激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统及其测试方法

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112649177A(43)申请公布日2021.04.13(21)申请号202011528046.2(22)申请日2020.12.22(71)申请人光惠（上海）激光科技有限公司地址201702上海市青浦区徐泾镇双联路398号5-1号楼五层、六层(72)发明人高放　张先明　丁建武　刘进辉　(74)专利代理机构上海天翔知识产权代理有限公司31224代理人陈骏键(51)Int.Cl.G01M11/00(2006.01)G01M11/02(2006.01)G01J1/42(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图5页(54)发明名称激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统及其测试方法(57)摘要本发明公开的激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统，包括：激光传输光缆校准机构，其用于固定激光传输光缆并对激光传输光缆的输出端进行中心轴校准；设置在激光传输光缆校准机构的正前方的半透明蒙板；用于驱动半透明蒙板沿其中心轴线方向进行往复移动的蒙板驱动机构；设置在半透明蒙板一侧的接近开关机构；设置在半透明蒙板的正前方且与接近开关机构连接的成像机构；以及图像分析模块，其用于接收成像机构拍摄的图像并对接收到的图像进行处理，并计算出激光传输光缆的光束垂直度与椭圆度。还公开了一种上述激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统的测试方法。本发明具有结构简易、制备成本低、测试效率高、检修维护更为方便的优点。CN112649177ACN112649177A权　利　要　求　书1/2页1.激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统，其特征在于，包括：激光传输光缆校准机构，所述激光传输光缆校准机构用于固定激光传输光缆并对激光传输光缆的输出端进行中心轴校准；设置在所述激光传输光缆校准机构的正前方的半透明蒙板；用于驱动所述半透明蒙板沿其中心轴线方向进行往复移动的蒙板驱动机构；设置在所述半透明蒙板一侧的接近开关机构；设置在所述半透明蒙板的正前方且与所述接近开关机构连接的成像机构，所述成像机构在所述接近开关机构的控制下对所述半透明蒙板的背面进行曝光拍照；以及图像分析模块，所述图像分析模块与所述成像机构连接，用于接收所述成像机构拍摄的图像并对接收到的图像进行处理，并计算出激光传输光缆的光束垂直度与椭圆度。2.如权利要求1所述的激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统，其特征在于，所述激光传输光缆校准机构包括：固定卡环；若干周向间隔设置在所述固定卡环上的用于对激光传输光缆的输出端进行固定的卡钳；以及用于对被固定住的激光传输光缆的输出端进行中心轴校准的第一、第二校准摄像头。3.如权利要求2所述的激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统，其特征在于，所述第一、第二校准摄像头布置在垂直于所述激光传输光缆的输出端的中心轴的平面上，所述第一校准摄像头的中心与所述激光传输光缆的输出端的中心轴之间的连线与所述第二校准摄像头的中心与所述激光传输光缆的输出端的中心轴之间的连线之间所成的夹角为90°。4.如权利要求1所述的激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统，其特征在于，所述半透明蒙板的中心轴与所述激光传输光缆的输出端的中心轴处于同一轴线上。5.如权利要求1所述的激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统，其特征在于，所述半透明蒙板为一片均匀的半透明耐高温水晶板。6.