CN108955626A - 亚微米量级的高精度探测***及位置角度探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种亚微米量级的高精度探测***和位置角度探测方法，主要解决了现有位置和角度探测***测量精度低、***体积大、价格昂贵的问题，其包括：光路单元(1)、探测单元(2)和信息处理单元(3)。其中，探测单元(2)使用了两个位置敏感探测芯片同时独立测量位置和角度信息。外部的模拟光源准直通过光路单元到达探测单元，探测单元将获得的电压信息传送到信息处理单元，信息处理单元将计算得到的位置和角度值实时显示在上位机的程序页面上。本发明简化了***结构，减小了***体积，提高了检测过程的灵敏性和检测结果的可靠性，适用于对亚微量级的目标探测和干扰检测。

Description

亚微米量级的高精度探测***及位置角度探测方法

技术领域

本发明属于光电探测领域，特别涉及一种位置敏感探测***，可用于目标检测。

背景技术

目标检测在信息化高速发展的时代占据重要的地位，对被测物体的距离和方位角的探测技术也逐渐成为人们关注的热点。目前的测量方式主要有接触式和非接触式两种。接触式测量有速度慢、可能损伤被测物件、发生碰撞和由于磨损作用而造成额外的维修保养成本等缺点。相比之下，非接触式测量由于不存在接触力而有测量范围广、速度快、量程大等优点，逐渐成为精密检测技术的主要发展方向。

位置敏感探测器PSD作为一种光电探测器，凭借其自身的高响应度、高分辨率、信号处理简单等特点，在位移测量、三维运动测量、微小角度测量以及平行度测量中显示了广阔的应用前景，在测距***中被广泛青睐。

相对于其他类型的光电传感器，PSD的主要优点在于它是无盲区的连续性器件，并且在无需额外器件的情况下就可以做成大面积的测量***。如今，PSD已被广泛应用于需求低成本或高速位置检测的商业和工业应用中，比如非接触式距离测量、激光光束准直和物体的光电跟踪等场合，也应用于精密光学准直方面，比如生物医疗应用、机器人、过程控制和位置信息***等。

如今，美国、日本、英国等发达国家在PSD研究和制造方面已经具有相当高的水平，其产品性能日臻完善。50年代至80年代主要是注重PSD特性研究和从实验研究转化为产品开发的阶段。因此过去在应用上不如电荷耦合器件CCD器件那样广泛。相比光电二极管阵列和CCD的逐行扫描，PSD忽略了光斑形状细节，直接给出光斑重心位置，高效而快捷。日本松下、瑞典Sitek和美国UDT等开发出了多种规格、能满足不同要求的一维和二维PSD系列产品及相应的处理电路，但价格昂贵。目前，在国内利用PSD探测芯片实现的位置和角度测量***存在产品体积大、***复杂、测量精度低的缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服目前市场上PSD精度低、尺寸大、结构复杂的缺陷，提供一种亚微米量级的高精度探测***及位置角度探测方法，以较简单的结构获得位置和角度的高精度探测。

为实现上述目的，本发明的***包括：光路单元、探测单元和信息处理单元，其特征在于：

所述的光路单元，包括透镜、分光棱镜和3个直角棱镜；

所述的探测单元，包括位置探测芯片PSD_B和角度探测芯片PSD_A；

所述分光棱镜和位置探测芯片PSD_B位于透镜的焦平面上，即位于透镜后175mm处，角度探测芯片PSD_A位于透镜之后的83.5mm位置处；

激光经过透镜打在分光棱镜上分成两束，一束反射到位置探测芯片PSD_B，另一束透过分光棱镜到达第一直角棱镜后，再依次全反射到第二直角棱镜和第三直角棱镜，到达角度探测芯片PSD_A。

