一种计算激光光束光斑大小的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学信息获取与处理领域，尤其是设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W 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W光束质量的好坏应视具体应用目的做出评价。
[0003] 除此W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W及CCD法。其中，套孔法 是指利用半径可变的圆形光阔进行遮光，通过计算遮挡能量的百分比和光阔半径推算出激 光光斑大小，该方法需要将光阔中屯、与光斑中屯、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，设定某一功率阔值，沿着某一方向推 动刀片，将在刀片移动过程中两次功率阔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 机的激光光束光斑大小测量方法包括1/e2定义法W及国际标准组织提供的基于矩不变性 的二阶矩定义法，但该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，操作复杂且鲁椿性较差。
【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、精度高和鲁椿性好的计 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] -种计算激光光束光斑大小的方法，包括：
[000引A、沿光轴方向采集激光光束的光斑图像W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阔值法进行预处理，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屯、位置；
[0011] D、保存激光光斑中屯、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 Ii(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12 (X，y，Z)。
[0014] 进一步，所述步骤B，其包括：
[0015] B1、将光斑图像Ii(x，y，z)减去背景噪声图像l2(x，y，z)得到消除背景噪声后的光 斑图像I(i(x，y,Z);
[0016] B2、根据光斑图像I"(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5;
[0017] B3、将光斑图像中像素灰度值小于5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屯、位置（X。，y。），所述激光光斑中屯、位置 (Xc，y。）的计算公式为：
[0020]
[002。 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、计算激光光斑中屯、位置（X。，y。）在水平方向和垂直方向的光斑图像像素灰度 值大小；
[0024] D2、对激光光斑中屯、位置（X。，y。）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Oy、曰y;
[00巧]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^/5cr、.和^/^c^y。
[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屯、位置，然后通 过对激光光斑的中屯、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 将光阔中屯、与光斑中屯、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，鲁椿性较好。
【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；
[00巧]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】
[003引参照图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W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阔值法进行预处理，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屯、位置；
[0042] D、保存激光光斑中屯、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 Ii(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12 (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Ii(X，y，Z)减去背景噪声图像12 (X，y，Z)得到消除背景噪声后的光 斑图像I(i(x，y,Z);
[0047] B2、根据光斑图像I"(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5;
[0048] B3、将光斑图像中像素灰度值小于5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屯、位置（X。，y。），所述激光光斑中屯、位置 (Xc，y。）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、计算激光光斑中屯、位置（X。，y。）在水平方向和垂直方向的光斑图像像素灰度 值大小；
[0055] D2、对激光光斑中屯、位置（X。，y。）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Oy、Oy;
[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。
[00则 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