CN101871772A - 基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法 - Google Patents

基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法 Download PDF

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Abstract

基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法，它涉及一种光斑轮廓的测量方法，它解决了目前无法对微光斑轮廓进行精确测量的问题。基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法，它基于一个光斑测量装置实现，光斑测量装置由二维移动架、探测器和数据采集单元组成；该方法根据探测器输出信号的强弱与入射光的强度成正比的原理，通过调整二维移动架，使入射光光斑从探测器的接收面内向外移出时，导致所述探测器输出信号的强弱发生变化，进而测量出入射光光斑的轮廓。本发明克服了已有技术的不足，可用于光束控制、光束诊断等领域。

Description

基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法
技术领域
本发明涉及一种光斑轮廓的测量方法。
背景技术
在科学实验和工程项目的很多情况下，都需要把光斑进行聚焦后再进行下一步工作，在这种情况下，人们往往希望知道光斑的具体轮廓。现有的光斑轮廓测量技术主要可分为以下几类：扫描法、感光法、烧蚀法和阵列探测法。但在现有的工艺水平下，以上方法应用于微光斑的测量时，难以对尺寸极微小的光斑进行直接测量，或者精度很低。
发明内容
本发明的目的是解决目前无法对微光斑轮廓进行精确测量的问题，提供了一种基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法。
基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法，它基于一个光斑测量装置实现，所述光斑测量装置由二维移动架、探测器和数据采集单元组成，所述探测器安装在二维移动架上，探测器的电信号输出端连接数据采集单元的信号输入端；
所述基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法的具体过程如下：
步骤一、入射光入射到探测器的接收面上，数据采集单元实时监测并显示探测器输出的信号强度；调整二维移动架，使得入射光完全照射到探测器的接收面上，记录下此时的信号强度并作为最大信号强度保存；
步骤二、在探测器的接收面上建立X-Y坐标系，然后在X向调整二维移动架，使探测器的接收面在X向缓慢移动，同时使入射光光斑从接收面内向外移出，当数据采集单元显示的信号强度减小为最大信号强度的2%时，停止调整二维移动架，并记录下此时二维移动架的位置；
步骤三、在Y向调整二维移动架，使探测器的接收面在Y向移动一个单位距离，然后再在X向调整二维移动架，当数据采集单元显示的信号强度为最大信号强度的2%时，停止调整二维移动架，并记录下此时二维移动架的位置；
步骤四、判断此时探测器的接收面是否已围绕入射光光斑运动一周：若不是，则返回执行步骤三；若是，则执行步骤五；
步骤五、根据已记录的所有位置及探测器2的接收面的形状，计算获得入射光光斑的外轮廓的轨迹。
本发明的积极效果：
利用本发明的方法，能够测量出入射光光斑外轮廓的形状及尺寸，并且该方法简单、可行。
附图说明
图1为本发明的光斑测量装置的结构示意图；图2为执行步骤一后，入射光光斑与接收面的位置关系图；图3为首次执行步骤二后，入射光光斑P与探测器2的接收面的位置关系图；图4为执行步骤三后，得到的入射光光斑P与探测器2的接收面的位置关系图；图5为非首次执行步骤三时，入射光光斑P与探测器2的接收面的位置关系图；图6为本发明的方法的流程图；图7为探测器的接收面中心的运动轨迹示意图；图8为光斑轮廓重构图；图9为步骤五的流程图。
具体实施方式
 具体实施方式一：本实施方式的基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法，它基于一个光斑测量装置实现，所述光斑测量装置由二维移动架1、探测器2和数据采集单元3组成，所述探测器2安装在二维移动架1上，探测器2的电信号输出端连接数据采集单元3的信号输入端，且所述探测器2的接收面的形状为已知；
所述基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法的具体过程如下：
