彼此正交，并且该两光楔于聚焦透镜前表面位置密接放置，CXD成像器件的光敏面与聚焦透镜的焦平面重合；待测量激光束经正交光楔组分束后被聚焦透镜会聚，在CXD成像器件光敏面上不同探测区域内形成不同能量衰减的子光斑，计算机系统采集CCD成像器件输出的数据， 采取有效的焦斑拼接和重构方法实现高动态范围焦斑的测量。其中，所述两光楔的楔角分别为θρ θ 2，所述两光楔中其中一个光楔的A面和B 面的反射率分别为R1A、R1B，所述两光楔中另一个光楔的A面和B的反射率分别为R2A、I 2B，此时CCD光敏面上形成四个子光斑；焦斑拼接和重构方法具体步骤为步骤(1)光楔衰减比及子光斑相对位置标定在对实际激光的远场焦斑进行测量之前，通过调整合适的衰减使得在CCD光敏面上形成四个不饱和子光斑，且其信噪比足够高以消除随机起伏噪声的影响，提取各子光斑的峰值强度灰度值(即ADU值)及其位置， 将其作为各子光斑拼接融合的依据；设四个子光斑的峰值强度比例关系为Ipil Ip,2 Ip, 3 Ip,4 = ti t2 t3 t4，其中A1St2St3St4，各子光斑峰值点像素坐标分别为(X1, Yi)，(χ2' y2)，(χ3，i )和(χ4，Ji)；步骤( 在激光远场焦斑测量中，通过调整衰减片的衰减倍率，使得在CCD光敏面上不同探测区域内形成能量依次衰减的子光斑，分别记为Spot_l Spot_4，其中， Spot_3 Spot_l中心峰值强度依次增加且呈现出不同程度的饱和，而衰减最多的子光斑 Spot_4处于测量仪器的线性响应范围之内，将CXD所测得的子光斑Spot_l Spot_4的光强分布分别记为I1 I4 ；步骤(3)将Spo_ 4的光强度分布乘以比例系数t3/t4，得到一新的光斑，记为 Spot_3new，其强度分布可表示为I' 3 = I4Xt3/t4 ；步骤(4)设测量仪器的线性范围为W T]，保留Spot_3光强分布中小于T的测量数据并令大于τ的中心主核区域数据为T，同时保留Spot_3new强度分布中大于阈值T的中心主核区域数据并令小于T的受噪声污染的高频旁瓣数据为零，将经过上述处理后的两个远场光斑分别记为Spot_3_lobe和Sp0t_3_center，它们的光强分布可分别表示为
权利要求
1.一种基于正交光楔分光特性及焦斑重构算法的激光远场焦斑测量方法，其特征在于该方法的测量装置包括一对正交光楔器件(1和2、、聚焦透镜C3)、CCD成像器件(4) 和计算机系统(5)；其中，一对正交光楔器件即两光楔的楔角彼此正交，并且该两光楔于聚焦透镜C3)前表面位置密接放置，CCD成像器件(4)的光敏面与聚焦透镜的焦平面重合；待测量激光束经正交光楔组(1和2、分束后被聚焦透镜( 会聚，在CXD成像器件(4)光敏面上不同探测区域内形成不同能量衰减的子光斑，计算机系统( 采集CCD成像器件(4) 输出的数据，采取有效的焦斑拼接和重构方法实现高动态范围焦斑的测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于正交光楔分光特性及焦斑重构算法的激光远场焦斑测量方法，其特征在于其中，所述两光楔(1和幻的楔角分别为θρ θ 2，所述两光楔中其中一个光楔(1)的A面和B面的反射率分别为R1A、Rib，所述两光楔中另一个光楔O)的 A面和B的反射率分别为I 2A、I 2B，此时CXD光敏面上形成四个子光斑；焦斑拼接和重构方法具体步骤为步骤(1)光楔衰减比及子光斑相对位置标定在对实际激光的远场焦斑进行测量之前，通过调整合适的衰减使得在CCD光敏面上形成四个不饱和子光斑，且其信噪比足够高以消除随机起伏噪声的影响，提取各子光斑的峰值强度灰度值(即ADU值)及其位置，将其作为各子光斑拼接融合的依据；设四个子光斑的峰值强度比例关系为Ip,i Ip,2 Ip,3 Ip, 4 = t! t2 t3 t4，其中^彡t2彡t3彡t4，各子光斑峰值点像素坐标分别为(Xl，Y1)， (X2, y2), (x3, y3)和(X4，y4)；步骤( 在激光远场焦斑测量中，通过调整衰减片的衰减倍率，使得在C⑶光敏面上不同探测区域内形成能量依次衰减的子光斑，分别记为Spot_l Spot_4，其中，Spot_3 Spot_l中心峰值强度依次增加且呈现出不同程度的饱和，而衰减最多的子光斑Spot_4处于测量仪器的线性响应范围之内，将CXD所测得的子光斑Spot_l Spot_4的光强分布分别记为I1 I4 ；步骤⑶将Spot_4的光强度分布乘以比例系数t3/t4，得到一新的光斑，记为Spot_3new， 其强度分布可表示为I' 3 = I4Xt3/t4 ；步骤(4)设测量仪器的线性范围为W T]，保留Spot_3光强分布中小于T的测量数据并令大于T的中心主核区域数据为T，同时保留Spot_3new强度分布中大于阈值T的中心主核区域数据并令小于T的受噪声污染的高频旁瓣数据为零，将经过上述处理后的两个远场光斑分别记为Spot_3_lobe和Sp0t_3_center，它们的光强分布可分别表示为
3.根据权利要求2所述的一种基于正交光楔分光特性及焦斑重构算法的激光远场焦斑测量方法，其特征在于若所述的不饱和光斑形态分布本身具有中心对称性时，还可以通过轮廓中心提取算法计算出各子光斑的中心位置。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于正交光楔分光特性及焦斑重构算法的激光远场焦斑测量方法，其特征在于在实际测量中，如果待测光束自身含有倾斜像差，不饱和子光斑的位置将发生移动，但子光斑彼此间的相对位置是固定的，那么通过不饱和子光斑中心位置坐标的相对改变可推算得到其余饱和子光斑中心位置坐标。
全文摘要
本发明提供一种基于正交光楔分光特性及焦斑重构算法的激光远场焦斑测量方法，该方法的测量装置包括一对正交光楔、聚焦透镜、CCD成像器件和计算机系统，入射激光束经两块楔角朝向彼此正交的光楔器件的分束及聚焦透镜的会聚后，在位于透镜焦平面内的CCD光敏面上形成峰值强度依次衰减的子光斑阵列，采取有效的方法将所测得的各子光斑进行拼接融合，最终重构得到完整的激光远场焦斑强度分布。本发明可以大幅度拓展CCD的测量动态范围，将实际焦斑的大量高频旁瓣信息从CCD背景噪声中提取出来，使准确测量和评估光束质量成为可能。
文档编号G01J1/00GK102564575SQ20121002646
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月7日 优先权日2012年2月7日
发明者李新阳, 贺元兴 申请人:中国科学院光电技术研究所