CN100476364C - 全数字化的四象限探测器检测激光光束偏转角的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全数字化的四象限探测器检测激光光束偏转角的装置及方法。该装置有前置放大电路(12)、滤波电路(13)、AD转换电路(16)、偏移量显示模块(18)，还有四象限探测器(1)、次级放大电路模块(14)、可变增益放大电路模块(15)和高速微处理器模块(17)构成；本发明由于采用了全数字处理的方法解决了测量精度降低的问题；采用自适应可变增益放大电路使该方法能够通过根据输入信号强弱自动改变增益大小的方式来维持进入AD采集单元时信号强度的大小，克服了因输入光强变化所带来的信噪比下降而导致解算精度降低的缺点；采用高速微处理器进行光束偏转角解算的方式克服了因采用单片机解算所造成的解算速度不快的缺点。

Description

全数字化的四象限探测器检测激光光束偏转角的装置及方法

技术领域

本发明属于光电测量技术领域，全数字化的四象限探测器检测激光光束偏转角的装置及方法。

背景技术

目前，对激光光束偏转角的测量主要采用的光电探测器有电荷耦合器件(CCD)、位置敏感器(PSD)和四象限探测器(QD)三种光电探测器。由于电荷耦合器件(CCD)输出的数据虽能直接反应光斑在光敏面上的位置，进而根据其相对光敏面中心的偏移量得出激光束的偏转角(相对于光轴)，但是电荷耦合器件(CCD)的象素太多，需要处理的数据量太大，不适合高动态范围的激光束偏转角的测量；而位置敏感器(PSD)，其数据处理相对电荷耦合器件(CCD)而言要简单得多，但是由于其器件本身的参数特性，它的性能不如QD。同时QD还广泛用于视轴对准、角度测量以及跟踪等领域中。

在专利“一种平面镜摆动姿态的检测装置及其方法”(中国专利申请，公开号：CN 1487264A。)中，采用了四象限探测器作为其光电传感器，其处理电路如图4所示。它由21前置放大电路模块、22和差电路模块、23锁相检测电路模块、24滤波电路模块、25AD转换电路模块、26单片机和27测量结果单元共六部分组成。四象限探测器的四路经前置放大电路后，进行和差解算，然后通过锁相检测的方式，提取信号进行AD转换，并将转换后的数据送往单片机进行偏移量解算，最后由单片机将解算结果通过RS485接口送往上位机显示。由于它采用了和差电路，会引起四象限探测器四路信号间的串扰同时引入了额外的共模噪声，并且不便于通过软件的方式对通道间性能的不均衡进行补偿，降低了解算精度；由于它采用的是单片机，其解算精度和解算速度都受到限制，在该系统中，最快速度为90次/S。

发明内容

本发明主要是为了解决激光束偏转角QD检测中光斑偏移量解算速度和解算精度的不足，提供全数字化的四象限探测器检测激光光束偏转角的装置及实现方法。

本发明的基本构思如下：激光光束经成像物镜单元成像到QD传感器的光敏面上，由QD传感器将光信号转换为电信号，该电信号先经过前置放大电路进行前置放大，然后对信号进行滤波，接着对滤波后的信号进行次级放大以及自适应可变增益放大，然后送往AD转换电路，接着将AD转换后的信号送往高速微处理器进行光斑偏移量解算，最后将解算后的激光束偏移角进行显示。

如图3所示，全数字化的四象限探测器检测激光束偏转角的装置的构成由四象限探测器1、前置放大电路12、滤波电路13、次级放大电路模块14、可变增益放大电路模块15、AD转换电路16、高速微处理器模块17和偏移量显示模块18构成；

前置放大电路12、滤波电路13、次级放大电路模块14、可变增益放大电路模块15、AD转换电路16、高速微处理器模块17和偏移量显示模块18依次连接，高速微处理器模块17还与可变增益放大电路模块15连接。

