專利名稱：一種遠場激光能量/功率的測量系統及其測量方法
技術領域：
本發明涉及一種遠場激光能量/功率的測量系統及其測量方法，尤其是一種基于漫射成像的激光光束診斷的遠場激光能量/功率的測量系統及其測量方法，屬于信息科學技術領域。
背景技術：
傳統的功率/能量測量裝置是將激光直接照射到激光功率/能量傳感器上，得到與被測量成線性關系的電壓信號，對此信號進行處理和標定后直接顯示功率/能量值。所以，傳統的激光能量/功率測量裝置必須在近場用激光能量/功率探頭全口徑接收被測激光才能測量。受器件的限制，這種原理的激光能量/功率測量裝置一般口徑較小(直徑≤200mm)。因此，其應用受到限制，無法對發射遠場的直徑數百毫米的大口徑激光的能量/功率進行測量。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提出一種遠場激光能量/功率的測量系統，基于漫射成像的激光光束診斷裝置，不受激光能量/功率測量裝置的口徑大小限制，可以測量直徑在數百毫米的大口徑激光的能量/功率。
本發明的另一目的在于針對現有技術的不足，提出一種遠場激光能量/功率的測量方法，用于測量直徑在數百毫米的大口徑激光的能量/功率。
本發明的目的是通過如下的技術方案實現的一種遠場激光能量/功率的測量系統，包括具有朗伯特性的漫反射靶、CCD成像模塊、數據采集和處理裝置，其中漫反射靶用于對被測激光的光束進行漫反射，使其產生的漫反射光的特性與入射光的特性相同，且所述的漫反射靶上開設有小孔，在漫反射靶反射面的背側，對應于小孔的位置設置有能量/功率探頭，用于接收透射過漫反射靶的激光光束并對其進行測量，然后將測量數據發送給數據采集和處理裝置；CCD成像模塊設置在漫反射靶的反射光區之中，用于對漫反射靶的漫反射光成像，并將成像的數據送到數據采集和處理裝置；數據采集和處理裝置接收能量/功率探頭和CCD成像模塊送來的數據，并對該數據進行處理，得到被測激光的能量/功率。
所述漫反射靶由在基底上設置漫反射層構成，所述的漫反射層由顆粒性材料制成，設置在基底的一側表面；當入射光照射在基底表面的漫反射層時，在光源的同側形成與入射光特性相同的漫反射光區。
所述漫反射靶上開設的小孔為一個或一個以上，所述的一個或一個以上的小孔的總面積不大于被測激光光束在漫反射靶上形成的光斑總面積的1％。
所述的能量/功率探頭包括激光能量/功率傳感器和信號處理電路，所述的能量/功率傳感器接設在漫反射靶反射面異側的小孔位置，并將小孔覆蓋，能量/功率傳感器的信號端與信號處理電路的輸入端連接，信號處理電路的輸出端通過數據線與數據采集和處理裝置的信號接口連接。
所述的CCD成像模塊包括成像鏡頭和面陣CCD攝像機，成像鏡頭安裝在面陣CCD攝像機的前面上，在成像鏡頭前依次安裝有衰減器組、濾光片，濾光片接收漫反射光，經過濾光片的漫反射光依次經過衰減器組、成像鏡頭，進入面陣CCD攝像機，面陣CCD攝像機對該漫反射光成像，并把成像的數據輸出給數據采集和處理裝置。
所述CCD成像模塊與漫反射靶的距離為使面陣CCD攝像機工作在線性區的距離。
一種遠場激光能量/功率的測量方法，基于上述的遠場激光能量/功量測量系統對激光進行測量，包括如下步驟
步驟100通過CCD成像模塊獲得被測激光光束的特性數據并發送給數據采集和處理裝置；步驟200通過能量/功率探頭獲得通過小孔的激光能量數據并發送給數據采集和處理裝置；步驟300數據采集和處理裝置接收能量/功率探頭和CCD成像模塊發送來的數據并處理，得到被測激光的能量。
所述步驟100中的通過CCD成像模塊獲得被測激光光束的特性數據的過程為被測激光光源發出光束入射到漫反射靶上；漫反射靶反射被測激光光束，產生漫反射光，形成漫反射光區；CCD成像模塊設置在漫反射光區，接收漫射靶的漫反射光并成像，然后將成像的數據輸出到數據采集和處理裝置。
所述步驟300中數據采集和處理裝置對能量/功率探頭和CCD成像模塊發送來的數據的處理包括如下步驟步驟310將能量/功率探頭發送來的數據轉換成激光能量E0；步驟320根據小孔的面積，求出通過小孔的激光能量密度E0/S0；其中，S0為小孔的面積；步驟330求出小孔處的灰度值I0；步驟340求出一個像素、單位灰度對應的激光能量(E0S1)/(S0I0)；其中，S1為單位象素對應的靶面積；步驟350對CCD成像模塊中的成像數據的單位象素的灰度值做數值積分，得出整個激光光斑的灰度值∑∑Iij；其中，Iij為第i行第j列象素的灰度值。
