專利名稱：嵌入式激光光束質(zhì)量測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及嵌入式激光光束質(zhì)量測量儀。
背景技術(shù)：
隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對(duì)高科技產(chǎn)品的不斷開發(fā)與完善，激光技術(shù)的 應(yīng)用越來越深入到人們的日常生活中。激光——這一近幾十年才發(fā)展起來的主動(dòng)光源—— 具有單色性、相干性、方向性好和高強(qiáng)度的特點(diǎn)，在軍用、民用、工業(yè)、科研和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng) 用廣泛。而激光光束質(zhì)量則是衡量激光產(chǎn)品性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。研究、測量激光光束的空間 能量分布，給出激光光束質(zhì)量的科學(xué)評(píng)價(jià)，對(duì)激光器設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有極其重要的意義。近年 來，如何用一種簡便、精確、實(shí)用的方法測量、評(píng)價(jià)激光器發(fā)出的激光的光束質(zhì)量，已經(jīng)成為 具有實(shí)際經(jīng)濟(jì)意義且值得世界范圍內(nèi)從事光學(xué)、電學(xué)的科技工作者們進(jìn)行深入研究的一項(xiàng) 重要課題。然而，評(píng)價(jià)激光光束質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)問題長期困擾著光學(xué)界，傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)激光光束質(zhì) 量的方法主要有聚焦光斑尺寸法、遠(yuǎn)場發(fā)散角β值法等。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，長期以來 未占主導(dǎo)地位，未能形成統(tǒng)一的評(píng)價(jià)激光束質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。近年來，一種表征激光光束質(zhì)量的 M2因子被國際光學(xué)界所公認(rèn)，并由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)予以推薦。M2因子法克服了常用 的光束質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的局限，用M2值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)激光器系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控及輔助設(shè)計(jì) 等具有十分重要的意義?；贛2的激光光束質(zhì)量分析理論已經(jīng)相當(dāng)成熟，國外已經(jīng)有了相應(yīng)的測量儀器。 很有代表性的產(chǎn)品主要有=SP^ICON公司研制的M2-200 ；TH0RLAB公司研制的BP-109。這 兩種產(chǎn)品都采用了典型測量方法，將從激光器中發(fā)射出來的激光經(jīng)過一個(gè)無像差的凸透 鏡后，利用電荷耦合器件CCD將激光在束腰附近的橫向光束進(jìn)行步進(jìn)式成像，并且在計(jì)算 機(jī)中顯示成像效果，通過圖像處理技術(shù)將光束的X和Y方向上的各個(gè)光束尺寸測量出來，將 一系列測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，通過公式計(jì)算出X和Y方向上的M2的值。不同的是，BP-109 采用直線式設(shè)計(jì)，而M2-200通過反射鏡反射光束，縮短光程，減小了測量儀器的尺寸。(參 考文獻(xiàn)中國專利號(hào)為20061002349)以上產(chǎn)品雖然已經(jīng)能夠?qū)す夤馐|(zhì)量進(jìn)行較好的評(píng)價(jià)，但都是采用與個(gè)人計(jì)算 機(jī)PC機(jī)進(jìn)行對(duì)接，通過圖像采集卡和計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像的采集和計(jì)算。