相对于已有技术“一种平面镜摆动姿态的检测装置及其方法”而言，本发明除采用前置放大电路12、滤波电路13、AD转换电路16、偏移量显示模块18外，还采用了：一、自适应可变增益放大电路模块15，用以在入射激光光功率不稳定时，确保较好的信噪比，以提高偏转角的解算精度；二、高速微处理器17，用以替代单片机进行数据解算，在进行数字信号处理的时候能达到更高的解算精度和解算速度；三、没有采用和差电路和锁相检测，同时对于滤波电路的连接位置作了调整，以便能更好地抑制噪声；采用高速微处理器17取代了单片机，以使在进行数字信号处理的时候能达到更高的解算精度和解算速度。

提供全数字化的四象限探测器检测激光束偏转角的方法，其步骤和条件如下：

(1)调整QD光电探测器的光敏面相对于成像物镜单元2的位置，以调整成像光斑在QD光敏面上的大小：

如图1所示，激光光束经成像物镜单元2聚焦到QD光电探测器1上，要调整QD光电探测器的光敏面相对于成像物镜单元2的位置，使QD光电探测器的光敏面上的成像光斑3的大小能够在0.1倍到1倍的QD光电探测器光敏面内接圆直径内调整，这样以达到最佳的探测性能。

(2)测量成像光斑在QD光电探测器四个象限所产生的光电流：

如图2所示，激光光束经成像物镜单元2后的成像光斑3位于QD光电探测器1的光敏面2的四个象限：第一象限4，第二象限5，第三象限6和第四象限7中，QD光电探测器1将各个象限上的光能转换为相应的光电流，由于光电流与入射到对应光敏面上的光功率成正比，而光功率又与成像光斑在QD探测器四个象限内所占的面积及光斑能量分布有关，在光斑能量分布为均匀分布时，象限电流于该象限所占光斑面积成正比，即测量该四个象限产生的光电流的大小就可以得到成像光斑相对于四象限探测器四个象限所形成的坐标系的坐标，进而可得到激光光束偏转角。

因为激光的谱线宽度很窄，相对于QD光电探测器1的光谱响应曲线来说，可以认为激光源为线光源，即QD光电探测器的响应度在该激光光束波段范围内为常数，则QD光电探测器各象限的响应光电流与该象限所得的光功率大小成正比。由于成像光斑3的光能在四个象限上的分布不同，导致由QD光电探测器1转换所得的各个象限的光电流的大小也不相同。它们直接反应了光斑能量中心相对于QD光电探测器像敏面四个象限所形成坐标系内的位置，并由该位置即可求的激光束的偏转角。

(3)将四象限光电探测器所产生的光电流转换为电压信号，并将其放大：

如图3所示，QD光电探测器1将激光光束经成像物镜单元2后的成像光斑3对应于QD光电探测器四个象限上的光能及光斑的位置信息转换成相应的四路光电流：第一象限所得光电流8，令为I1；第二象限所得光电流9，令为I2；第三象限所得光电流10，令为I3；第四象限所得光电流11，令为I4。这四路光电流经前置放大电路模块12将光电流转换为电压信号，并将其放大。

前置放大电路模块12有如下3种实现方式：(1)采用零偏放大的方式将由QD光电探测器所得的光电流：I1，I2，I3，I4直接转换成电压信号，同时使之得到放大；(2)让QD光电探测器工作在反相偏压的工作状态下，采用直流放大的形式将由QD光电探测器所得的光电流：I1，I2，I3，I4转换为电压信号，并使之放大；(3)让QD光电探测器工作在反相偏压的工作状态下，采用交流放大的形式将由QD光电探测器所得的光电流：I1、I2、I3、I4转换为电压信号U1、U2、U3、U4，并使之放大。

(4)采用滤波电路13，此为本发明的一发明点。滤波电路13加在此处，比“一种平面镜摆动姿态的检测装置及其方法”(中国专利申请，公开号：CN 1487264A)中加在锁相检测后能更好地抑制噪声。

采用滤波电路13对步骤(3)得到的前置放大后的电压信号U1、U2、U3、U4进行滤波提高信噪比：

采用滤波电路13对步骤(3)得到的前置放大后的电压信号U1、U2、U3、U4进行滤波，得到信号UL1、UL2、UL3、UL4，提高信噪比，根据光信号的频带以及应用要求可设计具体的滤波电路以达到最好的滤波效果，提高信噪比，提高光斑偏移量的解算精度。

