專(zhuān)利名稱(chēng)：基于二維細(xì)分法的微小光斑強(qiáng)度分布測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微小光斑強(qiáng)度分布的測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
光斑強(qiáng)度分布是激光系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，現(xiàn)有的光斑強(qiáng)度分布測(cè)量技術(shù)主要可 分為以下幾類(lèi)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(yīng)用領(lǐng)域中，都需要把光束進(jìn)行聚焦后再進(jìn)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(wú)法對(duì)光斑的強(qiáng)度分布進(jìn)行直接測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決目前無(wú)法對(duì)能量分布不均勻或者尺寸很小的光斑進(jìn)行強(qiáng)度 分布測(cè)量的問(wèn)題，提供了一種基于二維細(xì)分法的微小光斑強(qiáng)度分布測(cè)量方法?；诙S細(xì)分法的微小光斑強(qiáng)度分布測(cè)量方法，它基于一個(gè)光斑測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)， 所述光斑測(cè)量裝置由二維移動(dòng)架、CCD探測(cè)器和數(shù)據(jù)采集單元組成，所述CCD探測(cè)器安裝在 二維移動(dòng)架上，CCD探測(cè)器的電信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)采集單元的信號(hào)輸入端；所述基于二維細(xì)分法的微小光斑強(qiáng)度分布測(cè)量方法的具體過(guò)程如下步驟一、入射光入射到CXD探測(cè)器的光敏探測(cè)面上，數(shù)據(jù)采集單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯 示CCD探測(cè)器輸出的灰度圖像；調(diào)整二維移動(dòng)架，使得入射光聚焦成的微小光斑完全照射 到CCD探測(cè)器的某個(gè)光敏像元上，將此時(shí)的灰度圖像作為完整光斑產(chǎn)生的灰度圖像保存， 并將此時(shí)二維移動(dòng)架的位置記為Ptl ；在CXD探測(cè)器的接收面上建立X-Y坐標(biāo)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(diào)整二維移動(dòng)架，使入射光光斑從該光敏像元內(nèi)向外移出，每 次移動(dòng)的步長(zhǎng)為Cltl，且每移動(dòng)一次記錄下此時(shí)二維移動(dòng)架的位置及此時(shí)CCD探測(cè)器的灰度 圖像，則當(dāng)二維移動(dòng)架的位置與Ptl的距離等于D1-Cltl時(shí)，停止移動(dòng)，并將此時(shí)二維移動(dòng)架的 位置記為P1 ；步驟三、沿Y軸正向調(diào)整二維移動(dòng)架，使CXD探測(cè)器的光敏像元沿Y軸正向移動(dòng)一 個(gè)步長(zhǎng)dQ，記錄下此時(shí)CXD探測(cè)器的灰度圖像，并記錄下當(dāng)前二維移動(dòng)架的位置P1 ’ ；步驟四、判斷此時(shí)二維移動(dòng)架的位置P/與Ptl的Y向距離是否達(dá)到D2-Cltl 若是， 則執(zhí)行步驟八；否則，執(zhí)行步驟五；步驟五、沿X軸負(fù)向調(diào)整二維移動(dòng)架，每次移動(dòng)的步長(zhǎng)為Cltl，且每移動(dòng)一次記錄下 此時(shí)二維移動(dòng)架的位置及此時(shí)CCD探測(cè)器的灰度圖像，當(dāng)二維移動(dòng)架的位置與P1的距離等 于D1-Cltl時(shí)，停止移動(dòng)，并將此時(shí)二維移動(dòng)架的位置記為P2 ； 步驟六、沿Y軸正向調(diào)整二維移動(dòng)架，使CXD探測(cè)器的光敏像元沿Y軸正向移動(dòng)一 個(gè)步長(zhǎng)dQ，記錄下此時(shí)CXD探測(cè)器的灰度圖像，并記錄下當(dāng)前二維移動(dòng)架的位置P2'；
步驟七、判斷此時(shí)二維移動(dòng)架的位置P2'與Ptl的Y向距離是否達(dá)到D2-Cltl 若是， 則執(zhí)行步驟八；否則，返回執(zhí)行步驟二 ；
