本發(fā)明涉及一種光斑圖像采集及信號實時處理系統(tǒng)，特別是涉及一種激光光斑監(jiān)測和光路自動準直集成系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在大型高功率激光核聚變裝置中，如美國諾瓦裝置(Nova)、日本激光-12(GEKKO-12),我國的“神光-Ⅲ”裝置等，為了確保振蕩器發(fā)出的激光束能夠穩(wěn)定、精確地穿過預放大器、主放大器、倍頻器、靶室，并精確地照射到微型靶丸上，均配置了光路自動準直系統(tǒng)。但在中小型高重復頻率的激光裝置中，如超快飛秒激光裝置，自動準直系統(tǒng)并不多見，但光束的空間指向穩(wěn)定性對超快激光物理實驗研究非常重要，如空心光纖脈沖自壓縮、載波包絡(luò)相位穩(wěn)定、超快抽運探測等要求光束的空間指向在較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定。激光技術(shù)研究過程中，環(huán)境溫度變化引起鏡架的熱脹冷縮、實驗平臺的震動引起的光路飄移以及空氣的擾動等因素都會使激光光束的方向發(fā)生不同程度的偏移，特別是較復雜的激光系統(tǒng)，光路較長，影響更加明顯。因此，光路自動準直裝置對超快激光物理實驗研究具有實際的應用價值，可以改善實驗研究的精度。

另外，準直光是光學領(lǐng)域?qū)W生和專業(yè)技術(shù)人員開展光學實驗研究的必備工具。然而，現(xiàn)有的很多準直設(shè)備大都成本昂貴、集成度低，大多數(shù)的激光準直調(diào)節(jié)仍然依靠手動調(diào)節(jié)完成，因此，研制一套低成本、快速獲取準直光的光路自動準直系統(tǒng)正是本發(fā)明的目的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種激光光斑監(jiān)測和光路自動準直集成系統(tǒng)，具有實時性強、交互感好、集成度高、成本低、功能擴展方便以及操作簡單等優(yōu)點。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供一種激光光斑監(jiān)測和光路自動準直集成系統(tǒng)，包括光斑實時采集模塊、計算機、步進電機控制模塊和步進電機，所述步進電機與光路中的透鏡相連用于調(diào)整透鏡的角度，所述光斑實時采集模塊用于采集激光光斑圖像信息；所述計算機用于對采集到的光斑圖像信息進行處理，并將其轉(zhuǎn)換為準直控制變量；所述步進電機控制模塊對步進電機進行控制實現(xiàn)光路自動準直。

所述光斑實時采集模塊的采集模式包括單幀采集和多幀采集兩種。

所述計算機通過二值化、邊緣提取及最小二乘法擬合的方式對光斑圖像信息進行處理以得到光斑半徑值及光斑的邊緣銳度。

所述激光光斑圖像信息包括光斑的尺寸和抖動情況。

所述計算機與步進電機控制模塊通過串口的方式進行通信連接，通信協(xié)議采用ASCII碼方式。

所述步進電機控制模塊采用逐次逼近算法控制所述步進電機使光路實現(xiàn)自動準直。

有益效果

由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果：本發(fā)明將光斑實時采集顯示和光路自動準直集于一體，可以低成本、快速實現(xiàn)準直光束。本發(fā)明中的程序是基于VC的MFC架構(gòu)實現(xiàn)的，可擴展性好，如需要檢測光斑的其他參數(shù)，只需增加相應的成員函數(shù)即可。經(jīng)過實驗測試，本發(fā)明系統(tǒng)工作穩(wěn)定、擴展性良好、成本低、操作方便，能夠給實驗人員快速獲取準直光提供一種新思路。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中逐次逼近算法的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

本發(fā)明的實施方式涉及一種激光光斑監(jiān)測和光路自動準直集成系統(tǒng)，包括光斑實時采集模塊、計算機、步進電機控制模塊和步進電機，所述步進電機與光路中的透鏡相連用于調(diào)整透鏡的角度，所述光斑實時采集模塊用于采集激光光斑圖像信息；所述計算機用于對采集到的光斑圖像信息進行處理，并將其轉(zhuǎn)換為準直控制變量；所述步進電機控制模塊對步進電機進行控制實現(xiàn)光路自動準直。