步驟360根據公式E＝(E0S1)∑∑Iij/(S0I0)得出激光光斑的總能量E。
所述步驟310中的通過小孔的激光能量E0是通過如下關系轉換的E0＝K*U其中，K為修正系數；U為能量探頭的輸出電壓。
在系統調試時，先在能量探頭的位置放置標準能量計測量得到通過小孔的實際能量，再用能量探頭測量同一能量，得到輸出電壓值。將標準能量計讀數除以能量探頭的輸出電壓得到修正系數K。以后能量探頭的輸出電壓乘修正系數就完成了從能量探頭數據到激光能量的轉換，得到E0。
所述步驟330中小孔處的灰度值I0的求法為I0＝(∑Ii)/k其中，Ii為小孔周圍的灰度值為I1、I2、…Ik，這里的I1、I2、…Ik是CCD攝象機相應單元輸出的灰度值。
綜上所述，本發明基于應用漫反射靶的激光光束診斷系統測得激光光束的特性數據，通過接設在漫反射靶上小孔后的能量/功率探頭獲得小孔處的能量密度，結合特性數據，進行計算得到遠場激光的能量/功率；本發明測量準確，不受激光能量/功率探頭口徑大小的限制，尤其適合遠場、大能量的激光能量的測量。
圖1為本發明提供的遠場激光能量/功率的測量系統結構原理圖；圖2為本發明提供的遠場激光能量/功率的測量方法流程圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和具體的實施例對本發明的技術方案進行詳細說明。
參見圖1，為本發明提供的遠場激光能量/功率的測量系統結構原理圖。本發明包括具有朗伯特性的漫反射靶1、能量/功率探頭2、CCD成像模塊3、數據采集和處理裝置4，漫反射靶1對被測激光的光束A進行漫反射，CCD成像模塊3接收漫反射靶1的漫反射光，成像，并將成像的數據送到數據采集和處理裝置4；在所述的漫反射靶1上開設有小孔11，在漫反射靶1反射面的背側，對應小孔11的位置接設有能量/功率探頭2，能量/功率探頭2的數據端通過數據線將接收到的測激光光束的能量數據送到數據采集和處理裝置4，數據采集和處理裝置4接收能量/功率探頭2和CCD成像模塊3送來的數據，并對接收到的數據進行處理得到被測激光的能量/功率。
其中，漫反射靶1包括由不透明的基底12和漫反射層13組成，漫反射層13設置在不透明的基底12上，所述的漫反射層11由顆粒性材料制成，所述顆粒的直徑與入射激光的波長同一數量級；當入射光照射在基底12表面的漫反射層13時，在光源的同側形成與入射光特性相同的漫反射光區。
漫反射靶1上開設的小孔11可以為一個，也可以為一個以上，但對于靶面來說，小孔是一種缺陷，在計算時，利用小孔周圍的灰度平均得到小孔處的灰度，如果小孔面積太大，這種[平均的誤差會很大，所以小孔的總面積不大于被測激光光束在漫反射靶1上形成的光斑總面積的1％。
本發明采用能量/功率探頭2檢測從小孔處漏過的激光的能量，能量/功率探頭2包括激光能量/功率傳感器21和信號處理電路22，激光能量/功率傳感器21接設在漫反射靶1反射面異側的小孔11的位置，并將小孔11覆蓋，能量/功率傳感器21的信號端與信號處理電路22的輸入端連接，信號處理電路22的輸出端通過數據線與數據采集和處理裝置4的信號接口連接。
從漫反射靶1上小孔11處漏過的被測激光進入能量/功率探頭2，能量/功率探頭2中的激光能量/功率傳感器21將激光的光信號轉換為電信號送入與其連接的信號處理電路22，將該信號處理成電壓信號，通過數據線將該電壓信號送入數據采集和處理裝置4中的計算機42。
在本發明中，CCD成像模塊3放置在被測激光光束的反射光區中，其包括成像鏡頭33和面陣CCD攝像機34，成像鏡頭33安裝在面陣CCD攝像機34的前面，在成像鏡頭33前依次安裝有衰減器組32、濾光片31，濾光片31接收被測激光光束的漫反射光，該漫反射光依次經過衰減器組32、成像鏡頭33，進入面陣CCD攝像機34，面陣CCD攝像機34對該漫反射光成像，并把成像的信號輸出給數據采集和處理裝置4。
數據采集和處理裝置4包括采集卡41和計算機42，在計算機42中安裝有處理軟件421，采集卡41將面陣CCD攝像機34發送來的數據處理成計算機42可以接收的數據后發送給計算機42，計算機42中的處理軟件421對該數據進行分析、判斷、計算，得到被測激光光束的特性數據。
