CN102519510B - 位置敏感传感器的标定装置和标定方法 - Google Patents

Abstract

一种位置敏感传感器的标定装置和标定方法，该装置的构成包括照明单元、双光楔单元、指向敏感光路单元、位置敏感传感器、数据采集与控制单元和CCD光束监测单元。本发明具有结构简单，操作方便，标定方法准确可靠，可以快速标定位置敏感传感器的响应范围，线性度，精度和动态响应误差等。

Description

位置敏感传感器的标定装置和标定方法

技术领域

本发明涉及位置传感器，特别是一种用于光刻机的位置敏感传感器(PositionSensitive Detector)位置敏感传感器的标定装置和标定方法。

背景技术

传感器的标定一般是把理论值或者基准仪器的测量值与待标定仪器实际的输出值进行校验。因此，我们只要有一组理论值或者标准仪器测量值，以及另一组待标定传感器实际测量值，就可对传感器进行标定。

位置敏感传感器(Position Sensitive Detector，简称为位置敏感传感器)，是一种对其感光面上入射光点位置敏感的光电子传感器。当入射光点落在光敏面的不同位置时，则对应输出不同的电信号，通过对此输出电信号的处理，可以确定入射光点在该位置敏感传感器的感光面上的位置。

所述的位置敏感传感器和激光器组成的系统在空间光通信中光束跟瞄、测量液体浓度以及固体的硬度，测量两平面的相对平行度等领域中有广泛应用。

位置敏感传感器在中心附近线性度好于边缘线性度。作为一种高精度、高灵敏度的位置探测传感器，位置敏感传感器的位置响应误差不可忽略，并且为了获得较大的测量范围的对准精度，有必要对位置敏感传感器的线性度和精度进行标定。

在先技术1“位置敏感传感器及其集成装置标定实验研究”中，激光器固定在带有立钻的工作台上，位置敏感传感器固定在位于高灵敏度的小平台上并置于工作台上，移动小平台产生激光器和位置敏感传感器间的相对位移，用千分表量出小平台的实际移动距离。以千分表的读数作为输入值与采集到的位置敏感传感器实际读数值对其进行标定。

在先技术2“改进表面分流型二维位置敏感传感器及位置检测误差标定的研究”中，采用万能工具显微镜的X和Y两个方向上的位移作精密位移调整，位置敏感传感器则安装在万能工具显微镜的工作台上，利用万能工具显微镜在X轴和Y轴两个方向上的位移调整光点入射到位置敏感传感器的某个位置上，信号经数据处理经计算机的采集卡进行数据采集，然后从计算机读取光点的位移量。

在先技术中，采用把位置敏感传感器固定在可以移动平台上，通过移动平台从而得到位置敏感传感器上光斑位置的变化。这种方法会因位置敏感传感器的引脚接线等因素不利于位置敏感传感器的标定和精度的准确测量。我们认为：

第一，位置敏感传感器作为标定对象，在标定的过程中，应尽量避免不必要的抖动影响。

第二，在先技术采用千分尺或者万能工具显微镜来测量距离，二者都是手动操作的平台和人眼读取，会引入人为误差，影响标定结果。

第三，两项在先技术中都未考虑由于光源自身的漂移和抖动而造成的位置敏感传感器的标定误差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于光刻机的位置敏感传感器的标定装置和标定方法，该装置和方法可实现位置敏感传感器快速精确标定。

本发明主要基于光束通过光楔的折射原理，如图1，双光楔的折射角相同均为α，相隔较近距离，当两光楔主截面平行且同向放置如图1中第一幅图所示时，所产生的偏向角最大，为两光楔偏向角之和；当一个光楔绕光轴旋转180°后，所产生的偏向角为零(如图1中第二幅图所示)；当两光楔绕光轴相对旋转2ψ，即一个光楔逆时针方向旋转ψ角，另一个光楔同时顺时针方向旋转ψ角时，两光楔产生的总偏向角δ随转角ψ而变(参见：《工程光学》第二版(51-52页)郁道银、谈恒英机械工业出版社)。即

δ＝2(n-1)αcosψ

其中：n是光楔的折射率。

当要求光束的偏向角为δ时，此时的光楔的相对旋转角为2ψ

2ψ＝2arcos{δ/2(n-1)α}

在双光楔后面加入指向敏感光路，使光束成像到位置敏感传感器上。当依据上面的方法旋转双光楔时，透射光束偏向角随之改变，位置敏感传感器上成像光斑也将发生相应位移。根据位置敏感传感器探测的光斑位移量与实际引入的光斑位移量的理论值来对位置敏感传感器进行标定。

本发明的技术解决方案如下：

一种位置敏感传感器的标定装置，其特点在于：包括：照明单元、双光楔单元、指向敏感光路单元、位置敏感传感器、数据采集与控制单元和CCD光束监测单元：

所述的照明单元由激光器、准直镜、小孔光阑和分光镜组成，所述的激光器发出的激光经所述的准直镜变成平行光束，该平行光束再经小孔光阑形成具有一定孔径的光束，在该光束的传播方向顺序放置所述的分光镜和双光楔单元；

所述的双光楔单元包括第一光楔和第二光楔，分别位于第一电动旋转台和第二电动旋转台上，所述的光束经过所述的分光镜分为反射光束和透射光束，所述的透射光束依次通过第一光楔和第二光楔，得到出射光束，所述的反射光束进入所述的CCD光束监测单元；

