专利名称：一种远场激光能量/功率的测量系统及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种远场激光能量/功率的测量系统及其测量方法，尤其是一种基于漫射成像的激光光束诊断的远场激光能量/功率的测量系统及其测量方法，属于信息科学技术领域。
背景技术：
传统的功率/能量测量装置是将激光直接照射到激光功率/能量传感器上，得到与被测量成线性关系的电压信号，对此信号进行处理和标定后直接显示功率/能量值。所以，传统的激光能量/功率测量装置必须在近场用激光能量/功率探头全口径接收被测激光才能测量。受器件的限制，这种原理的激光能量/功率测量装置一般口径较小(直径≤200mm)。因此，其应用受到限制，无法对发射远场的直径数百毫米的大口径激光的能量/功率进行测量。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种远场激光能量/功率的测量系统，基于漫射成像的激光光束诊断装置，不受激光能量/功率测量装置的口径大小限制，可以测量直径在数百毫米的大口径激光的能量/功率。
本发明的另一目的在于针对现有技术的不足，提出一种远场激光能量/功率的测量方法，用于测量直径在数百毫米的大口径激光的能量/功率。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的一种远场激光能量/功率的测量系统，包括具有朗伯特性的漫反射靶、CCD成像模块、数据采集和处理装置，其中漫反射靶用于对被测激光的光束进行漫反射，使其产生的漫反射光的特性与入射光的特性相同，且所述的漫反射靶上开设有小孔，在漫反射靶反射面的背侧，对应于小孔的位置设置有能量/功率探头，用于接收透射过漫反射靶的激光光束并对其进行测量，然后将测量数据发送给数据采集和处理装置；CCD成像模块设置在漫反射靶的反射光区之中，用于对漫反射靶的漫反射光成像，并将成像的数据送到数据采集和处理装置；数据采集和处理装置接收能量/功率探头和CCD成像模块送来的数据，并对该数据进行处理，得到被测激光的能量/功率。
所述漫反射靶由在基底上设置漫反射层构成，所述的漫反射层由颗粒性材料制成，设置在基底的一侧表面；当入射光照射在基底表面的漫反射层时，在光源的同侧形成与入射光特性相同的漫反射光区。
所述漫反射靶上开设的小孔为一个或一个以上，所述的一个或一个以上的小孔的总面积不大于被测激光光束在漫反射靶上形成的光斑总面积的1％。
所述的能量/功率探头包括激光能量/功率传感器和信号处理电路，所述的能量/功率传感器接设在漫反射靶反射面异侧的小孔位置，并将小孔覆盖，能量/功率传感器的信号端与信号处理电路的输入端连接，信号处理电路的输出端通过数据线与数据采集和处理装置的信号接口连接。
所述的CCD成像模块包括成像镜头和面阵CCD摄像机，成像镜头安装在面阵CCD摄像机的前面上，在成像镜头前依次安装有衰减器组、滤光片，滤光片接收漫反射光，经过滤光片的漫反射光依次经过衰减器组、成像镜头，进入面阵CCD摄像机，面阵CCD摄像机对该漫反射光成像，并把成像的数据输出给数据采集和处理装置。
所述CCD成像模块与漫反射靶的距离为使面阵CCD摄像机工作在线性区的距离。
一种远场激光能量/功率的测量方法，基于上述的远场激光能量/功量测量系统对激光进行测量，包括如下步骤
步骤100通过CCD成像模块获得被测激光光束的特性数据并发送给数据采集和处理装置；步骤200通过能量/功率探头获得通过小孔的激光能量数据并发送给数据采集和处理装置；步骤300数据采集和处理装置接收能量/功率探头和CCD成像模块发送来的数据并处理，得到被测激光的能量。
所述步骤100中的通过CCD成像模块获得被测激光光束的特性数据的过程为被测激光光源发出光束入射到漫反射靶上；漫反射靶反射被测激光光束，产生漫反射光，形成漫反射光区；CCD成像模块设置在漫反射光区，接收漫射靶的漫反射光并成像，然后将成像的数据输出到数据采集和处理装置。