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步驟八、根據(jù)已記錄的所有位置及各個(gè)位置對(duì)應(yīng)的灰度圖像，計(jì)算獲得整個(gè)光斑 的強(qiáng)度分布。本發(fā)明的積極效果本發(fā)明的基于二維細(xì)分法的微小光斑強(qiáng)度分布測(cè)量方法，利用一個(gè)光斑測(cè)量裝 置，對(duì)能量分布不均勻或者尺寸很小的光斑的強(qiáng)度分布進(jìn)行直接測(cè)量，解決了目前無(wú)法對(duì) 能量分布不均勻或者尺寸很小的光斑進(jìn)行強(qiáng)度分布測(cè)量的問(wèn)題；本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單、可行， 測(cè)量精度可達(dá)微米級(jí)。


圖1為本發(fā)明的光斑測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是步驟一中CXD探測(cè)器的像元 與光斑位置示意圖；圖3是實(shí)施方式五中的實(shí)施例中光斑分塊后的示意圖；圖4至圖11是 實(shí)施方式五中的實(shí)施例中，利用本發(fā)明方法對(duì)光斑進(jìn)行掃描時(shí)的各狀態(tài)示意圖；圖12是 CCD探測(cè)器探測(cè)到的原始光斑圖像；圖13是獲得的重構(gòu)光斑圖像；圖14為本發(fā)明的基于二 維細(xì)分法的微小光斑強(qiáng)度分布測(cè)量方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式的基于二維細(xì)分法的微小光斑強(qiáng)度分布測(cè)量方法， 它基于一個(gè)光斑測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)，所述光斑測(cè)量裝置由二維移動(dòng)架1、CCD探測(cè)器2和數(shù)據(jù)采 集單元3組成，所述CXD探測(cè)器2安裝在二維移動(dòng)架1上，CXD探測(cè)器2的電信號(hào)輸出端連 接數(shù)據(jù)采集單元的信號(hào)輸入端；所述基于二維細(xì)分法的微小光斑強(qiáng)度分布測(cè)量方法的具體過(guò)程如下步驟一、入射光入射到CXD探測(cè)器2的光敏探測(cè)面上，數(shù)據(jù)采集單元3實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并 顯示CXD探測(cè)器2輸出的灰度圖像；調(diào)整二維移動(dòng)架1，使得入射光聚焦成的微小光斑完全 照射到CCD探測(cè)器2的某個(gè)光敏像元上，此時(shí)，數(shù)據(jù)采集單元顯示的灰度圖像為待測(cè)的光斑 激活的像元輸出的灰度圖像，將此時(shí)的灰度圖像作為完整光斑產(chǎn)生的灰度圖像保存，并將 此時(shí)二維移動(dòng)架1的位置記為Ptl ；在CXD探測(cè)器2的接收面上建立X-Y坐標(biāo)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(diào)整二維移動(dòng)架1，使CXD探測(cè)器2被入射光照射到的光敏像 元沿X軸正向移動(dòng)，同時(shí)使入射光光斑從該光敏像元內(nèi)向外移出，每次移動(dòng)的步長(zhǎng)為Cltl，且 每移動(dòng)一次記錄下此時(shí)二維移動(dòng)架1的位置及此時(shí)CXD探測(cè)器2的灰度圖像，則當(dāng)二維移 動(dòng)架1的位置與Ptl的距離等于D1-Cltl時(shí)，停止移動(dòng)，并將此時(shí)二維移動(dòng)架1的位置記為P1 ； 其中，所述移動(dòng)步長(zhǎng)等于二維移動(dòng)架1的最小調(diào)整距離；步驟三、沿Y軸正向調(diào)整二維移動(dòng)架1，使CXD探測(cè)器2的光敏像元沿Y軸正向移 動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)Cltl，記錄下此時(shí)CXD探測(cè)器2的灰度圖像，并記錄下當(dāng)前二維移動(dòng)架1的位置 P1'；步驟四、判斷此時(shí)二維移動(dòng)架1的位置P/與Ptl的Y向距離是否達(dá)到込-d。若是， 則執(zhí)行步驟八；否則，執(zhí)行步驟五；步驟五、沿X軸正向調(diào)整二維移動(dòng)架1，每次移動(dòng)的步長(zhǎng)為Cltl，且每移動(dòng)一次記錄 下此時(shí)二維移動(dòng)架1的位置及此時(shí)CXD探測(cè)器2的灰度圖像，當(dāng)二維移動(dòng)架1的位置與P1
