矩形激光光斑能量分布快速检测系统和方法与流程

本发明涉及检测技术领域，特别涉及一种通过精密控制的机械运动影响光电探测器所接收光照强度来检测矩形激光光斑的能量分布。

背景技术：

采用激光横向变形测量系统测量物体横向变形时，光强度较易受到环境因素影响，导致激光横向变形测量将受到诸多环境因素影响。为保证变形测量精度，需要一种简易的方法对变形测量系统进行快速、准确的标定；同时光斑强度分布的匀化程度对横向变形的测量精度具有决定性的作用，因此检测矩形激光光斑强度的分布规律，确定光斑能量匀化分布区域，对提高激光横向变形测量系统的测量精度具有重要意义。

激光光束的光强分布检测方法主要有移动测量法以及传感器阵列法两大类。其中，移动测量法又可分为狭缝法、小孔法、刀口法；传感器阵列法则主要有硅CCD和CMOS探测器阵列的相机测量法。

狭缝法是用一块带有一条狭缝的挡板去遮挡待测激光束，使得待测光斑只有狭缝所在位置的能量能够到达传感器，通过比较狭缝的位置和探测器的信号，就能得出激光束横截面光斑能量分布；小孔法则是在挡板上开一个小孔，通过不断平移小孔的位置得到光斑能量的分布情况，从而得到光斑能量的面分布，小孔法的测量精度通常取决于孔的大小以及移动的距离，孔越大，移动距离越大，测量结果误差也随之增大；刀口法采用的是总透射量的测量方法，将刀片固定在光学平移台上，采用刃口平直的刀口沿与光束传播方向垂直的方向切割光束，测量过程中需要通过慢慢调节平移台，采用激光功率计多次测量透过刃口边缘的激光功率，从而实现对光斑能量分布的测量。

采用硅CCD和CMOS探测器阵列的相机测量法检测激光束横截面能量分布可以方便的获取激光剖面图。测量时将光斑照射汇聚在探测器的工作区，通过光电效应，产生变化电流，从而对照射的光斑能量分布实现测量。

狭缝法可以比较方便地获得激光光斑离散的局部区域能量分布，但是不能直接得到整个光斑能量的全域面分布，根据数学原理，只有当各局部分布相互独立时才能由局部分布准确地还原出光斑整体的二维面分布；小孔法(参见“一种原位测量聚焦激光光斑能量分布的装置及方法”，申请号：201010124758.8)的优点是只要孔径足够小就可以得到一个准确的激光光斑能量分布情况。但该方法测量时间长,无法直接获得整体光斑的能量分布，而且在小孔尺寸一定的情况下,无法测量尺寸小于或与之处于同一量级的光斑。总体来说，狭缝法和小孔法均需通过不断的移动狭缝或者小孔的位置来记录透过的光束能量，无法模拟材料受力后的横向变形对光斑强度的影响，不适合用于激光横向变形测量系统的标定方法。

普通刀口法在测量过程中，为调节透过刀片边缘的激光功率，需要通过螺旋测微器慢慢移动光学平台，调节速度缓慢，由于缺乏精密的机械运动控制，存在较大的人为控制机械误差，同时，通过功率计来检测未遮挡的光束能量，不能快速的得到激光光束的光强分布曲线，无法快速确定矩形光斑能量匀化分布区域，限制其在激光横向变形测量系统中的快速标定应用。

传感器阵列法通常采用面阵CCD/CMOS器件作为感光元件，具有很高的灵敏性，当曝光时间为一定值时，激光光束中心的光强极易造成感光像元的过饱和，甚至溢出影响周边区域像元的正常工作，同时能量较弱的边缘区域却处于欠曝光状态，大大降低了动态测量的范围，影响了激光光斑能量分布测量的范围和精确度。除此之外，由于感光元件较高的敏感性，导致传感器阵列法所采用的硬件设备通常需要花费比其他测量方法更高的成本。另外传感器阵列法无法模拟材料横向变形影响，难以应用于激光横向变形测量系统的标定。