进一步，信息处理单元包括：

数据采集模块，用于采集位置探测芯片PSD_B和角度探测芯片PSD_A电极上的电压值；

数据处理模块，用于将采集数据模块里采集到的电压值计算得到位置和角度值；

数据显示模块，用于将处理数据模块中计算得到的位置和角度值显示在上位机的程序页面上。

为实现上述目的，本发明利用上述***进行位置和角度的探测方法，包括如下步骤：

1)用632.8nm的红光半导体激光器的光束准直照射到焦距为175mm的透镜上，通过分光棱镜之后分成两束：一束反射到位置探测芯片PSD_B，另一束透过到达第一直角棱镜，到达第一直角棱镜的光全反射到第二直角棱镜，再经过第三直角棱镜全反射到角度探测芯片PSD_A；

2)收集光束照射到位置探测芯片PSD_B上四个电极的电压值V_X1、V_X2、V_Y1、V_Y1，由此计算光束的水平方向位置B_x和竖直方向位置B_y；

3)收集光束照射到位置探测芯片PSD_A上四个电极的电压值V′_X1、V′_X2、V′_Y1、V′_Y1，并根据***中透镜的焦距计算光束的水平方向夹角A_x和竖直方向夹角A_y；

4)在上位机上编程实现位置坐标B_x，B_y和角度值A_x和A_y的实时显示。

本发明与现有技术相比较具有如下的优点：

第一，本发明采用两个位置敏感探测芯片同时独立测量位置和角度信息，使得***探测高速灵敏，准确可靠。

第二，本发明采用一种折返型自准直共轴光路，减小了***体积，***尺寸可以达到110mm×85mm×45mm。

第三，本发明采用几个常用棱镜和透镜，结构简单，操作方便，价格低廉。

实测结果表明，本发明探测精度达到亚微米量级，尺寸可以达到110mm×85mm×45mm。

附图说明

图1是本发明的***框图；

图2是本发明***中的光路单元结构示意图；

图3是本发明的测量方法流程图；

图4是用本发明对上位机中角度和位置测量值的实时显示图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照图1，本发明的***包括：光路单元1、探测单元2和信息处理单元3。外部的模拟光源准直通过光路单元1到达探测单元2，探测单元2将得到的信息传送到信息处理单元3，将计算得到的位置和角度值实时显示在上位机的程序页面上。

所述的模拟光源采用可见光波段的任意激光器，本实例为了提高激光效率和减小激光器体积，选用了波长为632.8nm的红光半导体激光器。

所述的探测单元2，包括一个位置探测芯片PSD_B21和一个角度探测芯片PSD_A22。角度探测芯片PSD_A22和位置探测芯片PSD_B21的尺寸包括：2mm×2mm，4mm×4mm，9mm×9mm，12mm×12mm这些规格中的任意一种。本发明为了使激光功率集中光敏面大小合适且能达到精度要求，选取了但不限于PSD_B探测芯片的大小为9mm×9mm，PSD_A探测芯片的大小为4mm×4mm。

所述信息处理单元3包括：数据采集模块31，数据处理模块32和数据显示模块33。

数据采集模块31采集外部模拟光源传送到信息处理单元上的电压值，数据处理模块32根据电压值计算得到位置和角度值，数据显示模块33将计算得到的位置和角度值显示在上位机的程序页面上，实现对检测目标位置和角度的实时准确探测。

参照图2，所述光路单元1包括透镜11、分光棱镜12、直角棱镜13、直角棱镜14和直角棱镜15。其中，分光棱镜12位于透镜11后45mm处，位置探测芯片PSD_B21位于透镜上方10mm处，第一直角棱镜13位于分光棱镜12后60mm处，第二直角棱镜14位于第一直角棱镜13下方27mm处，第三直角棱镜15位于第二直角棱镜14右方50mm处，位置探测芯片PSD_A22位于透镜上方37mm处，分光棱镜12和位置探测芯片PSD_B21位于透镜11的焦平面上。激光经过透镜11打在分光棱镜12上分成两束，一束反射到位置探测芯片PSD_B21，另一束透过分光棱镜12到达第一直角棱镜13后，再依次全反射到第二直角棱镜14和第三直角棱镜15，到达角度探测芯片PSD_A22。