這種設(shè)計(jì)思路形成的 產(chǎn)品不易攜帶，產(chǎn)品的工作必須在計(jì)算機(jī)的控制下進(jìn)行，產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境受到了限制。當(dāng)激 光光強(qiáng)過大時(shí)，CCD產(chǎn)生的圖像會(huì)趨于飽和，以上裝置均采用濾光片對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行衰減。這種 方法雖然能得到相應(yīng)的效果，但是不能對(duì)激光光強(qiáng)進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型采用液晶調(diào)光技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光光強(qiáng)的自動(dòng)化連續(xù)調(diào)節(jié)；采用M2-200的設(shè) 計(jì)方式，即用兩個(gè)反射率為99%的平面反射鏡進(jìn)行光束折返來縮短激光光束傳輸?shù)墓獬蹋?從而減小裝置體積；采用嵌入式處理器-ARMll代替?zhèn)€人計(jì)算機(jī)構(gòu)成便攜式、一體化的激光 光束質(zhì)量測量儀。本實(shí)用新型的嵌入式激光光束質(zhì)量測量儀包括光學(xué)單元1、機(jī)械單元2、電子學(xué)單元3三個(gè)部分；所述的電子學(xué)單元3通過相機(jī)45、步進(jìn)電機(jī)44與機(jī)械單元2連接；被測試 激光器發(fā)射出的激光光束經(jīng)光學(xué)單元1入射到電子學(xué)單元3的相機(jī)45上；如附

圖1所示，光學(xué)單元1的構(gòu)成由液晶調(diào)光單元5、平凸透鏡6、平面反射鏡7和 平面反射鏡8組成；所述的平凸透鏡6、平面反射鏡7共光軸且從左至右依次放置，激光器 發(fā)射出的激光光束經(jīng)平凸透鏡6聚焦縮束，由反射率達(dá)99%的平面反射鏡7和平面反射鏡 8反射后，通過液晶調(diào)光單元5進(jìn)行連續(xù)衰減，由電子學(xué)單元3中的相機(jī)45進(jìn)行接收；如附圖6所示，光學(xué)單元1中的液晶調(diào)光單元5的構(gòu)成包括起偏片60、液晶61、檢 偏片62和液晶控制電源63 ；所述的液晶調(diào)光單元5同軸依次順序放置起偏片60、液晶61 和檢偏片62，且起偏片60和檢偏片62必須正交放置，液晶控制電源63是由數(shù)字信號(hào)處理 器42控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832的輸出實(shí)現(xiàn)的數(shù)值可以變化的電源；液晶調(diào)光單元5的光路 如附圖7，激光器發(fā)射出激光光束經(jīng)平凸透鏡6進(jìn)行變換又經(jīng)起偏片60起偏后變成圓偏振 光，經(jīng)液晶61和檢偏片62衰減后，入射到相機(jī)45的光敏面上，由相機(jī)45接收激光光斑的 圖像信息；所述的液晶61由兩塊極板以及其間夾含的液晶層構(gòu)成，液晶層有10 μ m厚，液晶 分子平行于極板表面排列，但是排列方向在兩塊之間連續(xù)扭轉(zhuǎn)了 90°而具有旋光效應(yīng)，起 偏片60和檢偏片62正交擺放；當(dāng)兩個(gè)極板上沒有電壓時(shí)，經(jīng)起偏片60起偏的線偏振光垂 直入射和通過液晶層后，其偏振方向會(huì)被液晶扭轉(zhuǎn)90°，經(jīng)過檢偏片62后，光束完全透過； 當(dāng)兩個(gè)極板上加有電壓V，并達(dá)到閾值電壓V'時(shí)，液晶61的旋光現(xiàn)象消失，液晶分子長軸 一律沿電場方向進(jìn)行再排列，這時(shí)通過液晶層的線偏振光的偏振方向沒有改變，再經(jīng)過檢 偏片62后，光束被完全遮擋；所述的機(jī)械單元2的構(gòu)成包括底板86、滑塊87、滑塊88、軸承89、前端板90、外罩 91、后端板92、絲杠93、圓柱導(dǎo)軌94、透鏡壓圈95、限位開關(guān)96、連接板97、相機(jī)調(diào)整架98 和聯(lián)軸節(jié)99 ；電子學(xué)單元3的相機(jī)45通過相機(jī)調(diào)整架98固定在前端板90上；光學(xué)單元1的液 