所以如此，是由于QD光电探测器固有噪声、前置放大电路的固有噪声、背景噪声等噪声的影响，导致前置放大后的信号其信噪比较低所致。

(5)采用次级放大电路模块14，对滤波后的信号UL1、UL2、UL3、UL4进行再次放大，增大有效信号的幅度，提高信噪比。此为本发明的一发明点，对信号进行二次放大一是实现与滤波电路模块的阻抗匹配；一是降低对前置放大器的性能要求。

由于在进行远距离的激光光束偏转角的测量中，信号通常很微弱，尽管经过前置放大电路后信号得到增强，但仍很小，需要对其进行再一次的放大。本发明采用次级放大电路模块14对滤波后的信号进行再次放大，得到信号US1、US2、US3、US4，增大有效信号的幅度，提高信噪比。

(6)采用自适应可变增益放大电路模块15，此为本发明的一发明点。通过该模块的采用能根据当前信号的强度改变放大倍数，使放大后的信号幅度保持在一个较高的水平，能够提高检测精度。

采用自适应可变增益放大电路以使信噪比保持在一个高的状态，保证光斑偏移量解算精度的稳定性：

由于传输距离远，传输过程中难免会受到其它因素的干扰，造成信号强度降低，在放大倍数相同的情况下，降低了信号的信噪比，导致偏移量解算精度的降低。本发明采用自适应可变增益放大电路模块15对信号US1、US2、US3、US4进行处理(在信号较弱的时候提高放大倍数，在信号过强的时候降低放大倍数)，得到信号UA1、UA2、UA3、UA4。

(7)在对信号进行可变增益放大后，采用四路AD转换电路16将模拟信号转变成为数字信号：

在对信号进行可变增益放大后，采用AD转换电路16将四路模拟信号UA1、UA2、UA3、UA4转变成为四路串行数字信号ADC1、ADC2、ADC3、ADC4。在四路AD转换电路16中，可根据需要的转换精度、信号电压的范围、通道的数量、通道AD转换的转换方式(同步转换或顺序转换)等选择合适的AD转换器，同时为保证四个通道能够同时采样，并相互独立以减小通道间的相互干扰，选择需要的AD转换器的数量。在该模块中还需要对自适应可变增益放大电路模块15的输出信号进行处理，以满足AD转换器的输入信号性能要求，达到最佳的AD转换性能。

(8)采用高速微处理器17，此为本发明的一发明点。在对四路模拟信号进行模数转换后，将转换后得到的数字信号输出到高速微处理器17进行处理：

在对信号进行模数转换后，将转换后的数字信号输出到高速微处理器17进行处理。在该模块中需要完成四通道数字信号ADC1、ADC2、ADC3、ADC4的数字滤波处理，对QD光电探测器四个象限非均匀性及后续处理电路四个通道间的不均匀性等进行补偿，自适应可变增益放大电路模块15的放大倍数的控制，QD光电传感器上光斑偏移量解算、激光光束偏转角解算，偏移量的传输工作。由于高度微处理器(如：DSP、FPGA等)的运算速度非常快，能达几十兆、上百兆甚至上千兆，同时这类高速微处理器的运算精度也很高，大多都能够大于16位，几乎都大于单片机的处理速度和处理精度，因此能够迅速完成这些工作，得出激光光束偏转角，从而达到很高的光束偏转角解算速度，并同时提高光束偏转角的解算精度。

(9)采用了偏移量显示模块18，便于人眼观察。本发明采用了偏移量显示模块18，将激光光束的偏转角信息显示出来。该显示模块可由上位机接收高速微处理器模块解算所得的激光光束偏转角，然后在上位机上显示；也可由另外的MCU通过数码管、液晶显示屏或其它显示装置显示激光光束的偏转角。

本发明的效果：本发明由于采用了全数字处理的方式能够克服由于前级信号调理的模拟电路各通道间性能参数不均衡带来的测量精度降低的缺点；因采用加减法电路所带来的电路共模电压、失调电压等的影响带来的解算精度的下降；以及因采用自适应可变增益放大电路使该方法能够通过根据输入信号强弱自动改变增益大小的方式来维持进入AD采集单元时信号强度的大小，克服了因输入光强变化所带来的信噪比下降而导致解算精度降低的缺点；以及因采用高速微处理器进行光束偏转角解算的方式克服了因采用单片机解算所造成的解算速度不快的缺点。