技术实现要素：

激光横向变形测量系统是新近发明的一种新型的变形测量方法(专利申请号：201610504094.5)，系统在实际变形测量中为保证测量精度需要快速进行测量精度的标定。本发明提出了一种通过精密控制的机械运动遮挡射向光电探测器的矩形光斑，从而改变光电探测器所接收的光照强度以检测光斑能量分布情况及光照强度与对应的运动位移关系，检测光斑能量分布的均匀性。借助精密控制的机械运动来模拟材料的横向变形，为形变测量提供便利的检测和标定方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明涉及的矩形激光光斑能量分布快速检测系统和方法的结构布置如图1所示。

矩形激光光斑能量分布快速检测系统，包括半导体激光器，方形光纤，支撑架，光纤头安装座，准直透镜，检测平台(包括丝杠、导轨)，遮挡板，移动平台，聚焦透镜，光电探测器，BNC连接线，数字存储示波器，STP网线，计算机，42步进电机，控制线，步进电机控制器；所述准直透镜和聚焦透镜的几何中心保持在一条轴线上，且主平面互相平行；所述光电探测器、数字存储示波器和计算机电连接；所述步进电机和步进电机控制器电连接；所述遮挡板平面平行于准直透镜、光电探测器主平面，其运动方向亦与他们保持平行。

所述半导体激光器用于发射激光，激光经过方形光纤和准直透镜匀化后照射到光电探测器；

所述方形光纤和准直透镜用于匀化激光强度分布；

所述聚焦透镜用于会聚激光束于光电探测器的感光区域；

所述光电探测器用于接收聚焦后的激光照射并感知光强度信号，通过光电转换获得光强度信号对应的电信号；

所述检测平台由步进电机控制器、42步进电机、导轨和丝杠、移动平台和遮挡板组成，用于激光光斑强度分布检测以及横向变形测量标定；

所述步进电机控制器通过调节驱动器的细分结合设计程序使42步进电机平滑运转，减少振动和噪声提高运转精度，并驱动丝杠带动移动平台和遮挡板按照指定的运动方式精确运动；

所述42步进电机用于驱动丝杠以及移动平台和遮挡板的运动；

所述导轨用于支撑移动平台并保证遮挡板的运动始终平行于准直透镜和光电探测器的主平面；

所述丝杠用于驱动移动平台并精确控制移动平台和遮挡板的移动位移；

所述移动平台通过丝杠的精密驱动，为与其连接的遮挡板提供精确的移动位移；

所述遮挡板随移动平台沿垂直于激光束的方向运动以改变光电探测器所接收的矩形激光光斑强度，检测激光光斑的能量分布情况；

所述数字存储示波器和计算机用于对电信号进行计算和显示。

本发明的有益效果是：矩形激光光斑能量分布快速检测系统，其特征在于，所述步进电机控制器通过采用不同的控制程序实现控制遮挡板以不同的运动模式运动。能够以多种不同方式检验矩形激光光斑能量匀化与分布情况，并可以模拟各种横向变形模态，为横向变形测量提供快速、准确和可靠的标定；本发明具有较高的检测精度，能够快速准确的检测光斑强度的匀化分布状态；同时也能够模拟材料横向变形特征，为材料横向变形测量提供快速准确的标定。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，所述的用于驱动移动平台的42步进电机可以换装更为精密的伺服电机，以提高检测系统的检测精度。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用伺服电机可以提高控制丝杠运动的精度，为移动平台提供更为精准的移动位移控制。

进一步的，所述丝杠的精度决定了移动平台移动位移的精度，采用更高精度的丝杠能够提高检测平台的检测精度。

采用上述进一步方案的有益效果是：可以提高光斑强度检测精度，同时提高横向变形测量标定的精度。

矩形激光光斑能量分布快速检测方法，包括以下步骤：

步骤S1、将匀化矩形光斑对轴照射到光电探测器；

步骤S2、根据遮挡板(7)所需的检测运动特征要求，编制步进电机控制器(17)的控制程序；

步骤S3、由步进电机控制器输入指令，控制42步进电机的转动；

步骤S4、由42步进电机带动丝杠(6-②)运动；

步骤S5、通过丝杠控制移动平台(8)按设定运动特征精确运动，使光电探测器接收的光照强度由于遮挡板的运动而发生改变；通过光电转换获得光强度发生变化前后所对应的电信号；

