基于干涉条纹图骨架线处理的激光谐振腔自动调腔系统及其方法 【技术领域】
本发明涉及激光技术等领域，进一步是指基于干涉条纹图骨架线处理的激光谐振腔自动调腔系统及其方法。
背景技术
激光器输出光束的质量和输出功率与激光谐振腔是否准直有很大关系。腔镜的失调将会导致激光光束质量和激光功率的下降，甚至产生极其不均匀的强度分布。因此，在激光器工作之前，谐振腔的准直调整是保证激光器输出高功率、高质量光束的重要前提之一。
目前，激光谐振腔的调腔方法主要分为人工调腔和自动准直两大方向。
在人工调腔方面，目前广泛采用的方法是通过在腔镜中央开设一个小孔，将准直导引光引入到谐振腔内，导引光经过腔镜的多次往返反射后，再通过耦合输出镜输出。调腔人员根据输出的近场光斑图样(中空的圆形干涉条纹)质量(如条纹对称度)来判断腔镜的失调状况，再据此进行人工准直调整。这种调腔方法最简单也最方便，因此常用于实际的工程应用中。但由于需要人工判读光斑图样，调腔精度受限，而且由于凭人眼的主观感受，其调腔精度可能因调腔人员的不同而不一致，导致调腔的重复精度较差。
在自动准直方面，目前主要沿两种思路进行，一是通过设计调腔装置的特殊结构、利用辅助光学仪器来实现失调腔的自动准直调整；二是通过干涉仪或波前传感器等测量腔外输出光束的光场分布，建立光场分布与失调量之间的数学模型，通过求解失调量来实现失调腔的自动准直调整。通常第一种方法会导致谐振腔的结构复杂，加工制造困难。第二种方法由于像差与腔镜失调量之间存在非线性的耦合关系，会导致算法不稳定甚至求解困难。
总之，在激光谐振腔调腔领域，目前还没有形成一套简便实用的快速自动调腔方法。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是，将人工调腔与自动调腔相结合，克服现有自动调腔技术的不足，在人工调腔结束之后，利用数字图像处理技术提取激光谐振腔输出准直光束的干涉条纹骨架线，在此基础上建立一种谐振腔准直度评价函数，应用迭代控制算法控制腔镜作动使得评价函数向极值逼近，从而实现谐振腔的高精度自动准直。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种基于干涉条纹图骨架线处理的激光谐振腔自动调腔系统，包括导引光激光器、由可调腔镜构成的激光谐振腔、耦合输出镜、光轴与激光谐振腔腔轴垂直的摄像机、计算机以及与可调腔镜连接的腔镜控制系统；所述摄像机连接有计算机，计算机连接腔镜控制系统。
所述激光谐振腔包括现行激光器研究领域定义的各类稳定腔和非稳腔。本发明实施例中激光谐振腔由位于同一光轴线上的凹面镜和凸面镜组成。
可调腔镜之一安装于电动可调镜架上，所述电动可调镜架和与之连接的控制电路构成腔镜控制系统。
同时，本发明还提供了一种基于干涉条纹图骨架线处理的激光谐振腔自动调腔方法，包括如下步骤：
1)利用摄像机对激光谐振腔的输出准直光束的干涉条纹进行记录，并将其传输至计算机；
2)计算机对干涉条纹图像进行预处理，再提取出条纹骨架线，并计算出条纹骨架线的相对偏移量；
3)依据得到的相对偏移量对谐振腔进行准直度判定；
4)根据谐振腔准直度，向腔镜控制系统发出控制信号，驱动腔镜自动准直。
所述步骤2中的干涉条纹图像预处理可包括灰度变换和滤波去噪步骤。所述条纹骨架线的提取方法优选采用的是现有技术中的二维导数符号二值图法。