附图说明

图1为激光束偏移角测量光路图。图1的1表示的是QD的光敏面。2是成像物镜单元2。

图2为光斑在QD探测器光敏面上的示意图。在图2中，1是QD光电探测器，2是成像物镜单元2，3是成像光斑3，4是第一象限4，5是第二象限，6是第三象限6，7是第四象限7。

图3为全数字化的四象限探测器检测激光光束偏转角的装置结构框图。此图也是摘要附图。

在图3中，2是成像物镜，3是成像光斑3，8是第一象限所得光电流8，令为I1，9是第二象限所得光电流9，令为I2，10是第三象限所得光电流10，令为I3；11是第四象限所得光电流11，令为I4。

图4是已有技术的采用四象限探测器作为其光电传感器，其处理电路图。

图5是四象限探测器前置放大电路其中第一象限的电路图。

图6是四象限探测器第一象限滤波电路的电路图。

图7是四象限探测器第一象限次级放大电路的电路图。

具体实施方式

实施例1

将模拟电路的电路图给出来了，由于自适应可变增益放大电路、AD转换电路和微处理器电路可直接在器件的Datasheet里面的应用电路进行设计，模拟电路才是真个电路的核心，所以只给出了模拟部分的电路图。

如图3所示，一种全数字化的检测激光光束偏转角的装置的构成由：QD光电探测器1、前置放大电路12、滤波电路13、次级放大电路模块14、自适应可变增益放大电路模块15、四路AD转换电路16、高速微处理器17和偏移量显示模块18构成；

前置放大电路块12、滤波电路13、次级放大电路模块14、可变增益放大电路模块15、AD转换电路16、高速微处理器模块17和偏移量显示模块18依次连接；高速微处理器模块17还与可变增益放大电路模块15连接。

下面结合附图，提供全数字化的四象限探测器检测激光束偏转角的方法，其步骤和条件如下：

在图1中，激光束经成像物镜单元2聚焦到QD光电探测器的光敏面1上，在这期间，还需要调整QD光电探测器的光敏面相对于成像物镜单元2的位置，使QD光电探测器的光敏面上的成像光斑的大小能够在0.1倍到1倍的QD光电探测器的光敏面内接圆直径范围内调整，这样以达到最佳的探测性能。

在图2中，激光光束经成像物镜2后的成像光斑3位于QD光电探测器1的光敏面2的四个象限：第一象限4，第二象限5，第三象限6和第四象限7中，在QD光电探测器将各个象限上的光能转换为相应的电流的时候，由于成像光斑3的光能在四个象限上的分量不同，导致由QD光电探测器转换所得的各个象限的光电流大小也不相同，因为激光的谱线宽度很窄，相对于QD光电探测器的光谱响应曲线来说，可以认为激光源为线光源，即QD光电探测器的响应度在该激光光束波段范围内为常数，则QD光电探测器各象限的响应电流与该象限所得的光功率大小成正比。它们直接反应了光斑能量中心相对于QD光电探测器像敏面四个象限所形成坐标系内的位置，由该位置即可求的激光束的偏转角。

在图3中，QD光电探测器将激光光束经成像物镜2后的成像光斑3对应于QD探测器四个象限上的光能及光斑的位置信息转换成相应的四路电信号：第一象限所得光电流8，令为I1；第二象限所得光电流9，令为I2；第三象限所得光电流10，令为I3；第四象限所得光电流11，令为I4。这四路电流信号经前置放大电路模块将光电流转换为电压信号，并将其放大。

前置放大电路模块12有如下3种实现方式：(1)采用零偏放大的方式将由QD光电探测器所得的光电流(I1，I2，I3，I4)直接转换成电压信号，同时使之得到放大；(2)让QD光电探测器工作在反相偏压的工作状态下，采用直流放大的形式将由QD光电探测器所得的光电流(I1，I2，I3，I4)转换为电压信号，并使之放大；(3)让QD光电探测器工作在方向偏压的工作状态下，采用交流放大的形式将由QD光电探测器所得的光电流(I1，I2，I3，I4)转换为电压信号，并使之放大。如可采用第二种实现方式，前置放大电路以第一象限为例，如图5所示。