步骤一、入射光入射到探测器2的接收面上，数据采集单元3实时监测并显示探测器2输出的信号强度；调整二维移动架1，使得入射光完全照射到探测器2的接收面上，此时，数据采集单元3显示的信号强度处于一个大于零的稳定值，记录下此时的信号强度并作为最大信号强度保存，它为探测器接收到的完整光斑的信号强度；
步骤二、在探测器2的接收面上建立X-Y坐标系，然后在X向调整二维移动架1，使探测器2的接收面在X向缓慢移动，同时使入射光光斑从接收面内向外移出，当数据采集单元3显示的信号强度减小为最大信号强度的2%时，停止调整二维移动架1，并记录下此时二维移动架1的位置；
步骤三、在Y向调整二维移动架1，使探测器2的接收面在Y向移动一个单位距离，然后再在X向调整二维移动架1，当数据采集单元3显示的信号强度为最大信号强度的2%时，停止调整二维移动架1，并记录下此时二维移动架1的位置；
步骤四、判断此时探测器2的接收面是否已围绕入射光光斑运动一周：若不是，则返回执行步骤三；若是，则执行步骤五；
步骤五、根据已记录的所有位置及探测器2的接收面的形状，计算获得入射光光斑的外轮廓的轨迹，即获得该入射光光斑的轮廓。
在该方法中，反复循环执行步骤三至步骤四，使探测器2的接收面的中心绕光斑中心作顺时针或逆时针运动，并当其绕光斑中心运动一周时，终止循环过程。
其中，在步骤一中，入射光可垂直入射到探测器2的接收面上，也可以以一定角度入射到该接收面上。
所述二维移动架1的位置为二维位置，它记录二维移动架所固定的探测器2的接收面中心的位置，它包含横坐标位置和纵坐标位置；
所述探测器2可为光伏型探测器或热释电探测器；
所述二维移动架1采用纳米平台实现或精密光学位移平台，其定位精度为0.1微米。
步骤五所述内容的具体过程为：
步骤五一、根据已记录的所有位置，获得每个位置对应点的法向量；
步骤五二、根据探测器2的接收面的形状，进而获得入射光光斑的外轮廓的轨迹。
步骤五一所述获得每个位置对应点的法向量的具体过程为：
对每个位置对应点，取该点及与其相邻的两个点，对上述3点的坐标值进行插值运算，获得一个通过该3个点的曲线方程，由该曲线方程，即可获得该点的法向量。
所述探测器2的接收面的形状为圆形，且半径为R。
步骤五二所述内容的具体过程为：
根据探测器2的接收面的形状，将每个位置对应点沿该点法向量向内平移R，再对平移后的所有点进行拟合，即获得入射光光斑的外轮廓的轨迹。
在本实施方式中，步骤三中所述一个单位距离为即是二维移动架1的最小移动距离。
执行步骤一后，入射光光斑与接收面的位置关系参见图2，其中P为入射光光斑；
首次执行步骤二后，入射光光斑与接收面的位置关系参见图3，当数据采集单元3显示的信号强度减小为最大信号强度的2%时，此时的入射光光斑恰从光敏面移出，与接收面相切，此刻二维移动架1的位置记录的是接收面的中心点的位置；
然后执行步骤三，得到的入射光光斑与接收面的位置关系参见图4；由于此时接收面未围绕入射光光斑运动一周，因此返回执行步骤三，得到图5所示结果；
反复执行步骤三，直到使其围绕入射光光斑运动一周，并记录下数据采集单元3显示的信号强度减小为最大值的2%时的每一次接收面的位置，最后由步骤五的方法得到入射光光斑的外轮廓尺寸，具体为：
根据我们得到的一系列位置坐标值及探测器的接收面形状，光敏探测器面元形状为圆形、半径为R，我们可以得出如图7所示的接收面中心的运动轨迹示意图，执行步骤五后，即可获得如图8所示的光斑轮廓重构图。
对每个位置对应点，取该点及与其相邻的两个点，对上述3点的坐标值进行插值运算，获得一个通过该3个点的曲线方程，由该曲线方程，即可获得该点的法向量。
设通过这3点的曲线方程为
Figure 2010102255401100002DEST_PATH_IMAGE002
，已知的三点坐标分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，将三个坐标分别代入曲线方程中，得到三个联立方程，则可求出该曲线方程，进而可求得通过该3个点的中间点的法向量。
将各个位置坐标值沿其曲线内法线方向移动距离R，并重新拟合为一条曲线。该曲线描述的就是我们要测量的光斑轮廓。本发明中所述微光斑的直径尺寸在微米量级。
本实施方式的基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法，根据探测器输出信号的强弱与入射光的强度成正比的原理，通过调整二维移动架，使入射光光斑从探测器的接收面内向外移出时，导致所述探测器的电流响应度发生变化，进而测量出入射光光斑的形状尺寸。利用本发明的方法，能够测量出入射光光斑外轮廓的形状及尺寸，并且该方法简单、可行，在光学测量领域具有很高的应用前景和价值。

