【文章內(nèi)容簡介】 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應(yīng)的點(diǎn)。這種方法的缺點(diǎn)是生成的圖像粗糙，不易辨識，若提高樣條插值的精度，則計(jì)算量大，處理時間長。雙線性插值是一種較好的折衷方法。它利用(x, y)點(diǎn)4個最近鄰像素的灰度值根據(jù)下面的方法計(jì)算該點(diǎn)灰度值。設(shè)(x, y)點(diǎn)的4個最近鄰像素為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)。首先計(jì)算E，F(xiàn)這兩個點(diǎn)的灰度值g(E)，g(F)。 (223) (224)則(x, y)點(diǎn)的灰度值g(x,y)為： (225)以上方法很容易推廣到3D情形。設(shè)(x, y, z)點(diǎn)的8個最近鄰像素為O， P，Q，R，S，T，U，V，它們的坐標(biāo)分別為(i, j, k)，(i+1, j, k)，(i, j+1, k)，(i, j, k+1)，(i+1, j+1, k)，(i, j+1, k+1)，(i+1, j, k+1)，(i+1, j+1, k+1)，它們的灰度值分別為g(O)~g(V)。先計(jì)算A，B，C，D這四點(diǎn)的灰度值g(A)~g(D)。 (226) (227) (228) (229)這樣問題就轉(zhuǎn)化為2D時的情況。再利用式(5)，(6)，(7)就可以求出(x, y, z)點(diǎn)的灰度值。(10) 光斑能量分布的偽彩色三維表示經(jīng)過灰度插值和偽彩色變換，光斑能量分布的三維模型過渡自然，色彩流暢，非常符合人的視覺習(xí)慣。其中，多模光斑能量分布強(qiáng)區(qū)的數(shù)目、相對強(qiáng)弱和范圍，以及單模光斑的強(qiáng)區(qū)出現(xiàn)的位置都被三維模型準(zhǔn)確地表示出來。這樣，直觀生動地反映了光斑的能量分布特征，從而有利于人們的辨識。而且，通過坐標(biāo)變換還可以從不同的角度對三維模型進(jìn)行觀察，實(shí)現(xiàn)“橫看成嶺側(cè)成峰”的效果。脈沖激光器發(fā)出的激光進(jìn)過衰減系統(tǒng)后，由CCD采集到原始的倍頻YAG光斑圖像。經(jīng)過圖像的預(yù)處理，灰度插值和偽彩色變換，我們可以得到光斑能量分布的二維模型和三維模型。我們可以看到經(jīng)過激光光斑的三維模型過度自然，色彩流暢，光強(qiáng)的分布滿足高斯分布，在偽彩色圖像中我們可以得到圖像中各個位置的光強(qiáng)分布的強(qiáng)弱、大小，以及光斑能量密度最大值的位置。能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)出光斑的能量密度的分布。空間的插值在改善圖像的三維偽彩色圖像的質(zhì)量上是有幫助的，在進(jìn)行激光的空間整形實(shí)驗(yàn)后，我們可以用同樣的方法得到整形后光斑的能量分布，評估整形的效果，通過對比整形前和整形后激光光斑的能量分布，來評定整形的效果。通過坐標(biāo)變化我們可以得到沿x，y軸的能量分布曲線。 本章小結(jié)本章主要介紹刀口掃描法和CCD法，對刀口法進(jìn)行了必要公式的推導(dǎo)，為后文實(shí)驗(yàn)做理論基礎(chǔ)了。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。第3章 激光光斑尺寸的測量與數(shù)據(jù)分析 刀口法測光斑直徑刀口法是一種測量高斯光束光斑尺寸及束腰尺寸的理想方法[5]。但是以往刀口法的研究大多數(shù)僅僅集中在光斑半徑位置所對應(yīng)的能量百分比的理論研究上。本文以刀口法對光斑大小進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。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。 90/10刀口法理論及方法圖31是單橫模激光束圓對稱的激光光斑的能量分布曲線。其光強(qiáng)分布為： (31)式中：為光斑中心極大處的光強(qiáng)， I為距離中心r處的光強(qiáng)，為Z處橫截面內(nèi)光強(qiáng)降落到中心值的的光斑半徑。圖31 單橫模激光束圓對稱的激光光斑的能量分布曲線由于光束能量的這種分布模式，使得激光光斑橫向尺寸的測量很值得研究。當(dāng)高斯光束被刀口垂直遮擋時，通過的（連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)）激光功率為： (32)無刀口遮擋時，光束總功率為： (33)令則： (34)令 (35)則： (36)得：……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，也就是說，光束橫截面內(nèi)，所對應(yīng)的位置，之差的二分之一(即)就是此處光斑半徑。然而，在具體實(shí)驗(yàn)過程中我們?nèi)?，進(jìn)行研究時并沒有得到較好的結(jié)果?？赡苁谴朔N情況下、位置太靠近光斑邊沿，以致于引起的測量誤差太大。故我們?nèi)?，即采?0/10刀口法。 計(jì)算理論由式(37)、(35)得：……正態(tài)分布逆累計(jì)分布函數(shù) (38) (39)即 (310)由(38)、(39)、(310)式得：只要在光束的某一位置Z處測得兩點(diǎn)、處的功率、及其所對應(yīng)的就可以求得此處的光斑直徑。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理我們對一型號為330290的連續(xù)激光器的光束光斑進(jìn)行測量。