專利名稱：基于二維細分法的微小光斑強度分布測量方法
技術領域：
本發明涉及一種微小光斑強度分布的測量方法。
背景技術：
光斑強度分布是激光系統的重要參數之一，現有的光斑強度分布測量技術主要可 分為以下幾類刀口掃描法、狹縫掃描法、可變光闌法、CCD攝像法。而在激光加工、材料處 理等許多激光應用領域中，都需要把光束進行聚焦后再進行下一步工作，在這種情況下，由 于光斑尺寸極小或能量分布不均勻，這些方法往往無法對光斑的強度分布進行直接測量。
發明內容
本發明的目的是解決目前無法對能量分布不均勻或者尺寸很小的光斑進行強度 分布測量的問題，提供了一種基于二維細分法的微小光斑強度分布測量方法。基于二維細分法的微小光斑強度分布測量方法，它基于一個光斑測量裝置實現， 所述光斑測量裝置由二維移動架、CCD探測器和數據采集單元組成，所述CCD探測器安裝在 二維移動架上，CCD探測器的電信號輸出端連接數據采集單元的信號輸入端；所述基于二維細分法的微小光斑強度分布測量方法的具體過程如下步驟一、入射光入射到CXD探測器的光敏探測面上，數據采集單元實時監測并顯 示CCD探測器輸出的灰度圖像；調整二維移動架，使得入射光聚焦成的微小光斑完全照射 到CCD探測器的某個光敏像元上，將此時的灰度圖像作為完整光斑產生的灰度圖像保存， 并將此時二維移動架的位置記為Ptl ；在CXD探測器的接收面上建立X-Y坐標系；用D1表示 光敏面元的X向尺寸，D2表示光敏面元的Y向尺寸；步驟二、沿X軸正向調整二維移動架，使入射光光斑從該光敏像元內向外移出，每 次移動的步長為Cltl，且每移動一次記錄下此時二維移動架的位置及此時CCD探測器的灰度 圖像，則當二維移動架的位置與Ptl的距離等于D1-Cltl時，停止移動，并將此時二維移動架的 位置記為P1 ；步驟三、沿Y軸正向調整二維移動架，使CXD探測器的光敏像元沿Y軸正向移動一 個步長dQ，記錄下此時CXD探測器的灰度圖像，并記錄下當前二維移動架的位置P1 ’ ；步驟四、判斷此時二維移動架的位置P/與Ptl的Y向距離是否達到D2-Cltl 若是， 則執行步驟八；否則，執行步驟五；步驟五、沿X軸負向調整二維移動架，每次移動的步長為Cltl，且每移動一次記錄下 此時二維移動架的位置及此時CCD探測器的灰度圖像，當二維移動架的位置與P1的距離等 于D1-Cltl時，停止移動，并將此時二維移動架的位置記為P2 ； 步驟六、沿Y軸正向調整二維移動架，使CXD探測器的光敏像元沿Y軸正向移動一 個步長dQ，記錄下此時CXD探測器的灰度圖像，并記錄下當前二維移動架的位置P2'；
步驟七、判斷此時二維移動架的位置P2'與Ptl的Y向距離是否達到D2-Cltl 若是， 則執行步驟八；否則，返回執行步驟二 ；
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步驟八、根據已記錄的所有位置及各個位置對應的灰度圖像，計算獲得整個光斑 的強度分布。本發明的積極效果本發明的基于二維細分法的微小光斑強度分布測量方法，利用一個光斑測量裝 置，對能量分布不均勻或者尺寸很小的光斑的強度分布進行直接測量，解決了目前無法對 能量分布不均勻或者尺寸很小的光斑進行強度分布測量的問題；本發明的方法簡單、可行， 測量精度可達微米級。
