激光光束分析仪
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边缘处理、提取
光斑中心、 长短轴计算
发散角计算
光强分布显示
结束 图2 程序流程框图
3.3 光斑中心及长短轴计算
光斑 中 心 利 用如 下 形 心 计算 公式 进行计 算：
图3 650nm 半导体激光器的光斑
3
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4
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v a v bv = = u au b u 根据式（1 ） 、 （2） ，可得到毛玻璃上椭圆光斑的长轴和短轴分别是： au = a v (u − f ) f bv (u − f ) f
（2 ）
4 误差分析
远场发散角的测量主要给出水平和垂直两个方向的测量结果，它们的测量误差分别 可由式（5 ） 、 （6）求得。对式（5 ）设 X＝(tanθ‖/2)，求微分则有： ∆X ∆bv ∆u ∆d = + + X bv u− f d （7）
其中第一项中，像素的测量误差应该是一个像素的尺寸，应该是µm 量级，可以忽略，因 此式（7 ）可近似为:： ∆X ∆u ∆d ≈ + X u− f d
18 16 远场 发散 角（ deg. ） 14 12 10 8 6 4 2 0
40 42 45 47 50
（8 ）
其中， ∆u 和 ∆d 的测量精度由导轨刻度决定。设采用刻度为 1mm 的导轨，并设 d=100mm，u=200mm，已知 f=6mm，则 ∆X 有 这个误差对垂直和水平两个方向是一致的。 可 ≈ 1.5%。 X 见 d 和 u 越大，测量精度越高。 下面将这个误差转化为 θ 的测量误差。由前面的假设， 有： θ = 2 arctan X 则有
Indirect testing for Far-field Speciality of Semiconductor Lasers
Su Meikai （Jinan FLS Optoelectronics Technology Institute）
Abstract： In this paper a new type of continuous testing system of LD is introduced. It includes the technology of high precise data sampling，data processing and exact mechanical orientation. The system not only can plot power-current curve and voltage-current curve of LD， and test multi-parameters， but also test continuously， display， storage， manage and print. In addition，the measurement is quick，highly precise and conveniently operative. Key words：semiconductor laser diode，parameter testing，continuous testing
发散角的计算可根据以下基本透镜成像公式计算得到： 1 1 1 + = u v f （1 ）
其中 u 是毛玻璃到 CCD 镜头的距离（物距） ， f 是 CCD 镜头的焦距， v 像距。 根据半导体激光器发散角为“中心光强度下降 1/2 对应的角度”的定义，通过 CCD 相应的灰度值确定 CCD 光敏面上椭圆光斑的长、短轴分别是 a v 和 b v，又设毛玻璃上椭 圆光斑的长短轴分别是 au 和 bu，则有：
3 软件实现
采用 VC6.0 和 Euresys 公司的 Evision 图像处理软件包开发而成， 主要包括图像采集、 预处理、光强分布三维图形绘制、长轴和短轴方向光强分布曲线的绘制、发散角计算等 功能。其主要程序流程图如图 2 所示。
