本发明涉及双数字相机的测量领域，特别是涉及一种双数字相机的激光光束质量全参数测量装置及方法。
背景技术
随着激光技术的不断发展，对激光光束质量参数的定量、快速和综合评价提出了更高的要求。目前，低重复频率和波动性激光是测量领域的难题，对于低重复频率和波动性激光测量的常规手段是采用夏克-哈特曼波前传感器，但是，受夏克-哈特曼波前传感器微透镜阵列的限制，测量的激光强度和位相空间采样率低、动态范围小。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种能够提高激光强度和位相空间采样率以及动态范围的双数字相机的激光光束质量全参数测量装置及方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种双数字相机的激光光束质量全参数测量装置，所述测量装置包括：激光发射器、遮光板、适配光学系统、衰减片、双数字相机全参数测量设备、计算机；
将所述激光发射器、所述适配光学系统、所述衰减片、所述双数字相机全参数测量设备设置在同一水平线上，所述激光发射器、所述适配光学系统、所述衰减片、所述双数字相机全参数测量设备的中心在同一光轴上。
可选的，所述双数字相机全参数测量设备包括：平凸透镜、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一相机、第二相机、光电探头、信号处理器、外触发接口、第一数据接口、第二数据接口、网口、适配电源；
所述激光发射器发射的激光经过所述平凸透镜、所述第一分光棱镜和所述第二分光棱镜到达所述第一相机和所述第二相机的中心；
所述第一相机在所述平凸透镜的焦点前方的离焦面上，和所述第二相机在所述平凸透镜的焦点后方的离焦面上，实现了所述第一相机和所述第二相机的离焦量的大小一致；
所述光电探头设置在所述第一分光棱镜的正下方，实现了经过所述第一分光棱镜的光线进入所述光电探头。
一种双数字相机的激光光束质量全参数测量方法，所述测量方法应用于上述所述的一种双数字相机的激光光束质量全参数测量装置，所述测量方法包括：
设置所述测量装置的工作模式；
将所述遮光板置于所述激光发射器的后面，采集背景，采集n次；
移走所述遮光板使光斑成像在所述相机的正中心，采集光斑图像；
所述第一相机和所述第二相机同步采集光斑图像数据；
建立重构面图像d0的复振幅求解的目标函数；
根据所述目标函数非线性求解所述重构面图像d0的复振幅；
根据所述重构面图像d0的复振幅计算激光光束质量的全参数。
可选的，所述第一相机和所述第二相机同步采集光斑图像数据具体包括：
激光光束通过所述平凸透镜沿光轴z方向传播，分别被所述第一相机和所述第二相机接收；
在z1位置所述第一相机采集第一测量面图像d1的强度数据i1；
在z2位置所述第二相机采集第二测量面图像d2的强度数据i2，且所述第一相机和所述第二相机同步采集图像。
可选的，所述建立重构面图像d0的复振幅求解的目标函数具体包括：
采用极大似然估计的计算方法，建立重构图像中的复振幅求解的模型；
在目标函数的建立过程中引入噪声协方差矩阵ck，
目标函数
z0位置重构面图像d0通过初始化振幅a0和zernike多项式系数α0得到复振幅u0，通过角谱理论正向传播δz的距离拟合出第二测量面图像d′2的复振幅u′2，通过公式(2)计算得到拟合的光强数据i′2，所述重构面图像d0反向传播δz的距离拟合出第一测量面图像d′1的复振幅u′1，通过公式(2)计算得到拟合的光强数据i′1；i′＝|u′|2(2)。
可选的，所述根据所述目标函数非线性求解所述重构面图像d0的复振幅具体包括：
初始化所述重构面图像d0的振幅a0，zernike表达式的系数a0i(i＝0...36)、迭代次数k值、通光孔径nc；
其中，位相用公式(3)所示的zernike表达式表示，所述重构面图像d0的复振幅u0如公式(4)所示，所述复振幅u0通过反向角谱传播δz的距离拟合出第一测量面图像d′1的复振幅u′1，采用公式(2)计算获得所述第一测量面图像d′1的光强数据i′1；
