CN101435700A

CN101435700A - 红外激光照明源发散角的测试方法及测试装置

Info

Publication number: CN101435700A
Application number: CNA2008102384142A
Authority: CN
Inventors: 王峻宁; 余志勇
Original assignee: CETC 41 Research Institute
Current assignee: CETC 41 Research Institute
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2028-12-10
Also published as: CN101435700B

Abstract

本发明属于光学领域，具体涉及红外激光照明源发散角的测试方法及测试装置。该测试方法基于反射成像原理，它采用由CCD成像单元记录漫射靶反射的红外激光，通过可变焦光学镜头成像，经CCD摄像机换成数字图像，由计算机处理系统运用图像处理技术对光斑进行分析得出光束发散角。本发明所提供的红外激光照明源发散角的测试装置由被测红外激光照明源、漫射靶、由衰减片装置、可变焦光学透镜、滤光片、CCD摄像机构成的CCD成像单元及计算机处理系统7组成。本发明提供的红外激光照明源发散角的测试方法及装置具有操作简单、测试快速、测量发散角的范围较大及测试精度相对较高的优点。

Description

红外激光照明源发散角的测试方法及测试装置

所属技术领域

本发明属于光学领域，具体涉及红外激光照明源发散角的测试方法及测试装置。

背景技术

红外激光照明源用于监视成像系统照明，与一般激光器不同，它的光束经过扩束和匀化处理。激光光束的发散角是一种评价红外激光照明源、决定红外激光照明源应用领域的重要指标，而且在监视对象距离变化时，照明源需要改变发散角，以保证近距离时有足够的视场，远距离时有足够的照度，并且尽可能保持照明光斑形状、大小不变，发散角的调节范围可以很大。用于照明目的激光光源的发散角，一般简单定义为照射光斑对发射口的张角。目前测试激光光束的发散角主要有光电探测器测试法以及CCD成相法。光电探测器测试法的缺点是无法测量发散角小的激光光束以及操作比较繁琐。CCD成相法是用CCD相机接收激光器的光束在标准镜头的后焦面处形成的聚焦光斑的信号，通过计算机处理CCD相机输出的光斑信号，计算激光光束的发散角。这种测量方法比较简便，但是此方法比较适合小发散角的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速、操作简单以及测量范围大的红外激光照明源发散角的测量方法及其装置。

本发明所提供的红外激光照明源发散角的测试方法按如下步骤进行：

(1)调节由衰减片装置、可变焦光学镜头、滤光片及CCD相机组成的CCD成像单元的中心位置，使CCD成像单元的中心和被测红外激光照明源与漫射靶的距离相等，且光轴近似重合，由该CCD成像单元和计算机处理系统对漫射靶上的红外激光光斑进行测试；

(2)在漫射靶上设置围成正方形的四个发光二极管，四个发光二极管置于正方形的四个顶点的位置上；

(3)关闭被测红外激光照明源，打开漫射靶上设置的四个固定发光二极管；

(4)调整CCD成像系统的位置，通过计算机处理系统，使四个固定发光二极管都在可视的范围内；

(5)通过计算机处理系统计算被测红外激光照明源到漫射靶的距离；

(6)将被测红外激光照明源发出的光束照在漫射靶上，并调整被测红外激光照明源，使红外激光光斑落在漫射靶上设置的四个位置固定的发光二极管围成的正方形内；

(7)关闭漫射把上设置的四个固定发光二极管；

(8)通过计算机处理系统计算红外激光光斑大小；

(9)通过计算机处理系统计算被测红外激光照明源的发散角。

步骤(8)中红外激光光斑大小的确定与分析计算步骤又分为：

(8.1)光强截取：由CCD摄像机的暗电流确定光能量计算的阈值，确定光强高于阈值的像素点为参与计算的有效信号，即对有效和无效照明像素进行二值化处理；

(8.2)光斑中心确定：采用质心法确定光斑中心；

(8.3)光斑大小计算：以光斑中心为圆心，以等距圆环逐渐向外扩展，直到圆内所有点的光强满足：圆内所有点的光强和/总光强和＝预定的功率能量比，以此理想圆的直径表示光斑大小。