2
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激光光束分析仪
苏美开 （济南福来斯光电技术室，flsoe@）
[摘要] 介绍了一种计算机控制的半导体激光器远场特性测量系统。 提出了面阵 CCD 间接 测量法对半导体激光器（LD）远场特性进行测量，不仅可以精确地得到光斑强度的空间 分布，还可以由计算机对图像进行分析处理，绘出长轴和短轴分布曲线，从而计算出远 场发散角。其主要优点是图像直观、测试速度快，重复性精度优于 1.5%。 [关键词] 半导体激光器；远场特性；CCD 间接测试
3.1 图像预处理
由于环境和 CCD 摄像头的影响，所得的灰度 图像包含了各种噪声， 最主要的是杂散光引起的背 景噪声和 CCD 摄像头的高频噪声，必须对其进行 预处理。 背景噪声的消除采用二次相减法， 即在不发射 激光时，采样一个背景图像，用发射激光时采样的 光斑图像和背景图像相减， 即可消除大部分背景噪 声。对高频噪声，采用邻域中值滤波法进行消除， 这样就可得到一个比较平滑的光斑图像。 图 3 是一个经过处理后的 650nm 半导体激光 器的光斑。
， y= A A A 式中，A为激光光斑的面积，x、y为轴向坐标，dA为一个像素标称面积。 长轴和短轴的计算方法是，对矩阵进行距离变换找出长轴，旋转90°即为短轴。
A
x=
∫ xdA
∫ ydA
3.4 光强分布图的绘制
利用图像像素的行、列及对 应的光强值，分别作为 x、y、z 轴的三维坐标， 将一幅图的所有 点 连 起 来， 就 构 成 一幅 三 维 图 形，如图 4。
2 测试系统硬件构成
1
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系统组成如图 1 所示，硬件部分包括光可变衰减器、屏幕、面阵 CCD、图像采集卡 等组成，粗线方框圈起的部分置于光学暗箱中。其工作原理是：LD 发出的激光在屏幕上 形成激光光斑，经过光衰减器后，再经透镜成像于 CCD 的光敏面上， CCD 将光信号转 换成视频信号，输出给图像采集卡而形成光斑的数字图像。通过计算光斑的大小，利用 光学成像公式，计算出激光器的发散角，同时通过计算得到探测器获得激光光斑的二维 分布图像。
Θ⊥
Θ‖
驱 动 电 流 （ mA）
图 6 发散角随驱动电流变化
5
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∆θ ∆X =2 θ (1 + X 2 )θ
（9 ）
通常 θ‖≈10 º= π /18 ，θ⊥≈40 º=2 π / 9；则有 X‖＝tan(θ‖/2)＝0.087，X⊥＝tan(θ⊥/2)＝0.36， 分别代入式（3-9 ） ，得 θ‖/θ‖=1.5%，θ⊥/θ⊥=1.4%。结果表明，两者的测量误差近似相等。 另外衰减器和毛玻璃的使用对光斑大小和均匀性也有一定影响，需要在软件中加以 修正。
LD 毛 玻 璃 衰 减 片 1 衰 减 片 2 CCD
计算 机
激 光 电 源
电 源 光学导轨
图1
CCD 测试 LD 发散角系统组成
光衰减器：由于被探测的激光强度通常高出图像探测器接收灵敏度若干个量级， 因此 必须将被测激光强度衰减到探测器的线性工作区内。考虑到普遍实用性， 衰减器由两组 旋臂式衰减片组串联组成。每组 4 片衰减片，其透过率分别为 10%、1%、0.1%和 0.01%， 这样得到得动态范围为 100%～10 -10，利用旋臂可方便地组合衰减倍率，以细调进入探测 器的光Байду номын сангаас率（能量） 。 屏幕：为光学单面 240 毛玻璃。 面阵 CCD：常用半导体激光器波长在 400nm－1100nm 范围内，这一波段的图像探 测器可选用硅 CCD。为保证 CCD 光强度测量精度，其信噪比必须大于 48dB；为了保证 空间分布的测量精度，应选用逐行扫描黑白 CCD，像素数 700×500 左右为宜。