所述步骤300中数据采集和处理装置对能量/功率探头和CCD成像模块发送来的数据的处理包括如下步骤步骤310将能量/功率探头发送来的数据转换成激光能量E0；步骤320根据小孔的面积，求出通过小孔的激光能量密度E0/S0；其中，S0为小孔的面积；步骤330求出小孔处的灰度值I0；步骤340求出一个像素、单位灰度对应的激光能量(E0S1)/(S0I0)；其中，S1为单位象素对应的靶面积；步骤350对CCD成像模块中的成像数据的单位象素的灰度值做数值积分，得出整个激光光斑的灰度值∑∑Iij；其中，Iij为第i行第j列象素的灰度值。
步骤360根据公式E＝(E0S1)∑∑Iij/(S0I0)得出激光光斑的总能量E。
所述步骤310中的通过小孔的激光能量E0是通过如下关系转换的E0＝K*U其中，K为修正系数；U为能量探头的输出电压。
在系统调试时，先在能量探头的位置放置标准能量计测量得到通过小孔的实际能量，再用能量探头测量同一能量，得到输出电压值。将标准能量计读数除以能量探头的输出电压得到修正系数K。以后能量探头的输出电压乘修正系数就完成了从能量探头数据到激光能量的转换，得到E0。
所述步骤330中小孔处的灰度值I0的求法为I0＝(∑Ii)/k其中，Ii为小孔周围的灰度值为I1、I2、…Ik，这里的I1、I2、…Ik是CCD摄象机相应单元输出的灰度值。
综上所述，本发明基于应用漫反射靶的激光光束诊断系统测得激光光束的特性数据，通过接设在漫反射靶上小孔后的能量/功率探头获得小孔处的能量密度，结合特性数据，进行计算得到远场激光的能量/功率；本发明测量准确，不受激光能量/功率探头口径大小的限制，尤其适合远场、大能量的激光能量的测量。
图1为本发明提供的远场激光能量/功率的测量系统结构原理图；图2为本发明提供的远场激光能量/功率的测量方法流程图。
具体实施例方式
以下结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
参见图1，为本发明提供的远场激光能量/功率的测量系统结构原理图。本发明包括具有朗伯特性的漫反射靶1、能量/功率探头2、CCD成像模块3、数据采集和处理装置4，漫反射靶1对被测激光的光束A进行漫反射，CCD成像模块3接收漫反射靶1的漫反射光，成像，并将成像的数据送到数据采集和处理装置4；在所述的漫反射靶1上开设有小孔11，在漫反射靶1反射面的背侧，对应小孔11的位置接设有能量/功率探头2，能量/功率探头2的数据端通过数据线将接收到的测激光光束的能量数据送到数据采集和处理装置4，数据采集和处理装置4接收能量/功率探头2和CCD成像模块3送来的数据，并对接收到的数据进行处理得到被测激光的能量/功率。
其中，漫反射靶1包括由不透明的基底12和漫反射层13组成，漫反射层13设置在不透明的基底12上，所述的漫反射层11由颗粒性材料制成，所述颗粒的直径与入射激光的波长同一数量级；当入射光照射在基底12表面的漫反射层13时，在光源的同侧形成与入射光特性相同的漫反射光区。
漫反射靶1上开设的小孔11可以为一个，也可以为一个以上，但对于靶面来说，小孔是一种缺陷，在计算时，利用小孔周围的灰度平均得到小孔处的灰度，如果小孔面积太大，这种[平均的误差会很大，所以小孔的总面积不大于被测激光光束在漫反射靶1上形成的光斑总面积的1％。
本发明采用能量/功率探头2检测从小孔处漏过的激光的能量，能量/功率探头2包括激光能量/功率传感器21和信号处理电路22，激光能量/功率传感器21接设在漫反射靶1反射面异侧的小孔11的位置，并将小孔11覆盖，能量/功率传感器21的信号端与信号处理电路22的输入端连接，信号处理电路22的输出端通过数据线与数据采集和处理装置4的信号接口连接。
从漫反射靶1上小孔11处漏过的被测激光进入能量/功率探头2，能量/功率探头2中的激光能量/功率传感器21将激光的光信号转换为电信号送入与其连接的信号处理电路22，将该信号处理成电压信号，通过数据线将该电压信号送入数据采集和处理装置4中的计算机42。
在本发明中，CCD成像模块3放置在被测激光光束的反射光区中，其包括成像镜头33和面阵CCD摄像机34，成像镜头33安装在面阵CCD摄像机34的前面，在成像镜头33前依次安装有衰减器组32、滤光片31，滤光片31接收被测激光光束的漫反射光，该漫反射光依次经过衰减器组32、成像镜头33，进入面阵CCD摄像机34，面阵CCD摄像机34对该漫反射光成像，并把成像的信号输出给数据采集和处理装置4。