圖1是本發(fā)明一套激光光斑監(jiān)測和光路自動準直集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。由圖1可見，本發(fā)明包括光斑實時采集部分、圖像信息處理部分和準直控制部分。光斑實時采集部分包括CCD和MV-U200圖像采集卡，圖像信息處理部分包括計算機，準直控制部分包括下位機STM32。CCD的光斑分辨率可在720×576以內(nèi)范圍自動調(diào)節(jié)，圖像顯示的制式也可在PAL和NTSC之間自動切換。MV-U200圖像采集卡以每秒25幀的速度將激光光斑信號采集進內(nèi)存并進行顯示；計算機通過圖像處理算法將采集到的圖像信息處理成所需的準直控制變量，并進行顯示，顯示內(nèi)容包括灰度值的X/Y軸顯示、光斑半徑值及其邊緣銳度信息；下位機STM32通過串口通信的方式與計算機相連得到準直控制變量；其中，串口通信是指采用VC編程軟件中的MSComm工具與下位機進行串口通信，例如下位機STM32的UART可采用CH340串口通信芯片與PC機進行通信，且通信協(xié)議采用ASCII碼方式。所述的下位機STM32對步進電機進行控制，驅(qū)動步進電機工作以實現(xiàn)光路的自動準直。

如圖1所示，為了適應CCD的探測面積，激光束經(jīng)透鏡A和透鏡B作用后，在CCD上成像，再經(jīng)圖像采集裝置MV-U2000傳送至計算機進行圖像信息檢測，光斑的尺寸和抖動情況等均可實時反映。準直控制部分，計算機與下位機STM32控制器進行通訊，進而驅(qū)動加裝有透鏡A的步進電機調(diào)整相應的步長，實現(xiàn)透鏡A和激光束之間光路的調(diào)節(jié)，最終獲得準直的激光束。

光斑圖像采集到內(nèi)存后，計算機基于圖像處理算法(如二值化、邊緣提取及最小二乘法擬合)對光斑圖像進行提取，獲得待監(jiān)測的參量。因本發(fā)明的目標是準直光調(diào)節(jié)，故只提取了光斑半徑值及其邊緣銳度，如需其他參量，只需擴展增加相應的成員函數(shù)即可。

如圖2所示，為使光路快速實現(xiàn)自動準直，本發(fā)明中，下位機STM32采用逐次逼近算法控制步進電機工作。逐次逼近算法是基于已提取的光斑圖像的參數(shù)信息，控制步進電機調(diào)節(jié)準直光的位置，大致思路如下：首次進入精確調(diào)節(jié)時，無法預知光斑準直優(yōu)化所需的步進電機的運動方向，因此先任意設(shè)置電機的前進方向；當步進電機運動一次后，若此時的光斑半徑小于前一次的半徑，則說明電機前進的方向正確，反之則前進方向有誤并重新調(diào)整步進電機沿反方向運動。在確定步進電機的運動方向之后，開始執(zhí)行逐次逼近的控制算法，即步進電機每運動一次后即時判斷此時的光斑半徑是否小于前一次的半徑，如果小于則繼續(xù)沿當前方向前行，反之則返回前次前進的步長，并在下次比較判斷后以更小的步長調(diào)整步進電機移動，最終逼近光束的最優(yōu)準直位置。

本發(fā)明集光斑監(jiān)測和光束準直控制于一體，光斑分辨率可在720×576以內(nèi)范圍自動調(diào)節(jié)，圖像顯示的制式可在PAL和NTSC之間自動切換，光斑采集的模式包括單幀采集和多幀采集兩種。并且，光束準直調(diào)節(jié)控制部分，光斑的半徑及其邊緣對比度、光斑灰度值信息均可在圖像采集的同時同步實時顯示于操作界面上，增強了系統(tǒng)的可讀性。此外，本系統(tǒng)還允許手動調(diào)節(jié)，設(shè)置了粗調(diào)和精確調(diào)節(jié)兩種模式，人性化的設(shè)計可以進一步確保準直效果的最優(yōu)化。