步骤S6、采用数字存储示波器或他测量方法检测光电探测器输出的电信号；

步骤S7、将电信号进行计算和显示，得到电压和遮挡板移动位移关系曲线。在遮挡板匀速运动或等距移动条件下，线性关系曲线说明矩形光斑强度分布均匀，强度匀化作用较为理想；非线性关系曲线代表矩形光斑强度分布不均，强度匀化效果不佳。

附图说明

图1为本发明矩形激光光斑能量分布快速检测系统和方法结构装置示意图；

图2为本发明矩形激光光斑能量分布快速检测系统和方法实施流程简图；

图3为本发明遮挡板等步移动静态遮光过程数字万用表记录输出电压所得电压位移曲线图；

图4为本发明遮挡板等步移动静态退出遮光过程数字万用表记录输出电压所得电压位移曲线图；

图5为本发明遮挡板匀速遮光过程数字存储示波器记录输出电压波形图；

图6为本发明遮挡板匀速退出遮光过程数字存储示波器记录输出电压波形图；

图7为本发明数字存储示波器和数字万用表所得曲线图中关键点在矩形光斑中位置分布图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、半导体激光器；2、方形光纤；3、支撑架；4、光纤头安装座；5、准直透镜；6、检测平台；6-①、导轨；6-②、丝杠；7、遮挡板；8、移动平台；9、聚焦透镜；10、光电探测器；11、BNC连接线；12、数字存储示波器；13、STP网线；14、计算机；15、42步进电机；16、控制线；17、步进电机控制器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的方法、原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的检测方法是：将半导体激光器发出的激光束照射在光电探测器上，通过精密控制的机械运动，使垂直于激光束的遮挡板在光束中以精确的微小位移移动，以期改变照射在光电探测器上的光斑强度，引发光电转换的输出电压产生变化。通过数字存储示波器采集并显示电压信号，根据采集的电压信号以及遮挡板精确移动的位移，获得电压与位移之间的变化关系，实现对矩形激光光斑强度分布情况的检测与标定。

本发明的检测原理为：系统运行时，通过步进电机控制器使42步进电机带动遮挡板沿精密导轨逐步遮挡激光束，而半导体激光器通过固定好的准直透镜将矩形光斑照射到聚焦透镜并会聚到光电探测器的感应区；随着激光光束被逐步遮挡，导致光电探测器因接收的光照面积减小而改变输出电压，变化的电压通过BNC连接线将信号传输到数字存储示波器进行波形分析、显示和存储，最终通过STP网线传送到计算机对波形作进一步分析。通过数字存储示波器捕获的波形，可以分析光电探测器输出电压和遮挡板移动距离之间存在的线性关系标定变形测量，并以此检测矩形激光光斑的能量分布，确定能量匀化区域。如图2所示为矩形激光光斑能量分布快速检测系统和方法实施流程简图。

本发明所涉及检测系统特征及实验实例描述：

(1)本发明所涉及检测系统的组成

矩形激光光斑能量分布快速检测系统主要由矩形激光斑发射系统、机电控制系统、光电转换系统、信号分析系统四部分组成。

矩形激光斑发射系统由半导体激光器、方形光纤、准直透镜、光纤头安装座组成。

机电控制系统由42步进电机、控制线、步进电机控制器、支撑架、检测平台(含导轨、丝杠)、移动平台、遮挡板组成。

光电转换系统由聚焦透镜、光电探测器、BNC连接线组成。

信号分析系统由数字存储示波器、STP网线、计算机组成。

(2)本发明所涉及检测系统关键部件型号选定

矩形激光斑发射系统：半导体激光器波长为635nm、输出功率范围0-500mw；方形光纤芯径200um、数值孔径0.22；准直透镜焦距10mm；光纤头安装座由铝材定制加工而成。