我们选用 了美国 PULNIX 公司[10]生产的 TM-300NIR 高分辩力 CCD 摄像机，其在近红外响应上限 到 1100nm。 图像采集卡：用于处理来自光 CCD 的模拟信号，将其变为 PC 机可接受的数字信号 后送入 PC 机处理；采用比利时 EURESYS 公司[11]生产的 PICOLO2 图像采集卡，可以同 时带动四台摄像机，以便于其它波段（1100nm 以上）激光器测量。同时该图像采集卡带 有图像处理工具，可方便的与 VC 、C++builder、Delphi 语言接口。 光学暗箱：箱体内表面采用吸光材料，其作用是屏蔽高灵敏的图像探测器，使其不受 杂散光的影响。光学暗箱由箱体、电源、光学导轨及相应光学调节架组成。
开始
预览
位置正确 Y 单频捕捉
N
调整
图像预处理
3.2 光斑提取
边缘提取有很多种方法[12-17]， 如边缘检测方法 和区域分割方法。 边缘检 测法是 通过 选择 一 阶 导 数 或 二 阶导 数 来检测边界。 由 于 激光光斑和 背景交界 处的像 素 的 灰度 值 有很大差别， 采用区域分割法中的阈值分割法可以 很好地进行分割。步骤是：首先对灰度分布在 gmin 和 g max 之 间 的 图 像 制 定 一 个 灰 度 阈 值 T （g min<T<gmax） ，然后将图中 的每个像素的灰 度值 和阈值相比较， 并将对应的像素根据比较结果分成 两类：灰度大于（或大于等于）阈值的分为一类， 其余分为另一类。 阈 值 的 选取 是 取 得 良 好 分 割 效 果 的 最 关键 参 数，通常是根据图像的直方图来进行的。如果图像 的灰度直方图是一个双峰直方图， 那么就可以选择 两峰之间的谷值作为阈值来分割目标和背景。 在实际应用中， 激光光斑图像的双峰直方 图峰值 较大，而我们最关心的谷底数值 又较 小， 使我们分辨不清谷底曲线的情况， 在这种 情况下 很难直接找到 谷值 作为阈 值分割。 为 此， 我将直方图的纵坐标改为对数坐标， 这样 形成的对数直方图有两个优点， 一是谷底曲线 清楚，二是曲线较线性坐标的连续、平滑。阈 值确定后，将图像二值化。
1 引言
激光器发散角是评价激光器性能的一个重要参数。发散角的测量有很多种方法，包 括扫描法[1-4]、双折射法[5-6]、聚焦测量法[7]和 CCD 探测法等[8-9]。 扫描法的原理是采用步进电机带动光电探测器，分别在 LD 出光面方向上，以固定 的距离间隔进行扫描，按每步长测得一系列光强值，据此绘出光强分布曲线，从而根据 发散角的定义求得发散角。该方法不仅适用于发散角为极小的气体激光器、固定激光器， 也适用于发散角极大的半导体激光器（LD） 。这种测量方法的优点是方法简单、成本低； 缺点是速度慢、精度低，尤其对半导体激光器，需要对长短轴两个方向扫描，只能根据 半导体激光器管芯腔面位置大致确定长短轴方向。这已不能满足生产和科研要求，成为 制约生产效率瓶颈。 双折射法测量法和聚焦测量法仅仅适应于小发散角的测量。 已有文献提出的 CCD 探测法，也是针对小发散角的直接测量法，即激光器发出光经 衰减器衰减后，直接照到 CCD 光敏面上，从而得到光强分布的二维图像[9]。 本文提出采用面阵 CCD 间接测量法对 LD 发散角测量，克服了直接测量法因为发散 角大不能测量的缺陷，不仅可以精确地得到光斑强度的空间分布，还可以由计算机对图 像进行分析处理，绘出长轴和短轴分布曲线，计算出激光器的远场发散角。
3.5 水 平和 垂 直光 强 分布 曲线
半导体激光器 在 屏幕 的 投 影为椭圆形光斑， 沿长轴方向对 光强分布图的垂直剖面， 得到水 平光强分布曲线； 沿短轴方向对 光强分布图的垂直剖面， 得到垂 直光强分布曲线，如图 5 所示。
图4
650nm 半导体激光器光强三维分布
图5
长、短轴光强分布图
3.6 远场发散角计算
bu =
又设激光器正向出光面到毛玻璃的距离为 d，则可以根据激光器的发散角 θ‖、θ⊥分 别是： bv (u − f ) df a v (u − f ) df
tan(θ‖/2)=
（5）
tan(θ⊥/2)=
（6）
