嵌入式激光光束質(zhì)量分析系統(tǒng)的研究.pdf

1、本文以吉林省科技廳項(xiàng)目(項(xiàng)目號(hào)：20070325)及31基地項(xiàng)目激光xxxxxx系統(tǒng)為依托，對(duì)嵌入式激光光束質(zhì)量分析系統(tǒng)做了系統(tǒng)地研究，探討了激光光束質(zhì)量測(cè)量的相關(guān)理論和評(píng)價(jià)方法，詳細(xì)論述了嵌入式圖像處理技術(shù)及嵌入式激光光束質(zhì)量分析系統(tǒng)圖像處理平臺(tái)的構(gòu)建，分析了系統(tǒng)各單元性能對(duì)測(cè)量精度的影響，并介紹了激光光束質(zhì)量分析系統(tǒng)的研制和實(shí)際應(yīng)用。 簡(jiǎn)單分析測(cè)量激光光束質(zhì)量的意義，分析了目前激光光束質(zhì)量測(cè)量中采用的幾種常用方法，通過(guò)比較各

2、種方法的使用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，提出了把光束質(zhì)量因子法即M2因子法作為本系統(tǒng)評(píng)價(jià)激光光束質(zhì)量的主要方法，具有評(píng)價(jià)精度高、綜合考慮激光光束近場(chǎng)特性和遠(yuǎn)場(chǎng)特性等優(yōu)點(diǎn)。 在回顧和總結(jié)高斯光束傳輸與變換特性的基礎(chǔ)上，詳述了激光光束傳輸特性參數(shù)測(cè)量的基礎(chǔ)理論和方法，介紹了二階矩、光束參數(shù)積、衍射極限倍率因子和光束傳輸因子等激光光學(xué)基礎(chǔ)概念及其物理意義；介紹了ISO標(biāo)準(zhǔn)文件規(guī)定的激光束參數(shù)測(cè)量步驟、評(píng)價(jià)方法和相關(guān)光束質(zhì)量因子計(jì)算公式。 在

3、研究激光光束質(zhì)量評(píng)價(jià)理論基礎(chǔ)上，本文提出了面陣數(shù)字CCD技術(shù)、嵌入式技術(shù)及現(xiàn)代專(zhuān)用集成電路技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)嵌入式激光光束質(zhì)量分析系統(tǒng)的方法。研究了嵌入式圖像處理技術(shù)，介紹了嵌入式圖像處理系統(tǒng)的應(yīng)用、嵌入式Linux操作系統(tǒng)及嵌入式圖形用戶界面，并重點(diǎn)探討了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用QT/Embedded編程的關(guān)鍵技術(shù)，在綜合以上關(guān)鍵技術(shù)的前提下，設(shè)計(jì)了嵌入式激光光束質(zhì)量分析系統(tǒng)圖像處理平臺(tái)，主要包括建立嵌入式交叉編譯環(huán)境、移植引導(dǎo)加載程序、進(jìn)行嵌入

4、式Linux的剪裁與移植等工作。在分析系統(tǒng)中影響激光光斑圖像質(zhì)量的主要因素后，重點(diǎn)闡述了嵌入式處理器運(yùn)行去除圖像噪聲中值濾波算法、圖像灰度抖動(dòng)消除算法、幀平均等算法如何處理激光光斑圖像信息，減小系統(tǒng)測(cè)量誤差。 系統(tǒng)硬件單元的研制工作主要包括：光學(xué)衰減、聚焦及反射光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；精密機(jī)械部件的研制；步進(jìn)電機(jī)控制、激光光斑圖像數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸單元、圖像處理和顯示等電子學(xué)系統(tǒng)研制。較好的解決了圖像數(shù)據(jù)采集和傳輸中現(xiàn)場(chǎng)門(mén)陣列緩存，直

5、接存儲(chǔ)器存取方式數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部件的精密裝配、聯(lián)調(diào)和測(cè)試表明：該系統(tǒng)能夠精確、快速的測(cè)量激光器光束質(zhì)量，直觀地給出激光光束質(zhì)量M2因子的值、束腰直徑、束腰位置、束散角、激光光斑的二維、三維分布和光斑形狀等重要激光光束特性。嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)的采用提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，所以，本系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、快速地測(cè)量出激光光束質(zhì)量，真正意義上實(shí)現(xiàn)了激光光束質(zhì)量的實(shí)時(shí)測(cè)量。 綜上，論文用矩陣方法研究高斯光束通過(guò)薄透鏡的傳輸和變換性質(zhì)，以

6、及高斯光束的特性參數(shù)，重點(diǎn)對(duì)光束質(zhì)量的評(píng)價(jià)和測(cè)量進(jìn)行了闡述，采納國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定的測(cè)量建議，建立了一套以數(shù)字CCD為光斑探測(cè)器，結(jié)合嵌入式處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列技術(shù)的激光光束質(zhì)量分析系統(tǒng)。最后，應(yīng)用該系統(tǒng)測(cè)量了氦氖激光器激光光束光強(qiáng)分布，用二階矩積分法計(jì)算出激光光束參數(shù)，并用雙曲線擬合法測(cè)量出光束質(zhì)量因子，對(duì)采集光斑進(jìn)行背景相減去噪、多幀圖像數(shù)據(jù)平均消除抖動(dòng)以及高斯擬合得到了比較完整的光強(qiáng)分布信息。 嵌入式激光光束質(zhì)量分析系統(tǒng)的研