一种基于像面定位的激光光斑尺寸测量装置及方法

本发明涉及一种激光光斑尺寸的测量装置及方法，具体涉及一种基于像面定位的激光光斑尺寸测量装置及方法。

背景技术：

1、激光光斑尺寸是评价激光光束质量、优化光学系统设计及提升激光加工工艺的关键参数。激光光斑尺寸的测量方法主要有ccd法、阵列探测器图像法、可变光阑法、移动刀口法、狭缝扫描法、功率衰减法等，其中，移动刀口法因其原理简单、测量精度高、适用波长范围广等优点被广泛应用，尤其在光斑分布无规律、光束质量较差或尺寸较大的激光光斑测量方面，具有重要的实际应用意义。

2、传统的移动刀口法测量装置通常包括刀口、位移台和激光功率计。测量时将刀口置于光束传输方向上，通过位移台横向移动刀口切割光束，并记录激光功率计读数随刀口位置的变化，进而计算得到激光光斑尺寸。然而，对于存在明确像面或焦面的激光光束（如聚焦光束、整形平顶光束、环形光束等），光斑尺寸沿传播方向会发生显著变化。因传统的移动刀口法缺乏像面位置的精确定位手段，测量时往往需要通过操作者目视来确定刀口的位置，难以确保刀口准确位于待测像面，导致测量易产生显著误差，测量结果的重复性也难以保证。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决传统的移动刀口法因难以保证刀口位于待测光学系统的最佳像面处，导致测量结果易存在误差的技术问题，而提供一种基于像面定位的激光光斑尺寸测量装置及方法。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案为：

3、一种基于像面定位的激光光斑尺寸测量装置，用于对激光光学系统出射激光束的光斑尺寸进行测量；其特殊之处在于：

4、包括调节台、位于调节台上的测量模块，以及控制模块；

5、所述调节台为五维调节台，用于调整测量模块相对激光光学系统的位姿；

6、所述测量模块包括设置在调节台上的平移台、分束镜、成像镜头、ccd探测器及激光功率计；所述平移台和分束镜依次设置在激光光学系统的出射光路上，其中平移台靠近激光光学系统设置，且滑动安装在调节台上，其滑动方向与激光束的光轴垂直；所述平移台上安装有刀口尺，用于切割激光束；

7、所述分束镜用于将切割后的激光束分为两路，其中一路反射作为探测光束，另一路透射作为测量光束；所述成像镜头、ccd探测器依次设置于分束镜的反射光路上，探测光束经成像镜头后在ccd探测器的光敏面上形成对应的刀口阴影图像；所述激光功率计位于分束镜的透射光路上，用于记录测量光束的光功率值；

8、所述控制模块分别与调节台、平移台、ccd探测器及激光功率计连接，用于控制调节台和平移台的移动，同时采集对应的刀口阴影图像和光功率值，并计算得到激光束的光斑尺寸。

9、进一步地，所述分束镜与成像镜头之间沿光路依次设有反射镜和第一衰减片；所述反射镜靠近分束镜设置，用于光路转折，第一衰减片用于衰减探测光束的光功率。

10、进一步地，所述分束镜与激光功率计之间设有第二衰减片，用于衰减测量光束的光功率。

11、进一步地，所述激光功率计采用热电探测器，且探测靶面大于激光束的光斑直径最大估计值。

12、进一步地，所述刀口尺刃口的有效长度大于激光束光斑直径最大估计值的2倍；

13、所述分束镜采用非偏振分束立方镜，且分光比为50：50。

14、同时，本发明还提供了一种基于像面定位的激光光斑尺寸测量方法，包括以下步骤：

15、步骤1，组装测量装置

16、组装上述基于像面定位的激光光斑尺寸测量装置，通过平移台将刀口尺调整至激光束的出射光路上并切割激光束；

17、步骤2，确定激光光学系统的像面位置

18、2.1）通过控制模块使调节台按照预设的步进大小及运动范围带动测量模块沿激光束的光轴做步进移动；

19、2.2）通过ccd探测器实时采集激光束在光轴不同轴向位置处对应的刀口阴影图像，并传输至控制模块；

20、2.3）通过控制模块分别计算每幅刀口阴影图像的灰度梯度特征值；

21、2.4）绘制轴向位置-灰度梯度特征值曲线，若该曲线中灰度梯度特征值仅随轴向位置的变化而单调的增加或减小，则改变预设的运动范围并返回步骤2.1）；

22、若该曲线中灰度梯度特征值随轴向位置的变化出现一个峰值，则采用抛物线拟合的方式获得灰度梯度特征值的准确峰值，并以该准确峰值对应的轴向位置作为激光光学系统的像面位置，之后执行步骤3；

