CN112334744A - 用于多图像激光束质量测量的聚焦校正的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种用于补偿激光束测量仪器中的聚焦误差的方法和设备，所述激光束测量仪器通过分析围绕光轴以多个角度获取的瑞利散射的图像来表征光束参数。如果未精确地定位所述激光束，则这些图像可能不对焦并且所述仪器不会报告准确结果。此方法和设备通过分析至少两个图像中的光束位置来寻找所述光束的纵轴。将所有图像细分成切片，并且计算从所述光束轴到每一切片的焦平面的距离并将其用于寻找每一切片的离焦传递函数，所述离焦传递函数与所述系统的调制传递函数组合使用以对所述切片进行解卷积。随后可以分析通过重组所述解卷积的切片形成的图像，以获得正确的光束参数。

Description

用于多图像激光束质量测量的聚焦校正的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年7月20日申请的标题为“用于多图像激光束质量测量的聚焦校正的方法和设备”的第62/701,244号美国临时专利申请的优先权，所述专利申请的内容以全文引用的方式并入本文中。

背景技术

在材料处理应用中，越来越多地使用高功率激光器。理解激光束的性能参数可提供对过程控制和过程改进的重要见解。激光束分析仪用于此目的。用于测量聚焦激光束质量的一种技术是获取光束的瑞利散射的多个图像，然后对这些图像进行数字处理以计算例如束腰尺寸、束质心、角发散和M²光束传播因子等的参数。在2015年3月24日发布并转让给Ophir-Spiricon，LLC的美国专利8,988,673中描述了测量瑞利散射的激光束分析仪设备，所述专利的内容通过引用并入本文中。

虽然过去已经证明现有技术的激光束分析仪是有用的，但是已经发现了一些缺点。例如，被测量的激光束可能不会与激光束分析仪的成像装置的焦平面完全重叠。这可能会产生聚焦误差，从而可能导致错误的光束表征结果。因此，对检测和补偿聚焦误差的方法和设备的需求不断增长。

发明内容

本申请公开一种对激光束测量系统的至少一个图像进行聚焦校正以精确地计算各种光束参数的方法。示例性光束参数包含束腰尺寸和位置、束质心、瑞利范围、角发散、光束参数乘积和M²光束传播因子。尽管本文包含的描述讨论了校正聚焦误差的方法，但是本领域技术人员将理解，可以使用多种方法来测量和校正激光束测量的各种特性。另外，本文中描述的聚焦校正方法可以与各种光束一起使用。

在一个实施例中，本申请公开一种通过以下步骤来校正对焦图像的方法：确定具有至少一个对焦调制传递函数H(ξ)的至少一个焦平面的至少一个位置；确定至少一个离焦图像的至少一个离焦传递函数G(ξ,d)；通过至少一个成像装置捕获至少一个图像；使用图像来确定至少一个光束的中心轴；将图像分成多个一维切片；计算从焦平面到所述中心轴上的对应于每一切片的点的至少一个距离；使用每一切片的距离数据来解析每一切片的离焦传递函数；以及针对H(ξ)G(ξ,d)对图像的每一切片进行解卷积。任选地，可以显示激光束的至少一个校正图像。

另外，本申请公开一种用于对激光束测量系统的至少一个图像进行聚焦校正以精确地计算各种光束参数的设备。本申请公开一种设备，所述设备具有：至少一个成像装置，所述至少一个成像装置限定至少一个焦平面并且配置有至少一个对焦调制传递函数H(ξ)，其中成像装置进一步被配置成捕获至少一个散射光信号的至少一个图像；至少一个图像处理装置，所述至少一个图像处理装置被配置成：确定光信号的至少一个轴线并将图像划分成多个切片，每一切片对应于轴线上的点；以及计算从所述点到对应焦平面的至少一个距离d；以及使用距离d来解析每一切片的至少一个离焦传递函数G(ξ,d)并针对H(ξ)G(ξ,d)对图像的每一切片进行解卷积。任选地，可以显示激光束的至少一个校正图像。