如权利要求1所述的激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统，其特征在于，所述蒙板驱动机构包括：设置在所述半透明蒙板一侧且沿所述半透明蒙板的中心轴线方向延伸的行程轴；滑动套设在所述行程轴上且与所述半透明蒙板连接的用于带动所述半透明蒙板沿其中心轴线方向往复移动的蒙板固定基座；套装在所述行程轴上且与所述蒙板固定基座连接并可沿所述行程轴的轴向方向往复滑移的行程电机；以及设置在所述半透明蒙板的后方且与所述行程电机连接的光敏开关。7.如权利要求1所述的激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统，其特征在于，所述接近开关机构由若干个沿所述半透明蒙板的中心轴线方向间隔等距分布的霍尔开关构成，每一霍尔开关分别与所述成像机构连接。8.如权利要求1所述的激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统，其特征在于，所述成像机构为红外CCD摄像头，所述外红CCD摄像头的中心与所述半透明蒙板的中心轴处于同一轴线上。2CN112649177A权　利　要　求　书2/2页9.如权利要求1所述的激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统，其特征在于，所述图像分析模块为一套有限元灰度分析系统。10.一种如权利要求1至9中任一项所述的激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S10，采用激光传输光缆校准机构对激光传输光缆的输出端进行固定，并对激光传输光缆的输出端进行中心轴校准，使得激光传输光缆的输出端的中心轴与半透明蒙板的中心轴处于同一轴线上；步骤S20，控制光源发射激光光束，激光光束通过激光传输光缆的输出端照射至半透明蒙板上；步骤S30，蒙板驱动机构驱动半透明蒙板朝向成像机构方向运动；步骤S40，当半透明蒙板经过接近开关机构时，接近开关机构被触发而向成像机构传输启动信号；步骤S50，成像机构接收到接近开关机构传输的启动信号后，对半透明蒙板的背面进行曝光拍照，并将拍摄到的图像传输至图形分析模块；步骤S60，图形分析模块接收到成像机构传输的图像后，对接收到的图像进行灰度处理，并对完成灰度处理的图像进行灰度有限元分析，再对图像的每个位置的灰度值进行计算，然后根据图像不同位置的灰度值计算出与图像中心基准点的偏差值，继而将计算出的偏差值与标准参数进行比对后计算出激光传输光缆的光束垂直度与椭圆度信息。3CN112649177A说　明　书1/5页激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统及其测试方法技术领域[0001]本发明涉及光纤激光技术领域，尤其涉及一种激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统及其测试方法。背景技术[0002]随着激光技术的发展，激光被大量应用于各种行业，而激光的光束质量一直是激光的重要参数，如激光光束的垂直度、光斑椭圆度、光束发散度、能量分布等。对于激光传输光缆(QBH)而言，仅需快速测量垂直度与光斑椭圆度即可。现有的常用方式是采用光束质量分析仪对激光传输光缆的光束质量进行全面检测，其缺点在于：[0003]1、光束质量分析仪在光束质量分析过程中耗时较长；[0004]2、光束质量分析仪在进行光束质量分析时配备光学平台、准直镜、分光镜、散热黑体、黑室等环境与硬件条件下才能工作；[0005]3、光束质量分析仪需要准直镜与分光镜的配合,镜片与光束质量分析仪都需要非常专业的人员进行操作布置与保养维护；[0006]4、目前光束质量分析仪大多依赖进口,价格成本极高；[0007]5、光束质量分析仪如频繁使用,需进行返厂校准与维护,校准与维护的成本较高,周期也很长；[0008]6、现有的光束质量分析仪具备很多检测功能,其可为激光器的光束质量分析提供详细参数,对于仅需要进行少量分析的激光传输光缆或某种光学配件来说，过于浪费资源。[0009]为此，本申请人经过有益的探索和研究，找到了解决上述问题的方法，下面将要介绍的技术 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便是在这种背景下产生的。