第41卷第10期
Vol.41No.10
红外与激光工程
Infrared and Laser Engineering
2012年10月
Oct . 2012
全自动可变光阑测量激光发散角的工程化研究
邢冀川1，罗小红2，宋艳3
(1.北京理工大学光电学院，北京100081；2. 中国船舶重工集团公司第七0七研究所，天津300131；
3. 中航工业洛阳电光设备研究所生产部，河南洛阳471009)
摘
要：激光远场发散角是评价激光光束质量的重要指标，根据远场发散角的定义和国际惯例，实际
工程应用中设计出全自动可变光阑来测量激光远场发散角。在测量时利用图像处理和一阶重心距算使可变光阑中心与待测激光束中心对准。测试系统自动由小到大变化光阑孔径，同法计算光斑中心，
时用探测器测量透过的激光能量。对光阑孔径和通过光阑的能量进行曲线拟合，算出总能量为1/e2时光阑的孔径，即对应于该处的激光束宽，从而可计算得出激光远场发散角。上述测量过程是利用虚拟仪器技术来全自动实现的，该激光远场发散角测试系统经过了项目验收和实际工程检验。关键词：光束质量；光阑；图像处理中图分类号：TN247
文献标志码：A
文章编号：1007-2276(2012)10-2795-04
Engineering study on the auto -measurement of divergence angle
of the laser beam with the variable diaphragms
Xing Jichuan 1, Luo Xiaohong 2, Song Yan 3
(1.School of Optoelectronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;
2. 707Research Institute of CSIC, Tianjin 300131, China;
3. Department Production, Luoyang Institute of Electro -optical Equipment, China Aviation Industry, Luoyang 471009, China)
Abstract:Far -field divergence angle of laser beams is an important parameter in the evaluation of laser quality in the laser radiometer. According to the definition of far -field divergence angle and the international practice, the automated measurement system with the variable diaphragms was developed in the practical engineering application. It was used in the far -field divergence angle testing of laser. In the measurements, the pulse laser spots were captured with the special image processing, and the center position of laser spot was calculated by the first order moment for the center of gravity. By then the center of laser could be aligned with the center of variable diaphragms. With the automated measurement system, the diaphragms would be automatically changed from smaller to bigger, and the laser energy would be measured by the probe at the same time. It would be fitted for the chart of diameter of the diaphragm with the laser beam width, and when the part of total energy passing the diaphragm reached 1/e2percent of total beam energy, the fitting diameter of the diaphragm would be the laser beam waist
收稿日期：2012-02-11；修订日期：2012-03-14