通过考虑以下详细描述，如所公开的用于多图像激光束质量测量的聚焦校正的方法和设备的实施例的其它特征和益处将变得显而易见。

附图说明

将通过附图更详细地解释用于多图像激光束质量测量的聚焦校正的方法和设备的各种实施例，其中：

图1示出用于聚焦校正方法的激光束质量测量设备的实施例；

图2示出用于图1中所示的聚焦校正方法的激光束质量测量设备的实施例的视图，其中激光束与至少两个焦平面相交；

图3A和图3B示出由激光束质量测量设备相对于用于聚焦校正方法的图2中所示的焦平面捕获的激光束的光束焦散线的图像；

图4示出图1中所示的激光束质量测量设备的实施例的替代视图，其中激光束仅与一个焦平面相交；

图5A和图5B示出由激光束质量测量设备相对于用于聚焦校正方法的图4中所示的焦平面捕获的激光束的光束焦散线的图像；

图6示出图1中所示的激光束质量测量设备的实施例的替代视图，其中激光束以一定角度与两个焦平面相交；

图7A和图7B示出由光束质量测量设备相对于图6中所示的焦平面捕获的激光束的光束焦散线的图像；

图8A和图8B示出图7A中所示的光束焦散线的图像，图7A示出沿着光束图像相对于用于聚焦校正方法的实施例的焦平面P_y采样的切片；

图9A到图9C示出图7B中所示的光束焦散线的图像，图7B示出沿着光束图像相对于焦平面P_X采样的切片，以及通过聚焦校正方法的实施例的所得校正；

图10示出用于聚焦校正方法的使用多个成像装置的激光束质量测量设备的替代实施例；

图11示出图10中所示的激光束质量测量设备的实施例的视图，其中激光束与两个焦平面相交；

图12示出图10中所示的激光束质量测量设备的实施例的视图，其中激光束与一个焦平面相交；

图13示出图10中所示的激光束质量测量设备的实施例的视图，其中激光束以一定角度与两个焦平面相交；以及

图14示出使用单个成像装置的用于聚焦校正方法的激光束质量测量设备的替代实施例，所述单个成像装置可以在多个位置之间移动，从而允许在多个角焦平面处获取多个图像。

具体实施方式

一般来说，离焦光学系统具有不同的二维点扩展函数或传递函数。对于图像在一个维度上缓慢变化的小点扩展函数，这些函数可以通过一组更简单的一维线扩展函数或调制转移函数近似。在下文描述的实施例中，二维点扩展函数通过可以一次应用于图像的一个切片的一维线扩展函数近似。

在下文描述的实施例中，可以在数学上或在经验上先验地表征用于离焦图像的调制传递函数。此调制传递函数表示为G(ξ,d)，其中ξ表示空间频率并且d表示物体距焦平面的距离。在所说明的实施例中，激光束质量测量设备可以包括成像装置和光学系统，其具有表示为H(ξ)的调制传递函数，所述调制传递函数也可以通过各种方法来先验地表征。

在下文描述的实施例中，逐切片解构光束的图像。由上述成像装置捕获的图像的每一切片的近似可以是y(x)＝b(x)*g(x,d)*h(x)，其中x是每一切片中的像素位置，y(x)是相机图像的一个切片，b(x)是所述切片的束剖面，以及g(x,d)和h(x)分别是G(ξ,d)和H(ξ)的空间域等效物，其中星号表示卷积。为了找到b(x)的估计值，需要确定光束距图像的给定切片的焦平面的距离。所述距离d可以用于通过将g(x,d)与h(x)卷积来找到复合线扩展函数。当完成此操作时，结果函数可以用于对相机图像的给定切片进行解卷积y(x)。如下所述，对于数码相机，如果y(x)有效地限于低于尼奎斯特频率的空间频率，则y(x)将为离散的，从而产生准确结果。实际上，b(x)、g(x,d)和h(x)也视为离散的。解卷积所需的传递函数的替代表达式可以是G(ξ,d)H(ξ)，其为g(x,d)*h(x)的傅里叶变换。这允许将较早公式等效地写为Y(ξ)＝B(ξ)G(ξ,d)h(ξ)。在另一替代方法中，可以添加至少一个噪声项n(x)，使得每一切片的近似可以是y(x)＝b(x)*g(x,d)*h(x)+n(x)或Y(ξ)＝B(ξ)G(ξ,d)H(ξ)+N(ξ)。

或者，可以在二维中实施解卷积，这是广泛用于聚焦校正的方法。一旦已知二维点扩展函数(或脉冲响应)h(x,y)和g(x,y,d)的调制转移函数，就可以计算出所述二维点扩展函数，并且所述二维点扩展函数可以用于二维解卷积。通常，此方法的计算要求非常重要，并且出于对不会逐切片快速变化的激光束进行成像的目的，一维解卷积就可以满足。本领域的技术人员将了解，用于处理图像数据的多个替代方法可以用于校正光束聚焦误差。