將激光器、刀口及功率計(jì)按圖21放置在實(shí)驗(yàn)臺上。如圖22所示，選取適當(dāng)單位長度移動刀口，記錄能量計(jì)上的數(shù)值。1. 對連續(xù)激光器光斑能量進(jìn)行測量，=，根據(jù)上文90/10刀口法，找到，的兩點(diǎn)，=，=。可得光斑直徑r=。2. 測量數(shù)據(jù)輸入Origin進(jìn)行處理繪圖，用相對強(qiáng)度體現(xiàn)出能量分布趨勢，并對其進(jìn)行擬合，如圖32。根據(jù)光斑直徑定義，在能量分布圖上找出所對應(yīng)的兩個橫坐標(biāo)點(diǎn)做差值，可得r’=。與90/10法結(jié)果相符。圖32 激光光斑能量分布讓該激光穿過透鏡（焦距為30cm），測的一組數(shù)據(jù)，做能量分布如圖33：圖33 經(jīng)過透鏡后激光光斑能量分布圖根據(jù)上述處理方法，分別得到兩種算法的光斑直徑：r=，r’=。讓該激光經(jīng)過透鏡（焦距為15cm），測得一組數(shù)據(jù)，做圖34：圖34 經(jīng)過透鏡后激光光斑能量分布圖根據(jù)上述處理方法，分別得到兩種算法的光斑直徑：r=，r’=分別用理論推導(dǎo)得到90/10刀口法，光斑直徑定義得到的能量分布法對激光光斑進(jìn)行測量計(jì)算。兩種算法基本相符，證明了用刀口法測激光光斑尺寸是確實(shí)可行的。 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)方法過程簡單、實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確度高。但是在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：必須保證刀口質(zhì)量好，刀片盡量薄。刀口必須垂直于高斯光束軸線方向，否則會影響測量的精度。在測量過程中由于在、點(diǎn)功率計(jì)反應(yīng)比較靈敏，所以應(yīng)當(dāng)小心、仔細(xì)旋轉(zhuǎn)螺旋測微器，盡量減小測量誤差。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。但是，功率也不能太低，否則會增大測量誤差。由以上工作可以看出：刀口法測量高斯光束光斑尺寸方法簡單，對實(shí)驗(yàn)器材要求低，易于操作，測量結(jié)果精度可達(dá)微米量級，能滿足一般實(shí)驗(yàn)室激光光束直徑測量的需要。所以，刀口法是一種比較理想的測量高斯光束光斑尺寸大小的方法。 CCD法測激光光斑方法在進(jìn)行激光的空間整形的實(shí)驗(yàn)的時候，我們需要對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，評估整形的效果，這就需要我們建立一個有效的測量光斑能量密度的方法，但是人們一般是針對激光光斑的灰度圖像進(jìn)行研究，由于人眼對不同灰度級的分辨能力有限，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。根據(jù)這個特點(diǎn)，我們借助MATLAB這個強(qiáng)大的平臺，利用偽色彩變換和空間灰度插值運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了光斑能量分布的三維偽彩色可視化，可以較直觀的顯示出光斑的能量分布。并用Origin軟件進(jìn)行了數(shù)據(jù)的后期處理。 用CCD拍攝光斑圖像我們使用敏通公司的MTV1881EX型號CCD采集的原始光斑圖像，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)組成如圖24，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，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。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。圖像如圖35所示。圖35 CCD拍攝的激光光斑圖片 Matlab的圖片處理Matlab軟件是一種廣泛使用的工程軟件，利用Matlab中的圖像工具箱可以方便的進(jìn)行數(shù)字圖像處理[11]。由于中值濾波能有效濾除脈沖干擾及圖像掃描噪聲，我們首先對光斑圖像進(jìn)行二維中值濾波，濾波窗口選擇為34，其圖像噪聲的平均值下降為7。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?？梢钥闯觯紙D像中的噪音基本被濾除，圖像噪聲的平均值由16下降到了4，所以用這種方法去除噪音的效果比較明顯。Matlab圖片處理程序見附錄C，運(yùn)行流程圖如圖36所示：圖36 程序運(yùn)行流程圖 圖像處理結(jié)果用Matlab處理光斑圖片，將圖片三維可視化[13]。輸出結(jié)果如圖37圖37 光斑能量三維可視圖把光斑的能量分布圖三維可視化后，可以很明顯的看出激光光斑的能量分布。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軟件做出相對能量分布圖圖310 光斑相對強(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。由于圖310的光強(qiáng)分布非常接近高斯型，我們直接使用Origin軟件的高斯擬合功能來進(jìn)行平滑，如圖311所示。使用高斯平滑后，Origin軟件還會給出光斑直徑（按光強(qiáng)最大值的e2）和擬合誤差等參數(shù)，極大的方便了我們分析高斯型的光強(qiáng)分布情況。