【正文】 學(xué)士學(xué)位論文 4 預(yù)處理，導(dǎo)入 Matlab 軟件，得出能量分布圖進(jìn)而求出光斑直徑。 第 2 章 分別介紹了刀口掃描法和 CCD 法測(cè)激光光斑尺寸的理論基礎(chǔ)以及方法探究。激光光束直徑的測(cè)量一般有套孔法、刀口法、 CCD法等。因而 ， 刀口法是一種測(cè)量高斯光束光斑尺寸及束腰尺寸的理想方法。 圖 22 為刀口垂直切割光束示意圖 ， 當(dāng)?shù)犊谙鄬?duì)于光斑中心坐標(biāo)為 x? 時(shí) ， 刀片遮擋部分激光 ， 透過刀口邊緣激光功率占總功率百分比 為 )%(xP （ 設(shè) )%(xP 50%）， 當(dāng)?shù)犊谝苿?dòng)到與 x? 位置對(duì)稱的 x 位置時(shí) ， 透過刀口邊緣激光功率百分比為 )%(1 xP? ； 目 前采 用 的 90%/10% 刀口 測(cè) 量方 法 為 ： 取%90)%( ?xP ， 測(cè)量透過刀口邊緣光功率占總功率百分比分別為 90%和10%時(shí)的刀口位置坐標(biāo) ， 確定刀口邊緣與光斑中心距離 x 的值 ； 根據(jù)理論分析 ， 此時(shí)光斑半徑 ω 與 x 的比值為 ， 所以將 x 乘以 即為刀口處基模高斯光束光斑半徑。本文對(duì) )%(xP 為不同值時(shí) ， 光斑半徑的測(cè)量及測(cè)量誤差進(jìn)行了理論分析 ， 根據(jù)理論分析結(jié)果 ， 采用不同的 )%(xP 值 ， 測(cè)量了 激光 光斑半徑。 可看出 ： A 與 )%(xP 一一對(duì) 應(yīng) ， 當(dāng)選取 )%(xP 值較大時(shí) ， 測(cè)量點(diǎn)遠(yuǎn)離光斑中心 ， A 值增大。從式 (28)可看出 ， 當(dāng)選取 )%(xP 較小時(shí) ， 測(cè)量位置靠近光斑中心 A 值較大 ， 誤差 d?? 的數(shù)值也將增大。功率計(jì)引起的光斑半徑測(cè)量誤差為 ： ? ? PddPAAxxxxxxppp ????????? 1)(2112?? (210) 式中 px1? 和 px2? 分別為激光功率計(jì)引起刀口位置坐標(biāo) 1x 與 2x 的測(cè)量誤差。 CCD測(cè)激光光斑直徑方法 激光光斑尺寸和激光束腰光斑尺寸是標(biāo)志激光器性能的重要參數(shù) ， 也是激光器在應(yīng)用中的重要參量 ， 用 CCD 作為探測(cè)傳感器 ， 可以更精確地測(cè)出激光器的光斑尺寸和束腰光斑尺寸 ， 克服了傳統(tǒng)測(cè)量的繁雜過程 ， 并用計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)處理 ， 測(cè)量精度 得到 提高到 ， 為激光器性能研究和光信息處理提供了一種新的方法 [14]。 CCD 是集成化的 MOS 半導(dǎo)體元件 ， 它是由一組間距很小的 MOS 電容列陣組成的移位寄存器。 CCD 攝 像 元件 ， 增加了光敏列陣。首先 ， 光接收是積分式的 ， 光信號(hào)接收和轉(zhuǎn)移同時(shí)進(jìn)行 ， 提高了靈敏度和時(shí)間利用率 ， 信號(hào)采用并行輸入、串行輸出 ， 減少了引線 ， 提高了信噪比 ， 簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu) ， 使列陣元件達(dá)到了實(shí)用化的程度。用示波器可以觀察 CCD 直接輸出信號(hào) （ 視頻信號(hào) ） 和包絡(luò)線即光強(qiáng)曲線 （ 采樣保持信號(hào) ） 。電原理方框圖如圖 。 計(jì) 數(shù) 器譯 碼 器移 位CCD直 流 電 平J RQO PK1? 2?R?OPt?p?視 頻示波器采 樣 保 持采 樣 保 持 器 圖 23 CCD 元件驅(qū)動(dòng)電路示意圖 (1) 場(chǎng)區(qū)效應(yīng) 場(chǎng)區(qū)效應(yīng)是光照射在 CCD 非光敏區(qū)的光敏效應(yīng)。