根据漫射靶与照明源发射端口的距离D、光斑半径R即可算出红外激光照明源的发散角为：

θ = 2 \times \arctan (\frac{R}{D})

本发明所提供红外激光照明源发散角的测试装置由被测红外激光照明源1、包括CCD摄像机6的CCD成像单元及计算机处理系统7组成，CCD摄像机6的输出与计算机处理系统7连接，其特点是装置上还有设在被测红外激光照明源1的初始光路上的漫射靶2，所述CCD成像单元是由衰减片装置3、可变焦光学镜头4、滤光片5、CCD摄像机6构成，所述CCD成像单元的中心与漫射靶2的距离和被测红外激光照明源与漫射靶2的距离相等，且光轴近似重合。

本发明所提供的红外激光照明源发散角的测试方法基于反射成像原理，它采用CCD成像单元记录漫射靶反射的红外激光，漫射靶反射的红外激光经可变焦光学镜头成像，经CCD摄像机换成数字图像，由计算机处理系统运用图像处理技术，通过对光斑进行分析得出光束发散角。由于红外激光照明源发出的光束经漫射靶反射后的光束，经过衰减片装置后再通过可变焦光学镜头成像，成像光斑没有饱和点，同时由于漫射靶与可变焦光学镜头配合，不但适合小发散角的测试，而且适合测试发散角大的激光光束。

红外激光照明源发散角是由被测红外激光照明源到漫射靶的距离和红外激光光斑大小决定的，被测红外激光照明源到漫射靶的距离测试是根据已知固定目标在CCD摄像机上成像的像素值来推算CCD摄像机离被测红外激光照明源的距离。在漫射靶上设置围成的正方形四个发光二极管，四个发光二极管置于正方形的四个顶点的位置上，根据几何成像光学原理，与CCD采集的图像对比，即可推算靶与CCD的距离，也即等于靶与照明源发射端口的距离。采用如下公式：

D = f \times (1 + k \times \frac{L}{b})

其中，D：漫射靶到被测红外激光照明源的距离，f：可变焦光学镜头的焦距，k：系数，L：固定目标的距离，即漫射靶上发光二极管围成正方形的边长，b：固定目标两点间的像素值。

若红外激光照明源与漫射靶的距离已求出，并测出红外激光光斑的大小，利用几何光学原理进行处理，即可得出发散角。本发明中红外激光光斑大小的确定与分析计算流程为：光强截取—>光斑中心确定—>光斑大小计算。光强截取：由CCD摄像机的暗电流等确定光能量计算的阈值，灰度值(光强)高于阈值的为可以用来照明的点，称之为有效信号，整幅图像上所有像素点分为有效或无效信号后，光强进行二值化参与计算。在确定红外激光光斑大小的步骤中确定光斑中心是至关重要的，本发明采用质心法确定光斑中心，以重心作为光斑中心。欲确定光斑大小，首先要确定光斑中心位置。由于激光光斑没有明显的边缘，也不一定为准确的圆形，所以一维扫描法不能准确确定其中心，而用质心法可以准确确定不规则形状的中心位置。设x方向像素数为i，y方向像素数为j，各像素对应的灰度值为M(i，j)，有效点对应的灰度值M(i，j)恒为1，无效点对应的灰度值M(i，j)恒为0，则光斑中心位置为：

\{\begin{matrix} x = Σ_{i = 1}^{i} Σ_{j = 1}^{j} iM (i, j) / Σ_{i = 1}^{i} Σ_{j = 1}^{j} M (i, j) \\ y = Σ_{i = 1}^{i} Σ_{j = 1}^{j} jM (i, j) / Σ_{i = 1}^{i} Σ_{j = 1}^{j} M (i, j) \end{matrix}

