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专利号: 2018110178691
申请人: 长春理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种双数字相机的激光光束质量全参数测量装置,其特征在于,所述测量方法包括:激光发射器、遮光板、适配光学系统、衰减片、双数字相机全参数测量设备、计算机;

将所述激光发射器、所述适配光学系统、所述衰减片、所述双数字相机全参数测量设备设置在同一水平线上,所述激光发射器、所述适配光学系统、所述衰减片、所述双数字相机全参数测量设备的中心在同一光轴上。

2.根据权利要求1所述的一种双数字相机的激光光束质量全参数测量装置,其特征在于,所述双数字相机全参数测量设备包括:平凸透镜、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一相机、第二相机、光电探头、信号处理器、外触发接口、第一数据接口、第二数据接口、网口、适配电源;

所述激光发射器发射的激光经过所述平凸透镜、所述第一分光棱镜和所述第二分光棱镜到达所述第一相机和所述第二相机的中心;

所述第一相机在所述平凸透镜的焦点前方的离焦面上,和所述第二相机在所述平凸透镜的焦点后方的离焦面上,实现了所述第一相机和所述第二相机的离焦量的大小一致;

所述光电探头设置在所述第一分光棱镜的正下方,实现了经过所述第一分光棱镜的光线进入所述光电探头。

3.一种双数字相机的激光光束质量全参数测量方法,所述测量方法应用于权利要求1-

2中任意一项权利要求所述的一种双数字相机的激光光束质量全参数测量装置,其特征在于,所述测量方法包括:设置所述测量装置的工作模式;

将所述遮光板置于所述激光发射器的后面,采集背景,采集n次;

移走所述遮光板使光斑成像在所述相机的正中心,采集光斑图像;

所述第一相机和所述第二相机同步采集光斑图像数据;

建立重构面图像D0的复振幅求解的目标函数;

根据所述目标函数非线性求解所述重构面图像D0的复振幅;

根据所述重构面图像D0的复振幅计算激光光束质量的全参数。

4.根据权利要求3所述的一种双数字相机的激光光束质量全参数测量方法,其特征在于,所述第一相机和所述第二相机同步采集光斑图像数据具体包括:激光光束通过所述平凸透镜沿光轴z方向传播,分别被所述第一相机和所述第二相机接收;

在z1位置所述第一相机采集第一测量面图像D1的强度数据I1;

在z2位置所述第二相机采集第二测量面图像D2的强度数据I2,且所述第一相机和所述第二相机同步采集图像。

5.根据权利要求3所述的一种双数字相机的激光光束质量全参数测量方法,其特征在于,所述建立重构面图像D0的复振幅求解的目标函数具体包括:采用极大似然估计的计算方法,建立重构图像中的复振幅求解的模型;

在目标函数的建立过程中引入噪声协方差矩阵Ck,

nk为第k个面的噪声矩阵;

目标函数

z0位置重构面图像D0通过初始化振幅A0和Zernike多项式系数α0得到复振幅U0,通过角谱理论正向传播Δz的距离拟合出第二测量面图像D′2的复振幅U′2,通过公式(2)计算得到拟合的光强数据I′2,所述重构面图像D0反向传播Δz的距离拟合出第一测量面图像D′1的复振幅U′1,通过公式(2)计算得到拟合的光强数据I′1;I′=|U′|2   (2)。

6.根据权利要求3所述的一种双数字相机的激光光束质量全参数测量方法,其特征在于,所述根据所述目标函数非线性求解所述重构面图像D0的复振幅具体包括:初始化所述重构面图像D0的振幅A0,Zernike表达式的系数a0i(i=0...36)、迭代次数k值、通光孔径Nc;

其中,位相用公式(3)所示的Zernike表达式表示,所述重构面图像D0的复振幅U0如公式(4)所示,所述复振幅U0通过反向角谱传播Δz的距离拟合出第一测量面图像D′1的复振幅U′1,采用公式(2)计算获得所述第一测量面图像D′1的光强数据I′1;

将传播模型拟合出来的光强数据I′1和实际测量光强数据I1做差得到残差值;

正向角谱传播Δz的距离拟合出第二测量面图像D′2的复振幅U′2,通过公式(2)计算所述第二测量面图像D′2的光强数据I′2;

将所述光强数据I′2和实际测量光强数据I2做差得到残差值;

根据所述残差值得到目标函数,判断所述目标函数值是否≤ε;

如果不满足,通过非线性优化算法BFGS,通过计算搜索方向和步长确定迭代进行的方向和进行距离,增加迭代次数k=k+1,经迭代算法重新得到振幅A0k、Zernike系数aki(i=

0…36),通过公式(3)计算得到迭代后的位相 将位相 输入到重构面D0的复振幅如公式(4)所示对应的参数中,重新参与重构面D0的波前重构求解模型计算,循环求解模型目标函数的计算过程直到满足条件时,不再继续循环即得到最佳的振幅值A0,Zernike系数值aki(i=0…36),从而求解出重构面图像D0的复振幅U0;

7.根据权利要求3所述的一种双数字相机的激光光束质量全参数测量方法,其特征在于,所述根据所述重构面图像D0的复振幅计算激光光束质量的全参数包括:所述重构面图像D0位相信息φ0能够直接获得Zernike表达式的系数值,同时能够通过公式(5)计算获得位相的PV值:PV值=Vmax-Vmin   (5)

通过公式(6)计算获得位相的RMS值:

对所述重构面图像D0位相信息φ0计算位相梯度,一张图像的位相数据为一个矩阵,故对位相梯度进行计算分为X水平方向和Y垂直方向;X方向的梯度矩阵第一列元素为原矩阵第二列与第一列元素之差,第二列元素为原矩阵第三列与第一列元素之差除以2,以此类推如公式(7)所示,最后一列则为最后两列之差;Y方向的梯度矩阵计算方法和位相梯度与X方向一样;

在求解出位相梯度矩阵的基础上通过公式(8)和公式(9)分别计算位相梯度一阶矩和位相梯度二阶矩;

根据重构面D0振幅信息A0,通过公式(2)计算得到光强数据信息,分别通过公式(10)和(11)计算出光强度一阶矩和光强度二阶矩,通过位相梯度一阶矩和光强度一阶矩通过公式(12)计算出混合距;

其中,束腰直径通过公式(13)和(14)计算得到:

束腰位置通过公式(15)和(16)计算得到:

束宽通过公式(17)和(18)计算得到:

束宽积通过公式(19)和(20)计算得到:

BPPx=Wx·θx   (19)

BPPy=Wy·θy   (20)

远场发散角通过公式(21)和(22)计算可得:

M2因子通过公式(23)、(24)和(25)计算可得:K因子通过公式(26)计算可得;这样我们就完成了激光光束质量的全参数的测量;