圖1為本發明的光斑測量裝置的結構示意圖；圖2是步驟一中CXD探測器的像元 與光斑位置示意圖；圖3是實施方式五中的實施例中光斑分塊后的示意圖；圖4至圖11是 實施方式五中的實施例中，利用本發明方法對光斑進行掃描時的各狀態示意圖；圖12是 CCD探測器探測到的原始光斑圖像；圖13是獲得的重構光斑圖像；圖14為本發明的基于二 維細分法的微小光斑強度分布測量方法的流程圖。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式的基于二維細分法的微小光斑強度分布測量方法， 它基于一個光斑測量裝置實現，所述光斑測量裝置由二維移動架1、CCD探測器2和數據采 集單元3組成，所述CXD探測器2安裝在二維移動架1上，CXD探測器2的電信號輸出端連 接數據采集單元的信號輸入端；所述基于二維細分法的微小光斑強度分布測量方法的具體過程如下步驟一、入射光入射到CXD探測器2的光敏探測面上，數據采集單元3實時監測并 顯示CXD探測器2輸出的灰度圖像；調整二維移動架1，使得入射光聚焦成的微小光斑完全 照射到CCD探測器2的某個光敏像元上，此時，數據采集單元顯示的灰度圖像為待測的光斑 激活的像元輸出的灰度圖像，將此時的灰度圖像作為完整光斑產生的灰度圖像保存，并將 此時二維移動架1的位置記為Ptl ；在CXD探測器2的接收面上建立X-Y坐標系；用D1表示 光敏面元的X向尺寸，D2表示光敏面元的Y向尺寸；步驟二、沿X軸正向調整二維移動架1，使CXD探測器2被入射光照射到的光敏像 元沿X軸正向移動，同時使入射光光斑從該光敏像元內向外移出，每次移動的步長為Cltl，且 每移動一次記錄下此時二維移動架1的位置及此時CXD探測器2的灰度圖像，則當二維移 動架1的位置與Ptl的距離等于D1-Cltl時，停止移動，并將此時二維移動架1的位置記為P1 ； 其中，所述移動步長等于二維移動架1的最小調整距離；步驟三、沿Y軸正向調整二維移動架1，使CXD探測器2的光敏像元沿Y軸正向移 動一個步長Cltl，記錄下此時CXD探測器2的灰度圖像，并記錄下當前二維移動架1的位置 P1'；步驟四、判斷此時二維移動架1的位置P/與Ptl的Y向距離是否達到込-d。若是， 則執行步驟八；否則，執行步驟五；步驟五、沿X軸正向調整二維移動架1，每次移動的步長為Cltl，且每移動一次記錄 下此時二維移動架1的位置及此時CXD探測器2的灰度圖像，當二維移動架1的位置與P1
5的距離等于D1-Cltl時，停止移動，并將此時二維移動架1的位置記為P2 ；步驟六、沿Y軸正向調整二維移動架1，使CXD探測器2的光敏像元沿Y軸正向移 動一個步長Cltl，記錄下此時CXD探測器2的灰度圖像，并記錄下當前二維移動架1的位置 P2'；步驟七、判斷此時二維移動架1的位置P2'與Ptl的Y向距離是否達到込-d。若是， 則執行步驟八；否則，返回執行步驟二 ；步驟八、根據已記錄的所有位置及各個位置對應的灰度圖像，計算獲得整個光斑 的強度分布。其中，步驟二和步驟五中的X軸正向也可同時替換為X軸負向；步驟三和步驟六中的Y軸正向也可同時替換為Y軸負向。本發明的基于二維細分法的微小光斑強度分布測量方法，利用一個光斑測量裝 置，對能量分布不均勻或者尺寸很小的光斑的強度分布進行直接測量，解決了目前無法對 能量分布不均勻或者尺寸很小的光斑進行強度分布測量的問題；本發明的方法簡單、可行， 測量精度可達微米級。
具體實施方式
二 本實施方式是對實施方式一的進一步說明，在步驟一中還包括 如下過程將該光敏面元沿X-Y方向分為M個正方形小塊，即每個正方形小塊的邊長分別與 X軸或Y軸平行，每個小塊的邊長為C^DpD2均為Cltl的整數倍，則該M個正方形小塊構成一 個矩陣，該矩陣的行數為D2Altl，該矩陣的列數為D1Altl，令Q(i，j)表示第i行、第j列的正 方形小塊，其中，i = 1,2, ... , O2Zd0, j = 1,2, ... , D1Mci ；在 Pq 位置時，將 Q (i，j)小塊測 得的灰度值記為Z(i，j)。