計算機42分別接收從能量/功率探頭2傳送來的數據和從CCD成像模塊傳送來的數據，計算機42中安裝的處理軟件421對這些數據進行分析、判斷、計算，得出被測激光的能量/功率。
本發明提供的一種遠場激光能量/功率的測量方法，其流程如圖2所示包括如下的步驟步驟10通過CCD成像模塊獲得被測激光光束的特性數據并發送給數據采集和處理裝置；步驟20通過能量/功率探頭獲得通過小孔的激光能量數據并發送給數據采集和處理裝置；步驟30數據采集和處理裝置接收能量/功率探頭和CCD成像模塊發送來的數據并處理，得到被測激光的能量。
所述步驟10中的通過CCD成像模塊獲得被測激光光束的特性數據的過程為被測激光光源發出光束入射到漫反射靶上；漫反射靶反射被測激光光束，產生漫反射光，形成漫反射光區；CCD成像模塊設置在漫反射光區，接收漫射靶的漫反射光并成像，然后將成像的數據輸出到數據采集和處理裝置。
所述步驟30中數據采集和處理裝置對能量/功率探頭和CCD成像模塊發送來的數據的處理包括如下步驟步驟310將能量/功率探頭發送來的數據轉換成激光能量E0；步驟320根據小孔的面積，求出通過小孔的激光能量密度E0/S0；
其中，S0為小孔的面積；步驟330求出小孔處的灰度值I0；步驟340求出一個像素、單位灰度對應的激光能量(E0S1)/(S0I0)；其中，S1為單位象素對應的靶面積；步驟350對CCD成像模塊中的成像數據的單位象素的灰度值做數值積分，得出整個激光光斑的灰度值ΣΣIij；其中，Iij為第i行第j列象素的灰度值。
步驟360根據公式E＝(E0S1)ΣΣIij/(S0I0)得出激光光斑的總能量E。
其中，所述步驟310中的通過小孔的激光能量E0是通過如下關系轉換的E0＝K*U其中，K為修正系數；U為能量探頭的輸出電壓。
在系統調試時，先在能量探頭的位置放置標準能量計測量得到通過小孔的實際能量，再用能量探頭測量同一能量，得到輸出電壓值。將標準能量計讀數除以能量探頭的輸出電壓得到修正系數K。以后能量探頭的輸出電壓乘修正系數就完成了從能量探頭數據到激光能量的轉換，得到E0。
所述步驟330中小孔處的灰度值I0的求法為I0＝(∑Ii)/k其中，Ii為小孔周圍的灰度值為I1、I2、…Ik。
最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種遠場激光能量/功率的測量系統，其特征在于包括具有朗伯特性的漫反射靶、CCD成像模塊、數據采集和處理裝置，其中漫反射靶用于對被測激光的光束進行漫反射，使其產生的漫反射光的特性與入射光的特性相同，且所述的漫反射靶上開設有小孔，在漫反射靶反射面的背側，對應于小孔的位置設置有能量/功率探頭，能量/功率探頭用于接收透過漫反射靶的激光光束并對其進行測量，然后將測量數據發送給數據采集和處理裝置；CCD成像模塊設置在漫反射靶的反射光區之中，通過數據線與數據采集和處理裝置相連接，用于對漫反射靶的漫反射光成像，并將成像的數據送到數據采集和處理裝置；數據采集和處理裝置接收能量/功率探頭和CCD成像模塊送來的數據，并對該數據進行處理，得到被測激光的能量/功率。
2.根據權利要求1所述的遠場激光能量/功率的測量系統，其特征在于所述漫反射靶包括基底和漫反射層，漫反射層設置在基底的一側表面，所述的漫反射層由顆粒性材料制成，所述顆粒的直徑與入射光的波長同數量級；當入射光照射在基底表面的漫反射層時，在光源的同側形成與入射光特性相同的漫反射光區。
3.根據權利要求1或2所述的遠場激光能量/功率的測量系統，其特征在于所述漫反射靶上開設的小孔為一個或一個以上。
4.根據權利要求1所述的遠場激光能量/功率的測量系統，其特征在于所述漫反射靶上開設的小孔的總面積不大于被測激光光束在漫反射靶上形成的光斑總面積的1％。
5.根據權利要求1所述的遠場激光能量/功率的測量系統，其特征在于所述的能量/功率探頭包括激光能量/功率傳感器和信號處理電路，所述的能量/功率傳感器設置在漫反射靶反射面背側的小孔位置，并將小孔覆蓋，能量/功率傳感器的信號端與信號處理電路的輸入端連接，信號處理電路的輸出端通過數據線與數據采集和處理裝置的信號接口連接，用于將測量的數據發送給數據采集和處理裝置。