晶調(diào)光單元5直接固定在前端板90上；透鏡壓圈95將平凸透鏡6固定在前端板90上；底板86位于前端板90和后端板92之間且兩端分別與前端板90和后端板92固 定連接；滑塊87置于絲杠93之上，滑塊88置于圓柱導(dǎo)軌94之上，連接板97固定置于滑 塊87和滑塊88之上，滑塊87和滑塊88可以分別沿著絲杠93和圓柱導(dǎo)軌94同步軸向滑 動(dòng)，置于連接板97上的平面反射鏡7和平面反射鏡8也一起同步滑動(dòng)；圓柱導(dǎo)軌94的一端固定在前端板90上，圓柱導(dǎo)軌94的另一端固定在后端板92 上；軸承89 —端固定在前端板90上，另一端與絲杠93相連；電子學(xué)單元3的步進(jìn)電機(jī)44固定在后端板92上，絲杠93的一端與軸承89連接， 絲杠93的另一端與聯(lián)軸節(jié)99連接，步進(jìn)電機(jī)44與聯(lián)軸節(jié)99連接并且通過聯(lián)軸節(jié)99帶動(dòng) 絲杠93做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)滑塊87在絲杠93之上作軸向滑動(dòng)，通過連接板97相連成一體 的滑塊88也同步沿著圓柱導(dǎo)軌94作軸向滑動(dòng)，平面反射鏡7和平面反射鏡8也同步作一 維水平運(yùn)動(dòng)；限位開關(guān)96直接固定在底板86上，限位開關(guān)96用于確定平面反射鏡7和平 面反射鏡8的初始零位，一旦光學(xué)單元1中的平面反射鏡7和平面反射鏡8運(yùn)動(dòng)到限位開
5關(guān)96處，限位開關(guān)96感應(yīng)出電信號(hào)回送給電子學(xué)單元3的嵌入式處理器-ARMll 41，通知 嵌入式處理器-ARMll 41光學(xué)單元1中的平面反射鏡7和平面反射鏡8已運(yùn)動(dòng)到初始零位， 嵌入式處理器-ARMll 41控制數(shù)字信號(hào)處理器42控制步進(jìn)電機(jī)44做反方向運(yùn)動(dòng)；如附圖5所示，電子學(xué)單元3的構(gòu)成包括觸摸屏40、嵌入式處理器-ARMll 41、數(shù) 字信號(hào)處理器42、數(shù)據(jù)緩存43、步進(jìn)電機(jī)44和相機(jī)45 ；所述的數(shù)字信號(hào)處理器42驅(qū)動(dòng)步 進(jìn)電機(jī)44，帶動(dòng)平面反射鏡7和平面反射鏡8做一維運(yùn)動(dòng)，同時(shí)數(shù)字信號(hào)處理器42控制相 機(jī)45進(jìn)行曝光，采集激光光斑圖像信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)緩存43中暫存，嵌入式處理器-ARMll 41取出數(shù)據(jù)緩存43中的圖像信息進(jìn)行圖像處理并在觸摸屏40上顯示二維和三維的激光光 斑曲線；或者，嵌入式處理器-ARMll 41取出數(shù)據(jù)緩存43中的圖像信息進(jìn)行圖像處理并在 VGA顯示器或PC機(jī)上顯示二維和三維的激光光斑曲線；嵌入式激光光束質(zhì)量測量儀的軟件69保存在嵌入式處理器-ARM1141中，所述的 軟件69的運(yùn)行流程圖如附圖8所示；在啟動(dòng)開始步驟70之后，進(jìn)行初始化步驟71，操作者將所選擇的步進(jìn)電機(jī)44的 起始位置、步進(jìn)電機(jī)44的停止位置、步進(jìn)電機(jī)44的步進(jìn)距離、相機(jī)45采集圖像的個(gè)數(shù)、 被測激光器的波長、相機(jī)45的像元尺寸信息輸入嵌入式處理器-ARMll 41，嵌入式處理 器-ARMll 41控制數(shù)字信號(hào)處理器42間接控制步進(jìn)電機(jī)44帶動(dòng)絲杠93水平運(yùn)動(dòng)往返一 周，回到限位開關(guān)96確定的初始零位；嵌入式處理器-ARMll 41執(zhí)行步驟72，判定檢測開始按鈕是否按下；如果該判斷 是肯定的，則進(jìn)行步驟73 ；如果該判斷是否定的，則執(zhí)行步驟72，繼續(xù)判斷檢測開始按鈕是 否按下，直到判斷是是肯定的，進(jìn)行步驟73 ；進(jìn)行步驟73，在數(shù)字信號(hào)處理器42控制下，步進(jìn)電機(jī)44按照步驟71選擇的步進(jìn) 距離向前運(yùn)動(dòng)一步確定一個(gè)位置后，嵌入式處理器-ARMl 141執(zhí)行步驟74，判斷相機(jī)45采集 圖像是否飽和，所述的相機(jī)45采集圖像飽和是指相機(jī)45的像素最大灰度值大于256，如果 該判斷是肯定的，則進(jìn)行步驟81，控制液晶調(diào)光單元5增大衰減倍數(shù)，直到相機(jī)45采集圖像 不飽和為止；如果該判斷是否定的，則進(jìn)行步驟75 ；進(jìn)行步驟75，進(jìn)行處理采集圖像和保存計(jì)算結(jié)果數(shù)字信號(hào)處理器42控制相機(jī)45 將激光光斑圖像數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)緩存43中，嵌入式處理器-ARMll 41根據(jù)存儲(chǔ)其內(nèi)的如下