但是對于非高斯分布的情況，高斯平滑就不適用了，此時我們使用Origin軟件的FFT平滑來進(jìn)行處理。FFT平滑是普遍適用的方法，無論對于高斯分布還是非高斯分布。對于高斯分布，使用高斯平滑和FFT平滑的處理結(jié)果基本一致，但是FFT平滑能夠保留更多的細(xì)節(jié)。獲得了較為平滑的光強(qiáng)分布曲線后，就可以使用各種處理方法進(jìn)一步分析，以獲得激光光斑的相關(guān)參數(shù)。如果高斯擬合的結(jié)果與FFT平滑的結(jié)果一致或者相差很小，就說明光斑的光強(qiáng)分布是高斯型或者近高斯型；如果高斯擬合的結(jié)果與FFT平滑的結(jié)果相差較大，就說明光斑的光強(qiáng)分布不是高斯型。圖311 高斯擬合后圖像由圖311，用Origin軟件找到相對強(qiáng)度強(qiáng)最大值的的點(diǎn)，橫坐標(biāo)=，===以上數(shù)據(jù)的橫坐標(biāo)皆是用像素為單位。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用感光單元為 800600 陣列的MTV 21881EX 型CCD攝像頭，由于只是接受光照度而不必對光束成像，故攝象頭不用物鏡，圖象采集分辨率為 768576, 物體經(jīng)光學(xué)放大成象后，映射到每個象元的尺寸相當(dāng)于實(shí)際尺寸的8μm。因此將r從像素轉(zhuǎn)化為尺寸r=。 實(shí)驗(yàn)分析本文探討的CCD探測傳感器，用計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理，測量激光光斑尺寸和束腰光斑尺寸及共焦參數(shù)的方法，通過實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明是可行的，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)測量，其數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性好。由于采用了高速采樣系統(tǒng)和相對光強(qiáng)處理，以及無機(jī)械運(yùn)動測量，因此克服了傳統(tǒng)測量中，由于光束漂移，能量起伏以及機(jī)械運(yùn)動所帶來的測量誤差。本方法也有弊端，例如CCD 法雖然精度高，但僅對低功率的光束測量適用。對于高功率激光，CCD存在飽和現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)時也要注意避免大功率激光對CCD造成損壞。 本章小結(jié)根據(jù)第二章的理論基礎(chǔ)，本章先設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，測得數(shù)據(jù)。對于刀口法，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。結(jié)果相符，證明實(shí)驗(yàn)真實(shí)可行。對于CCD法，本章介紹了光斑圖片的采集，圖像的前期處理，Matlab軟件與Origin軟件對數(shù)據(jù)的提取及處理。取得了理想結(jié)果。千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印?！敖Y(jié)論”以前的所有正文內(nèi)容都要編寫在此行之前。 39 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。但是激光光斑尺寸小、亮度高，難以用肉眼觀察測量。本文對此做了如下工作：分析了刀口描法和CCD法的實(shí)驗(yàn)可行性與理論基礎(chǔ)。用刀口掃描法測的激光光斑能量數(shù)據(jù)，用Origin處理數(shù)據(jù)做出能量分布圖，根據(jù)分布圖計(jì)算出激光光斑直徑。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。刀口掃描法測得的激光光斑數(shù)據(jù)，與理論分析中90/10刀口法計(jì)算得到的數(shù)據(jù)基本相同，證明了刀口法，精確可行。用Matlab及Origin成功的提取出CCD拍攝的光斑圖像的相對遷都數(shù)據(jù)，算得激光光斑直徑，取得理想結(jié)果。對比文中介紹的兩種方法，CCD法無機(jī)械動作，熟練應(yīng)用強(qiáng)大的處理工具得到的結(jié)果更為精確，但由于拍攝裝置的限制，這種方法對于高能量激光有一定的制約性。刀口掃描法則對高能量激光比較實(shí)用，裝置簡單。但人為誤差較大。致謝仿佛還是昨天，我懷著懵懂忐忑的心情來到了哈爾濱理工大學(xué)，可是現(xiàn)在，我就要離開了。在這短暫的四年里，我感受到了許多關(guān)懷和愛，來自所有人的友好與幫助，使我雖然迷茫卻也幸福地學(xué)習(xí)和生活著。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，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)。所有人的謙和、努力、友好，都使我深深感動，無法訴說我內(nèi)心那種不舍與感激。在這里，我要特別感謝一直給予我?guī)椭?、我敬愛的?dǎo)師高瑋老師，她無論從專業(yè)上還是從職業(yè)操守上都給了我無限的啟迪，在我的論文撰寫階段，曾給過我悉心的指導(dǎo)和耐心的評閱；在我找工作的過程中，在個人學(xué)習(xí)和生活方面，曾給過我許多關(guān)