式（5 ） 、 （6）就是要求的发散角公式。式中 f 是镜头焦距，一个固定值，我们采用 是 6mm 镜头，d 和 u 可以根据光学导轨刻度确定，av 和 bv 由图像处理得到。
光斑中心、 长短轴计算
发散角计算
光强分布显示
结束 图2 程序流程框图
3.3 光斑中心及长短轴计算
光斑 中 心 利 用如 下 形 心 计算 公式 进行计 算：
图3 650nm 半导体激光器的光斑
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v a v bv = = u au b u 根据式（1 ） 、 （2） ，可得到毛玻璃上椭圆光斑的长轴和短轴分别是： au = a v (u − f ) f bv (u − f ) f
（2 ）
4 误差分析
远场发散角的测量主要给出水平和垂直两个方向的测量结果，它们的测量误差分别 可由式（5 ） 、 （6）求得。对式（5 ）设 X＝(tanθ‖/2)，求微分则有： ∆X ∆bv ∆u ∆d = + + X bv u− f d （7）
其中第一项中，像素的测量误差应该是一个像素的尺寸，应该是µm 量级，可以忽略，因 此式（7 ）可近似为:： ∆X ∆u ∆d ≈ + X u− f d
18 16 远场 发散 角（ deg. ） 14 12 10 8 6 4 2 0
40 42 45 47 50
（8 ）
其中， ∆u 和 ∆d 的测量精度由导轨刻度决定。设采用刻度为 1mm 的导轨，并设 d=100mm，u=200mm，已知 f=6mm，则 ∆X 有 这个误差对垂直和水平两个方向是一致的。 可 ≈ 1.5%。 X 见 d 和 u 越大，测量精度越高。 下面将这个误差转化为 θ 的测量误差。由前面的假设， 有： θ = 2 arctan X 则有
Indirect testing for Far-field Speciality of Semiconductor Lasers
Su Meikai （Jinan FLS Optoelectronics Technology Institute）
Abstract： In this paper a new type of continuous testing system of LD is introduced. It includes the technology of high precise data sampling，data processing and exact mechanical orientation. The system not only can plot power-current curve and voltage-current curve of LD， and test multi-parameters， but also test continuously， display， storage， manage and print. In addition，the measurement is quick，highly precise and conveniently operative. Key words：semiconductor laser diode，parameter testing，continuous testing
发散角的计算可根据以下基本透镜成像公式计算得到： 1 1 1 + = u v f （1 ）
其中 u 是毛玻璃到 CCD 镜头的距离（物距） ， f 是 CCD 镜头的焦距， v 像距。 根据半导体激光器发散角为“中心光强度下降 1/2 对应的角度”的定义，通过 CCD 相应的灰度值确定 CCD 光敏面上椭圆光斑的长、短轴分别是 a v 和 b v，又设毛玻璃上椭 圆光斑的长短轴分别是 au 和 bu，则有：
3 软件实现
采用 VC6.0 和 Euresys 公司的 Evision 图像处理软件包开发而成， 主要包括图像采集、 预处理、光强分布三维图形绘制、长轴和短轴方向光强分布曲线的绘制、发散角计算等 功能。其主要程序流程图如图 2 所示。
2