5的距離等于D1-Cltl時(shí)，停止移動(dòng)，并將此時(shí)二維移動(dòng)架1的位置記為P2 ；步驟六、沿Y軸正向調(diào)整二維移動(dòng)架1，使CXD探測(cè)器2的光敏像元沿Y軸正向移 動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)Cltl，記錄下此時(shí)CXD探測(cè)器2的灰度圖像，并記錄下當(dāng)前二維移動(dòng)架1的位置 P2'；步驟七、判斷此時(shí)二維移動(dòng)架1的位置P2'與Ptl的Y向距離是否達(dá)到込-d。若是， 則執(zhí)行步驟八；否則，返回執(zhí)行步驟二 ；步驟八、根據(jù)已記錄的所有位置及各個(gè)位置對(duì)應(yīng)的灰度圖像，計(jì)算獲得整個(gè)光斑 的強(qiáng)度分布。其中，步驟二和步驟五中的X軸正向也可同時(shí)替換為X軸負(fù)向；步驟三和步驟六中的Y軸正向也可同時(shí)替換為Y軸負(fù)向。本發(fā)明的基于二維細(xì)分法的微小光斑強(qiáng)度分布測(cè)量方法，利用一個(gè)光斑測(cè)量裝 置，對(duì)能量分布不均勻或者尺寸很小的光斑的強(qiáng)度分布進(jìn)行直接測(cè)量，解決了目前無(wú)法對(duì) 能量分布不均勻或者尺寸很小的光斑進(jìn)行強(qiáng)度分布測(cè)量的問(wèn)題；本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單、可行， 測(cè)量精度可達(dá)微米級(jí)。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式是對(duì)實(shí)施方式一的進(jìn)一步說(shuō)明，在步驟一中還包括 如下過(guò)程將該光敏面元沿X-Y方向分為M個(gè)正方形小塊，即每個(gè)正方形小塊的邊長(zhǎng)分別與 X軸或Y軸平行，每個(gè)小塊的邊長(zhǎng)為C^DpD2均為Cltl的整數(shù)倍，則該M個(gè)正方形小塊構(gòu)成一 個(gè)矩陣，該矩陣的行數(shù)為D2Altl，該矩陣的列數(shù)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(shí)，將 Q (i，j)小塊測(cè) 得的灰度值記為Z(i，j)。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式是對(duì)實(shí)施方式二的進(jìn)一步說(shuō)明，步驟八所述內(nèi)容的 具體過(guò)程為根據(jù)已記錄的所有位置及各個(gè)位置對(duì)應(yīng)的灰度圖像，計(jì)算獲得在Ptl位置時(shí)各個(gè)小 塊 Q(i，j)的灰度值 Z (i，j)，i = 1，2，· · ·，D2/d0, j = 1，2，· · ·，D1Mci ；通過(guò)對(duì) CCD 探測(cè)器 2進(jìn)行標(biāo)定，獲得CCD探測(cè)器2測(cè)得的灰度值與光強(qiáng)的關(guān)系；結(jié)合已得的Ptl位置時(shí)各個(gè)小塊 Q(i，j)的灰度值Z(i，j)，即可獲得整個(gè)光斑的強(qiáng)度分布。下面為應(yīng)用本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例利用計(jì)算機(jī)仿真獲得一個(gè)低噪聲高斯分布的原始光斑，參見(jiàn)圖12，應(yīng)用本發(fā)明的 測(cè)量方法測(cè)量該原始光斑的強(qiáng)度分布，具體過(guò)程如下將光斑移動(dòng)至CXD探測(cè)器2的某一個(gè)像元內(nèi)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(gè)步長(zhǎng)的距離蛇形移動(dòng)(XD，對(duì)光斑 進(jìn)行切割掃描，并記錄每次移動(dòng)后CCD該特定像元所讀取的灰度值，因此，可根據(jù)移動(dòng)步長(zhǎng) 將單個(gè)像元分割成若干個(gè)等大的正方形小塊，每個(gè)小塊的邊長(zhǎng)為a/3，即每個(gè)正方形小塊的 邊長(zhǎng)等于移動(dòng)的步長(zhǎng)，使得每個(gè)正方形小塊重包含一小塊光斑。在本實(shí)施例中，將單個(gè)像元 分為9個(gè)小塊，相應(yīng)地，光斑也被分割成9塊，參見(jiàn)圖3，將原光斑圖像的9個(gè)小塊分別用編 號(hào)01、02、03、04、05、06、07、08和09表示；然后，調(diào)整二維移動(dòng)架1，使CCD探測(cè)器2依次按 照?qǐng)D4至圖11的順序?qū)獍哌M(jìn)行掃描；設(shè)01號(hào)小塊、02號(hào)小塊.....09號(hào)小塊對(duì)應(yīng)的灰度值為分別為Z(11、Z02.....Z09，