数据采集和处理装置4包括采集卡41和计算机42，在计算机42中安装有处理软件421，采集卡41将面阵CCD摄像机34发送来的数据处理成计算机42可以接收的数据后发送给计算机42，计算机42中的处理软件421对该数据进行分析、判断、计算，得到被测激光光束的特性数据。
计算机42分别接收从能量/功率探头2传送来的数据和从CCD成像模块传送来的数据，计算机42中安装的处理软件421对这些数据进行分析、判断、计算，得出被测激光的能量/功率。
本发明提供的一种远场激光能量/功率的测量方法，其流程如图2所示包括如下的步骤步骤10通过CCD成像模块获得被测激光光束的特性数据并发送给数据采集和处理装置；步骤20通过能量/功率探头获得通过小孔的激光能量数据并发送给数据采集和处理装置；步骤30数据采集和处理装置接收能量/功率探头和CCD成像模块发送来的数据并处理，得到被测激光的能量。
所述步骤10中的通过CCD成像模块获得被测激光光束的特性数据的过程为被测激光光源发出光束入射到漫反射靶上；漫反射靶反射被测激光光束，产生漫反射光，形成漫反射光区；CCD成像模块设置在漫反射光区，接收漫射靶的漫反射光并成像，然后将成像的数据输出到数据采集和处理装置。
所述步骤30中数据采集和处理装置对能量/功率探头和CCD成像模块发送来的数据的处理包括如下步骤步骤310将能量/功率探头发送来的数据转换成激光能量E0；步骤320根据小孔的面积，求出通过小孔的激光能量密度E0/S0；
其中，S0为小孔的面积；步骤330求出小孔处的灰度值I0；步骤340求出一个像素、单位灰度对应的激光能量(E0S1)/(S0I0)；其中，S1为单位象素对应的靶面积；步骤350对CCD成像模块中的成像数据的单位象素的灰度值做数值积分，得出整个激光光斑的灰度值ΣΣIij；其中，Iij为第i行第j列象素的灰度值。
步骤360根据公式E＝(E0S1)ΣΣIij/(S0I0)得出激光光斑的总能量E。
其中，所述步骤310中的通过小孔的激光能量E0是通过如下关系转换的E0＝K*U其中，K为修正系数；U为能量探头的输出电压。
在系统调试时，先在能量探头的位置放置标准能量计测量得到通过小孔的实际能量，再用能量探头测量同一能量，得到输出电压值。将标准能量计读数除以能量探头的输出电压得到修正系数K。以后能量探头的输出电压乘修正系数就完成了从能量探头数据到激光能量的转换，得到E0。
所述步骤330中小孔处的灰度值I0的求法为I0＝(∑Ii)/k其中，Ii为小孔周围的灰度值为I1、I2、…Ik。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种远场激光能量/功率的测量系统，其特征在于包括具有朗伯特性的漫反射靶、CCD成像模块、数据采集和处理装置，其中漫反射靶用于对被测激光的光束进行漫反射，使其产生的漫反射光的特性与入射光的特性相同，且所述的漫反射靶上开设有小孔，在漫反射靶反射面的背侧，对应于小孔的位置设置有能量/功率探头，能量/功率探头用于接收透过漫反射靶的激光光束并对其进行测量，然后将测量数据发送给数据采集和处理装置；CCD成像模块设置在漫反射靶的反射光区之中，通过数据线与数据采集和处理装置相连接，用于对漫反射靶的漫反射光成像，并将成像的数据送到数据采集和处理装置；数据采集和处理装置接收能量/功率探头和CCD成像模块送来的数据，并对该数据进行处理，得到被测激光的能量/功率。
2.根据权利要求1所述的远场激光能量/功率的测量系统，其特征在于所述漫反射靶包括基底和漫反射层，漫反射层设置在基底的一侧表面，所述的漫反射层由颗粒性材料制成，所述颗粒的直径与入射光的波长同数量级；当入射光照射在基底表面的漫反射层时，在光源的同侧形成与入射光特性相同的漫反射光区。
3.根据权利要求1或2所述的远场激光能量/功率的测量系统，其特征在于所述漫反射靶上开设的小孔为一个或一个以上。
4.根据权利要求1所述的远场激光能量/功率的测量系统，其特征在于所述漫反射靶上开设的小孔的总面积不大于被测激光光束在漫反射靶上形成的光斑总面积的1％。
5.根据权利要求1所述的远场激光能量/功率的测量系统，其特征在于所述的能量/功率探头包括激光能量/功率传感器和信号处理电路，所述的能量/功率传感器设置在漫反射靶反射面背侧的小孔位置，并将小孔覆盖，能量/功率传感器的信号端与信号处理电路的输入端连接，信号处理电路的输出端通过数据线与数据采集和处理装置的信号接口连接，用于将测量的数据发送给数据采集和处理装置。