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ
激光光束分析仪
苏美开 （济南福来斯光电技术室，flsoe@）
[摘要] 介绍了一种计算机控制的半导体激光器远场特性测量系统。 提出了面阵 CCD 间接 测量法对半导体激光器（LD）远场特性进行测量，不仅可以精确地得到光斑强度的空间 分布，还可以由计算机对图像进行分析处理，绘出长轴和短轴分布曲线，从而计算出远 场发散角。其主要优点是图像直观、测试速度快，重复性精度优于 1.5%。 [关键词] 半导体激光器；远场特性；CCD 间接测试
3.1 图像预处理
由于环境和 CCD 摄像头的影响，所得的灰度 图像包含了各种噪声， 最主要的是杂散光引起的背 景噪声和 CCD 摄像头的高频噪声，必须对其进行 预处理。 背景噪声的消除采用二次相减法， 即在不发射 激光时，采样一个背景图像，用发射激光时采样的 光斑图像和背景图像相减， 即可消除大部分背景噪 声。对高频噪声，采用邻域中值滤波法进行消除， 这样就可得到一个比较平滑的光斑图像。 图 3 是一个经过处理后的 650nm 半导体激光 器的光斑。
， y= A A A 式中，A为激光光斑的面积，x、y为轴向坐标，dA为一个像素标称面积。 长轴和短轴的计算方法是，对矩阵进行距离变换找出长轴，旋转90°即为短轴。
A
x=
∫ xdA
∫ ydA
3.4 光强分布图的绘制
利用图像像素的行、列及对 应的光强值，分别作为 x、y、z 轴的三维坐标， 将一幅图的所有 点 连 起 来， 就 构 成 一幅 三 维 图 形，如图 4。
2 测试系统硬件构成
1
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建
系统组成如图 1 所示，硬件部分包括光可变衰减器、屏幕、面阵 CCD、图像采集卡 等组成，粗线方框圈起的部分置于光学暗箱中。其工作原理是：LD 发出的激光在屏幕上 形成激光光斑，经过光衰减器后，再经透镜成像于 CCD 的光敏面上， CCD 将光信号转 换成视频信号，输出给图像采集卡而形成光斑的数字图像。通过计算光斑的大小，利用 光学成像公式，计算出激光器的发散角，同时通过计算得到探测器获得激光光斑的二维 分布图像。
Θ⊥
Θ‖
驱 动 电 流 （ mA）
图 6 发散角随驱动电流变化
5
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建
∆θ ∆X =2 θ (1 + X 2 )θ
（9 ）
通常 θ‖≈10 º= π /18 ，θ⊥≈40 º=2 π / 9；则有 X‖＝tan(θ‖/2)＝0.087，X⊥＝tan(θ⊥/2)＝0.36， 分别代入式（3-9 ） ，得 θ‖/θ‖=1.5%，θ⊥/θ⊥=1.4%。结果表明，两者的测量误差近似相等。 另外衰减器和毛玻璃的使用对光斑大小和均匀性也有一定影响，需要在软件中加以 修正。
LD 毛 玻 璃 衰 减 片 1 衰 减 片 2 CCD
计算 机
激 光 电 源
电 源 光学导轨
图1
CCD 测试 LD 发散角系统组成
光衰减器：由于被探测的激光强度通常高出图像探测器接收灵敏度若干个量级， 因此 必须将被测激光强度衰减到探测器的线性工作区内。考虑到普遍实用性， 衰减器由两组 旋臂式衰减片组串联组成。每组 4 片衰减片，其透过率分别为 10%、1%、0.1%和 0.01%， 这样得到得动态范围为 100%～10 -10，利用旋臂可方便地组合衰减倍率，以细调进入探测 器的光Байду номын сангаас率（能量） 。 屏幕：为光学单面 240 毛玻璃。 面阵 CCD：常用半导体激光器波长在 400nm－1100nm 范围内，这一波段的图像探 测器可选用硅 CCD。为保证 CCD 光强度测量精度，其信噪比必须大于 48dB；为了保证 空间分布的测量精度，应选用逐行扫描黑白 CCD，像素数 700×500 左右为宜。我们选用 了美国 PULNIX 公司[10]生产的 TM-300NIR 高分辩力 CCD 摄像机，其在近红外响应上限 到 1100nm。 图像采集卡：用于处理来自光 CCD 的模拟信号，将其变为 PC 机可接受的数字信号 后送入 PC 机处理；采用比利时 EURESYS 公司[11]生产的 PICOLO2 图像采集卡，可以同 时带动四台摄像机，以便于其它波段（1100nm 以上）激光器测量。同时该图像采集卡带 有图像处理工具，可方便的与 VC 、C++builder、Delphi 语言接口。 光学暗箱：箱体内表面采用吸光材料，其作用是屏蔽高灵敏的图像探测器，使其不受 杂散光的影响。光学暗箱由箱体、电源、光学导轨及相应光学调节架组成。