机电控制系统：42步进电机步距角1.8°；步进电机控制器中驱动器采用Leadshine公司M420型号，支持128倍细分，可通过调节八位拨码开关组，设定动态工作电流(共8等级)、静态减流和细分精度，并且采用RIGOL公司DP1308A电源来提供稳定的24v供电电压；支撑架由20*20mm铝型材搭建；导轨、丝杠直径均为10mm，丝杠导程2mm；遮挡板由1.5mm铝板高精度激光切割而成。

光电转换系统：光电探测器采用THORLABS公司的PDA8A/M型号固定增益硅探测器，其响应波长320-1000nm、带宽50MHz、噪声等效功率6.5pW、具备BNC信号输出。

信号分析系统：数字存储示波器采用RIGOL公司DS4024型号示波器，具备200MHz模拟带宽、4模拟通道。

(3)本发明所涉及检测系统的检测参数设定

半导体激光器功率：100mw；矩形光斑长度：4mm；遮挡板前进速度：0.1mm/按键(静态等步长)，0.25mm/s(动态匀速)；数字存储示波器水平时基：2s，时基模式：Y-T模式，垂直电压：500mv/div，采样方式：高分辨率，运行方式：Auto；步进电机供电电压：24v；步进电机控制器：M420驱动器8位拨码开关1、2、3、6、7为OFF状态，4、5、8为ON状态(2.00A，全流电流设定，64倍细分，12800步数/圈)。

(4)实验实例分析

本发明为了满足模拟材料的横向变形需要，为其提供高精度标定，通过对步进电机控制器输入不同的控制程序来改变遮挡板的运动模式；因此，所涉及的检测系统和方法在本实验实例验证中，根据遮挡板运动信号特征分别采用了数字万用表采集等步长移动的静态检测信号，数字存储示波器采集匀速移动的动态检测信号。当遮挡板通过等步长移动定位于矩形光斑的不同位置时，与光电探测器连接的电压数字万用表能够方便的直接读出信号电压，了解电压值的变化；而当遮挡板匀速运动时，数字存储示波器能够持续采集遮挡板运动的电压信号，获得矩形光斑的能量分布曲线，快速确定强度匀化区域。本实验通过两种数据采集方法的对比分析，旨在进一步说明本发明所涉及的检测系统和方法可以实现矩形激光光斑强度分布情况的不同检测方式，在非接触横向变形测量系统的测量标定中具有的适用性和有效性。

①等步长移动静态检测数字万用表结果分析

等步长移动静态检测通过BM8300L数字万用表来记录光电探测器的输出电压。采用数字万用表检测时，半导体激光器功率为100mw，通过控制程序的编写，使步进电机每次按键转过18°，由于采用2mm导程丝杠，因而每次按键遮挡板前进0.1mm，而光斑长度为4mm，因而记录40个不同位置时的输出电压值，并根据获取的电压值绘制遮挡板静态等步长遮挡光斑过程的电压位移曲线(参见图3)。当按键40次，即完成整个光斑长度的检测；采用同样的方式，再通过逐次按下步进电机反转键，并记录不同位置输出电压值，绘制遮挡板等步长静态退出遮挡光斑过程的电压位移曲线图，如图4所示。

图3、图4中a、b、c、d四点为便于结果分析而添加的区域分界点。图3显示光斑未遮挡时光电探测器的输出电压为1.10v，矩形光斑ab段(左端0.5mm)和cd段(右端0.5mm)(参见图7)光强分布极其微弱,输出电压基本不变；随着遮挡板进入bc段，电压显示非线性变化，说明光强分布仍不均匀；进入bc段的中间部分(中心1mm分布区域)所记录的电压与遮挡板移动位移之间呈现出较为明显的线性关系，说明光强匀化程度较高；待矩形光斑被全部遮挡时，输出电压降为0。