6.根据权利要求1所述的远场激光能量/功率的测量系统，其特征在于所述的CCD成像模块包括成像镜头和面阵CCD摄像机，成像镜头安装在面阵CCD摄像机的前面，在成像镜头前依次安装有衰减器组、滤光片，滤光片接收漫反射光，经过滤光片的漫反射光依次经过衰减器组、成像镜头，进入面阵CCD摄像机，面阵CCD摄像机对该漫反射光成像，并把成像的数据输出给数据采集和处理装置。
7.根据权利要求6所述的远场激光能量/功率的测量系统，其特征在于所述的CCD成像模块与漫反射靶的距离为使面阵CCD摄像机工作在线性区的距离。
8.根据权利要求1所述的远场激光能量/功率的测量系统，其特征在于所述的数据采集和处理装置包括图像采集卡和安装有处理软件的计算机，采集卡接收CCD成像模块的输出信号，并将该信号处理成计算机可以接收的数据发送给计算机，计算机接收采集卡和能量/功率探头送来的数据，其上的处理软件对该数据信号进行判断、分析、计算，得出被测光束的特性数据。
9.一种远场激光能量/功率测量方法，其特征在于基于权利要求1-8任一所述的远场激光能量/功率测量系统对激光进行测量，包括如下步骤步骤100CCD成像模块获得被测激光光束的特性数据，并将此数据发送给数据采集和处理装置；步骤200能量/功率探头测得通过小孔的激光能量数据并发送给数据采集和处理装置；步骤300数据采集和处理装置接收能量/功率探头和CCD成像模块发送来的数据并处理，得到被测激光的能量。
10.根据权利要求9所述的远场激光能量/功率的测量方法，其特征在于所述步骤100中的CCD成像模块包括成像镜头和面阵CCD摄像机，成像镜头安装在面阵CCD摄像机的前面，在成像镜头前依次安装有衰减器组、滤光片，滤光片接收漫反射光，经过滤光片的漫反射光依次经过衰减器组、成像镜头，进入面阵CCD摄像机，面阵CCD摄像机对该漫反射光成像，并把成像的数据输出给数据采集和处理装置。
11.根据权利要求10所述的远场激光能量/功率的测量方法，其特征在于所述步骤100中还包括调整所述CCD成像模块与漫反射靶的距离，使面阵CCD摄像机工作在线性区。
12.根据权利要求9所述的远场激光能量/功率的测量方法，其特征在于所述步骤300中数据采集和处理装置对能量/功率探头和CCD成像模块发送来的数据的处理包括如下步骤步骤310将能量/功率探头发送来的数据转换成激光能量E0；步骤320求出通过小孔的激光能量密度E0/S0；其中，S0为小孔的面积；步骤330求出小孔处的灰度值I0；步骤340求出一个像素、单位灰度对应的激光能量(E0S1)/(S0I0)；其中，S1为单位象素对应的靶面积；步骤350对CCD成像模块中的成像数据的单位象素的灰度值做数值积分，得出整个激光光斑的灰度值∑∑Iij；其中，Iij为第i行第j列象素的灰度值。步骤360根据公式E＝(E0S1)∑∑Iij/(S0I0)得出激光光斑的总能量E。
13.根据权利要求12所述的远场激光能量/功率的测量方法，其特征在于所述步骤310中的通过小孔的激光能量E0是通过如下关系转换的E0＝K*U其中，K为修正系数；U为信号处理电路的输出电压。
14.根据权利要求12所述的远场激光能量/功率的测量方法，其特征在于所述步骤330中小孔处的灰度值I0的求法为I0＝(∑Ii)/k其中，Ii为小孔周围的灰度值为I1、I2、...Ik。
全文摘要
本发明公开了一种远场激光能量/功率的测量系统，包括具有朗伯特性的漫反射靶、CCD成像模块、数据采集和处理装置，漫反射靶上开设有一个或一个以上的小孔，在漫反射靶反射面的异侧，对应小孔的位置接设有能量/功率探头；其测量方法为数据采集和处理装置接收能量/功率探头和CCD成像模块送来的数据，进行处理，得到小孔处能量密度、灰度值，进而得到一个像素、单位灰度对应的激光能量，再求出漫反射靶上激光光斑的总灰度值，得到被测激光的能量/功率。本发明测量准确，不受激光能量/功率探头口径大小的限制，尤其适合远场、大能量的激光能量的测量。
文档编号G01J1/00GK1621787SQ20031011529
公开日2005年6月1日 申请日期2003年11月27日 优先权日2003年11月27日
发明者陆耀东, 王昊, 史红民 申请人:北京光电技术研究所