简而言之，用于激光束质量测量的聚焦校正的方法涉及1)捕获光束的图像并从图像确定光束在三维中的轴线，2)将每个图像分成多个切片，3)找到从光束轴到每个图像的每一切片的焦平面的距离，4)使用对应于所述距离的传递函数对每一切片进行解卷积，以及5)将解卷积的切片重组成可以用于计算光束参数的图像。

图1示出激光束质量测量设备100的实施例。如图所示，设备可以包括具有一个或多个成像装置104的至少一个外壳101，所述一个或多个成像装置位于外壳中并且与至少一个采样区域130光通信。一个或多个光学系统150可以与采样区域130和成像装置104光通信。或者，激光束测量设备100不需要包含光学系统150。此外，任何数目的附加成像或测量装置和/或传感器可以与激光束质量测量设备100一起使用。如图所示，至少一个激光器或光源10可以将至少一个光束102引导到采样区域130中和/或引导至少一个光束102通过采样区域130。本领域的技术人员将了解，光源10可以包括发光二极管、超辐射二极管、手电筒光束等。成像装置104和光学系统150可以被配置成从激光束102捕获一个或多个光信号，并且经由至少一个导管106将所述光信号引导到至少一个图像处理模块108。在一个实施例中，成像装置104和光学系统150可以被配置成捕获从光束102瑞利散射的一个或多个光信号，但是本领域的技术人员将了解，可以通过激光束质量测量系统观察拉曼散射或任何多种散射效应或其它光学现象。

再次参考图1，图像处理模块108可以被配置成处理至少一个散射光信号并且将一个或多个图像显示在一个或多个显示器116上。如图所示，在光束102传播通过采样区域130时，所述光束可以具有一个或多个焦点或束腰128。在所说明的实施例中，束腰或焦点128可以被定义为光束被紧密聚焦，或光束的截面最小，或光束功率或光通量最集中的位置或区域。在许多材料处理应用中，用户可以将束腰定位在待处理的材料表面上或待处理的材料内，但是本领域的技术人员将了解，束腰可以相对于待处理的材料位于各种位置中。在一个实施例中，外壳101、光学系统150和成像装置104可以限定一个或多个焦平面。在所说明的实施例中，外壳101、光学系统150和成像装置104限定两个焦平面P_y和P_x以及至少一个平面z，但是本领域的技术人员将了解，可以使用限定任何数目的平面或焦平面的任何数目的外壳或成像装置。在所说明的实施例中，平面Z基本上与图像平面P_Y和P_x正交，但在其它实施例中，平面Z可以不与图像平面P_y和P_x正交。任选地，操作者可以使用至少一个对准装置110将光束102在采样区域130内对准，使得光束102基本上与两个焦平面P_x和P_y相交，但是本领域的技术人员将了解，不需要使用此对准装置。

如仔细查看平面Z，图2以及图3A到图3B示出图1中所示的激光束质量测量设备100的实施例的各种视图。如图所示，可以经由光学系统150将来自光束102的一个或多个光信号120和122引导到成像装置104。在所说明的实施例中，从光束102瑞利散射光信号120和122。本领域的技术人员将了解，可以测量通过多种方式散射的任何数目的光信号。在所说明的实施例中，光学系统150和成像装置104限定彼此正交定向的焦平面P_y和P_x，但是本领域的技术人员将了解，焦平面P_y和P_x可能不会彼此正交。任选地，光学系统150和成像装置104可以限定单个焦平面或可以各种角度相交的多于两个焦平面。简而言之，任何数目的焦平面可以由光学系统150和/或成像装置104限定。如图2中所示，在末端示出与焦平面P_y和P_x相交的光束102，如同光束正进入或离开作为页面表面的平面Z一样。光学系统150可以包括至少一个反射表面152和至少一个光学元件154，但本领域的技术人员将了解，任何各种光学元件和组件可以用于光学系统150中。在所说明的实施例中，光学系统150包括两个反射表面152和156。在所说明的实施例中，反射表面152和156是平面镜。任选地，反射表面152、156可以是介质镜、复制镜、凹面镜、凸面镜等。而且，反射表面152、156可以是光栅，例如，阶梯光栅、全息光栅、体积全息光栅、体积全像光栅等。在所说明的实施例中，光学元件154是棱镜。任选地，光学元件154可以是分束器、镜子，或其它反射或折射光学器件。本领域的技术人员将了解，光学系统150可以包括反射表面、折射光学器件、透镜、准直仪、滤光器、空间滤光器、虹膜、光阑等的任何组合。如图所示，散射光信号120和122分别通过反射表面152和156反射，并且通过光学元件154引导到成像装置104。成像装置104可以包括位于其中的至少一个图像传感器118。在所说明的实施例中，成像装置104是具有位于其中的至少一个CMOS图像传感器118的相机。任选地，图像传感器118可以是电荷耦合装置(CCD)图像传感器、焦平面阵列、热电阵列、扫描阵列、时间延迟积分成像器等。本领域的技术人员将了解，各种图像传感器、成像装置或成像系统可以与设备100一起使用。而且，本领域的技术人员将了解，可以使用多个成像装置而不是使用单个成像装置，或者可以在使用期间可重新定位成像装置104。而且，散射光信号120和122可以通过例如光纤束、椭圆形反射器或抛物线形反射器的替代光学系统收集，所述光学系统可以将散射光信号120、122引导到成像装置104。下文描述的图10到13示出使用如本文所描述的多个成像装置的替代实施例的各种视图，其中相似附图标记是指相似组件。在替代方案中，图14示出实施例，其中使用单个成像装置并且成像装置可从第一位置T₁重新定位到第二位置T₂，由此允许以多个角度获取多个图像，每个图像具有其自身的焦平面。