具體實施方式
三本實施方式是對實施方式二的進一步說明，步驟八所述內容的 具體過程為根據已記錄的所有位置及各個位置對應的灰度圖像，計算獲得在Ptl位置時各個小 塊 Q(i，j)的灰度值 Z (i，j)，i = 1，2，· · ·，D2/d0, j = 1，2，· · ·，D1Mci ；通過對 CCD 探測器 2進行標定，獲得CCD探測器2測得的灰度值與光強的關系；結合已得的Ptl位置時各個小塊 Q(i，j)的灰度值Z(i，j)，即可獲得整個光斑的強度分布。下面為應用本發明的一個具體實施例利用計算機仿真獲得一個低噪聲高斯分布的原始光斑，參見圖12，應用本發明的 測量方法測量該原始光斑的強度分布，具體過程如下將光斑移動至CXD探測器2的某一個像元內后，該像元為正方形，變成為a，如圖 2所示；此后，需要在光斑位置不變的情況下，每次以一個步長的距離蛇形移動(XD，對光斑 進行切割掃描，并記錄每次移動后CCD該特定像元所讀取的灰度值，因此，可根據移動步長 將單個像元分割成若干個等大的正方形小塊，每個小塊的邊長為a/3，即每個正方形小塊的 邊長等于移動的步長，使得每個正方形小塊重包含一小塊光斑。在本實施例中，將單個像元 分為9個小塊，相應地，光斑也被分割成9塊，參見圖3，將原光斑圖像的9個小塊分別用編 號01、02、03、04、05、06、07、08和09表示；然后，調整二維移動架1，使CCD探測器2依次按 照圖4至圖11的順序對光斑進行掃描；設01號小塊、02號小塊.....09號小塊對應的灰度值為分別為Z(11、Z02.....Z09，
6圖4至圖11中每個狀態的CCD該像元讀取的灰度值分別為Z(a4)、Z(a5).....Z(all)，則
掃描結束后，07號小塊的灰度值可直接由圖11中讀到的灰度求得，即Z(l7 = Z (all)，對于除 07號小塊外的下邊界和左邊界處的各小塊，可以通過兩個狀態灰度值的一次求差得到。如 04號小塊的灰度值為圖6讀到的灰度值與圖11讀到的灰度值之差，即Ztl4 = Z (a6) -Z (al 1)。 對于其他不在左邊界和下邊界上的小塊，可以通過四個已知狀態灰度值的相加減得到，以 求06號小塊的灰度值為例說明首先求得06號小塊所在行的所有小塊的灰度和，也即04號、05號和06號小塊的 灰度和，求得其值為Z (a8) -Z (a9)，同理我們可以求得04號和05號小塊的灰度值之和，其值 為Z (a7) -Z (alO)，則易知06號小塊的灰度為此兩部分灰度之差，即z06 = [Z (a8) -Z (a9) ] - [Ζ (a7) -Z (alO)]；因此01號至09號小塊的灰度都可以求得，進而可得整個光斑的光強分布，根據各 小塊的灰度對整個光斑進行重構，可得如圖13所示的重構光斑。通過比較圖12和圖13及 其相應數據可知，重構效果較好，這表明了本發明的測量方法能夠獲得較準確的光斑強度 分布，測量精度高。綜上，本方法的方法，可以有效檢測出小尺度光斑的強度分布，具有檢測精度高、 簡單實用等優點。
權利要求
基于二維細分法的微小光斑強度分布測量方法，其特征在于它基于一個光斑測量裝置實現，所述光斑測量裝置由二維移動架(1)、CCD探測器(2)和數據采集單元(3)組成，所述CCD探測器(2)安裝在二維移動架(1)上，CCD探測器(2)的電信號輸出端連接數據采集單元的信號輸入端；所述基于二維細分法的微小光斑強度分布測量方法的具體過程如下步驟一、入射光入射到CCD探測器(2)的光敏探測面上，數據采集單元(3)實時監測并顯示CCD探測器(2)輸出的灰度圖像；調整二維移動架(1)，使得入射光聚焦成的微小光斑完全照射到CCD探測器(2)的某個光敏像元上，將此時的灰度圖像作為完整光斑產生的灰度圖像保存，并將此時二維移動架(1)的位置記為P0；在CCD探測器(2)的接收面上建立X