23、步骤3，测量激光光斑尺寸

24、3.1）通过控制模块控制调节台沿光轴移动，使得刀口尺位于激光光学系统的像面位置处；

25、3.2）通过控制模块控制平移台带动刀口尺沿垂直于光轴的方向做步进扫描，其扫描范围覆盖激光光斑从完整到完全被遮挡的全过程；

26、3.3）通过激光功率计实时记录每个扫描位置处对应的光功率值，并传输至控制模块；

27、3.4）控制模块根据光功率值随刀口尺位置的变化关系，计算得到激光束在像面位置处的光斑尺寸，从而完成基于像面定位的激光光斑尺寸的测量。

28、进一步地，步骤2.3）中，所述每幅刀口阴影图像的灰度梯度特征值是采用tenengrad函数的sobel算子，分别计算得到每幅刀口阴影图像水平方向和垂直方向的灰度梯度特征值。

29、进一步地，步骤3.4）中，对于分布类型未知的激光束，分别计算光功率值为初始光功率的84%及16%时对应的刀口尺的位置，以两位置间距的二倍为激光束的光斑尺寸；所述初始光功率是指完整激光光斑对应的光功率值；

30、对于平顶分布激光束，选取光功率值为初始光功率的10%和90%时对应的刀口尺的位置，以两位置的间距为激光束的光斑尺寸。

31、本发明的有益效果如下：

32、1、本发明提供的一种基于像面定位的激光光斑尺寸测量装置，将像面定位与光斑尺寸测量相结合，并集成于同一测量装置中，通过控制模块使调节台带动测量模块移动，从而确定激光光学系统的最佳像面位置，再以刀口尺的刀口平面为共同基准，结合平移台的移动，确保测量截面与目标像面位置严格一致，解决了以往刀口测量中基准不一致的问题，显著提升了光斑尺寸多次测量的重复性。

33、2、本发明提供的一种基于像面定位的激光光斑尺寸测量装置，在分束镜与成像镜头之间依次设有反射镜和第一衰减片，其中反射镜用于光路转折，提高了测量装置的紧凑性；第一衰减片用于衰减探测光束的光功率，避免ccd探测器发生饱和，从而提高测量的精度。

34、3、本发明提供的一种基于像面定位的激光光斑尺寸测量装置，在分束镜与激光功率计之间设有第二衰减片，用于衰减测量光束的光功率，避免激光功率计发生饱和，进一步提高了测量精度。

35、4、本发明提供的一种基于像面定位的激光光斑尺寸测量装置，通过合理的光路设计，以及刃口尺寸与激光功率计靶面尺寸的合理选择，可实现对直径≥10mm的大尺寸光斑的高精度测量，具有大尺寸光斑测量能力。

36、5、本发明提供的一种基于像面定位的激光光斑尺寸测量方法，将像面定位作为激光束光斑尺寸测量的前序步骤，通过轴向扫描结合图像灰度梯度特征值分析，自动确定激光束经激光光学系统后的最佳像面位置，定位精度可至微米量级，有效消除了传统刀口测量中由于目视判断测量位置而产生的测量误差。

37、6、本发明提供的一种基于像面定位的激光光斑尺寸测量方法，采用图像灰度梯度特征值分析进行像面定位，其不依赖于光束能量分布的特定模型，适用于高斯光束、平顶光束、环形光束等多种光束类型，特别适用于经光学系统整形变换后的非高斯光束测量，适用光束类型广泛。

38、7、本发明提供的一种基于像面定位的激光光斑尺寸测量方法，易于实施，且实际测量中系统操作方便快捷，稳定性好。