6圖4至圖11中每個(gè)狀態(tài)的CCD該像元讀取的灰度值分別為Z(a4)、Z(a5).....Z(all)，則
掃描結(jié)束后，07號(hào)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(duì)于除 07號(hào)小塊外的下邊界和左邊界處的各小塊，可以通過(guò)兩個(gè)狀態(tài)灰度值的一次求差得到。如 04號(hào)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(duì)于其他不在左邊界和下邊界上的小塊，可以通過(guò)四個(gè)已知狀態(tài)灰度值的相加減得到，以 求06號(hào)小塊的灰度值為例說(shuō)明首先求得06號(hào)小塊所在行的所有小塊的灰度和，也即04號(hào)、05號(hào)和06號(hào)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(hào)和05號(hào)小塊的灰度值之和，其值 為Z (a7) -Z (alO)，則易知06號(hào)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(hào)至09號(hào)小塊的灰度都可以求得，進(jìn)而可得整個(gè)光斑的光強(qiáng)分布，根據(jù)各 小塊的灰度對(duì)整個(gè)光斑進(jìn)行重構(gòu)，可得如圖13所示的重構(gòu)光斑。通過(guò)比較圖12和圖13及 其相應(yīng)數(shù)據(jù)可知，重構(gòu)效果較好，這表明了本發(fā)明的測(cè)量方法能夠獲得較準(zhǔn)確的光斑強(qiáng)度 分布，測(cè)量精度高。綜上，本方法的方法，可以有效檢測(cè)出小尺度光斑的強(qiáng)度分布，具有檢測(cè)精度高、 簡(jiǎn)單實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
基于二維細(xì)分法的微小光斑強(qiáng)度分布測(cè)量方法，其特征在于它基于一個(gè)光斑測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)，所述光斑測(cè)量裝置由二維移動(dòng)架(1)、CCD探測(cè)器(2)和數(shù)據(jù)采集單元(3)組成，所述CCD探測(cè)器(2)安裝在二維移動(dòng)架(1)上，CCD探測(cè)器(2)的電信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)采集單元的信號(hào)輸入端；所述基于二維細(xì)分法的微小光斑強(qiáng)度分布測(cè)量方法的具體過(guò)程如下步驟一、入射光入射到CCD探測(cè)器(2)的光敏探測(cè)面上，數(shù)據(jù)采集單元(3)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示CCD探測(cè)器(2)輸出的灰度圖像；調(diào)整二維移動(dòng)架(1)，使得入射光聚焦成的微小光斑完全照射到CCD探測(cè)器(2)的某個(gè)光敏像元上，將此時(shí)的灰度圖像作為完整光斑產(chǎn)生的灰度圖像保存，并將此時(shí)二維移動(dòng)架(1)的位置記為P0；在CCD探測(cè)器(2)的接收面上建立X Y坐標(biāo)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(diào)整二維移動(dòng)架(1)，使入射光光斑從該光敏像元內(nèi)向外移出，每次移動(dòng)的步長(zhǎng)為d0，且每移動(dòng)一次記錄下此時(shí)二維移動(dòng)架(1)的位置及此時(shí)CCD探測(cè)器(2)的灰度圖像，則當(dāng)二維移動(dòng)架(1)的位置與P0的距離等于D1 