如图2中所示，成像装置104可以经由至少一个导管106连接到至少一个图像处理模块108。示例性类型的导管106包含但不限于，电缆(例如，USB、火线、CAT5)、光缆或数字光缆。任选地，导管106可以包括网络或无线通信协议，例如GigE以太网、蓝牙、WiFi等。图像处理模块108可以包括至少一个显示器116。示例性类型的显示器116包含但不限于，显示在平面屏幕、LED或LCD监视器等上的计算机图形或图形用户界面。

图3A和图3B示出关于分别在显示器116上示出的焦平面P_y和P_x的图像134a和134b。任选地，显示器116可以示出单个图像或任何数目的图像134。如图2中所示，在所说明的实施例中，光束102沿着焦平面P_y和P_x的交点传播。图3A示出当对准光束102，使得光束传播通过采样区域130时，由成像装置104捕获的与焦平面P_y有关的至少一个光束焦散线126a的至少一个图像134a。图像处理模块108可以通过用一个或多个光标124a扫描图像134a来生成图像134a的一个或多个切片。例如，可以分别在一个或多个光标位置160、162和164处捕获切片170、172和174。本领域的技术人员将了解，可以通过图像处理模块108生成任何数目的切片。图像134a可以展示大致在采样区域130的中心示出的至少一个束腰128a。或者，束腰128a可以在图像134a中的任何位置。

所说明实施例的图3B示出在光束传播通过采样区域130时，由成像装置104捕获的与焦平面P_x有关的至少一个光束焦散线126b的至少一个图像134b。在所说明的实施例中，图像处理模块108可以通过用分别在一个或多个光标位置180、182和184处的至少一个光标124a扫描图像134a来生成光束图像134a的一个或多个切片190、192和194。在所说明的实施例中，图3A和图3B中所示的图像134a和134b基本上相同，从而展现一个或多个边缘136a和136b，可以观察到所述一个或多个边缘对焦，因此不需要聚焦校正。图像处理模块108可以使用来自图3A和图3B的图像134a、134b和/或切片170-174和190-194，以计算一组光束参数，例如束腰尺寸、位置或焦点调节、瑞利范围、束质心、角发散、光束参数乘积和M²光束传播因子等，操作者可以使用所述一组光束参数来表征和控制图1中所示的激光器或光源10的性能。本领域的技术人员将了解，可以计算光束102的任何数目的光束参数或特性。

图4示出图1和图2中所示的光束质量测量设备的实施例的替代视图200，其中至少一个光束202可以穿过至少一个采样区域230并且可以定位成使得其与焦平面P_y，而不是与焦平面P_x相交。在所说明的实施例中，光束202包含一个或多个束腰228，但是本领域的技术人员将了解，光束202不需要包含束腰228。如果光束202从一个或两个焦平面偏移或不与一个或两个焦平面平行，则可以观察到光束202在一些或所有其长度上离焦。如图所示，可以通过至少一个光学系统250将一个或多个散射光信号220和222引导到位于至少一个成像装置204中的一个或多个图像传感器218。如上所述许多类型的图像传感器218可以用于成像装置204中。在所说明的实施例中，光学系统250包含至少一个反射表面252和至少一个光学元件254，但本领域的技术人员将了解，任何多种光学元件和组件可以用于光学系统250中。在所说明的实施例中，光学系统250包括两个反射表面252和256。上文关于光学系统150描述用于光学系统250的替代组件。