膜層不均勻 ， 多晶硅顆粒較粗引起了干涉光強(qiáng)的強(qiáng)弱 。 (3) 轉(zhuǎn)移 效率 轉(zhuǎn)移效率是表征 CCD 質(zhì)量最重要的參數(shù)之一。 以上是我們所做的一些初步工作。 圖 24 為測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理圖 ， 在測(cè)量前首先對(duì) CCD 器件每個(gè)光敏單元進(jìn)行光探測(cè)缺陷補(bǔ)償和歸一化處理 ， 并輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)減小測(cè)量誤差 。39。39。 5. CCD 對(duì)激光光斑的拍攝及光斑圖像的處理 (1) 圖像的獲取 圖像的獲取是為了得到激光光斑的原始圖像 ， 該部分主要是由激光 ，衰減系統(tǒng) ， 導(dǎo)軌和 CCD 攝像頭 ， 圖像卡和計(jì)算機(jī)組成 ， 實(shí)驗(yàn)中衰減器的主要作用是將出射激光的光強(qiáng)衰減到自然光的光強(qiáng) ， 為的是不損壞 CCD的感光部分 ， 將 CCD 在與激光光束平行的導(dǎo)軌上移動(dòng) ， 感光面與激光光軸垂直 ， CCD 可以在不同的界面上采集到激光光斑的原始圖像。前者與圖像信號(hào)強(qiáng)度是不相關(guān)的 ， 是在傳輸過程中引進(jìn)的電視攝像機(jī)掃描圖像的噪聲等 ， 后者是數(shù)字圖像的主要噪聲源 ， 其大小顯示出數(shù)字圖像和原始圖像的差異。利用 MATLAB 中的圖像工具箱可以方便地進(jìn)行數(shù)字圖像處理。 (4) 光強(qiáng)分布曲線的平滑 經(jīng)過噪音濾除后 ， 光強(qiáng)分布曲線還不夠平滑 ， 需要進(jìn)一步處理。 FFT 平滑是普遍適用的方法 ， 無(wú)論對(duì)于高斯分布還是非高斯分布 。 盡管現(xiàn)在已經(jīng)能獲得各種波長(zhǎng)的激光，但由于激光的高單色性，實(shí)際使用中，用于判讀的一般是激光光斑的灰度圖像。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，我們可借助彩色化處理以得到對(duì)人眼來說增強(qiáng)了的視覺效果，提高光斑灰度圖像的可鑒別性?；叶确指钤蕉?，色彩越多，人眼所能提取的信息也就越多，從而達(dá)到了圖像增強(qiáng)的效果。偽彩色變換不改變像素的幾何位置，而僅僅改變其顏色，是一種很實(shí)用的圖像增強(qiáng)技術(shù)。此方法比較簡(jiǎn)單直觀，缺點(diǎn)是變換出的色彩有限，表現(xiàn)力不強(qiáng)。根據(jù)色度學(xué)原理，任何一種顏色都可以由紅、綠、藍(lán)三基 色按不同的比例來合成。實(shí)際中，變換函數(shù)常用取絕對(duì)值的正弦函數(shù)，其特點(diǎn)是在峰值處比較平緩而在低谷處比較尖銳。 這樣，不同灰度值范圍的像素就得到了不同的偽彩色增強(qiáng)效果。顯然，相對(duì)于灰度圖像而言，光斑偽彩色圖層次分明，光斑的邊緣形狀、能量由弱 到強(qiáng)的變化趨勢(shì)、多模和單模光斑的能量分布特征都被更加清晰直觀地顯示出來 。 空間分布數(shù)據(jù)的插值是三維可視化過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其性能將直接影響后面三維表 示的質(zhì)量。最近鄰插值是將離非整數(shù)坐標(biāo) (x, y)點(diǎn)最近的像素的灰度值作為點(diǎn)的灰度 值賦給圖像中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。 設(shè) (x, y)點(diǎn)的 4 個(gè)最近鄰像素為 A， B， C， D， 它們的坐標(biāo)分別為 (i, j)， (i+1, j)， (i, j+1)， (i+1, j+1)，它們的灰度值分別為 g(A)， g(B)， g(C)，g(D)。 EgEgFgiyyxg ???? (225) 以上方法很容易推廣到 3D 情形。