所述骨架线相对偏移量的计算方法为：首先利用Hough变换估算出所有骨架线中心坐标的大体位置(X0，Y0)，然后计算各级骨架线上各点距离中心坐标(X0，Y0)之间的距离。由于干涉条纹图基本成圆形分布，因此每一级骨架线上的点与(X0，Y0)之间的距离基本相同，此距离就可近似作为该级骨架线圆环的半径。依据各级骨架线半径的不同长度，可以将各级骨架线分别提取出来。然后利用多项式拟合求出每一级骨架线圆心的精确坐标(Xi，Yi)，计算出各圆心位置之间的相对偏移量Δdi，此即为各级骨架线的相对偏移量。
所述拟合采用的多项式如下：
p1x2+p2xy+p3y2+p4x+p5y+p6＝0 (1)
这是一个椭圆表达式，式中，p1，p2，p6为待定的多项式系数，x和y分别为条纹骨架线上某一点的横坐标和纵坐标。通过对骨架线上的多个点进行拟合，可以解算出多项式系数p1，p2，...，p6，此时椭圆唯一确定，从而可以确定出骨架线所在椭圆的各项参数，如椭圆中心坐标(Xi，Yi)、长短轴长度(a，b)、椭圆倾角等。在其他光学系统中，如果输出的干涉条纹比圆形或椭圆形更加复杂，则可采用更高阶的多项式进行拟合，多项式的阶数依据条纹形状而定。
所述各级骨架线圆心相对偏移量Δdi的计算以其相互之间的距离确定，计算公式如下：
Δdi=(Xi-Xi+1)2+(Yi-Yi+1)2i=1,2,3,...,N---(2)]]>
式中，N为可用于计算的骨架线个数，i为骨架线的级次，最中心(半径最小)骨架线取i＝1。其中点的坐标以及半径长度地计算均以像素为单位。
所述谐振腔准直度判定函数采用如下形式：
J=e-ΣiN-1ΔdiN-1---(3)]]>
其中N为可用于计算的骨架线个数，i为骨架线的级次，Δdi为各级骨架线圆心相对偏移量；当J≥0.99时，可以认为谐振腔准直，不再需要调节。
所述腔镜控制信号的计算采用迭代算法进行，并采用谐振腔准直度判定函数J作为性能评价函数。迭代的过程就是不断向电动镜架的每一个控制通道发送满足一定统计规律的驱动电压，腔镜就会发生相应的作动。腔镜的作动将导致谐振腔输出的干涉条纹图发生变化，从而谐振腔准直度评价函数J随之变化。J的变化情况将对下一次迭代中施加到各个控制通道驱动电压的大小和方向(增大或减小)起决定作用。如此，形成一个闭环的传感、控制与反馈系统。
所述迭代算法会使J向极值逐渐收敛，也就意味着腔镜结构逐渐在向准直状态逼近。当J收敛至上述0.99的阈值时，迭代结束。维持此时的电压不变，自动调腔结束。
本发明所述基于干涉条纹图骨架线处理的激光谐振腔自动调腔系统采用与激光谐振腔配合安装的摄像机、计算机和镜控制系统构成具有传感、控制及反馈功能的闭环系统，并据此提出基于干涉条纹图骨架线处理的激光谐振腔自动调腔方法，利用摄像机对激光谐振腔的输出准直光束的干涉条纹进行记录并通过数据线传输至计算机，计算机对条纹图进行处理，依据处理结果通过数据线对腔镜控制系统发送控制信号，驱动腔镜自动准直。
由于各种结构类型的谐振腔的输出准直光束的近场光斑均为干涉条纹，因此本发明所公布的调腔方法同样适用于其他结构类型的谐振腔自动调腔，进一步还适用于输出光斑为圆形干涉条纹的多光学元件组成的复杂光学系统的计算机辅助装调。
本发明的意义在于：