图5A和图5B示出由成像装置204捕获、由至少一个导管206引导到图像处理模块208并且由图像处理模块208处理并展示在显示器216上的图像234a和234b。如图4和图5A中所示，光束202可以与焦平面P_y相交并且可以观察到图像234a对焦。图5A示出当光束202传播通过采样区域230时，由成像装置204捕获的与焦平面P_y有关的光束202的至少一个光束焦散线226a的至少一个图像234a。在所说明的实施例中，例如，图像处理模块208可以通过用分别在光标位置260、262和264处的至少一个光标224a扫描图像234a来生成一个或多个切片270、272和274。本领域的技术人员将了解，可以通过图像处理模块208生成任何数目的切片。在所说明的实施例中，图像处理模块208可以被配置成分析图像以确定至少一个轴线B₁，并且使用所述数据来计算从对应于每一切片的B₁上的点到位置已知的焦平面P_x的距离d。例如，一旦限定轴线B₁，就计算从切片270的中心到焦平面P_y的距离d并且所述距离表示为d₂₇₀。图像处理模块208随后使用轴线B₁在每一切片处的位置，从而分配距每个相应切片的距离d₂₇₀、d₂₇₂和d₂₇₄的值。如下所述，此距离数据用于使用对应于所述距离的传递函数对每一切片进行解卷积，并且将解卷积的切片重组成可以用于计算光束202的正确光束参数的图像。

参考所说明的实施例的图4和图5B，图像处理模块208的显示器216示出当光束202传播通过采样区域230时，由成像装置204捕获的与焦平面P_x有关的光束202的光束焦散线226a的至少一个图像234b。如图5B中所示，图像处理模块208可以用分别在光标位置280、282和284处的至少一个光标224b生成光束图像234b的切片290、292和294。在所说明的实施例中，因为光束202从焦平面P_x偏移，所以可以观察到图像234b和切片290、292和294离焦，从而导致图像234b显得模糊。而且，在光标位置284处的切片294中捕获的束腰228b的图像可能看起来小于或大于图像实际大小。图像234b的模糊外观可能导致激光束质量测量系统产生不正确的光束参数结果。然而，图像处理模块208可以被配置成通过使用从图像234a计算出的距离d₂₇₀、d₂₇₂、d₂₇₄等确定每一切片的至少一个离焦传递函数G(ξ,d)来校正图像234b的模糊，所述至少一个离焦传递函数与系统的已知调制传递函数H(ξ)结合使用以对每一切片进行解卷积。随后可以分析通过重组解卷积切片形成的图像，以计算上述正确的光束参数。本领域的技术人员将了解，光束测量或处理算法的任何组合可以用于校正由光束202的轴线不与设备200的焦平面重合引起的聚焦误差。

图6和图7A-7B示出图1和图2中所示的光束质量测量设备的实施例的替代视图300的各种图像，其中至少一个光束302穿过至少一个采样区域330并且定位成使得其与焦平面P_y和P_x中的至少一个相交，但可以不平行于焦平面P_y和P_x中的至少一个。在所说明的实施例中，光束302可以包含一个或多个束腰328，但是本领域的技术人员将了解，光束302不需要具有束腰328。如图6中所示，可以通过至少一个光学系统360将从光束302散射的一个或多个散射光信号320和322引导到位于至少一个成像装置304中的一个或多个图像传感器318。如上所述许多类型的图像传感器318可以用于成像装置304中。在所说明的实施例中，光学系统360包含至少一个反射表面362和至少一个光学元件364，但是本领域的技术人员将了解，任何多种光学元件和组件可以用于光学系统360中。在所说明的实施例中，光学系统360包括两个反射表面362和366。上文关于光学系统150描述用于光学系统360中的替代组件。图7A示出当光束302传播通过采样区域330并且通过至少一个导管306引导到至少一个图像处理模块308时，由成像装置304(图6中所示)的图像传感器318捕获的与焦平面P_y有关的光束302的至少一个光束焦散线326a的至少一个图像334a。在所说明的实施例中，图像处理模块308可以通过用分别在光标位置370、372和374处的至少一个光标324a扫描图像334a来生成切片380、382和384。在所说明的实施例中，图像处理模块308可以分析图像以限定示为相对于焦平面P_x以角度b倾斜的轴线C₁，但是另外可以观察到图像334a对焦。图7B示出由成像装置304捕获并且由图像处理模块308处理的与焦平面P_x有关的光束302的至少一个光束焦散线326b的图像334b。图像处理模块308可以通过用分别在位置340、342和344处的至少一个光标324b扫描图像334b来生成切片350、352、354。在所说明的实施例中，因为光束302可以仅在束腰328b处与焦平面P_x相交，所以可以观察到仅束腰328b对焦并且可以观察到图像334b的其余部分离焦。本领域的技术人员将了解，光束302可以各种角度与焦平面P_y和P_x相交，或光束302可以不与焦平面P_y和P_x相交。