d0時(shí)，停止移動(dòng)，并將此時(shí)二維移動(dòng)架(1)的位置記為P1；步驟三、沿Y軸正向調(diào)整二維移動(dòng)架(1)，使CCD探測(cè)器(2)的光敏像元沿Y軸正向移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)d0，記錄下此時(shí)CCD探測(cè)器(2)的灰度圖像，并記錄下當(dāng)前二維移動(dòng)架(1)的位置P1′；步驟四、判斷此時(shí)二維移動(dòng)架(1)的位置Pi′與P0的Y向距離是否達(dá)到D2 d0若是，則執(zhí)行步驟八；否則，執(zhí)行步驟五；步驟五、沿X軸負(fù)向調(diào)整二維移動(dòng)架(1)，每次移動(dòng)的步長(zhǎng)為d0，且每移動(dòng)一次記錄下此時(shí)二維移動(dòng)架(1)的位置及此時(shí)CCD探測(cè)器(2)的灰度圖像，當(dāng)二維移動(dòng)架(1)的位置與P1的距離等于D1 d0時(shí)，停止移動(dòng)，并將此時(shí)二維移動(dòng)架(1)的位置記為P2；步驟六、沿Y軸正向調(diào)整二維移動(dòng)架(1)，使CCD探測(cè)器(2)的光敏像元沿Y軸正向移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)d0，記錄下此時(shí)CCD探測(cè)器(2)的灰度圖像，并記錄下當(dāng)前二維移動(dòng)架(1)的位置P2′；步驟七、判斷此時(shí)二維移動(dòng)架(1)的位置P2′與P0的Y向距離是否達(dá)到D2 d0若是，則執(zhí)行步驟八；否則，返回執(zhí)行步驟二；步驟八、根據(jù)已記錄的所有位置及各個(gè)位置對(duì)應(yīng)的灰度圖像，計(jì)算獲得整個(gè)光斑的強(qiáng)度分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二維細(xì)分法的微小光斑強(qiáng)度分布測(cè)量方法，其特征在于 在步驟一中還包括如下過(guò)程將該光敏面元沿X-Y方向分為M個(gè)正方形小塊，每個(gè)小塊的邊長(zhǎng)為C^DpD2均為Cltl的 整數(shù)倍，則該M個(gè)正方形小塊構(gòu)成一個(gè)矩陣，該矩陣的行數(shù)為D2/d0，該矩陣的列數(shù)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(shí)，將Q (i，j)小塊測(cè)得的灰度值記為Z (i，j)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于二維細(xì)分法的微小光斑強(qiáng)度分布測(cè)量方法，其特征在于 步驟八所述內(nèi)容的具體過(guò)程為根據(jù)已記錄的所有位置及各個(gè)位置對(duì)應(yīng)的灰度圖像，計(jì)算獲得在Ptl位置時(shí)各個(gè)小塊 Q(i，j)的灰度值 Z(i，j)，i = 1，2，...，D2/d。，j = 1，2，...，D1Mci ；通過(guò)對(duì)CCD 探測(cè)器(2)進(jìn)行標(biāo)定，獲得CCD探測(cè)器(2)測(cè)得的灰度值與光強(qiáng)的關(guān)系；結(jié)合已得的Ptl位置時(shí)各個(gè)小 塊Q(i，j)的灰度值Z (i，j)，獲得整個(gè)光斑的強(qiáng)度分布。
全文摘要
基于二維細(xì)分法的微小光斑強(qiáng)度分布測(cè)量方法，它涉及一種微小光斑強(qiáng)度分布的測(cè)量方法，它解決了目前無(wú)法對(duì)能量分布不均勻或者尺寸很小的光斑進(jìn)行強(qiáng)度分布測(cè)量的問(wèn)題。該測(cè)量方法將入射光斑完全照射到CCD探測(cè)器的光敏探測(cè)面的一個(gè)像元內(nèi)，通過(guò)蛇形掃描的方式，記錄各個(gè)掃描狀態(tài)的灰度圖像，通過(guò)計(jì)算可最終獲得入射光光斑的強(qiáng)度分布。本發(fā)明能夠?qū)δ芰糠植疾痪鶆蚧蛘叱叽绾苄〉墓獍叩膹?qiáng)度分布進(jìn)行直接測(cè)量，適用于微小光斑測(cè)量領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01J1/42GK101907490SQ20101026121
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2010年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月24日
發(fā)明者劉曉妍, 呂志偉, 姜振華, 巴德欣, 王新 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)