基金项目：激光测距机综合参数测试系统项目
作者简介：邢冀川(1982-)，男，讲师，博士，主要从事光电测试和检测以及光电信息处理等方面的研究。Email:michaelhsing@163.com
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width. Finally, the far -field divergence angle of the laser beam can be calculated. This automated far -field divergence angle measuring system was based on the technology of virtual instruments. It had been passed by the customers ′tests and proved by the practical utilization. Key words:beam quality;
diaphragms;
image processing
0引言
激光远场发散角是激光光束质量非常重要的技术参数。一方面它反映了激光远距离发射时的发散特性，另一方面它与束腰的乘积则构成了光束质量因子(M 2因子) [1-2]，而M 2则包含了光束质量的综合特性[3]，较为直观地说明了该光束可聚焦的程度。因此，精确测量激光远场发散角有着十分重要的意义[4]。
测量激光发散角有多种方法，如套孔法、移动刀口法、移动狭缝法、探针扫描法和CCD 摄像法等。在工程实际的检验和验收中，为了获得稳定、可靠的结果，对激光发散角的检测往往多采用套孔法。目前各科研单位在用套孔法测量激光发散角时主要采取人工对准的方式，如在相纸上对激光光斑成像从而判断激光光束是否偏离小孔中心，这种光束对中(激光光束和小孔中心) 方式误差较大。此外，以往套孔法测量发散角是通过人工选取不同直径的小孔来实现，测量方法繁琐，并且可靠性和重复性较差[5]。
文中以实际工程项目为依托，开发出基于套孔法的激光远场发散角全自动测试设备。此设备采用独创的图像处理技术来捕捉脉冲激光的光斑并计算出光斑中心与小孔光阑中心的偏差，从而控制二维电控平移台的移动，使得小孔中心与激光光斑中心重合，其对准精度高，能更加准确地计算激光远场发散角并实现整个测试过程的自动化。
1实施方案设计
基于套孔法的激光远场发散角的实际测试装置示意图如图1所示。
整个测试的最为重要步骤是准确地拟合出小孔光阑的通光尺寸，使其所通过的激光能量为总能量
1/e2。此过程需要使激光光束和小孔对中，即激光光束中心和小孔中心重合。该装置利用先进的CCD 成像技术和成熟的电控技术，克服了人工操作的局限性，使光束对中工作变得即简单又准确。
图1基于套孔法的激光发散角测量装置示意图
Fig.1Structure diagram of the automated system based on the
variable diaphragms
首先系统自动控制二维步进电机将激光光路对准小孔光阑阵列中最大孔，使激光脉冲无阻通过；由
CCD 进行光斑和最大孔中心的对中测量时，先实时采集激光光斑，通过图像处理计算出激光光斑中心和孔中心的位置偏差(X 向和Y 向) ，并根据此偏差数据控制二维电控平移台，使最大孔中心和激光光斑中心重合。
由一维电动平移台带动全反射镜进入激光测量光路中，这时发射激光脉冲，激光将被反射入能量计的探头内，从而测量出全能量E 0。
然后根据计算机的命令，由二维电控平移台带动小孔光阑阵列，使下一小孔和激光光束对中心，再次发射激光脉冲；由于小孔光阑在加工和安装时，保证了各个小孔中心固定的位置偏移量，所以只需直接控制二维步进电机移动，无需再次进行激光光束和孔对中的操作。
将一系列和小孔直径相关的激光能量E 数据送入计算机，利用多项式拟合法得到直径D 和能量E 的关系曲线。
在曲线上找到当E 与E 0之比为1/e2时所对应的直径D ，即可根据θ≈D /f 求出激光脉冲的发散角
θ，其中f 为远场法透镜焦距。从而实现利用套孔法
自动测量激光远场发散角。
整个测量过程都是利用虚拟仪器[6]技术来自动
第10期邢冀川等：全自动可变光阑测量激光发散角的工程化研究
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化完成和实现的。
2激光光束中心计算的设计思路
2.1CCD 成像光轴和激光光轴的平行
要保证激光光束中心和光阑中心严格意义上对准(空间三维) ，首先要保证CCD 成像光轴和激光光轴的平行，即激光光束要能垂直入射CCD 的光敏面。
利用CCD 的外标定方法，通过调校可使CCD 标定板的基准坐标系(世界坐标系) 和CCD 摄像机坐标系平行，如图2所示。这时在标定板平面上安装平面镜，利用自准直对指示激光器安装位置调校，可让指示激光光轴平行于CCD 光轴，即垂直于CCD 成像面，此时，利用指示光可使待测发散角的激光光轴平行CCD 成像光轴。