公式計(jì)算光斑的質(zhì)心位置
r π — T.Kx,y)*y式中，xc為光斑質(zhì)心的橫坐標(biāo)，yc為光斑質(zhì)心的縱坐標(biāo)，X為光斑上任一點(diǎn)的橫坐 標(biāo)，y光斑上任一點(diǎn)的縱坐標(biāo)，I (χ, y)為沿光軸橫截面上(χ，y)點(diǎn)處的光束強(qiáng)度值；并根據(jù)如下公式計(jì)算光斑的直徑[0028]
權(quán)利要求1.嵌入式激光光束質(zhì)量測量儀，其特征在于，其構(gòu)成包括光學(xué)單元(1)、機(jī)械單元(2)、 電子學(xué)單元(3)三個(gè)部分；所述的電子學(xué)單元(3)通過相機(jī)(45)、步進(jìn)電機(jī)(44)與機(jī)械單 元(2)連接；被測試激光器發(fā)射出的激光光束經(jīng)光學(xué)單元(1)入射到電子學(xué)單元(3)的相 機(jī)(45)上；所述的光學(xué)單元(1)由液晶調(diào)光單元(5)、平凸透鏡(6)、平面反射鏡(7)和平面反射 鏡(8)組成；所述的平凸透鏡(6)、平面反射鏡(7)共光軸且從左至右依次放置，激光器發(fā) 射出的激光光束經(jīng)平凸透鏡(6)聚焦縮束，由反射率達(dá)99%的平面反射鏡(7)和平面反射 鏡(8)反射后，通過液晶調(diào)光單元(5)進(jìn)行連續(xù)衰減，由電子學(xué)單元(3)中的相機(jī)(45)進(jìn) 行接收；所述的光學(xué)單元(1)中的液晶調(diào)光單元(5)的構(gòu)成包括起偏片(60)、液晶(61)、檢偏 片(62)和液晶控制電源(63)；所述的起偏片(60)、液晶(61)和檢偏片(62)同軸依次順序 放置且起偏片(60)和檢偏片(62)必須正交放置，液晶控制電源(63)是由數(shù)字信號(hào)處理器 (42)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832的輸出實(shí)現(xiàn)的數(shù)值可以變化的電源；液晶調(diào)光單元(5)的光 路如下激光器發(fā)射出激光光束經(jīng)平凸透鏡(6)進(jìn)行變換又經(jīng)起偏片(60)起偏后變成圓偏 振光，經(jīng)液晶(61)和檢偏片(62)衰減后，入射到相機(jī)(45)的光敏面上，由相機(jī)(45)接收 激光光斑的圖像信息；所述的液晶(61)由兩塊極板以及其間夾含的液晶層構(gòu)成，液晶層有IOym厚，液晶分 子平行于極板表面排列，但是排列方向在兩塊之間連續(xù)扭轉(zhuǎn)了 90°而具有旋光效應(yīng)，起偏 片(60)和檢偏片(62)正交擺放；當(dāng)兩個(gè)極板上沒有電壓時(shí)，經(jīng)起偏片(60)起偏的線偏振 光垂直入射和通過液晶層后，其偏振方向會(huì)被液晶扭轉(zhuǎn)90°，經(jīng)過檢偏片(62)后，光束完 全透過；當(dāng)兩個(gè)極板上加有電壓V，并達(dá)到閾值電壓V'時(shí)，液晶(61)的旋光現(xiàn)象消失，液晶 分子長軸一律沿電場方向進(jìn)行再排列，這時(shí)通過液晶層的線偏振光的偏振方向沒有改變， 再經(jīng)過檢偏片(62)后，光束被完全遮擋；所述的機(jī)械單元(2)的構(gòu)成包括底板(86)、滑塊(87)、滑塊(88)、軸承(89)、前端板 (90)、外罩(91)、后端板(92)、絲杠(93)、圓柱導(dǎo)軌(94)、透鏡壓圈(95)、限位開關(guān)(96)、連 接板(97)、相機(jī)調(diào)整架(98)和聯(lián)軸節(jié)(99)；電子學(xué)單元(3)的相機(jī)(45)通過相機(jī)調(diào)整架(98)固定在前端板(90)上；光學(xué)單元 (1)的液晶調(diào)光單元(5)直接固定在前端板(90)上；透鏡壓圈(95)將平凸透鏡(6)固定在 