光斑大小计算：以光斑中心为圆心，以等距离圆环逐渐向外扩展，直到圆内所有点的光强和满足：圆内所有点的光强和/总光强和＝预定的功率能量比，以此理想圆的直径表示光斑大小。对于不均匀分布的光斑图样，求出光斑中心o后，以o为圆心，在半径r处，做宽度为a的圆环，该环带的灰度密度分布ρ为：

ρ (r) = {&Integral;}_{r - a / 2}^{r + a / 2} M (r) dr / {&Integral;}_{r - a / 2}^{r + a / 2} 2 πrdr

根据上式计算出的密度分布ρ，可以得到ρ-r的关系。以光斑的中心为圆心，以1个像素为单位查找最接近63％总有效像素的圆半径R，即为光斑半径R。根据漫射靶与照明源发射端口的距离D、光斑半径R即可算出红外激光照明源的发散角为：

θ = 2 \times \arctan \frac{R}{D}

本发明所提供的红外激光照明源发散角的测试方法具有操作简单、测试快速以及测量范围大的优点，用此方法测量发散角的范围可达到：0.5～10°。

本发明所提供红外激光照明源发散角的测试装置将被测红外激光照明源1发出的激光光束在漫射靶2上形成的激光光斑，经由衰减片装置3、可变焦光学镜头4、滤光片5、CCD摄像机6构成的CCD成像单元对激光光斑进行测试，通过漫射靶与可变焦镜头的配合使得可测试发散角的范围较大，调节衰减片装置可以使红外光斑在成像后没有饱和点，滤光片的设置可以减少空间杂散光对测试精度的影响。采用本发明所提供红外激光照明源发散角的测试装置对红外激光照明源发散角进行测试，具有操作简单、测试快速、测量发散角的范围较大及测试精度相对较高的优点，用本发明所提供的测试装置测量发散角的范围可达到：0.5～10°。

附图说明

图1为本发明所提供红外激光照明源发散角的测试装置一个实施例的结构示意图。

图中，1、被测红外激光照明源，2、漫射靶，2-1、漫射靶上设置的固定目标-发光二极管，2-2、红外激光光斑，3、衰减片装置，4、可变焦光学透镜，5 滤光片，6 CCD摄像机，7 计算机处理系统。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的实施，图1所示为本发明所提供测试红外激光照明源发散角的测试装置一个实施例的结构示意图。该测试装置由被测红外激光照明源1，漫射靶2，衰减片装置3，可变焦光学透镜4，滤光片5，CCD摄像机6，计算机处理系统7组成，漫射靶2设在被测红外激光照明源1的初始光路上，其中衰减片装置3，可变焦光学透镜4，滤光片5，CCD摄像机6集成在一个结构箱中，组成一个CCD成像单元，CCD成像单元的中心与漫射靶的距离和被测红外激光照明源与漫射靶的距离相等，且光轴近似重合。

该实例中被测红外激光照明源1的波长为λ＝940nm无红曝激光照明源；在漫射靶2上设置固定目标2-1—4个940nm的发光二极管，组成一个500mm的正方形，红外激光光斑2-2在漫射靶2上是用肉眼看不见的，可以通过CCD摄像机6和计算机处理系统7将它显示出来；衰减片装置3由三个衰减片构成；可变焦光学透镜4的焦距f可从16mm-160mm之间变化，这样可对大小光斑进行较为精确的测量；滤光片5的中心透射波长为940nm，此滤光片可以减小空间杂散光对测试精度的影响。

下面结合图1介绍用上述测试红外激光照明源发散角的测试装置对被测红外激光照明源1发散角的测试。调试好测试装置后按下述步骤进行：

第一，将被测红外激光照明源1关闭，打开漫射靶2上的固定目标2-1的四个发光二极管。

第二，调整CCD成像系统的位置，通过计算机处理系统7，使四个发光二极管都在可视的范围内。

第三，通过计算机处理系统7测出被测红外激光照明源1到漫射靶2的距离D；采用公式：

D = f \times (1 + k \times \frac{L}{b})