1、现有通用的调腔方法是利用干涉条纹进行人工判读，而人工判读中经验成分比较多，调腔的精度在很大程度上取决于工作人员的主观判断。一般情况下，只有腔镜失调达到25角秒左右时人眼才能察觉。本发明通过对干涉条纹数据处理结果的定量分析来判定谐振腔的准直度，有效消除了人眼在条纹判读中带来的主观性误差，极大提高了判读的精度和准确性。
2、由于器件自身的漂移以及外界干扰等因素，激光谐振腔(尤其是应用于大功率激光器的非稳腔)每一次开启之前均需要进行准直调校。本发明可将激光器谐振腔调腔领域的人工调腔方法与自动准直调腔技术相结合，一方面克服了人工调腔方法耗时长、可重复性差等缺点，另一方面克服了现有自动准直调腔技术系统结构复杂、计算困难等不足，对于提高调腔的速度以及可重复性均有较大帮助。
3、本发明不对谐振腔内部结构做出任何改变，适用于多种结构类型的谐振腔，更进一步还可推广应用至其他输出光斑为干涉条纹的光学系统的准直调校。
4、在摄像测量领域，对于干涉条纹的处理已形成一套比较成熟和完备的理论体系和技术方案。本发明将摄像测量的方法引入激光器调腔技术之中，为激光谐振腔的调腔方法开辟了新的思路。
【附图说明】
图1为基于干涉条纹骨架线处理的激光谐振腔自动调腔系统示意图；
图2为基于干涉条纹骨架线处理的激光谐振腔自动调腔方法的流程图；
图3为激光谐振腔输出的准直光束干涉条纹图；
图4为利用二维导数符号二值图法对图3所述干涉条纹图提取出的骨架线图。
在上述附图中：
1-导引激光器 2-凹面镜 3-凸面镜 4-耦合输出镜5-摄像机 6-计算机 7-腔镜控制系统
【具体实施方式】
激光谐振腔具有多种结构类型，本实施例以如图1所示的凹凸腔结构为例。凹面镜2和凸面镜3构成激光谐振腔，它们之间的距离满足谐振腔的腔长要求。凸面镜3安装在五维(前后、左右、上下、俯仰、偏航)可调电动镜架上并由控制电路驱动，可调电动镜架与控制电路共同构成腔镜控制系统7。凹面镜2保持固定不动。耦合输出镜4安装在机械可调的光学支架上，与谐振腔轴成45度角放置，中心开有矩形或椭圆形大孔；耦合输出镜靠近凸面镜放置；所述导引激光器1采用He-Ne激光器，置于凹面镜2之后，其激光发射口对准凹透镜2中心设置的小孔，使之发出的准直光束在腔内经过多次往返传输后由耦合输出镜4输出并进入摄像机5之中，摄像机5光轴与腔轴垂直，并对准耦合输出镜4，进行实时拍摄并将拍摄图像传输至计算机6，计算机6对其进行处理，并向凸面镜3的腔镜控制系统7发送驱动信号，使凸面镜3自动准直。
由耦合输出镜4输出的准直光束的近场光斑实质是一组中空的圆形干涉条纹，如图3所示，本实施例中图像大小为768×576像素。在谐振腔完全准直的理想情况下，各级条纹形成一系列的同心圆；当谐振腔在某一方向有所失调时，干涉条纹图也会在对应的方向出现偏移，圆心不再重合。
本实施例所采用的调腔方法将激光谐振腔调腔过程分为人工粗调和自动精调两个阶段，其中人工粗调采用现有通用人工调腔方法，人工粗调结束之后，再采用本发明所述自动调腔方法对谐振腔进行自动精调以提高调腔精度。如图2所示，具体步骤如下：
(1)摄像机5连续拍摄准直光束的干涉条纹并传输至以计算机6，计算机6对干涉条纹图进行灰度变换、滤波去噪等预处理。
(2)按照二维导数符号二值图法提取骨架线，所述二维导数符号二值图法在2002年由科学出版社出版，于起峰等著的基于图像的精密测量与运动测量中51到53页有详细描述。
所得结果之一如图4所示。
(3)计算出各级骨架线中心坐标的精确位置(Xi，Yi)，并得出各圆心位置之间的相对偏移量Δdi，此即为各级骨架线的相对偏移量。
