相位基于散焦光栅的M2因子测量软件设计.doc

相位基于散焦光栅的M2因子测量软件设计谢宁 国防科大光电学院 摘要： 世界上第一台激光器诞生距今已有 40 多年，研究、测量激光的空间能量分布，给出激光光束质量的科学评价，对激光器设计及应用来说有着极其重要的意义。本文主要是研究基于散焦光栅的因子测量系统，课题具有可行性、实用性，具有科学研究的价值。关键词： 相位 散焦光栅 M2因子 测量因子的测量计算方法有：两点法、三点法以及双曲线拟合法，其中以双曲线拟合法最为精确。该方法要求在待测光束束腰两侧两倍瑞利范围内测量多点的光强分布，然后由测得的光强分布计算束宽，进而拟合出曲线得到值。因此如何测量多点的光强分布是问题的关键。1、M2因子测量系统总体设计本系统主要包括氦氖光管、衰减片、括束镜、散焦光栅与透镜、探测器（CCD 摄像机）、计算机（包括图像采集卡和分析软件）这几部分。将正交光栅组、短焦透镜以及放置在透镜焦平面上用以探测光斑的封装在一起，光栅通过加工的铝圈直接安装在镜头前侧，与镜头距离很近，探测器通过镜头后面的接口与其相连。待测激光束经衰减片及扩束镜后入射到由光栅、透镜和探测器组成的系统，通过对探测的光斑进行处理，即可得到待测激光束的光束质量。本系统采用上海埃波激光仪器有限公司生产的型氦氖光管，其输出功率大于，输出束宽约为1；衰减片由中性玻璃制成，吸收系数稳定，表面均匀性较好，实验中根据需要对6个不同衰减程度的衰减片组合使用；扩束镜为倍扩束。短焦透镜采用的是适马公司生产的型标准定焦镜头，其焦距，它有多组透镜组成，可以很好的消除像差。探测器为JAI公司生产的 型黑白10位数字相机，其感光面分辨率为 ，感光面面积为，像素大小为，像素亮度动态范围为，背景灰度值为100，噪声不超过32。2 软件系统设计2.1 软件需求分析在经过需求分析之后，我们可以从两个角度讨论程序结构框架。首先我们从开发平台 MFC 所规定的文档/视图结构来看。对于应用程序的主窗口，其操作功能主要在 MFC 的 CMDIFrameWnd 和 CFrameWnd类中实现，它已经不再以消息处理为工作重点，而是主要用作容器，来盛放视图、工具栏以及其他用户界面对象。将文档与它的视图分开的程序设计模型是有很大优点的，它使软件组件的工作分工更明确，而且形成高度模块化作业，这符合当今编程的思想潮流。利用 MFC 体系结构最大的优点是它简化了开发过程，提高了开发效率。因为主结构已经为你提供了处理常规杂务的程序代码，开发者只需要填充他的程序所不同于其他程序的代码就可以了。其次还可以从功能划分的角度来讨论程序结构。M2因子测量软件系统设计分为5个功能子模块：图像处理模块、图像分析模块、像素统计模块、M2因子计算模块和工具模块，其中，图像处理、图像分析、像素统计和M2因子计算模块是核心处理模块基础，工具模块是辅助性功能模块，主要完成配置信息的记录、读取等功能，并依据所处理的图像内容生成工程文件。M2因子测量软件系统的软件开发，采用面向对象的方法，使用UML进行建模。软件的架构设计采用MVC模式，分层次开发。软件开发语言采用Microsoft公司开发工具VS.NET开发系统中的C#语言，数值计算采用Matlab完成。3、运行和测试首先将激光器、光栅、CCD 摄像机按顺序固定在光学器件导轨上，使其主轴位于同一直线上。连接好相关数据线，接通电源并开启激光器。通过监视器捕捉激光光斑的位置，使其照射到 CCD 器件的中央。注意观察激光束的入射光功率，使其在不使 CCD 器件饱和的情况下尽量达到最大。可以根据监视器上激光光束的颜色来判断入射光功率的大小。每次进行测量之前要先进行图像灰度校准。具体操作是，使 CCD 摄像机保持机状态，阻断入射激光，采集激光被阻断时的图像。该图像为各种噪声和不均衡性的累积效果图像。将通过该图像求得的校准参数存储在校准变量中。注意，校准时应尽量使用阻断入射激光的办法，而避免直接关闭激光器。否则，激光器从开机到运行稳定还要有一段恢复时间，此时如果立即进行测量会影响测量结果的准确性。可以根据不同要求对激光光束进行单次测量和实时连续测量。最后给出待测参数的计算结果。综上所述，实验主要分为以下几个步骤：按照需要连接实验仪器；调整入射激光位置和强度；进行背景光和噪声校准；采集图像进行测量；进行分析并给出结果。测量结果分为三部分在 3 个窗口分别进行显示。下面对各个结果显示；口进行简单说明。采集窗口负责预览图像和显示采集到的图像的工作。采用伪彩色编码实现显示。启动采集卡后处于预览图像状态，此时可以看到欲采集的图像，但不会进行保存。点击开始采集命令后，得到采集到的图像，并覆盖掉预览窗口将获得的图像显示在该窗口上。该图像被存储在内存的指定区域中。图像平滑分析窗口要用于突出图像的宽大区域、低频成分、主干部分或抑制图像噪声和干扰高频成分，使图像亮度平缓渐变，减小突变梯度，改善图像质量。操作人员依据图像情况，使用该处理功能对图像进行图像亮度变更处理，调整光斑的相对亮度。图像分割处理分析窗口对图像进行二值化处理，所有不为0的像素点全部变为1，其余像素点变为0，以此进行光斑识别。而后将图像进行9宫格分割处理，产生9个内存图像，并识别出每一个光斑x和y两个方向的光斑直径，并绘图显示出直径变化曲线。通过结果的对比，我们不难发现两套软件中 13.5%光束直径（包括横向和纵向）质心辐照度、质心和峰值的坐标的测量值基本上一致。但是考虑到被测激光器的稳定性并不是很理想，光束的直径会在一定范围内作变动，因此该测试结果还是比较理想的。参考文献1 杨进华，胡楠.光电法测试激光束散角研究.长春理工大学学报，2009，32(4)：5282 戚祖敏.激光眼科技术的应用现状及发展趋势.应用激光，2008，28(5)：437-4403 邓玲,陈仕国等.悄然兴起的新型手术刀激光刀.