开始
预览
位置正确 Y 单频捕捉
N
调整
图像预处理
3.2 光斑提取
边缘提取有很多种方法[12-17]， 如边缘检测方法 和区域分割方法。 边缘检 测法是 通过 选择 一 阶 导 数 或 二 阶导 数 来检测边界。 由 于 激光光斑和 背景交界 处的像 素 的 灰度 值 有很大差别， 采用区域分割法中的阈值分割法可以 很好地进行分割。步骤是：首先对灰度分布在 gmin 和 g max 之 间 的 图 像 制 定 一 个 灰 度 阈 值 T （g min<T<gmax） ，然后将图中 的每个像素的灰 度值 和阈值相比较， 并将对应的像素根据比较结果分成 两类：灰度大于（或大于等于）阈值的分为一类， 其余分为另一类。 阈 值 的 选取 是 取 得 良 好 分 割 效 果 的 最 关键 参 数，通常是根据图像的直方图来进行的。如果图像 的灰度直方图是一个双峰直方图， 那么就可以选择 两峰之间的谷值作为阈值来分割目标和背景。 在实际应用中， 激光光斑图像的双峰直方 图峰值 较大，而我们最关心的谷底数值 又较 小， 使我们分辨不清谷底曲线的情况， 在这种 情况下 很难直接找到 谷值 作为阈 值分割。 为 此， 我将直方图的纵坐标改为对数坐标， 这样 形成的对数直方图有两个优点， 一是谷底曲线 清楚，二是曲线较线性坐标的连续、平滑。阈 值确定后，将图像二值化。
1 引言
激光器发散角是评价激光器性能的一个重要参数。发散角的测量有很多种方法，包 括扫描法[1-4]、双折射法[5-6]、聚焦测量法[7]和 CCD 探测法等[8-9]。 扫描法的原理是采用步进电机带动光电探测器，分别在 LD 出光面方向上，以固定 的距离间隔进行扫描，按每步长测得一系列光强值，据此绘出光强分布曲线，从而根据 发散角的定义求得发散角。该方法不仅适用于发散角为极小的气体激光器、固定激光器， 也适用于发散角极大的半导体激光器（LD） 。这种测量方法的优点是方法简单、成本低； 缺点是速度慢、精度低，尤其对半导体激光器，需要对长短轴两个方向扫描，只能根据 半导体激光器管芯腔面位置大致确定长短轴方向。这已不能满足生产和科研要求，成为 制约生产效率瓶颈。 双折射法测量法和聚焦测量法仅仅适应于小发散角的测量。 已有文献提出的 CCD 探测法，也是针对小发散角的直接测量法，即激光器发出光经 衰减器衰减后，直接照到 CCD 光敏面上，从而得到光强分布的二维图像[9]。 本文提出采用面阵 CCD 间接测量法对 LD 发散角测量，克服了直接测量法因为发散 角大不能测量的缺陷，不仅可以精确地得到光斑强度的空间分布，还可以由计算机对图 像进行分析处理，绘出长轴和短轴分布曲线，计算出激光器的远场发散角。
3.5 水 平和 垂 直光 强 分布 曲线
半导体激光器 在 屏幕 的 投 影为椭圆形光斑， 沿长轴方向对 光强分布图的垂直剖面， 得到水 平光强分布曲线； 沿短轴方向对 光强分布图的垂直剖面， 得到垂 直光强分布曲线，如图 5 所示。
图4
650nm 半导体激光器光强三维分布
图5
长、短轴光强分布图
3.6 远场发散角计算
bu =
又设激光器正向出光面到毛玻璃的距离为 d，则可以根据激光器的发散角 θ‖、θ⊥分 别是： bv (u − f ) df a v (u − f ) df
tan(θ‖/2)=
（5）
tan(θ⊥/2)=
（6）
式（5 ） 、 （6）就是要求的发散角公式。式中 f 是镜头焦距，一个固定值，我们采用 是 6mm 镜头，d 和 u 可以根据光学导轨刻度确定，av 和 bv 由图像处理得到。