图8A和图8B示出如在显示器316上示出的光束302的图像334a的各种视图。在所说明的实施例中，图8A示出如图7A中所示的图像334a，其具有通过用光标位置370-378处的光标324a扫描图像334a由图像处理模块308生成的切片380-388。本领域的技术人员将了解，可以通过图像处理模块308形成和分析更多切片以提供增加的分辨率。如图8A和图8B中所示，图像处理模块304分析图像334a以限定光轴C₁。任选地，图像处理模块304可以分析多个图像以限定任何数目的光轴。例如，在所说明的实施例中，一旦限定光轴C₁，可以通过图像处理模块308针对每一切片380-388计算从光轴C₁到图像平面P_x(其位置已知)的距离d₃₈₀到d₃₈₈。如下所述，此数据随后可以用于去除图7B和图9A中所示的图像334b的离焦模糊。本领域的技术人员将了解，可以通过将各种光学或信号处理方法应用于光束302的图像来校正离焦模糊。

图7A到图7B、图8A到图8B以及图9A到图9C示出如显示在显示器316上的图7B中所示的图像334b从离焦到对焦的进程。图7B示出由成像装置304捕获并且由图像处理模块308处理的光束焦散线326b的图像334b。图像处理模块308可以用在位置340-348处的至少一个光标324b扫描图像334b来生成切片350-358。本领域的技术人员将了解，处理模块308可以沿着采样区域330在任何数目的位置处捕获任何数目的切片。因为光束302不平行于焦平面P_x，所以切片350-358中的一个或多个可以呈现为离焦。在此实施例中，因为在光标位置344处的束腰328b与焦平面相交，所以可以观察到束腰328b对焦，但是本领域的技术人员将了解，束腰328b可能不对焦，并且光束的不同位置可能替代地对焦。相比于在束腰处的切片354，例如，切片355-358和353-350离束腰位置344越远，就会逐渐变得越离焦。如在上文描述的图8A和图8B中所示的从切片380-388的中心到光轴C₁的距离d₃₈₀到d₃₈₈用于使用对应于所述距离的对焦传递函数H(ξ)和离焦传递函数G(ξ,d)对每一切片380-388进行解卷积，并且将解卷积的切片重组成图9C中所示的具有切片390-398的图像334c，所述图像可以用于计算例如上述光束发散和光束传播因子M²的正确光束参数。

图10到图13示出配置有多个成像装置的光束质量测量设备400的替代实施例的视图。如图10和图11中所示，激光束质量测量设备400可以包括可以与传播通过至少一个采样区域430的至少一个光束402进行光通信的至少两个成像装置404和406。成像装置404和406可以被配置成捕获从光束402散射的一个或多个光信号420和422，并且分别经由至少两个导管410和412将所述光信号引导到至少一个图像处理模块408。本领域的技术人员将了解，可以使用单个导管。示例性类型的导管106包含但不限于，电缆(例如，USB、火线、CAT5)、光缆或数字光缆。任选地，导管106可以包括网络或无线通信协议，例如GigE以太网、蓝牙、WiFi等。成像处理模块408可以被配置成处理信号420和422并且将一个或多个光束图像434显示在一个或多个显示器416上。成像装置404和406分别可以进一步包括至少一个图像传感器414和418。在所说明的实施例中，成像装置404和406是具有安置于其中的至少一个CMOS图像传感器414、418的相机。任选地，图像传感器414、418可以包括电荷耦合装置(CCD)图像传感器、焦平面阵列、热电阵列、扫描阵列、时间延迟积分成像器等。本领域的技术人员将了解，各种成像传感器、成像装置或成像系统可以与设备400一起使用。如图10中所示，成像装置404和406通过至少一个角度a分离。在所说明的实施例中，角度a可以是90°，从而使成像装置在至少一个平面中彼此正交。或者，角度a可以在1度与179度之间的任何位置。如上所述，图像处理模块408可以分析显示器416中所示的图像434以计算各种光束参数。