再利用式 (5)， (6)， (7)就可以求出 (x, y, z)點(diǎn)的灰度值。而且，通過坐標(biāo)變換還可以從不同的角度對(duì)三維模型進(jìn)行觀察，實(shí)現(xiàn) “ 橫看成嶺側(cè)成峰 ” 的效果。能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)出光斑的能量密度的分布。 介紹了 CCD 元件的構(gòu)造， CCD 拍攝的圖片的原理以及圖片后期處理的要求。用能量計(jì)算激光光斑尺寸，并給出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其算法。當(dāng)高斯光束被刀口垂直遮擋時(shí) ， 通過的 （ 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) ） 激光功率為 ： yxoxx ddyxIP ?????? ??????? ???? ??? ?? 2222)( 2e xp2e xp ?? (32) 無(wú)刀口遮擋時(shí) ， 光束總功率為 ： 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 yx ddyxIP ?????? ??????? ???? ? ??? ?? 222200 2e xp2e xp ?? (33) 令)0()()( PPF xx ? 則 ： ? ???????????????????? ????????? ??????? ????????? ??????? ????xxyxyxxdxddyxIddyxIF222222022220)(2e x p122e x p2e x p2e x p2e x p??????? (34) 令 ?xt 2? (35) 則 ： ? ?ttttXdtdtPP???????????????????????????????2220)(212e x p21211e x p122???? (36) 得 ： )21,0,(0 )( tnor m c dfPP x ? …… 正態(tài)分布累計(jì)分布函數(shù) (37) 根據(jù)光斑半徑的定義 ， 令 x=ω ， 即 t=2 ， 由 (37) 式得 ，? ? %)( ?ox PP ， 也 就 是 說 ， 光 束 橫 截 面 內(nèi) ? ? PP x ? ，? ? PP x ? 所對(duì)應(yīng)的位置 1x ， 2x 之差的二分之一 (即 2)( 21 xx ? )就是此處光斑半徑。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 計(jì)算理論 由式 (37)、 (35)得： ),)((m in 0P xPvnort ? …… 正態(tài)分布逆累計(jì)分布函數(shù) (38) ??????? txz ddw 2)( (39) 即2121z tt xxw ???）（ (310) 由 (38)、 (39)、 (310)式得 ： 只要在 光束的某一位置 Z 處測(cè)得兩點(diǎn)1x 、 2x 處的功率 )(1xP 、 )(2xP 及其所對(duì)應(yīng)的 )( 21 xx ? 就可以求得此處的光斑直 徑。 1. 對(duì)連續(xù)激光器 光斑能量進(jìn)行測(cè)量， 0P =，根據(jù)上文 90/10 刀口 法 ， 找 到 0)( %901 PP x ?， 0)( %102 PP x ?的 兩 點(diǎn) ， 1x = ，2x =。與 90/10 法結(jié)果相符。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 實(shí)驗(yàn)分析 從上面的實(shí)驗(yàn)過程還可以看出 ： 該實(shí)驗(yàn)方法過程簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確度高。束腰位置處 ， 激光功率密度比較高 ， 所以應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的激光功率 ， 不致將刀口燒壞。 