由于QD光电探测器固有噪声、前置放大电路的固有噪声、背景噪声等噪声的影响，导致前置放大后的信号其信噪比较低。本发明中采用滤波电路模块13对其进行滤波，以提高信噪比。根据光信号的频带以及应用要求可设计具体的滤波电路以达到最好的滤波效果，提高信噪比，提高光斑偏移量的解算精度。以第一象限为例，滤波电路可如图6所示进行设计。由于在进行远距离的激光光束偏转角的测量中，信号通常很微弱，尽管经过前置放大电路后信号得到增强，但仍很小，需要对其进行再一次的放大。本发明采用次级放大电路模块14对滤波后的信号进行再次放大，增大有效信号的幅度，提高信噪比。以第一象限为例，次级放大电路可如图7所示。

同时由于传输距离远，传输过程中难免会受到其它因素的干扰，造成信号强度降低，在放大倍数相同的情况下，降低了信号的信噪比，导致偏移量解算精度的降低。本发明采用自适应可变增益放大电路模块15对其进行处理，在信号较弱的时候提高放大倍数，在信号过强的时候降低放大倍数，以使信噪比保持在一个高的状态，保证光斑偏移量解算精度的稳定性。此处电路图可参考所选用的可变增益放大器的Datasheet进行设计。

在对信号进行可变增益放大后，采用AD转换电路16将模拟信号转变成为数字信号。在四路AD转换电路16中，可根据需要的转换精度、信号电压的范围、通道的数量、通道AD转换的转换方式(同步转换或顺序转换)等选择合适的AD转换器，同时为保证四个通道能够同时采样，并相互独立以减小通道间的相互干扰，选择需要的AD转换器的数量。在该模块中还需要对自适应可变增益放大电路模块15的输出信号进行处理，以满足AD转换器的输入信号性能要求，达到最佳的AD转换性能。此处AD转换器可选用单通道的，其电路可参考器件的Datasheet进行设计。

在对信号进行模数转换后，将转换后的数字信号输出到高速微处理器17进行偏移量解算。在该模块中需要完成四通到数字信号数字滤波处理，对QD光电探测器四个象限非均匀性及后续处理电路四个通道间的不均匀性等进行补偿，自适应可变增益放大电路模块15的放大倍数的控制，QD光电传感器上光斑偏移量解算、激光光束偏转角解算，偏移量的传输等工作。由于高度微处理器(如：DSP、FPGA等)的运算速度非常快，能达几十兆、上百兆甚至上千兆，同时这类高速微处理器的运算精度也很高，大多都能够大于16位，几乎都大于单片机的处理速度和处理精度，因此能够迅速完成这些工作，得出激光光束偏转角，从而达到很高的光束偏转角解算速度，并同时提高光束偏转角的解算精度。

为便于人眼观察，本发明采用了偏移量显示模块18，将激光光束的偏转角信息显示出来。该显示模块可由上位机接收高速微处理器模块解算所得的激光光束偏转角，然后在上位机上显示；也可由另外的MCU通过数码管、液晶或其它显示装置显示激光光束偏转角。

Claims (5)

1、全数字化的四象限探测器检测激光束偏转角的装置，有前置放大电路(12)、滤波电路(13)、AD转换电路(16)、偏移量显示模块(18)，其特征在于，还有四象限探测器(1)、次级放大电路模块(14)、可变增益放大电路模块(15)和高速微处理器模块(17)构成；

前置放大电路(12)、滤波电路(13)、次级放大电路模块(14)、可变增益放大电路模块(15)、AD转换电路(16)、高速微处理器模块(17)和偏移量显示模块(18)依次连接；高速微处理器模块(17)还与可变增益放大电路模块(15)连接。

2、全数字化的四象限探测器检测激光光束偏转角的方法，其特征在于，步骤和条件如下：

1)调整四象限探测器(1)的光敏面相对于成像物镜单元(2)的位置，以调整成像光斑在四象限探测器(1)光敏面上的大小：

激光光束经成像物镜单元(2)聚焦到四象限探测器(1)的光敏面上，调整四象限探测器(1)的光敏面相对于成像物镜单元(2)的位置，使四象限探测器(1)的光敏面上的成像光斑(3)的大小能够在0.1倍到1倍的四象限探测器(1)光敏面内接圆直径内调整；

