一種激光光斑監測和光路自動準直集成系統的制作方法

本發明涉及一種光斑圖像采集及信號實時處理系統，特別是涉及一種激光光斑監測和光路自動準直集成系統。

背景技術：

在大型高功率激光核聚變裝置中，如美國諾瓦裝置(Nova)、日本激光-12(GEKKO-12),我國的“神光-Ⅲ”裝置等，為了確保振蕩器發出的激光束能夠穩定、精確地穿過預放大器、主放大器、倍頻器、靶室，并精確地照射到微型靶丸上，均配置了光路自動準直系統。但在中小型高重復頻率的激光裝置中，如超快飛秒激光裝置，自動準直系統并不多見，但光束的空間指向穩定性對超快激光物理實驗研究非常重要，如空心光纖脈沖自壓縮、載波包絡相位穩定、超快抽運探測等要求光束的空間指向在較長時間內保持穩定。激光技術研究過程中，環境溫度變化引起鏡架的熱脹冷縮、實驗平臺的震動引起的光路飄移以及空氣的擾動等因素都會使激光光束的方向發生不同程度的偏移，特別是較復雜的激光系統，光路較長，影響更加明顯。因此，光路自動準直裝置對超快激光物理實驗研究具有實際的應用價值，可以改善實驗研究的精度。

另外，準直光是光學領域學生和專業技術人員開展光學實驗研究的必備工具。然而，現有的很多準直設備大都成本昂貴、集成度低，大多數的激光準直調節仍然依靠手動調節完成，因此，研制一套低成本、快速獲取準直光的光路自動準直系統正是本發明的目的。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種激光光斑監測和光路自動準直集成系統，具有實時性強、交互感好、集成度高、成本低、功能擴展方便以及操作簡單等優點。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種激光光斑監測和光路自動準直集成系統，包括光斑實時采集模塊、計算機、步進電機控制模塊和步進電機，所述步進電機與光路中的透鏡相連用于調整透鏡的角度，所述光斑實時采集模塊用于采集激光光斑圖像信息；所述計算機用于對采集到的光斑圖像信息進行處理，并將其轉換為準直控制變量；所述步進電機控制模塊對步進電機進行控制實現光路自動準直。

所述光斑實時采集模塊的采集模式包括單幀采集和多幀采集兩種。

所述計算機通過二值化、邊緣提取及最小二乘法擬合的方式對光斑圖像信息進行處理以得到光斑半徑值及光斑的邊緣銳度。

所述激光光斑圖像信息包括光斑的尺寸和抖動情況。

所述計算機與步進電機控制模塊通過串口的方式進行通信連接，通信協議采用ASCII碼方式。

所述步進電機控制模塊采用逐次逼近算法控制所述步進電機使光路實現自動準直。

有益效果

由于采用了上述的技術方案，本發明與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果：本發明將光斑實時采集顯示和光路自動準直集于一體，可以低成本、快速實現準直光束。本發明中的程序是基于VC的MFC架構實現的，可擴展性好，如需要檢測光斑的其他參數，只需增加相應的成員函數即可。經過實驗測試，本發明系統工作穩定、擴展性良好、成本低、操作方便，能夠給實驗人員快速獲取準直光提供一種新思路。

附圖說明

圖1是本發明的系統結構示意圖；

圖2是本發明中逐次逼近算法的流程圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。

本發明的實施方式涉及一種激光光斑監測和光路自動準直集成系統，包括光斑實時采集模塊、計算機、步進電機控制模塊和步進電機，所述步進電機與光路中的透鏡相連用于調整透鏡的角度，所述光斑實時采集模塊用于采集激光光斑圖像信息；所述計算機用于對采集到的光斑圖像信息進行處理，并將其轉換為準直控制變量；所述步進電機控制模塊對步進電機進行控制實現光路自動準直。

圖1是本發明一套激光光斑監測和光路自動準直集成系統的結構框圖。由圖1可見，本發明包括光斑實時采集部分、圖像信息處理部分和準直控制部分。光斑實時采集部分包括CCD和MV-U200圖像采集卡，圖像信息處理部分包括計算機，準直控制部分包括下位機STM32。CCD的光斑分辨率可在720×576以內范圍自動調節，圖像顯示的制式也可在PAL和NTSC之間自動切換。MV-U200圖像采集卡以每秒25幀的速度將激光光斑信號采集進內存并進行顯示；計算機通過圖像處理算法將采集到的圖像信息處理成所需的準直控制變量，并進行顯示，顯示內容包括灰度值的X/Y軸顯示、光斑半徑值及其邊緣銳度信息；下位機STM32通過串口通信的方式與計算機相連得到準直控制變量；其中，串口通信是指采用VC編程軟件中的MSComm工具與下位機進行串口通信，例如下位機STM32的UART可采用CH340串口通信芯片與PC機進行通信，且通信協議采用ASCII碼方式。所述的下位機STM32對步進電機進行控制，驅動步進電機工作以實現光路的自動準直。

如圖1所示，為了適應CCD的探測面積，激光束經透鏡A和透鏡B作用后，在CCD上成像，再經圖像采集裝置MV-U2000傳送至計算機進行圖像信息檢測，光斑的尺寸和抖動情況等均可實時反映。準直控制部分，計算機與下位機STM32控制器進行通訊，進而驅動加裝有透鏡A的步進電機調整相應的步長，實現透鏡A和激光束之間光路的調節，最終獲得準直的激光束。

光斑圖像采集到內存后，計算機基于圖像處理算法(如二值化、邊緣提取及最小二乘法擬合)對光斑圖像進行提取，獲得待監測的參量。因本發明的目標是準直光調節，故只提取了光斑半徑值及其邊緣銳度，如需其他參量，只需擴展增加相應的成員函數即可。

如圖2所示，為使光路快速實現自動準直，本發明中，下位機STM32采用逐次逼近算法控制步進電機工作。逐次逼近算法是基于已提取的光斑圖像的參數信息，控制步進電機調節準直光的位置，大致思路如下：首次進入精確調節時，無法預知光斑準直優化所需的步進電機的運動方向，因此先任意設置電機的前進方向；當步進電機運動一次后，若此時的光斑半徑小于前一次的半徑，則說明電機前進的方向正確，反之則前進方向有誤并重新調整步進電機沿反方向運動。在確定步進電機的運動方向之后，開始執行逐次逼近的控制算法，即步進電機每運動一次后即時判斷此時的光斑半徑是否小于前一次的半徑，如果小于則繼續沿當前方向前行，反之則返回前次前進的步長，并在下次比較判斷后以更小的步長調整步進電機移動，最終逼近光束的最優準直位置。

本發明集光斑監測和光束準直控制于一體，光斑分辨率可在720×576以內范圍自動調節，圖像顯示的制式可在PAL和NTSC之間自動切換，光斑采集的模式包括單幀采集和多幀采集兩種。并且，光束準直調節控制部分，光斑的半徑及其邊緣對比度、光斑灰度值信息均可在圖像采集的同時同步實時顯示于操作界面上，增強了系統的可讀性。此外，本系統還允許手動調節，設置了粗調和精確調節兩種模式，人性化的設計可以進一步確保準直效果的最優化。