CCD法測(cè)激光光斑方法 在進(jìn)行激光的空間整形的實(shí)驗(yàn)的時(shí)候 ， 我們需要對(duì)整形前和整形后的激光光斑圖像進(jìn)行分析 ， 得到相應(yīng)光斑的能量分布 ， 評(píng)估整形的效果 ， 這就需要我們建立一個(gè)有效的測(cè)量光斑能量密度的方法 ， 但是人們一般是針對(duì)激光光斑的灰度圖像進(jìn)行研究 ， 由于人眼對(duì)不同灰度級(jí)的分辨能力有限 ， 因此難以充分利用激光光斑灰度圖像中包含的光斑能量分布信息 ， 但是人的眼睛對(duì)色彩相當(dāng)敏感 ， 能區(qū)分不同的亮度 ， 色彩和飽和度等各種顏色。同理在經(jīng)過激光的空間整形后我們用同樣的方法我們可以得到整形后的光斑圖像。然后再使用自適應(yīng)濾波來消除白噪聲， 圖像噪聲的平均值僅為 4。 由于三維圖像不方便計(jì)算， 用 Matlab 找出 取最高點(diǎn)能量，并分別做出x 軸與 y 軸的二維切面圖，如圖 38 和 39 所示 ： 圖 38 光斑能量分布二維 x 軸切面圖 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 圖 39 光斑能量分布二維 y 軸切面圖 將圖 38 數(shù)據(jù)提取出來，導(dǎo)入 Origin 軟件做出相對(duì)能量分布圖 20 0 20 40 60 80 100 120 140 160050100150200相對(duì)強(qiáng)度 (.)像素 相對(duì)強(qiáng)度 圖 310 光斑相對(duì)強(qiáng)度分布圖 經(jīng)過噪音濾除后，光強(qiáng)分布曲線還不夠平滑，有強(qiáng)度調(diào)制 造成的影響，為此需要進(jìn)一步處理。 FFT 平滑是普遍適用的方法，無(wú)論對(duì)于高斯分布還是非高斯分布。 20 0 20 40 60 80 100 120 140 160050100150200相對(duì)強(qiáng)度 (.)像素 相對(duì)強(qiáng)度 Gauss Fit of 相 對(duì)強(qiáng)度 圖 311 高斯擬合后圖像 由 圖 311，用 Origin 軟件找到相對(duì)強(qiáng)度強(qiáng)最大值的 2?e 的點(diǎn)，橫坐標(biāo)1x =， 2x = 由上文分析可知光斑 直徑 r= 12 xx? = 以上數(shù)據(jù)的橫坐標(biāo)皆是用像素為單位。由于采用了高速采樣系統(tǒng)和相對(duì)光強(qiáng)處理，以及無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)測(cè)量，因此克服了傳統(tǒng)測(cè)量中，由于光束漂移，能量起伏以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)所帶來的測(cè)量誤差。對(duì) 于刀口法，首先用 90/10 刀口法，進(jìn)行了理論計(jì)算，得出覺果然后用 Origin 作圖處理數(shù)據(jù)，得到結(jié)果與理論結(jié)果比較。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 結(jié)論 激光光斑尺寸和激光束腰光斑尺寸是標(biāo)志激光器性能的重要參數(shù)，也是激光器在應(yīng)用中的重要參量。用 CCD 采集激光光斑圖片，編寫 Matlab 程序，用該程序?qū)⒐獍邎D片 三維可視化作圖，根據(jù)圖片，算得光斑直徑 。刀口掃描法則對(duì)高能量激光比較實(shí)用，裝置簡(jiǎn)單。我從很多同學(xué)身上學(xué)到了許多曾經(jīng)書本上沒學(xué)過的實(shí)踐知識(shí)，更從諸位老師身上學(xué)到了足以教我一生受用的寶貴學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。 另外我還要感謝關(guān)心我的老師，曾給予我的對(duì)于人生和未來的那些重要的中肯的啟迪，他改