2)测量成像光斑在四象限探测器(1)的四个象限所产生的光电流；

3)将光电流转换为电压信号，并将其放大：

四象限探测器(1)将激光光束经成像物镜单元(2)后的成像光斑(3)对应于四象限探测器(1)的四个象限上的光能及光斑的位置信息转换成相应的四路光电流：第一象限所得光电流(8)，令为I1；第二象限所得光电流(9)，令为I2；第三象限所得光电流(10)，令为I3；第四象限所得光电流(11)，令为I4，这四路光电流经前置放大电路模块(12)将光电流转换为电压信号，并将其放大；有如下方式：

所述的前置放大电路(12)，采用零偏放大的方式，将由四象限探测器(1)所得的光电流：I1，I2，I3，I4直接转换成电压信号，同时使之得到放大；或者，

让四象限探测器(1)工作在反相偏压的工作状态下，采用直流放大的形式，将由四象限探测器(1)所得的光电流：I1，I2，I3，I4转换为电压信号，并使之放大；或者，

让四象限探测器(1)工作在反相偏压的工作状态下，采用交流放大的形式，将由四象限探测器(1)所得的光电流：I1，I2，I3，I4转换为电压信号，并使之放大；

4)采用滤波电路(13)对步骤3)得到的前置放大后的信号进行滤波提高信噪比；

5)采用次级放大电路模块(14)，对步骤4)的滤波后的信号进行再次放大，增大有效信号的幅度，提高信噪比：

6)采用自适应可变增益放大电路模块(15)对步骤5)得到的信号进行进一步放大，在信号较弱的时候提高放大倍数，在信号过强的时候降低放大倍数，以使信噪比保持在一个高的状态，保证光斑偏移量解算精度的稳定性；

7)对步骤6)得到的信号通过四路AD转换电路(16)将其转换为数字信号：

在四路AD转换电路(16)中，根据自适应可变增益放大电路模块(15)后输出信号的幅值范围确定AD转换芯片的转换电压范围；四路AD转换电路能够同时进行四路AD转换，并有较好的集成线性误差和差分线性误差，同时尽量在四路AD转换的时候无串扰，根据上述要求选取合适的AD转换芯片以及芯片的数量；

8)在对信号进行模数转换后，将转换后的数字信号输出到高速微处理器(17)进行偏移量解算：

在该模块中需要完成AD转换芯片的控制，ADC1、ADC2、ADC3、ADC4四通道数字信号的数字滤波处理，对四象限探测器(1)的四个象限非均匀性及后续处理电路四个通道间的不均匀性进行补偿，自适应可变增益放大电路模块(15)的放大倍数的控制，四象限探测器(1)上光斑偏移量解算、激光光束偏转角解算和偏移量的传输，得出激光光束偏转角；

9)采用偏移量显示模块(18)，将激光光束的偏转角信息显示出来：

该显示模块可由上位机接收高速微处理器模块解算所得的激光光束偏转角，然后在上位机上显示；或者，由另外的微控制器通过数码管、液晶显示屏显示激光光束的偏转角。

3、如权利要求2所述的全数字化的四象限探测器检测激光光束偏转角的方法，其特征在于，所述的步骤3)中的前置放大电路(12)，采用零偏放大的方式，将由四象限探测器(1)所得的光电流I1，I2，I3，I4直接转换成电压信号，同时使之得到放大。

4、如权利要求2所述的全数字化的四象限探测器检测激光光束偏转角的方法，其特征在于，所述的步骤3)中的前置放大电路(12)，让四象限探测器(1)工作在反相偏压的工作状态下，采用直流放大的形式，将由四象限探测器(1)所得的光电流I1，I2，I3，I4转换为电压信号，并使之放大。

5、如权利要求2所述的全数字化的四象限探测器检测激光光束偏转角的方法，其特征在于，所述的步骤3)中的前置放大电路(12)，让四象限探测器(1)工作在反相偏压的工作状态下，采用交流放大的形式，将由四象限探测器(1)所得的光电流I1，I2，I3，I4转换为电压信号，并使之放大。

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