将传播模型拟合出来的光强数据i′1和实际测量光强数据i1做差得到残差值；
正向角谱传播δz的距离拟合出第二测量面图像d′2的复振幅u′2，通过公式(2)计算所述第二测量面图像d′2的光强数据i′2；
将所述光强数据i′2和实际测量光强数据i2做差得到残差值；
根据所述残差值得到目标函数，判断所述目标函数值是否≤ε；
如果不满足，通过非线性优化算法bfgs，通过计算搜索方向和步长确定迭代进行的方向和进行距离，增加迭代次数k＝k+1，经迭代算法重新得到振幅a0k、zernike系数aki(i＝0…36)，通过公式(3)计算得到迭代后的位相
可选的，所述根据所述重构面图像d0的复振幅计算激光光束质量的全参数包括：
所述重构面图像d0位相信息φ0能够直接获得zernike表达式的系数值，同时能够通过公式(5)计算获得位相的pv值：
pv值＝vmax-vmin(5)
通过公式(6)计算获得位相的rms值：
对所述重构面图像d0位相信息φ0计算位相梯度，一张图像的位相数据为一个矩阵，故对位相梯度进行计算分为x水平方向和y垂直方向；x方向的梯度矩阵第一列元素为原矩阵第二列与第一列元素之差，第二列元素为原矩阵第三列与第一列元素之差除以2，以此类推如公式(7)所示，最后一列则为最后两列之差；y方向的梯度矩阵计算方法和位相梯度与x方向一样；
在求解出位相梯度矩阵的基础上通过公式(8)和公式(9)分别计算位相梯度一阶矩和位相梯度二阶矩；
根据重构面d0振幅信息a0，通过公式(2)计算得到光强数据信息，分别通过公式(10)和(11)计算出光强度一阶矩和光强度二阶矩，通过位相梯度一阶矩和光强度一阶矩通过公式(12)计算出混合距；
其中，束腰直径通过公式(13)和(14)计算得到：
束腰位置通过公式(15)和(16)计算得到：
束宽通过公式(17)和(18)计算得到：
束宽积通过公式(19)和(20)计算得到：
bppx＝wx·θx(19)
bppy＝wy·θy(20)
远场发散角通过公式(21)和(22)计算可得：
m2因子通过公式(23)、(24)和(25)计算可得：
k因子通过公式(26)计算可得；这样我们就完成了激光光束质量的全参数的测量；
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种双数字相机的激光光束质量全参数测量装置及方法，基于双数字相机成像的激光光束质量分析仪，结构紧凑，体积小，功能齐全，性能优良，测试动态范围大，抗外界干扰能力强，使用便捷。能够对激光的强度和位相信息进行同时测量；通过单次拍摄就可以对激光全参数的定量测量，无需额外配件或移动元件，实现了一体化设计；而且可以同时适用于连续型和脉冲型激光器的光束质量测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种基于双数字相机的激光光束质量全参数测量仪示意图。
图2是建立重构面图像的复振幅的目标函数的求解模型示意图。
图3是非线性算法求解重构面图像的复振幅的方法流程图。
图4是激光光束质量全参数的计算流程图。
附图说明
101-激光发射器，102-遮光板，103-适配光学系统、104-衰减片、105-双数字相机全参数测量设备，106-电脑，201-平凸透镜，202-第一分光棱镜，203-第二分光棱镜，204-第一相机，205-第二相机，206-光电探头，207-信号处理器，208-外触发接口，209-第一数据接口，210-第二数据接口，211-网口，212-电源；301-透镜，302-第一测量面，303-重构面，304-第二测量面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种能够提高激光强度和位相空间采样率以及动态范围的双数字相机的激光光束质量全参数测量装置及方法。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种双数字相机的激光光束质量全参数测量装置，所述测量装置包括：激光发射器101、遮光板102、适配光学系统103、衰减片104、双数字相机全参数测量设备105、计算机106；