发明内容[0010]本发明所要解决的技术问题之一在于：针对现有技术的不足而提供一种结构简易、制备成本低、测试分析效果高、检修维护方便的激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统。[0011]本发明所要解决的技术问题之二在于：提供一种上述激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统的测试方法。[0012]作为本发明第一方面的激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统，包括：[0013]激光传输光缆校准机构，所述激光传输光缆校准机构用于固定激光传输光缆并对激光传输光缆的输出端进行中心轴校准；[0014]设置在所述激光传输光缆校准机构的正前方的半透明蒙板；[0015]用于驱动所述半透明蒙板沿其中心轴线方向进行往复移动的蒙板驱动机构；[0016]设置在所述半透明蒙板一侧的接近开关机构；[0017]设置在所述半透明蒙板的正前方且与所述接近开关机构连接的成像机构，所述成像机构在所述接近开关机构的控制下对所述半透明蒙板的背面进行曝光拍照；以及4CN112649177A说　明　书2/5页[0018]图像分析模块，所述图像分析模块与所述成像机构连接，用于接收所述成像机构拍摄的图像并对接收到的图像进行处理，并计算出激光传输光缆的光束垂直度与椭圆度信息。[0019]在本发明的一个优选实施例中，所述激光传输光缆校准机构包括：[0020]固定卡环；[0021]若干周向间隔设置在所述固定卡环上的用于对激光传输光缆的输出端进行固定的卡钳；以及[0022]用于对被固定住的激光传输光缆的输出端进行中心轴校准的第一、第二校准摄像头。[0023]在本发明的一个优选实施例中，所述第一、第二校准摄像头布置在垂直于所述激光传输光缆的输出端的中心轴的平面上，所述第一校准摄像头的中心与所述激光传输光缆的输出端的中心轴之间的连线与所述第二校准摄像头的中心与所述激光传输光缆的输出端的中心轴之间的连线之间所成的夹角为90°。[0024]在本发明的一个优选实施例中，所述半透明蒙板的中心轴与所述激光传输光缆的输出端的中心轴处于同一轴线上。[0025]在本发明的一个优选实施例中，所述半透明蒙板为一片均匀的半透明耐高温水晶板。[0026]在本发明的一个优选实施例中，所述蒙板驱动机构包括：[0027]设置在所述半透明蒙板一侧且沿所述半透明蒙板的中心轴线方向延伸的行程轴；[0028]滑动套设在所述行程轴上且与所述半透明蒙板连接的用于带动所述半透明蒙板沿其中心轴线方向往复移动的蒙板固定基座；[0029]套装在所述行程轴上且与所述蒙板固定基座连接并可沿所述行程轴的轴向方向往复滑移的行程电机；以及[0030]设置在所述半透明蒙板的后方且与所述行程电机连接的光敏开关。[0031]在本发明的一个优选实施例中，所述接近开关机构由若干个沿所述半透明蒙板的中心轴线方向间隔等距分布的霍尔开关构成，每一霍尔开关分别与所述成像机构连接。[0032]在本发明的一个优选实施例中，所述成像机构为红外CCD摄像头，所述外红CCD摄像头的中心与所述半透明蒙板的中心轴处于同一轴线上。[0033]在本发明的一个优选实施例中，所述图像分析模块为一套有限元灰度分析系统。[0034]作为本发明第二方面的一种上述激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统的测试方法，包括以下步骤：[0035]步骤S10，采用激光传输光缆校准机构对激光传输光缆的输出端进行固定，并对激光传输光缆的输出端进行中心轴校准，使得激光传输光缆的输出端的中心轴与半透明蒙板的中心轴处于同一轴线上；[0036]步骤S20，控制光源发射激光光束，激光光束通过激光传输光缆的输出端照射至半透明蒙板上；[0037]步骤S30，蒙板驱动机构驱动半透明蒙板朝向成像机构方向运动；[0038]步骤S40，当半透明蒙板经过接近开关机构时，接近开关机构被触发而向成像机构传输启动信号；5CN112649177A说　明　书3/5页[0039]步骤S50，成像机构接收到接近开关机构传输的启动信号后，对半透明蒙板的背面进行曝光拍照，并将拍摄到的图像传输至图形分析模块；[0040]步骤S60，图形分析模块接收到成像机构传输的图像后，对接收到的图像进行灰度处理，并对完成灰度处理的图像进行灰度有限元分析，再对图像的每个位置的灰度值进行计算，然后根据图像不同位置的灰度值计算出与图像中心基准点的偏差值，继而将计算出的偏差值与标准参数进行比对后计算出激光传输光缆的光束垂直度与椭圆度。