图4为等步长静态退出遮光过程数字万用表所记录的遮挡板处于不同位置时输出的电压值，检验系统机械运动的精准度。图4中，电压位移曲线与图3光斑强度分布曲线具有较好的一致性，dc段(右端0.5mm)和ba段(左端0.5mm)光强分布极其微弱,同样进入cb段电压显示非线性变化，说明光强分布不均匀，cb段的中间部分(中心1mm部分)显示退出遮光过程遮挡板移动位移和输出电压之间具有较为明显的线性关系；待完全退出遮光时，输出电压升至1.10v。

数字万用表等步长移动静态检测能够方便的获得遮挡板处于矩形光斑不同位置时光电探测器的输出电压值。通过检测不同位置点的电压值，绘制遮挡板的位移电压曲线能够检测矩形光斑的能量分布。

②匀速移动动态检测的数字存储示波器结果分析

匀速移动动态检测通过编写控制程序，使遮挡板以匀速运动遮挡矩形光斑。图5为数字存储示波器记录的遮挡板匀速运动遮光过程电压波形图。理论上如果遮挡速度为0.25mm/s，需要16s时间遮挡长度为4mm的矩形光斑；图5结果显示AD之间的时间间隔恰为16s，说明步进电机0.25mm/s速度控制的准确度。匀速遮挡过程显示，未遮挡时A点峰值电压为1.10v，矩形光斑AB段(左端0.5mm)和CD段(右端0.5mm)光强分布极其微弱，输出电压基本不变；而随着遮挡板进入BC段，电压显示非线性变化，在BC段中间部分(中心1mm区段)电压呈明显线性关系，待全部遮挡电压降为0。

图6为遮挡板匀速退出遮光过程数字存储示波器记录的波形图，再次验证了系统机械运动的精准度，从D点开始遮挡板匀速退出遮挡至完全退出位置A点。匀速退出遮挡过程在D点完全遮挡电压为0，矩形光斑DC段(右端0.5mm)输出电压基本不变，而BC段的起始部分，电压仍呈非线性变化，只有中间段(中心1mm区域)呈现明显线性关系；待退出至B点，电压升至1.10v，BA段(左端0.5mm)电压基本不变，说明光强分布极其微弱。

数字存储示波器匀速运动动态检测通过采集遮挡板在矩形激光光斑中匀速运动时的连续输出电压，显示实时波形；能够准确、快速的得到电压位移曲线，检验矩形激光光斑的能量分布状况。为材料横向变形测量提供准确标定。

③两种检测结果对比分析

图7为遮挡板遮光和退出遮光过程中数字存储示波器记录波形的A、B、C、D四个关键点和数字万用表测量波形中a、b、c、d四个关键点在矩形光斑中对应位置分布图。表1为静态和动态两种测试方法获得的矩形光斑能量分布状态测试结果。

表1 数字存储示波器与数字万用表检测结果对比分析表

表1结果表明，对于长度为4mm的矩形光斑遮挡板在同一运动模式下(等步长运动或匀速运动)，其遮光过程和退出遮光过程得到的光斑能量分布完全一致，验证了系统机械机构运动具有的精准度；等步长运动和匀速运动这两种不同运动的检测结果说明系统能够对光斑能量分布进行有效和准确的检测。

结论：

a.4mm长度的矩形光斑能量呈对称性分布，左右各0.5mm的能量分布极其微弱，光电探测器没有能量感应信号；

b.4mm矩形光斑中心段(1mm区域)的位移电压之间具有明显的线性关系，表明该区域中矩形激光光斑能量匀化程度较高，呈均匀分布状态。

本发明所涉及的步进电机控制器可以根据需要输入不同的控制程序，为遮挡板提供不同的运动模式；本发明能够快速检测矩形光斑能量分布，确定匀化区域范围，实现了矩形激光光斑强度分布情况的检测与标定，具有较高的检测精度，可直接应用于标定横向变形测量系统的测量。