将所述激光发射器101、所述适配光学系统103、所述衰减片104、所述双数字相机全参数测量设备设置105在同一水平线上，所述激光发射器101、所述适配光学系统103、所述衰减片104、所述双数字相机全参数测量设备105的中心在同一光轴上。
如图1所示，所述双数字相机全参数测量设备包括：平凸透镜201、第一分光棱镜202、第二分光棱镜203、第一相机204、第二相机205、光电探头206、信号处理器207、外触发接口208、第一数据接口209、第二数据接口210、网口211、适配电源212；
所述激光发射器101发射的激光经过所述平凸透镜201、所述第一分光棱镜202和所述第二分光棱镜203到达所述第一相机204和所述第二相机205的中心；
所述第一相机204在所述平凸透镜201的焦点前方的离焦面上，所述第二相机205在所述平凸透镜201的焦点后方的离焦面上，实现了所述第一相机204和所述第二相机205的离焦量的大小一致；
所述光电探头206设置在所述第一分光棱镜202的正下方，实现了经过所述第一分光棱镜202的光线进入所述光电探头206。
一种双数字相机的激光光束质量全参数测量方法，所述测量方法应用于所述的一种双数字相机的激光光束质量全参数测量装置，所述测量方法包括：
设置工作模式
连续激光：计算机106可以对传递过来的连续激光通过内触发模式控制相机同步采像，即通过计算机106所编写的程序中的线程同步控制两个相机进行同步采像步骤。
脉冲激光：计算机106也可以对传过来的脉冲激光通过外触发模式控制相机同步采像，所谓外触发是指回波信号是由回波探测器接收，然后经过内部计算分析预测下一个激光脉冲的到达的时刻(一般，只要有两个激光脉冲的回波信号就可以推算出(预测)将要到达下一个激光脉冲到达的时刻，激光脉冲一般是周期出现的)，回波探测器产生同步触发信号，该触发信号触发两个相机同时拍照(这样才能保证拍摄过程相机每张图像一定能拍到光斑)。
计算机106也可以对传过来的脉冲激光通过光接口模式控制相机同步采像，即通过光电探头206将光信号转换为电信号，通过采集到的电信号波峰波谷的变化规律控制相机同步采像。
搭建系统
如图1所示，依次摆放激光器101、适配光学系统103，衰减片104、双数字相机全参数测量设备105在同一直线上，使其垂直水平线放置，且其中心在光轴上，被测激光器发射的激光经过衰减片104和双数字相机全参数测量设备105成像在第一相机204，第二相机205的中心。
根据激光呈现在相机203和205上的光斑大小调整适配光学系统，扩大或缩小光束束宽，来调节光斑大小，使光斑图像不要超过整个图像的三分之二，根据光斑亮暗调整相机曝光时间并同时调整衰减片的大小，选择衰减大小为n1，n2，n3(n1>n2>n3)的衰减片，沿着激光传播方向按照从大到小的顺序加入衰减片104中，使光斑达到不饱和状态，使其灰度值的线性区间范围在0.5-0.9之间。
将所述遮光板置于所述激光发射器的后面，采集背景，采集n次；
移走所述遮光板使光斑成像在所述相机的正中心，采集光斑图像；
所述第一相机和所述第二相机同步采集光斑图像数据；
建立重构面图像d0的复振幅求解的目标函数；
根据所述目标函数非线性求解所述重构面图像d0的复振幅；
根据所述重构面图像d0的复振幅计算激光光束质量的全参数。
如图2所示，所述第一相机和所述第二相机同步采集光斑图像数据具体包括：
激光光束通过所述平凸透镜沿光轴z方向传播，分别被所述第一相机和所述第二相机接收；
在z1位置所述第一相机采集第一测量面图像d1的强度数据i1；
在z2位置所述第二相机采集第二测量面图像d2的强度数据i2，且所述第一相机和所述第二相机同步采集图像。
所述建立重构面图像d0的复振幅求解的目标函数具体包括：
采用极大似然估计的计算方法，建立重构图像中的复振幅求解的模型；