前端板(90)上；底板(86)位于前端板(90)和后端板(92)之間且兩端分別與前端板(90) 和后端板(92)固定連接；滑塊(87)置于絲杠(93)之上，滑塊(88)置于圓柱導(dǎo)軌(94)之 上，連接板(97)固定置于滑塊(87)和滑塊(88)之上，滑塊(87)和滑塊(88)可以分別沿著 絲杠(93)和圓柱導(dǎo)軌(94)同步軸向滑動(dòng)，置于連接板(97)上的平面反射鏡(7)和平面反 射鏡(8)也一起同步滑動(dòng)；圓柱導(dǎo)軌(94)的一端固定在前端板(90)上，圓柱導(dǎo)軌(94)的 另一端固定在后端板(92)上；軸承(89) —端固定在前端板(90)上，另一端與絲杠(93)相 連；電子學(xué)單元(3)的步進(jìn)電機(jī)(44)固定在后端板(92)上，絲杠(93)的一端與軸承(89) 連接，絲杠(93)的另一端與聯(lián)軸節(jié)(99)連接，步進(jìn)電機(jī)(44)與聯(lián)軸節(jié)(99)連接并且通過 聯(lián)軸節(jié)(99)帶動(dòng)絲杠(93)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)滑塊(87)在絲杠(93)之上作軸向滑動(dòng)，通 過連接板(97)相連成一體的滑塊(88)也同步沿著圓柱導(dǎo)軌(94)作軸向滑動(dòng)，平面反射鏡 (7)和平面反射鏡(8)也同步作一維水平運(yùn)動(dòng)；限位開關(guān)(96)直接固定在底板(86)上，限位開關(guān)(96)用于確定平面反射鏡(7)和平面反射鏡(8)的初始零位，光學(xué)單元(1)中的平 面反射鏡⑵和平面反射鏡⑶運(yùn)動(dòng)到限位開關(guān)(96)處，限位開關(guān)(96)感應(yīng)出電信號(hào)回送 給電子學(xué)單元(3)的嵌入式處理器-ARMll 01)，通知嵌入式處理器-ARMll 光學(xué)單元 (1)中的平面反射鏡(7)和平面反射鏡(8)已運(yùn)動(dòng)到初始零位，嵌入式處理器-ARM1K41) 控制數(shù)字信號(hào)處理器0 控制步進(jìn)電機(jī)G4)做反方向運(yùn)動(dòng)；所述的電子學(xué)單元(3)的構(gòu)成包括觸摸屏(40)、嵌入式處理器-ARM1K41)、數(shù)字信號(hào) 處理器(42)、數(shù)據(jù)緩存(43)、步進(jìn)電機(jī)04)和相機(jī)0 ；所述的數(shù)字信號(hào)處理器G2)驅(qū) 動(dòng)步進(jìn)電機(jī)(44)，帶動(dòng)平面反射鏡(7)和平面反射鏡(8)做一維運(yùn)動(dòng)，同時(shí)數(shù)字信號(hào)處理器 (42)控制相機(jī)0 進(jìn)行曝光，采集激光光斑圖像信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)緩存中暫存，嵌入式 處理器-ARM1K41)取出數(shù)據(jù)緩存G3)中的圖像信息進(jìn)行圖像處理并在觸摸屏GO)上顯 示二維和三維的激光光斑曲線；或者，嵌入式處理器-ARM1K41)取出數(shù)據(jù)緩存中的圖 像信息進(jìn)行圖像處理并在VGA顯示器或PC機(jī)上顯示二維和三維的激光光斑曲線。
專利摘要本實(shí)用新型提供了嵌入式激光光束質(zhì)量測量儀，其構(gòu)成包括光學(xué)單元(1)、機(jī)械單元(2)、電子學(xué)單元(3)三個(gè)部分；嵌入式激光光束質(zhì)量測量儀用相機(jī)45對(duì)激光光斑成像，通過數(shù)字信號(hào)處理器42控制采樣多個(gè)位置的激光光斑信息，嵌入式處理器-ARM1141運(yùn)行嵌入式激光光束質(zhì)量測量儀軟件69進(jìn)行激光光斑圖像處理，計(jì)算出光束質(zhì)量因子M2、束寬積、束腰半徑w及遠(yuǎn)場光束發(fā)散角θ，激光光束質(zhì)量測量精度達(dá)到±6％，嵌入式激光光束質(zhì)量測量儀體積小，工作無需個(gè)人計(jì)算機(jī)，使用方便。
文檔編號(hào)G01B11/08GK201892571SQ20082007299
公開日2011年7月6日 申請日期2008年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月29日
發(fā)明者劉樹昌, 景文博, 王彩霞, 王曉曼, 王菲, 趙海麗 申請人:長春理工大學(xué)