图11示出图10中所示的激光束质量测量设备400的实施例的替代视图。在所说明的实施例中，成像装置406和404可以限定分别彼此正交定向的焦平面P_y和P_x，但是本领域的技术人员将了解，焦平面P_y和P_x可能不彼此正交。任选地，成像装置404和406可以限定单个焦平面或可以各种角度相交的多于两个焦平面。如图11中所示，在末端示出与焦平面P_y和P_x相交的光束402，如同光束正进入或离开页面表面一样。如图10和图11中所示，在所说明的实施例中，光束402沿着焦平面P_y和P_x的交点传播。显示器416分别示出分别由成像装置406和404捕获的与焦平面P_y和P_x有关的图像434a和434b。任选地，显示器416可以示出单个图像或任何数目的图像434。在所说明的实施例中，显示在显示装置416上的图像434a和434b基本上类似并且可以观察到所述图像对焦。在此实施例中，因为两个图像434a和434b对焦，所以不要聚焦校正。图像处理模块408可以使用图像434a和434b来计算一组光束参数，例如束腰尺寸、位置或焦点调节、瑞利范围、束质心、角发散、光束参数乘积和M²光束传播因子等，操作者可以使用所述一组光束参数来表征和控制图1中所示的激光器或光源10的性能。本领域的技术人员将了解，可以计算光束402的任何数目的光束参数或特性。

图12示出图10中所示的激光束质量测量设备400的实施例的替代视图。如图所示，光束402可以穿过至少一个采样区域430并且可以定位成使得其与焦平面P_y相交，但不与焦平面P_x相交。如果光束402从一个或两个焦平面偏移或不与一个或两个焦平面平行，则可以观察到光束402在一些或所有其长度上离焦。在所说明的实施例中，显示器416示出分别由成像装置406和404捕获并且由图像处理模块408处理的图像444a和444b。如图12中所示，因为光束402与焦平面P_y相交，所以可以观察到图像444a对焦。相反，因为光束402不与焦平面P_y相交，所以可以观察到图像444b离焦。图像444b的校正方法可以类似于应用于上文在图4、图5A和图5B中所示的图像234b的校正方法。在所说明的实施例中，例如，图像处理模块408可以通过用在沿着图像444a的各个位置处的至少一个光标424a扫描图像444a来生成一个或多个切片470、472和474。本领域的技术人员将了解，可以通过图像处理模块408生成任何数目的切片。在所说明的实施例中，图像处理模块408可以被配置成分析图像444a和444b以确定至少一个轴线B₁，并且使用所述数据计算从每一切片470-474的中心到位置已知的焦平面P_x的距离d。图像处理模块408还可以被配置成确定从每一切片470-474的中心到焦平面P_y的距离d。从其相应切片的中心到轴线P_x的距离d₄₇₀、d₄₇₂和d₄₇₄的值用于使用对应于所述距离的传递函数对每一切片进行解卷积，并且将解卷积的切片重组成与焦平面P_x有关的校正图像，所述校正图像可以用于计算光束402的正确光束参数。

图13示出图10中所示的激光束质量测量设备400的实施例的替代视图。如图所示，类似于上文的图6，光束402穿过至少一个采样区域430并且定位成使得其与焦平面P_y和P_x中的至少一个相交，但可能不平行于焦平面P_y和P_x中的至少一个。在所说明的实施例中，显示器416示出分别由成像装置406和404捕获并且由图像处理模块408处理的图像454a(与焦平面P_y有关)和454b(与焦平面P_x有关)。如在显示器416中所示，图像454a呈现为相对于焦平面P_x以某一角度倾斜，但是另外可以观察到所述图像对焦。图像454b呈现为仅聚焦在束腰428b处。图像454b的校正方法可以类似于应用于上文在图6、图7A到图7B、图8A到图8B和图9A到图9C中所示的图像334b的校正方法。在图13中所示的实施例中，图像处理模块408可以通过用光标455a扫描图像454a来生成切片480-488。图像处理模块408可以分析图像以限定轴线C₁。任选地，图像处理模块408可以分析任何数目的图像以限定任何数目的光轴。图像处理模块408可以通过用光标455b扫描图像454b来生成切片490-498。本领域的技术人员将了解，光束402可以各种角度与焦平面P_y和P_x相交，或光束402可以不与焦平面P_y和P_x相交。如上文相对于图6、图7A到图7B、图8A到图8B和图9A到图9C类似地描述，图像处理模块408可以计算从切片480-488的中心到光轴C₁的距离d₄₈₀到d₄₈₈并且使用对应于每个距离的对焦传递函数H(ξ)和离焦传递函数G(ξ,d)将所述距离用于对每一切片490-498进行解卷积，并且将解卷积的切片重组成图13中所示的图像454c，所述图像可以用于计算例如上述光束发散和光束传播因子M²的正确光束参数。本领域的技术人员将了解，可以通过将各种光学或信号处理方法应用于光束402的图像来校正离焦模糊。

