一种激光光斑监测和光路自动准直集成系统技术方案

本发明专利技术涉及一种激光光斑监测和光路自动准直集成系统，包括光斑实时采集模块、计算机、步进电机控制模块和步进电机，所述步进电机与光路中的透镜相连用于调整透镜的角度，所述光斑实时采集模块用于采集激光光斑图像信息；所述计算机用于对采集到的光斑图像信息进行处理，并将其转换为准直控制变量；所述步进电机控制模块对步进电机进行控制实现光路自动准直。本发明专利技术具有实时性强、交互感好、集成度高、成本低、功能扩展方便以及操作简单等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种激光光斑监测和光路自动准直集成系统
本专利技术涉及一种光斑图像采集及信号实时处理系统，特别是涉及一种激光光斑监测和光路自动准直集成系统。
技术介绍
在大型高功率激光核聚变装置中，如美国诺瓦装置(Nova)、日本激光-12(GEKKO-12),我国的“神光-Ⅲ”装置等，为了确保振荡器发出的激光束能够稳定、精确地穿过预放大器、主放大器、倍频器、靶室，并精确地照射到微型靶丸上，均配置了光路自动准直系统。但在中小型高重复频率的激光装置中，如超快飞秒激光装置，自动准直系统并不多见，但光束的空间指向稳定性对超快激光物理实验研究非常重要，如空心光纤脉冲自压缩、载波包络相位稳定、超快抽运探测等要求光束的空间指向在较长时间内保持稳定。激光技术研究过程中，环境温度变化引起镜架的热胀冷缩、实验平台的震动引起的光路飘移以及空气的扰动等因素都会使激光光束的方向发生不同程度的偏移，特别是较复杂的激光系统，光路较长，影响更加明显。因此，光路自动准直装置对超快激光物理实验研究具有实际的应用价值，可以改善实验研究的精度。另外，准直光是光学领域学生和专业技术人员开展光学实验研究的必备工具。然而，现有的很多准直设备大都成本昂贵、集成度低，大多数的激光准直调节仍然依靠手动调节完成，因此，研制一套低成本、快速获取准直光的光路自动准直系统正是本专利技术的目的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种激光光斑监测和光路自动准直集成系统，具有实时性强、交互感好、集成度高、成本低、功能扩展方便以及操作简单等优点。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种激光光斑监测和光路自动准直集成系统，包括光斑实时采集模块、计算机、步进电机控制模块和步进电机，所述步进电机与光路中的透镜相连用于调整透镜的角度，所述光斑实时采集模块用于采集激光光斑图像信息；所述计算机用于对采集到的光斑图像信息进行处理，并将其转换为准直控制变量；所述步进电机控制模块对步进电机进行控制实现光路自动准直。所述光斑实时采集模块的采集模式包括单帧采集和多帧采集两种。所述计算机通过二值化、边缘提取及最小二乘法拟合的方式对光斑图像信息进行处理以得到光斑半径值及光斑的边缘锐度。所述激光光斑图像信息包括光斑的尺寸和抖动情况。所述计算机与步进电机控制模块通过串口的方式进行通信连接，通信协议采用ASCII码方式。所述步进电机控制模块采用逐次逼近算法控制所述步进电机使光路实现自动准直。有益效果由于采用了上述的技术方案，本专利技术与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本专利技术将光斑实时采集显示和光路自动准直集于一体，可以低成本、快速实现准直光束。本专利技术中的程序是基于VC的MFC架构实现的，可扩展性好，如需要检测光斑的其他参数，只需增加相应的成员函数即可。经过实验测试，本专利技术系统工作稳定、扩展性良好、成本低、操作方便，能够给实验人员快速获取准直光提供一种新思路。附图说明图1是本专利技术的系统结构示意图；图2是本专利技术中逐次逼近算法的流程图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本专利技术的实施方式涉及一种激光光斑监测和光路自动准直集成系统，包括光斑实时采集模块、计算机、步进电机控制模块和步进电机，所述步进电机与光路中的透镜相连用于调整透镜的角度，所述光斑实时采集模块用于采集激光光斑图像信息；所述计算机用于对采集到的光斑图像信息进行处理，并将其转换为准直控制变量；所述步进电机控制模块对步进电机进行控制实现光路自动准直。