嵌入式激光光束质量分析系统的研究

论文摘要

本文以吉林省科技厅项目(项目号:20070325)及31基地项目激光XXXXXX系统为依托,对嵌入式激光光束质量分析系统做了系统地研究,探讨了激光光束质量测量的相关理论和评价方法,详细论述了嵌入式图像处理技术及嵌入式激光光束质量分析系统图像处理平台的构建,分析了系统各单元性能对测量精度的影响,并介绍了激光光束质量分析系统的研制和实际应用。简单分析测量激光光束质量的意义,分析了目前激光光束质量测量中采用的几种常用方法,通过比较各种方法的使用范围和优缺点,提出了把光束质量因子法即M~2因子法作为本系统评价激光光束质量的主要方法,具有评价精度高、综合考虑激光光束近场特性和远场特性等优点。在回顾和总结高斯光束传输与变换特性的基础上,详述了激光光束传输特性参数测量的基础理论和方法,介绍了二阶矩、光束参数积、衍射极限倍率因子和光束传输因子等激光光学基础概念及其物理意义;介绍了ISO标准文件规定的激光束参数测量步骤、评价方法和相关光束质量因子计算公式。在研究激光光束质量评价理论基础上,本文提出了面阵数字CCD技术、嵌入式技术及现代专用集成电路技术相结合实现嵌入式激光光束质量分析系统的方法。研究了嵌入式图像处理技术,介绍了嵌入式图像处理系统的应用、嵌入式Linux操作系统及嵌入式图形用户界面,并重点探讨了本系统设计时采用QT/Embedded编程的关键技术,在综合以上关键技术的前提下,设计了嵌入式激光光束质量分析系统图像处理平台,主要包括建立嵌入式交叉编译环境、移植引导加载程序、进行嵌入式Linux的剪裁与移植等工作。在分析系统中影响激光光斑图像质量的主要因素后,重点阐述了嵌入式处理器运行去除图像噪声中值滤波算法、图像灰度抖动消除算法、帧平均等算法如何处理激光光斑图像信息,减小系统测量误差。系统硬件单元的研制工作主要包括:光学衰减、聚焦及反射光学系统的设计;精密机械部件的研制;步进电机控制、激光光斑图像数据采集、存储、传输单元、图像处理和显示等电子学系统研制。较好的解决了图像数据采集和传输中现场门阵列缓存,直接存储器存取方式数据传输的关键技术,对系统各个部件的精密装配、联调和测试表明:该系统能够精确、快速的测量激光器光束质量,直观地给出激光光束质量M~2因子的值、束腰直径、束腰位置、束散角、激光光斑的二维、三维分布和光斑形状等重要激光光束特性。嵌入式操作系统技术的采用提高了系统的实时性,所以,本系统能实时、快速地测量出激光光束质量,真正意义上实现了激光光束质量的实时测量。综上,论文用矩阵方法研究高斯光束通过薄透镜的传输和变换性质,以及高斯光束的特性参数,重点对光束质量的评价和测量进行了阐述,采纳国际标准制定的测量建议,建立了一套以数字CCD为光斑探测器,结合嵌入式处理器和现场可编程门阵列技术的激光光束质量分析系统。最后,应用该系统测量了氦氖激光器激光光束光强分布,用二阶矩积分法计算出激光光束参数,并用双曲线拟合法测量出光束质量因子,对采集光斑进行背景相减去噪、多帧图像数据平均消除抖动以及高斯拟合得到了比较完整的光强分布信息。嵌入式激光光束质量分析系统的研究为激光器出射激光光束质量的检测提供了有效手段,为激光光束质量测量仪器的便携式、小型化发展提供了理论依据和实践基础。本文对研制开发的嵌入式激光光束质量分析系统进行了大量实测,测量数据表明:该系统随机误差小,测量误差的重复性、再现性较好,束腰处M~2因子的测量精度小于4%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 激光光束质量评价参数
• 1.2.1 远场发散角
• 1.2.2 聚焦光斑尺寸
• 1.2.3 衍射极限倍数β因子
• 1.2.4 斯特列尔比
• 1.2.5 环围能量（功率）比
• 2因子'>1.2.6 光束质量M²因子
• 1.3 激光光束质量测量的主要方法
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 第二章 激光光束质量评价理论
• 2.1 激光产生原理
• 2.1.1 能级概念
• 2.1.2 自然光产生机理
• 2.1.3 激光产生机理
• 2.1.4 激光特性
• 2.2 高斯光束传输与变换特性
• 2.2.1 高斯光束表达式
• 2.2.2 高斯光束的基本性质
• 2.2.3 高斯光束的复参数表示和传输性质
• 2.2.4 高斯光束通过光学系统的变换
• 2.3 激光束质量评价理论
• 2.3.1 矩量分析理论
• 2.3.2 光束参数的计算和测量
• 2.3.2.1 光束位置
• 2.3.2.2 束宽
• 2.3.2.3 发散角
• 2因子'>2.3.2.4 M²因子
• 2.4 本章小结
• 第三章 嵌入式图像处理技术
• 3.1 嵌入式系统应用技术及Linux
• 3.1.1 嵌入式系统的特点
• 3.1.2 嵌入式系统的发展
• 3.1.3 嵌入式Linux技术研究
• 3.2 嵌入式图像处理技术研究
• 3.2.1 图像处理技术及系统概述
• 3.2.2 嵌入式系统环境对于图像处理应用的要求
• 3.2.3 嵌入式图像处理系统的特点
• 3.3 图形用户界面及Qt/Embedded
• 3.3.1 主流GUI系统性能分析
• 3.3.2 Qt/Embedded编程关健技术
• 3.4 本章小结
• 第四章 系统功能与总体设计
• 4.1 系统功能
• 4.2 系统总体设计
• 4.3 光学单元设计
• 4.3.1 衰减系统
• 4.3.2 聚焦光学系统
• 4.3.3 反射光学系统
• 4.4 机械单元设计
• 4.4.1 丝杠副参数确定
• 4.4.2 行程开关确定
• 4.4.3 联轴器的确定
• 4.4.4 导向机构的确定
• 4.4.5 CCD相机调整机构设计
• 4.5 电子学单元设计
• 4.5.1 步进电机运动控制卡设计
• 4.5.2 激光光斑图像采集单元设计
• 4.5.3 激光光斑图像数据存储单元设计
• 4.5.4 激光光斑图像数据传输单元设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 嵌入式激光光束质量分析系统图像处理平台设计
• 5.1 嵌入式系统交叉编译环境的建立
• 5.1.1 建立Bootloader交叉编译环境
• 5.1.2 建立嵌入式Linux交叉编译环境
• 5.1.3 建立嵌入式GUI交叉编译环境
• 5.2 Bootloader的移植
• 5.3 Linux的剪裁及移植
• 5.3.1 内核配置
• 5.3.2 系统引导
• 5.3.3 Linux移植
• 5.4 嵌入式激光光束质量分析系统中典型图像预处理算法
• 5.4.1 影响激光光斑图像质量的因素
• 5.4.2 光斑图像噪声去除算法研究
• 5.4.3 光斑图像抖动消除算法研究
• 5.4.4 光斑轮廓提取算法的研究
• 5.4.5 光斑图像三维伪彩显示的研究
• 5.5 基于Qt/Embedded的图形化人机接口设计
• 5.6 本章小结
• 第六章 测试结果及误差分析
• 6.1 测试结果
• 6.2 误差分析
• 6.3 本章小结
• 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录