所述透镜11采用可见光系列的任意透镜，为了达到实现所需精度同时避免体积偏大，选择了焦距f＝175nm的透镜；为了减少光强损失，选择镀350nm-700nm增透膜的N-BK7双凸透镜；为了接收到全部的光斑，透镜选用直径为50.8mm的最大尺寸。

所述分光棱镜12选用反射率为50％的半反半透棱镜，为了保证光线全部通过，不发生拦截现象，又避免因为尺寸过大而造成的浪费，本实例选用但不限于直角边长度为25.4mm，的分光棱镜；

所述三个直角棱镜13，14，15均选用反射率为99.99％的全反射棱镜，为了为防止光能损失，使激光在可见光和近红外光谱部分具有较好的透射率，满足***设计要求的632.8nm的波长，本实例选用但不限于斜边镀可半反半透膜的K9玻璃。

参照图3，利用上述亚微米量级的探测***进行位置和角度探测的方法，其实现步骤如下：

步骤1：两个探测芯片接收外部模拟激光。

用632.8nm的红光半导体激光器的光束准直照射到焦距为175mm的透镜11上，通过分光棱镜12之后分成两束：一束反射到位置探测芯片PSD_B21，另一束透过到达第一直角棱镜13，到达第一直角棱镜13的光全反射到第二直角棱镜14，再经过第三直角棱镜15全反射到角度探测芯片PSD_A22。

步骤2：信息处理单元对激光的位置值进行计算。

数据采集模块采集外部模拟光源传送到信息处理单元上的电压值V_X1、V_X2、V_Y1、V_Y1，数据处理模块根据位置敏感探测器PSD_B上四个电压值计算光束的水平方向位置B_x和竖直方向位置B_y：

PSD_B属于半导体光电位置传感器的一种，采用PN结构，其工作的原理是基于非均匀横向光电效应，在半导体衬底表面扩散或者注入杂质形成PN结，并在扩散面的侧面形成电极。当光敏面被非均匀光照射时，由于非均匀横向光电效应，在平行于结平面的方向形成电势差，该电势差在扩散层被分压，通过电极收集后输出的电压与光斑的重心位置相关，根据输出电压就可得到入射光斑的重心位置，其计算公式如下：

其中，B_x是光束的水平方向位置，B_y是光束的竖直方向位置；V_X1、V_X2、V_Y1、V_Y1分别是位置探测芯片PSD_B每一个电级的输出信号电压；L_X和L_Y分别是位置探测芯片PSD_B在水平方向和竖直方向上光敏面的边长。

步骤3：信息处理单元对激光的角度值进行计算。

3.1)外部模拟光源照射到位置探测芯片PSD_A22上，数据采集模块收集芯片上四个电极获得的电压值V′_X1、V′_X2、V′_Y1、V′_Y1，并根据***中透镜11的焦距计算光束的角度值；

3.2)计算光束在角度探测芯片PSD_A上水平方向的位置值A_xn和竖直方向的位置值A_yn：

其中，V′_X1、V′_X2、V′_Y1、V′_Y1分别是位置探测芯片PSD_B每一个电级的输出信号电压，L′_X和L′_Y分别是位置探测芯片PSD_A在水平方向和竖直方向上光敏面的边长；

3.3)根据步骤3.2)的结果，计算光束在角度探测芯片PSD_A上水平方向的角度值A_x和竖直方向的角度值A_y：

其中，f_PSD是透镜11的焦距。

步骤4：对位置坐标B_x，B_y和角度值A_x和A_y进行实时显示。

参考图4，本步骤的具体实现如下：

4.1)微调外部模拟光源的位置，得出上位机上数据显示模块的位置值，例如将模拟光源微调一次位置，上位机程序界面上模拟激光的水平方向位置坐标B_x的数值为-8.2993mm，水平方向位置坐标B_y为0.1137mm，表明此时激光位于(-8.2993，0.1137)坐标处，即目标在x轴左边8.2993mm处，y轴上方0.1137mm处，从此结果来看，位置坐标显示四位小数，即精度为亚微米量级；