[0041]由于采用了如上技术方案，本发明的有益效果在于：[0042]1.相对于光束质量分析仪进行光斑测试而言,本发明不需要准直或分光镜等辅助部件,结构简易，制备成本低；[0043]2.本发明对单独的器件测试效率高；[0044]3.本发明在测试时不需要任何辅镜配合,仅需将激光传输光缆的输出端与半透明蒙板的中心轴对齐即可进行测试，操作更为简单；[0045]4.本发明相对于光束质量分析仪而言，检修维护更为方便。附图说明[0046]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0047]图1是本发明的结构示意图。[0048]图2是本发明的激光传输校准机构的结构示意图。[0049]图3是本发明的蒙板驱动机构的结构示意图。[0050]图4是本发明的成像机构的成像示意图。[0051]图5是本发明对图像进行灰度处理的示意图。[0052]图6是本发明对图像进行灰度有限元分析的示意图。[0053]图7是本发明计算出的偏差值与标准参数进行比对的示意图。[0054]图8是本发明的测试方法的流程示意图。具体实施方式[0055]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。[0056]参见图1，图中给出的是一种激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统，包括激光传输光缆校准机构100、半透明蒙板200、蒙板驱动机构300、接近开关机构400、成像机构500以及图像分析模块600。[0057]激光传输光缆校准机构100用于固定激光传输光缆并对激光传输光缆10的输出端11进行中心轴校准。具体地，参见图2，激光传输光缆校准机构100包括固定卡环110、三个卡钳120以及校准摄像头130a、130b。三个卡钳120周向间隔设置在固定卡环110上，其用于对激光传输光缆10的输出端11进行固定。当然，卡钳120的数量并不局限于本实施例中的数量，其应根据固定要求而设置。校准摄像头130a、130b用于对被固定住的激光传输光缆10的6CN112649177A说　明　书4/5页输出端11进行中心轴校准。校准摄像头130a、130b布置在垂直于激光传输光缆10的输出端11的中心轴(Z轴)的平面上，校准摄像头130a的中心与激光传输光缆10的输出端11的中心轴之间的连线与校准摄像头130b的中心与激光传输光缆10的输出端11的中心轴之间的连线之间所成的夹角为90°。在本实施例中，校准摄像头130a位于激光传输光缆10的输出端11的正上方，位于Y轴上，校准摄像头130b位于激光传输光缆10的输出端11的正侧面，位于X轴上。[0058]半透明蒙板200设置在激光传输光缆校准机构100的正前方。半透明蒙板200的中心轴与激光传输光缆校准机构100的输出端10的中心轴处于同一轴线上。在本实施例中，半透明蒙板200为一片均匀的半透明耐高温水晶板。[0059]蒙板驱动机构300用于驱动半透明蒙板200沿其中心轴线方向进行往复移动。具体地，参见图3，蒙板驱动机构300包括行程轴310、蒙板固定基座320、行程电机330以及光敏开关340。行程轴310设置在半透明蒙板200的一侧(在图3中，行程轴310位于半透明蒙板200的下方)且沿半透明蒙板200的中心轴线方向延伸。蒙板固定基座320滑动套设在行程轴310上且与半透明蒙板200连接，其用于带动半透明蒙板200沿其中心轴线方向往复移动。行程电机330套装在行程轴310上且与蒙板固定基座320连接并可沿行程轴310的轴向方向往复滑移。光敏开关340设置在半透明蒙板200的后方且与行程电机330连接。当光敏开关340探测到半透明蒙板200被激光照射时，光敏开关340被触发并产生启动信号发送至行程电机330，行程电机330接收到启动信号后进行动作，驱动蒙板固定基座320进行移动，蒙板固定基座320带动半透明蒙板200沿行程轴310的轴向朝向成像机构方向运动。