首先利用Hough变换估算出所有骨架线中心坐标的大体位置(X0，Y0)，然后计算各级骨架线上各点距离中心坐标(X0，Y0)之间的距离。由于干涉条纹图基本成圆形分布，因此每一级骨架线上的点与(X0，Y0)之间的距离基本相同，此距离就可近似作为该级骨架线圆环的半径。依据各级骨架线半径的不同长度，可以将各级骨架线分别提取出来。然后利用多项式拟合求出每一级骨架线圆心的精确坐标(Xi，Yi)。计算出各圆心位置之间的相对偏移量Δdi，此即为各级骨架线的相对偏移量。
所述拟合采用的多项式如下：
p1x2+p2xy+p3y2+p4x+p5y+p6＝0 (1)
上式为一椭圆表达式，式中，p1，p2，...，p6为待定的多项式系数，x和y分别为条纹骨架线上某一点的横坐标和纵坐标。通过对骨架线上的多个点进行拟合，就可以解算出多项式系数p1，p2，...，p6，此时椭圆也就唯一确定，也就可以确定出骨架线所在椭圆的各项参数，如椭圆中心坐标(Xi，Yi)、长短轴长度(a，b)、椭圆倾角等。在其他光学系统中，如果输出的干涉条纹比圆形或椭圆形更加复杂，则可采用更高阶的多项式进行拟合，多项式的阶数依据条纹形状而定。
上述各级骨架线圆心相对偏移量Δdi的计算以其相互之间的距离确定，计算公式如下：
Δdi=(Xi-Xi+1)2+(Yi-Yi+1)2i=1,2,3,...,N---(2)]]>
式中，式中，N为可用于计算的骨架线个数，i为骨架线的级次，最中心(半径最小)骨架线取i＝1。
所述谐振腔准直度判定函数采用如下形式：
J=e-ΣiN-1ΔdiN-1---(3)]]>
当J≥0.99时，可以认为谐振腔准直，不再需要调节。
本实施例中，针对图4中由内而外三级条纹骨架线的计算结果为(单位：像素)：
中心坐标大体位置：X0＝412，Y0＝288；
一级骨架线中心精确位置：X1＝412.6，Y1＝288.9；
二级骨架线中心精确位置：X2＝4138，Y2＝287.8；
三级骨架线中心精确位置：X3＝411.6，Y3＝283.8。
按照前述骨架线偏移量计算公式计算偏移量Δdi。本实施例中，针对上述结果得(单位：像素)：
Δd1=(X1-X2)2+(Y1-Y2)2=(412.6-413.8)3+(288.9-287.8)2=1.628]]>
Δd2=(X2-X3)2+(Y2-Y3)2=(413.8-411.6)2+(287.8-283.8)2=4.565]]>
按照前述谐振腔准直度判定函数计算谐振腔准直度J。本实施例中，针对上述结果得：
J=e-Σi2Δdi2=e-Δd1+Δd22=e-1.628+4.5652=0.0452]]>
可见此时谐振腔未达到准直要求。
按照迭代算法，计算机依据J的计算结果向腔镜控制系统的各个通道发送控制信号以驱动腔镜自动调节。
迭代的过程就是不断向电动镜架的每一个控制通道发送满足一定统计规律的驱动电压，腔镜就会发生相应的作动。腔镜的动作将导致谐振腔输出的干涉条纹图发生变化，从而谐振腔准直度评价函数J随之变化。J的变化情况将对下一次迭代中施加到各个控制通道驱动电压的大小和方向(增大或减小)起决定作用。如此，形成一个闭环的传感、控制与反馈系统。
所述迭代算法会使J向极值逐渐收敛，也就意味着腔镜结构逐渐在向准直状态逼近。当J收敛至上述0.99的阈值时，迭代结束。维持此时的电压不变，自动调腔结束。