图14示出光束质量测量设备500的实施例，其中单个成像装置504可以被配置成可从第一位置T₁重新定位到第二位置T₂，由此允许在多个角焦平面处获取多个图像。如图所示，成像装置504可以与一个或多个散射光信号520和522进行光通信，并且被配置成从传播通过至少一个采样区域530的至少一个光束502接收一个或多个散射光信号520和522。如图所示，可以将成像装置504从位置T₁重新定位到位置T₂以收集一个或多个散射光信号520和522。成像装置504可以被配置成经由至少一个导管506将散射光信号520和522的图像引导到至少一个图像处理模块512，所述至少一个图像处理模块可以被配置成处理信号并且将一个或多个图像显示在一个或多个显示器516上。如上文在各种实施例中所描述，图像处理模块512可以分析显示器516中所示的图像以计算各种光束参数。如上所述，由于光束相对于焦平面P_y和P_x未对准，因此上述聚焦校正方法可以用于校正光束502的离焦图像。

尽管参考上文详述的各种实施例和实例公开一种用于激光测量系统的光束图像的聚焦校正的方法和设备，但是应了解，这些实例既定为说明性的而不是限制性的，因为预期本领域的技术人员将轻易地想到预期处于本发明的范围内的修改。

Claims (15)

1.一种用于校正图像的聚焦的方法，包括：

提供至少一个成像装置，所述至少一个成像装置包括至少一个图像传感器，所述至少一个图像传感器被配置成捕获从传播通过至少一个采样区域的至少一个光束散射的一个或多个散射光信号的一个或多个图像；

使用至少一个成像装置确定具有至少一个对焦调制传递函数H(ξ)的至少一个光束分析系统的至少一个焦平面的至少一个位置；

使用至少一个图像处理模块确定至少一个离焦图像的至少一个离焦传递函数G(ξ,d)；

通过所述成像装置捕获所述散射光信号的所述离焦图像；

通过所述图像处理模块确定所述离焦图像的至少一个第一轴；

沿着所述离焦图像的所述第一轴的至少一个突起将所述图像分成一个或多个切片，每个所述切片具有至少一个中心位置；

计算从所述每一切片的所述中心位置到对应于每一切片的所述焦平面的至少一个距离d；

使用所述距离d来解析每一切片的所述离焦传递函数G(ξ,d)；

针对所述对焦调制传递函数H(ξ)和所述离焦传递函数G(ξ,d)对所述图像的每一切片进行解卷积；以及

将至少一个校正图像输出到至少一个显示器。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过激光束的瑞利散射来散射所述散射光信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中通过激光束的拉曼散射来散射所述散射光信号。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述校正图像示出至少一个束腰。

5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括使用所述校正图像来计算所述束腰的宽度。

6.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括使用所述校正图像来计算所述束腰沿着所述激光束的轴线的位置。

7.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括使用所述校正图像来计算所述激光束的瑞利范围。

8.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括使用所述校正图像来计算所述激光束的M²光束参数乘积。

9.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括使用所述校正图像来寻找沿着所述激光束的所述轴线的光束发散。

10.一种用于校正图像的聚焦的设备，包括：

至少一个外壳，所述至少一个外壳限定至少一个采样区域，所述采样区域被配置成允许至少一个光束传播通过；

一个或多个光学系统，所述一个或多个光学系统位于所述外壳内，每个光学系统限定至少一个焦平面，所述光学系统被配置成将来自所述采样区域的至少一个散射光信号传输到至少一个成像装置，所述成像装置包含至少一个图像传感器，所述图像传感器经由所述光学系统与所述采样区域进行光通信，并且被配置成感测来自所述采样区域的所述散射光信号并捕获所述散射光信号的至少一个光束的至少一个图像；以及

至少一个图像处理模块，所述至少一个图像处理模块经由至少一个导管与所述外壳通信，所述图像处理模块被配置成将至少一个光束显示在一个或多个显示器上。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述外壳包含一个成像装置。

12.根据权利要求10所述的设备，其中所述外壳包含两个成像装置。

13.根据权利要求10所述的设备，其中所述图像传感器是CMOS图像传感器。

14.根据权利要求10所述的设备，其中所述图像传感器是电荷耦合装置图像传感器。

15.根据权利要求10所述的设备，其中所述光束是激光束。

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