[0060]接近开关机构400设置在半透明蒙板200的一侧。接近开关机构400由五个沿半透明蒙板200的中心轴线方向间隔等距分布的霍尔开关410构成，每一霍尔开关410分别与成像机构500连接。当然，霍尔开关410的数量并不局限于本实施例中的数量，其应根据拍照要求而设置。当半透明蒙板200接近至任一霍尔开关410时,该霍尔开关410会被触发并产生启动信号发送至成像机构500。[0061]成像机构500设置在半透明蒙板200的正前方且与接近开关机构400连接，成像机构500在接近开关机构400的控制下对半透明蒙板200的背面进行曝光拍照。在本实施例中，成像机构500为红外CCD摄像头，该外红CCD摄像头的中心与半透明蒙板200的中心轴处于同一轴线上。当红外CCD摄像头接收到任一霍尔开关410发送的启动信号时，红外CCD摄像头会对半透明蒙板200的背面进行曝光拍照。[0062]图像分析模块600与成像机构500连接，用于接收成像机构500拍摄的图像并对接收到的图像进行处理，并计算出激光传输光缆的光束垂直度与椭圆度信息。在本实施例中，图像分析模块600为一套有限元灰度分析系统。[0063]参见图8，图中给出的是一种激光光束垂直度与光斑椭圆度快速分析系统的测试方法，包括以下步骤：[0064]步骤S10，采用激光传输光缆校准机构100对激光传输光缆10的输出端11进行固定，并对激光传输光缆10的输出端11进行中心轴校准，使得激光传输光缆10的输出端11的中心轴与半透明蒙板200的中心轴处于同一轴线上。具体地，参见图2，先将激光传输光缆10的输出端11插入固定卡环110内，采用三个卡钳120将激光传输光缆10的输出端11的外周面进行卡紧，使得激光传输光缆10的输出端11被固定住；再由系统自动或操作者手动根据两7CN112649177A说　明　书5/5页个互为90度角的摄像头130a、130b的成像对激光传输光缆10的输出端11进行中心轴校对,保证激光传输光缆10的输出端11的中心轴与半透明蒙板200的中心轴处于同一轴线上。[0065]步骤S20，控制光源发射激光光束，激光光束通过激光传输光缆10的输出端11照射至半透明蒙板200上。[0066]步骤S30，蒙板驱动机构300驱动半透明蒙板200朝向成像机构500方向运动。具体地，参见图3，当光敏开关340探测到半透明蒙板200被激光照射时，光敏开关340被触发并产生启动信号发送至行程电机330，行程电机330接收到启动信号后进行动作，驱动蒙板固定基座320进行移动，蒙板固定基座320带动半透明蒙板200沿行程轴310的轴向朝向成像机构方向运动。[0067]步骤S40，当半透明蒙板200经过接近接近开关机构400时，接近开关机构400被触发而向成像机构500传输启动信号。具体地，当半透明蒙板200接近至任一霍尔开关410时,该霍尔开关410会被触发并产生启动信号发送至成像机构500。[0068]步骤S50，成像机构500接收到接近开关机构400传输的启动信号后，对半透明蒙板200的背面进行曝光拍照，并将拍摄到的图像传输至图形分析模块600。具体地，当红外CCD摄像头接收到任一霍尔开关410发送的启动信号时，红外CCD摄像头会对半透明蒙板200的背面进行曝光拍照，如图4所示，并将拍摄到的图像传输至图形分析模块，。[0069]步骤S60，图形分析模块600接收到成像机构500传输的图像后，对接收到的图像进行灰度处理，如图5所示，并对完成灰度处理的图像进行灰度有限元分析，如图6所示，再对图像的每个位置的灰度值进行计算，然后根据图像不同位置的灰度值计算出与图像中心基准点的偏差值，继而将计算出的偏差值与标准参数进行比对(如图7所示)后计算出激光传输光缆的光束垂直度与椭圆度。[0070]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。8CN112649177A说　明　书　附　图1/5页图1图29CN112649177A说　明　书　附　图2/5页图3图410CN112649177A说　明　书　附　图3/5页图5图611CN112649177A说　明　书　附　图4/5页图712CN112649177A说　明　书　附　图5/5页图813