在目标函数的建立过程中引入噪声协方差矩阵ck，
目标函数
z0位置重构面图像d0通过初始化振幅a0和zernike多项式系数α0得到复振幅u0，通过角谱理论正向传播δz的距离拟合出第二测量面图像d′2的复振幅u′2，通过公式(2)计算得到拟合的光强数据i′2，所述重构面图像d0反向传播δz的距离拟合出第一测量面图像d′1的复振幅u′1，通过公式(2)计算得到拟合的光强数据i′1；i′＝|u′|2(2)。
所述根据所述目标函数非线性求解所述重构面图像d0的复振幅具体包括：
初始化所述重构面图像d0的振幅a0，zernike表达式的系数a0i(i＝0...36)、迭代次数k值、通光孔径nc；
其中，位相用公式(3)所示的zernike表达式表示，所述重构面图像d0的复振幅u0如公式(4)所示，所述复振幅u0通过反向角谱传播δz的距离拟合出第一测量面图像d′1的复振幅u′1，采用公式(2)计算获得所述第一测量面图像d′1的光强数据i′1；
将传播模型拟合出来的光强数据i′1和实际测量光强数据i1做差得到残差值；
正向角谱传播δz的距离拟合出第二测量面图像d′2的复振幅u′2，通过公式(2)计算所述第二测量面图像d′2的光强数据i′2；
将所述光强数据i′2和实际测量光强数据i2做差得到残差值；
根据所述残差值得到目标函数，判断所述目标函数值是否≤ε；
如果不满足，通过非线性优化算法bfgs，通过计算搜索方向和步长确定迭代进行的方向和进行距离，增加迭代次数k＝k+1，经迭代算法重新得到振幅a0k、zernike系数aki(i＝0…36)，通过公式(3)计算得到迭代后的位相，将位相输入到重构面的复振幅如公式(4)所示对应的参数中，重新参与重构面d0的波前重构求解模型计算，循环求解模型目标函数的计算过程直到满足条件时，不再继续循环即得到最佳的振幅值a0，zernike系数值aki(i＝0…36)，从而求解出重构面图像d0的复振幅u0；
如图3和图4所示，所述根据所述重构面图像d0的复振幅计算激光光束质量的全参数包括：
所述重构面图像d0位相信息φ0能够直接获得zernike表达式的系数值，同时能够通过公式(5)计算获得位相的pv值：
pv值＝vmax-vmin(5)
通过公式(6)计算获得位相的rms值
对所述重构面图像d0位相信息φ0计算位相梯度，一张图像的位相数据为一个矩阵，故对位相梯度进行计算分为x水平方向和y垂直方向；x方向的梯度矩阵第一列元素为原矩阵第二列与第一列元素之差，第二列元素为原矩阵第三列与第一列元素之差除以2，以此类推如公式(7)所示，最后一列则为最后两列之差；y方向的梯度矩阵计算方法和位相梯度与x方向一样
在求解出位相梯度矩阵的基础上通过公式(8)和公式(9)分别计算位相梯度一阶矩和位相梯度二阶矩；
根据重构面d0振幅信息a0，通过公式(2)计算得到光强数据信息，分别通过公式(10)和(11)计算出光强度一阶矩和光强度二阶矩，通过位相梯度一阶矩和光强度一阶矩通过公式(12)计算出混合距；
其中，束腰直径通过公式(13)和(14)计算得到：
束腰位置通过公式(15)和(16)计算得到：
束宽通过公式(17)和(18)计算得到：
束宽积通过公式(19)和(20)计算得到：
bppx＝wx·θx(19)
bppy＝wy·θy(20)
远场发散角通过公式(21)和(22)计算可得：
m2因子通过公式(23)、(24)和(25)计算可得：
k因子通过公式(26)计算可得；这样我们就完成了激光光束质量的全参数的测量；
本发明区别于现有技术的有益效果：基于双数字相机成像的激光光束质量分析仪，结构紧凑，体积小，功能齐全，性能优良，测试动态范围大，抗外界干扰能力强，使用便捷。能够对激光的强度和位相信息进行同时测量；通过单次拍摄就可以对激光全参数的定量测量，无需额外配件或移动元件，实现了一体化设计；而且可以同时适用于连续型和脉冲型激光器的光束质量测量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。