Claims (9)

1. 基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法，其特征在于它基于一个光斑测量装置实现，所述光斑测量装置由二维移动架（1）、探测器（2）和数据采集单元（3）组成，所述探测器（2）安装在二维移动架（1）上，探测器（2）的电信号输出端连接数据采集单元（3）的信号输入端；
所述基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法的具体过程如下：
步骤一、入射光入射到探测器（2）的接收面上，数据采集单元（3）实时监测并显示探测器（2）输出的信号强度；调整二维移动架（1），使得入射光完全照射到探测器（2）的接收面上，记录下此时的信号强度并作为最大信号强度保存；
步骤二、在探测器（2）的接收面上建立X-Y坐标系，然后在X向调整二维移动架（1），使探测器（2）的接收面在X向缓慢移动，同时使入射光光斑从接收面内向外移出，当数据采集单元（3）显示的信号强度减小为最大信号强度的2%时，停止调整二维移动架（1），并记录下此时二维移动架（1）的位置；
步骤三、在Y向调整二维移动架（1），使探测器（2）的接收面在Y向移动一个单位距离，然后再在X向调整二维移动架（1），当数据采集单元（3）显示的信号强度为最大信号强度的2%时，停止调整二维移动架（1），并记录下此时二维移动架（1）的位置；
步骤四、判断此时探测器（2）的接收面是否已围绕入射光光斑运动一周：若不是，则返回执行步骤三；若是，则执行步骤五；
步骤五、根据已记录的所有位置及探测器（2）的接收面的形状，计算获得入射光光斑的外轮廓的轨迹。
2.根据权利要求1所述的基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法，其特征在于在该方法中，探测器（2）的接收面的中心绕光斑中心作顺时针或逆时针运动。
3.根据权利要求1所述的基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法，其特征在于所述探测器（2）为光伏型探测器。
4.根据权利要求1所述的基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法，其特征在于所述探测器（2）为热释电探测器。
5.根据权利要求1所述的基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法，其特征在于所述探测器（2）的接收面的形状为圆形。
6.根据权利要求1所述的基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法，其特征在于所述二维移动架（1）采用纳米平台或精密光学位移平台实现，其定位精度为0.1微米。
7.根据权利要求1所述的基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法，其特征在于步骤五所述内容的具体过程为：
步骤五一、根据已记录的所有位置，获得每个位置对应点的法向量；
步骤五二、根据探测器（2）的接收面的形状，进而获得入射光光斑的外轮廓的轨迹。
8.根据权利要求7所述的基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法，其特征在于步骤五一所述获得每个位置对应点的法向量的具体过程为：
对每个位置对应点，取该点及与其相邻的两个点，对上述3点位置的坐标值进行插值运算，获得一个通过该3个点的曲线方程，由该曲线方程，即获得该点的法向量。
9.根据权利要求7所述的基于轨迹重构的光斑轮廓测量方法，其特征在于探测器（2）的接收面的形状为圆形，且其半径为R，且步骤五二所述内容的具体过程为：
根据探测器（2）的接收面的形状，将每个位置对应点沿该点法向量向内平移R，再对平移后的所有点进行拟合，即获得入射光光斑的外轮廓的轨迹。 
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