图2指示激光光轴和CCD 光轴调校示意图
Fig.2Structure diagram of calibrating the optical axises of laser
pointer and CCD
2.2光斑图像处理
工程中首创采用图像处理的方式来捕捉激光光斑[7]。通过对一系列图像灰度阈值进行对比分析来找出光斑图像，然后利用该光斑图像进行光束中心的计算，光斑图像处理是核心功能，即采用合适的算法处理图像[8]，求解出光斑的中心坐标(质心位置) 。图像处理包括图像平均、分割、灰度化、去噪等过程。结构框图如图3所示。
多幅图形平均是为了能准确地计算激光光斑的中心，多次采集(5幅) 激光光斑并对其均值化，从而获得平均图像。
图像分割利用灰度阈值来分割激光光斑图像的暗背景，低于阈值200则认为是图像暗背景，通过图像分割大致从图像中分割出激光光斑。
图像灰度化对图像中所有灰度值进行编码，凡
图3激光光束中心计算结构框图
Fig.3Structure diagram of calculating the center of laser beam
是高于阈值200的保留图像灰度值，而低于阈值200的灰度被置为0。
≤
G (x ，y )=G 0(x ，y ) G 0(x ，y ) ＞200G (x ，y )=0
G 0(x ，y ) ≤200
(1)
式中：G 0(x ，y ) 为原始图像灰度值
去背景噪声图像中会有不少杂散的亮点，这些亮点需要通过颗粒分析(ParticleAnalysis) 的方法过滤，具体实现过程为：首先标识出所有的连通亮点(包括最大的连通亮点———
光斑) ，然后滤除面积小于最大亮点(光斑) 面积10%的所有亮点并把其相关
区域灰度置为0，最后所获得的图像即为去掉背景噪声的图像。
2.3光斑中心的计算
激光光斑的“重心”(中心) 位置坐标，可由一阶矩公式确定。
∞乙∞
乙軒2
∞乙∞
x E
(x ，y ，z ) d x d y
(z )=-∞
-∞
乙xI (x ，y ，z )d x d y =-∞
-∞
(2)
2
E
z ) d x d y -∞乙-∞軒(x ，y ，-乙∞-乙I (x ，y ，z )d x d y ∞∞乙∞
乙2
∞y 軒E (x ，y ，z ) d x d y
(z )=-∞
∞
乙∞
乙yI (x ，y ，z )d x d y -∞=-∞
-∞
乙∞
軒2
∞乙∞
(3)
E
(x ，y ，z ) d x d y
-∞-∞-∞-乙I (x ，y ，z )d x d y
∞
在实际的测量过程中，由于测量点是离散的点，所以上述式子可以转换为：
(z )=∑∑xI (i ，j ，z )
∑∑I (i ，j ，z ) (4)(z )=∑∑yI (i ，j ，z )
∑∑I (i ，j ，z )
(5)
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3实验结果和精度分析
3.1实验结果
采用图像处理法捕捉光斑图像并计算光斑中心
(图中十字所示) 如图4所示。
图4计算出中心的光斑图像
Fig.4Capturing laser spot with the calculated center
为了验证设备的精度和可靠性，对工作频率为
1Hz ，已知发散角(厂家标称) 为1.5mrad 的激光器进行了综合测试，其中10次测量结果如图5所示，从图中可看出实际测量值和厂商的标称值离散性不大。
图5实测数据和厂商数据比对
Fig.5Testing data vs the manufacturer ＇s data for the laser device
3.2成像环节对于对准精度的影响
由于文中测试系统要通过镜头对激光光斑成像来进行小孔对中，所以成像环节中镜头的畸变会影响对准的精度。具体而言，在物体映射到图像平面时，镜头的畸变导致坐标发生变化。
利用专门的图像处理软件(如HALCON) 可以测量出成像系统的内参数，对图像的畸变进行修正，从而获得更高的对准精度。
4结论
在实际工程中开发出采用可变光阑来测量激光
远场发散角的全自动测试系统。首先，利用图像处理
捕捉脉冲激光光斑并计算激光光斑中心和光阑中心的偏差，使可变光阑的中心与待测激光束中心对准；然后由小到大变化光阑孔径，同时用探测器测量透过的激光能量。当通过光阑的能量为总能量的1/e2时，对应的光阑孔径即为该处的激光束宽，然后通过计算得到激光远场发散角。利用虚拟仪器技术使激光远场发散角的测量实现自动化。
比较了厂商的数据与实验结果, 证明该系统测量精度优于3.5%。并且该系统创新性地采用了图像处理的方法来捕捉脉冲激光光斑和计算光斑中心，这些实用技术在工程中还被多次应用于激光光轴偏差、光轴稳定性等多种测试中。
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