Y坐標系；用D1表示光敏面元的X向尺寸，D2表示光敏面元的Y向尺寸；步驟二、沿X軸正向調整二維移動架(1)，使入射光光斑從該光敏像元內向外移出，每次移動的步長為d0，且每移動一次記錄下此時二維移動架(1)的位置及此時CCD探測器(2)的灰度圖像，則當二維移動架(1)的位置與P0的距離等于D1 d0時，停止移動，并將此時二維移動架(1)的位置記為P1；步驟三、沿Y軸正向調整二維移動架(1)，使CCD探測器(2)的光敏像元沿Y軸正向移動一個步長d0，記錄下此時CCD探測器(2)的灰度圖像，并記錄下當前二維移動架(1)的位置P1′；步驟四、判斷此時二維移動架(1)的位置Pi′與P0的Y向距離是否達到D2 d0若是，則執行步驟八；否則，執行步驟五；步驟五、沿X軸負向調整二維移動架(1)，每次移動的步長為d0，且每移動一次記錄下此時二維移動架(1)的位置及此時CCD探測器(2)的灰度圖像，當二維移動架(1)的位置與P1的距離等于D1 d0時，停止移動，并將此時二維移動架(1)的位置記為P2；步驟六、沿Y軸正向調整二維移動架(1)，使CCD探測器(2)的光敏像元沿Y軸正向移動一個步長d0，記錄下此時CCD探測器(2)的灰度圖像，并記錄下當前二維移動架(1)的位置P2′；步驟七、判斷此時二維移動架(1)的位置P2′與P0的Y向距離是否達到D2 d0若是，則執行步驟八；否則，返回執行步驟二；步驟八、根據已記錄的所有位置及各個位置對應的灰度圖像，計算獲得整個光斑的強度分布。
2.根據權利要求1所述的基于二維細分法的微小光斑強度分布測量方法，其特征在于 在步驟一中還包括如下過程將該光敏面元沿X-Y方向分為M個正方形小塊，每個小塊的邊長為C^DpD2均為Cltl的 整數倍，則該M個正方形小塊構成一個矩陣，該矩陣的行數為D2/d0，該矩陣的列數為D1ZU, 令Q(i，j)表示第i行、第j列的正方形小塊，其中，i = 1，2，...，D2/d。，j = 1,2,... ,D1/ d0 ；在P0位置時，將Q (i，j)小塊測得的灰度值記為Z (i，j)。
3.根據權利要求2所述的基于二維細分法的微小光斑強度分布測量方法，其特征在于 步驟八所述內容的具體過程為根據已記錄的所有位置及各個位置對應的灰度圖像，計算獲得在Ptl位置時各個小塊 Q(i，j)的灰度值 Z(i，j)，i = 1，2，...，D2/d。，j = 1，2，...，D1Mci ；通過對CCD 探測器(2)進行標定，獲得CCD探測器(2)測得的灰度值與光強的關系；結合已得的Ptl位置時各個小 塊Q(i，j)的灰度值Z (i，j)，獲得整個光斑的強度分布。
全文摘要
基于二維細分法的微小光斑強度分布測量方法，它涉及一種微小光斑強度分布的測量方法，它解決了目前無法對能量分布不均勻或者尺寸很小的光斑進行強度分布測量的問題。該測量方法將入射光斑完全照射到CCD探測器的光敏探測面的一個像元內，通過蛇形掃描的方式，記錄各個掃描狀態的灰度圖像，通過計算可最終獲得入射光光斑的強度分布。本發明能夠對能量分布不均勻或者尺寸很小的光斑的強度分布進行直接測量，適用于微小光斑測量領域。
文檔編號G01J1/42GK101907490SQ20101026121
公開日2010年12月8日 申請日期2010年8月24日 優先權日2010年8月24日
發明者劉曉妍, 呂志偉, 姜振華, 巴德欣, 王新 申請人:哈爾濱工業大學