第四，打开被测红外激光照明源1，并调整其角度，使其发射的红外激光光斑2-2，在漫射靶2的四个发光二极管2-1组成的正方形内。

第五，关闭漫射靶2上的固定目标2-1一四个发光二极管。

第六，调节衰减片装置3，使红外激光光斑2-2没有饱和点。

第七，计算机处理系统按照流程：光强截取—>光斑中心确定—>光斑大小计算来计算光斑大小。

光强截取由计算机处理系统根据CCD摄像机的暗电流等确定光能量计算的阈值。从而将图像上的所有像素点分为有效和无效像素，并对这些有效和无效像素进行二值化处理。

光斑中心确定采用质心法，设x方向的像素数为i，y方向的像素数为j，各像素对应的灰度值为M(i，j)，有效点对应的灰度值M(i，j)恒为1，无效点对应的灰度值M(i，j)恒为0，则光斑中心位置为：

\{\begin{matrix} x = Σ_{i = 1}^{i} Σ_{j = 1}^{j} iM (i, j) / Σ_{i = 1}^{i} Σ_{j = 1}^{j} M (i, j) \\ y = Σ_{i = 1}^{i} Σ_{j = 1}^{j} jM (i, j) / Σ_{i = 1}^{i} Σ_{j = 1}^{j} M (i, j) \end{matrix}

ρ (r) = {&Integral;}_{r - a / 2}^{r + a / 2} M (r) dr / {&Integral;}_{r - a / 2}^{r + a / 2} 2 πrdr

根据上式计算出的密度分布ρ，可以得到ρ-r的关系。以光斑的中心为圆心，以1个像素为单位查找最接近63％总有效像素的圆半径R，即为光斑半径R。

第八，由计算机处理系统7根据公式：

θ = 2 \times \arctan (\frac{R}{D})

即可得出被测红外激光照明源1的发散角。

对于所测试的红外激光照明源的发散角大的，可将可变焦光学镜头的焦距调小，最大可测试的发散角为10°，对于所测试的红外激光照明源的发散角小的，可将可变焦光学镜头的焦距调大，最小可测试的发散角为0.5°。

Claims

1、一种红外激光照明源发散角的测试方法，其特征在于按下列步骤完成测试：

(1)调节由衰减片装置、可变焦光学镜头、滤光片及CCD相机组成的CCD成像单元的中心位置，使CCD成像单元和被测红外激光照明源的与漫射靶的中心距离相等，且光轴近似重合，由该CCD成像单元和计算机处理系统对漫射靶上的红外激光光斑进行测试；

(4)调整CCD成像系统，通过计算机处理系统，使四个固定发光二极管都在可视的范围内；

(7)关闭漫射把上设置的四个固定发光二极管；

(8)通过计算机处理系统计算红外激光光斑大小；

(9)通过计算机处理系统计算被测红外激光照明源的发散角。

2、根据权利要求1所述的红外激光照明源发散角的测试方法，其特征在于所述的步骤(8)中红外激光光斑大小的确定与分析，计算步骤分为：

(8.2)光斑中心确定：采用质心法确定光斑中心；

3、一种红外激光照明源发散角的测试装置，由被测红外激光照明源(1)、包括CCD摄像机(6)的CCD成像单元及计算机处理系统(7)组成，CCD摄像机(6)的输出与计算机处理系统(7)连接，其特征在于装置上还有设在被测红外激光照明源(1)的初始光路上的漫射靶(2)，所述CCD成像单元是由衰减片装置(3)、可变焦光学镜头(4)、滤光片(5)、CCD摄像机(6)构成，所述CCD成像单元的中心与漫射靶(2)的距离和被测红外激光照明源与漫射靶(2)的距离相等，且光轴近似重合。