4.2)微调外部模拟光源的角度，得出上位机上数据显示模块的角度值，例如将模拟光源微调一次小角度，上位机程序界面上模拟激光的水平方向角度值A_x的数值为-22.9860mrad，水平方向位置坐标A_y为0.3040mrad，表明此时模拟激光沿x轴向下旋转22.9860mrad，沿y轴向左旋转0.3040mrad，从此结果来看，位置坐标显示四位小数，即精度为亚微弧度量级。

Claims (7)

1.一种亚微米量级的探测***，包括：光路单元(1)、探测单元(2)和信息处理单元(3)，其特征在于：

所述的光路单元(1)，包括透镜(11)、分光棱镜(12)和3个直角棱镜(13，14，15)；

所述的探测单元(2)，包括位置探测芯片PSD_B(21)和角度探测芯片PSD_A(22)；

所述分光棱镜(12)和位置探测芯片PSD_B(21)位于透镜(11)的焦平面上，即位于透镜后175mm处，角度探测芯片PSD_A(22)位于透镜(11)之后的83.5mm位置处；

激光经过透镜(11)打在分光棱镜(12)上分成两束，一束反射到位置探测芯片PSD_B(21)，另一束透过分光棱镜(12)到达第一直角棱镜(13)后，再依次全反射到第二直角棱镜(14)和第三直角棱镜(15)，到达角度探测芯片PSD_A(22)。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，信息处理单元(3)包括：

数据采集模块(31)，用于采集位置探测芯片PSD_B(21)和角度探测芯片PSD_A(22)电极上的电压值；

数据处理模块(32)，用于将采集数据模块里采集到的电压值计算得到位置和角度值；

数据显示模块(33)，用于将处理数据模块中计算得到的位置和角度值显示在上位机的程序页面上。

3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，分光棱镜(12)选用反射率为50％的半反半透棱镜；三个直角棱镜(13，14，15)选用反射率为99.99％的全反射棱镜。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，角度探测芯片PSD_A(22)和位置探测芯片PSD_B(21)的尺寸包括：2mm×2mm，4mm×4mm，9mm×9mm，12mm×12mm这些规格中的任意一种。

5.一种利用权利要求书所述***进行位置和角度探测的方法，包括如下步骤：

1)用632.8nm的红光半导体激光器的光束准直照射到焦距为175mm的透镜上，通过分光棱镜之后分成两束：一束反射到位置探测芯片PSD_B，另一束透过到达第一直角棱镜，到达第一直角棱镜的光全反射到第二直角棱镜，再经过第三直角棱镜全反射到角度探测芯片PSD_A；

2)收集模拟光源照射到位置探测芯片PSD_B上四个电极的电压值V_X1、V_X2、V_Y1、V_Y1，由此计算光束的水平方向位置B_x和竖直方向位置B_y；

3)收集光束照射到位置探测芯片PSD_A上四个电极的电压值V_X′₁、V_X′₂、V_Y′₁、V_Y′₁，并根据***中透镜的焦距计算光束的水平方向夹角A_x和竖直方向夹角A_y；

4)在上位机上编程实现位置坐标B_x，B_y和角度值A_x和A_y的实时显示。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2)中计算光束在位置探测芯片PSD_B上水平方向位置B_x和竖直方向位置B_y，按如下公式计算：

其中，V_X1、V_X2、V_Y1、V_Y1分别是位置探测芯片PSD_B每一个电级的输出信号电压，L_X和L_Y分别是位置探测芯片PSD_B在水平方向和竖直方向上光敏面的边长。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3)中光束在角度探测芯片PSD_A上水平方向的夹角A_x和竖直方向的角度A_y，按如下步骤进行：

3a)计算光束在角度探测芯片PSD_A上水平方向的位置值A_xn和竖直方向的位置值A_yn：

其中，V′_X1、V′_X2、V′_Y1、V′_Y1分别是位置探测芯片PSD_B每一个电级的输出信号电压，L′_X和L′_Y分别是位置探测芯片PSD_A在水平方向和竖直方向上光敏面的边长；

3b)计算光束在角度探测芯片PSD_A上水平方向的角度值A_x和竖直方向的位置值A_y：

其中，f_PSD是光路单元中透镜的焦距。