6.根據權利要求1所述的遠場激光能量/功率的測量系統，其特征在于所述的CCD成像模塊包括成像鏡頭和面陣CCD攝像機，成像鏡頭安裝在面陣CCD攝像機的前面，在成像鏡頭前依次安裝有衰減器組、濾光片，濾光片接收漫反射光，經過濾光片的漫反射光依次經過衰減器組、成像鏡頭，進入面陣CCD攝像機，面陣CCD攝像機對該漫反射光成像，并把成像的數據輸出給數據采集和處理裝置。
7.根據權利要求6所述的遠場激光能量/功率的測量系統，其特征在于所述的CCD成像模塊與漫反射靶的距離為使面陣CCD攝像機工作在線性區的距離。
8.根據權利要求1所述的遠場激光能量/功率的測量系統，其特征在于所述的數據采集和處理裝置包括圖像采集卡和安裝有處理軟件的計算機，采集卡接收CCD成像模塊的輸出信號，并將該信號處理成計算機可以接收的數據發送給計算機，計算機接收采集卡和能量/功率探頭送來的數據，其上的處理軟件對該數據信號進行判斷、分析、計算，得出被測光束的特性數據。
9.一種遠場激光能量/功率測量方法，其特征在于基于權利要求1-8任一所述的遠場激光能量/功率測量系統對激光進行測量，包括如下步驟步驟100CCD成像模塊獲得被測激光光束的特性數據，并將此數據發送給數據采集和處理裝置；步驟200能量/功率探頭測得通過小孔的激光能量數據并發送給數據采集和處理裝置；步驟300數據采集和處理裝置接收能量/功率探頭和CCD成像模塊發送來的數據并處理，得到被測激光的能量。
10.根據權利要求9所述的遠場激光能量/功率的測量方法，其特征在于所述步驟100中的CCD成像模塊包括成像鏡頭和面陣CCD攝像機，成像鏡頭安裝在面陣CCD攝像機的前面，在成像鏡頭前依次安裝有衰減器組、濾光片，濾光片接收漫反射光，經過濾光片的漫反射光依次經過衰減器組、成像鏡頭，進入面陣CCD攝像機，面陣CCD攝像機對該漫反射光成像，并把成像的數據輸出給數據采集和處理裝置。
11.根據權利要求10所述的遠場激光能量/功率的測量方法，其特征在于所述步驟100中還包括調整所述CCD成像模塊與漫反射靶的距離，使面陣CCD攝像機工作在線性區。
12.根據權利要求9所述的遠場激光能量/功率的測量方法，其特征在于所述步驟300中數據采集和處理裝置對能量/功率探頭和CCD成像模塊發送來的數據的處理包括如下步驟步驟310將能量/功率探頭發送來的數據轉換成激光能量E0；步驟320求出通過小孔的激光能量密度E0/S0；其中，S0為小孔的面積；步驟330求出小孔處的灰度值I0；步驟340求出一個像素、單位灰度對應的激光能量(E0S1)/(S0I0)；其中，S1為單位象素對應的靶面積；步驟350對CCD成像模塊中的成像數據的單位象素的灰度值做數值積分，得出整個激光光斑的灰度值∑∑Iij；其中，Iij為第i行第j列象素的灰度值。步驟360根據公式E＝(E0S1)∑∑Iij/(S0I0)得出激光光斑的總能量E。
13.根據權利要求12所述的遠場激光能量/功率的測量方法，其特征在于所述步驟310中的通過小孔的激光能量E0是通過如下關系轉換的E0＝K*U其中，K為修正系數；U為信號處理電路的輸出電壓。
14.根據權利要求12所述的遠場激光能量/功率的測量方法，其特征在于所述步驟330中小孔處的灰度值I0的求法為I0＝(∑Ii)/k其中，Ii為小孔周圍的灰度值為I1、I2、...Ik。
全文摘要
本發明公開了一種遠場激光能量/功率的測量系統，包括具有朗伯特性的漫反射靶、CCD成像模塊、數據采集和處理裝置，漫反射靶上開設有一個或一個以上的小孔，在漫反射靶反射面的異側，對應小孔的位置接設有能量/功率探頭；其測量方法為數據采集和處理裝置接收能量/功率探頭和CCD成像模塊送來的數據，進行處理，得到小孔處能量密度、灰度值，進而得到一個像素、單位灰度對應的激光能量，再求出漫反射靶上激光光斑的總灰度值，得到被測激光的能量/功率。本發明測量準確，不受激光能量/功率探頭口徑大小的限制，尤其適合遠場、大能量的激光能量的測量。
文檔編號G01J1/00GK1621787SQ20031011529
公開日2005年6月1日 申請日期2003年11月27日 優先權日2003年11月27日
發明者陸耀東, 王昊, 史紅民 申請人:北京光電技術研究所