图1是本专利技术一套激光光斑监测和光路自动准直集成系统的结构框图。由图1可见，本专利技术包括光斑实时采集部分、图像信息处理部分和准直控制部分。光斑实时采集部分包括CCD和MV-U200图像采集卡，图像信息处理部分包括计算机，准直控制部分包括下位机STM32。CCD的光斑分辨率可在720×576以内范围自动调节，图像显示的制式也可在PAL和NTSC之间自动切换。MV-U200图像采集卡以每秒25帧的速度将激光光斑信号采集进内存并进行显示；计算机通过图像处理算法将采集到的图像信息处理成所需的准直控制变量，并进行显示，显示内容包括灰度值的X/Y轴显示、光斑半径值及其边缘锐度信息；下位机STM32通过串口通信的方式与计算机相连得到准直控制变量；其中，串口通信是指采用VC编程软件中的MSComm工具与下位机进行串口通信，例如下位机STM32的UART可采用CH340串口通信芯片与PC机进行通信，且通信协议采用ASCII码方式。所述的下位机STM32对步进电机进行控制，驱动步进电机工作以实现光路的自动准直。如图1所示，为了适应CCD的探测面积，激光束经透镜A和透镜B作用后，在CCD上成像，再经图像采集装置MV-U2000传送至计算机进行图像信息检测，光斑的尺寸和抖动情况等均可实时反映。准直控制部分，计算机与下位机STM32控制器进行通讯，进而驱动加装有透镜A的步进电机调整相应的步长，实现透镜A和激光束之间光路的调节，最终获得准直的激光束。光斑图像采集到内存后，计算机基于图像处理算法(如二值化、边缘提取及最小二乘法拟合)对光斑图像进行提取，获得待监测的参量。因本专利技术的目标是准直光调节，故只提取了光斑半径值及其边缘锐度，如需其他参量，只需扩展增加相应的成员函数即可。如图2所示，为使光路快速实现自动准直，本专利技术中，下位机STM32采用逐次逼近算法控制步进电机工作。逐次逼近算法是基于已提取的光斑图像的参数信息，控制步进电机调节准直光的位置，大致思路如下：首次进入精确调节时，无法预知光斑准直优化所需的步进电机的运动方向，因此先任意设置电机的前进方向；当步进电机运动一次后，若此时的光斑半径小于前一次的半径，则说明电机前进的方向正确，反之则前进方向有误并重新调整步进电机沿反方向运动。在确定步进电机的运动方向之后，开始执行逐次逼近的控制算法，即步进电机每运动一次后即时判断此时的光斑半径是否小于前一次的半径，如果小于则继续沿当前方向前行，反之则返回前次前进的步长，并在下次比较判断后以更小的步长调整步进电机移动，最终逼近光束的最优准直位置。本专利技术集光斑监测和光束准直控制于一体，光斑分辨率可在720×576以内范围自动调节，图像显示的制式可在PAL和NTSC之间自动切换，光斑采集的模式包括单帧采集和多帧采集两种。并且，光束准直调节控制部分，光斑的半径及其边缘对比度、光斑灰度值信息均可在图像采集的同时同步实时显示于操作界面上，增强了系统的可读性。此外，本系统还允许手动调节，设置了粗调和精确调节两种模式，人性化的设计可以进一步确保准直效果的最优化。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光光斑监测和光路自动准直集成系统，包括光斑实时采集模块、计算机、步进电机控制模块和步进电机，所述步进电机与光路中的透镜相连用于调整透镜的角度，其特征在于，所述光斑实时采集模块用于采集激光光斑图像信息；所述计算机用于对采集到的光斑图像信息进行处理，并将其转换为准直控制变量；所述步进电机控制模块对步进电机进行控制实现光路自动准直。

【技术特征摘要】
1.一种激光光斑监测和光路自动准直集成系统，包括光斑实时采集模块、计算机、步进电机控制模块和步进电机，所述步进电机与光路中的透镜相连用于调整透镜的角度，其特征在于，所述光斑实时采集模块用于采集激光光斑图像信息；所述计算机用于对采集到的光斑图像信息进行处理，并将其转换为准直控制变量；所述步进电机控制模块对步进电机进行控制实现光路自动准直。2.根据权利要求1所述的激光光斑监测和光路自动准直集成系统，其特征在于，所述光斑实时采集模块的采集模式包括单帧采集和多帧采集两种。3.根据权利要求1所述的激光光斑监测和光路自动准直集成系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶成樑，尚建华，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31