所述的指向敏感光路单元由共焦的第一聚焦透镜和第一成像透镜组成，第一聚焦透镜的焦点光斑作为第一成像透镜的物点；

所述的位置敏感传感器包括光敏面、传感器、触角及处理电路，该位置敏感传感器的输出端接所述的数据采集与控制单元的输入端；

所述的数据采集与控制单元包括数据采集卡及其接线盒，PC机和控制软件；

所述的CCD光束监测单元由第二成像透镜、第三成像透镜、光衰减片和CCD组成，该CCD光束监测单元的输出端接所述的数据采集与控制单元的输入端；

所述的数据采集与控制单元的输出端与所述的双光楔单元的第一电动旋转台和第二电动旋转台的控制端相连。

利用上述的位置敏感传感器的标定装置对位置敏感传感器的标定方法，包括如下步骤：

(一)启动位置敏感传感器的标定装置打开所述的激光器，预热10分钟；

(二)指向敏感光路焦距F的测量：

①首先通过计算机控制所述的第一电动旋转台和第二电动旋转台的旋转使所述的第一光楔和第二光楔的主截面平行且反向放置，此时双光楔所产生的偏向角为零，称为双光楔原位，以下所述的复位也就是恢复到这一状态；

②将所述的位置敏感传感器替换为CCD相机，调节CCD相机位置，使成像光斑位于该CCD相机中心附近，打开图像采集软件，调节CCD相机曝光参数，避免CCD相机输出饱和；

③在双光楔原位，用所述的CCD相机采集一幅原位光斑图像；

④通过计算机控制所述的第一电动旋转台和第二电动旋转台的旋转驱动所述的第一光楔和第二光楔的主截面相对旋转2ψ，即实现一个光楔逆时针方向旋转ψ角，另一个光楔同时顺时针方向旋转ψ角，然后用所述的CCD相机采集一幅旋转位光斑图像，复位双光楔；

⑤对采集的图像进行处理：假如每个光斑由N个像素组成，每个像素对应确定的空间坐标x，y及灰度值p(x，y)，所述的计算机按下列公式计算该光斑的重心坐标为：

$x=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{p}_i(x_i,y_i)/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i(x_i,y_i),$ $y=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{p}_i(x_i,y_i)/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i(x_i,y_i)$

其中p_i＝s_i+n_i，s_i和n_i分别是采集图像的灰度值和图像噪声；

⑥计算机对原位光斑图像和旋转位光斑图像进行处理，得到双光楔产生零偏向角的时采集第一幅光斑图像的重心坐标(x₀，y₀)和双光楔相对旋转2ψ时的第二幅光斑图像的重心坐标(x_ψ，y_ψ)，利用下式计算出两光斑的位移d为：

$d=\sqrt{{(x_{\mathrm{\ψ}}-x_0)}^2+{(y_{\mathrm{\ψ}}-y_0)}^2}$

⑦由δ＝2(n-1)αcosψ得到光楔相对旋转2ψ时光束偏向角δ，则F_ψ：

F_ψ＝d/δ

⑧复位双光楔，重复步骤④，控制电动角度旋转台相对旋转不同的角度，每次采集一幅旋转位光斑图像，然后根据⑤⑥⑦的计算公式，求得每个旋转角度下的F_ψ，然后对F_ψ求平均得到所述的指向敏感光路的焦距F；

(三)待测的位置敏感传感器精度的测量：

①完成指向敏感光路焦距F的测量后，将CCD相机更换为待测的位置敏感传感器，复位双光楔，调节所述的待测的位置敏感传感器，使成像光斑位于该待测的位置敏感传感器的光敏面的中心位置；

②根据上面求出的指向敏感光路焦距F和F＝d/δ，得到光斑偏移d＝0.01mm时的δ：

δ＝d/F＝0.01/F

计算机再由2ψ＝arcosδ/[2(n-1)α]，得到2ψ，计算机控制所述的第一电动旋转台和第二电动旋转台的旋转驱动所述的第一光楔和第二光楔的主截面相对旋转2ψ后，所述的待测的位置敏感传感器采集一幅光斑图像，同时所述的CCD光束监测单元的CCD采集一幅图像，计算机控制所述的第一电动旋转台和第二电动旋转台的旋转驱动所述的第一光楔和第二光楔的主截面相对旋转2ψ后，所述的待测的位置敏感传感器再采集一幅光斑图像，同时所述的CCD光束监测单元的CCD采集一幅图像，如此重复，直到光斑接近移出位置敏感传感器光敏面，共采集第n次，得到待测的位置敏感传感器的第n个光斑的位置为(x_nψ，y_nψ)；

③复位双光楔，计算相对光斑偏移为0.005mm和0.001mm时的ψ，分别重复上面实验；

④同样采取上述光斑重心的算法，对CCD采集到的光斑图像进行处理，得出光源的抖动数据(x_nv，y_nv)；

那么双光楔相对旋转2n ψ角度时，光斑的实际位置是：

(x，y)＝(x_nψ-x_nv，y_nψ-y_nv)；

再计算光斑的实际位移d：

由F＝d/δ，则光楔相对旋转2nψ角度时，理论光斑的位移d_r应为：

d_r＝F*δ＝2F*(n-1)αcosψ

⑤根据求得的光斑的实际位移d和理论光斑的位移d_r对位置敏感传感器的精度进行分析；

(四)位置敏感传感器线性响应范围的测量：

①复位双光楔，调整待测的位置敏感传感器，令光斑位于待测的位置敏感传感器中心，同样利用公式计算光斑偏移0.05mm时的相对旋转角度2ψ：

δ＝d/F

2ψ＝2arcosδ/[2(n-1)α]；

②然后先相对旋转双光楔，使光斑从待测的位置敏感传感器的中心移动到边沿位置，记下此时电动控制旋转台的旋转角度；

以步骤①中计算得出2ψ角度为间隔，并与步骤①中相反方向旋转双光楔，每相对旋转2ψ角度，位置敏感传感器采集一次光斑坐标，同时监测CCD606采集一副图像，直到光斑从位于初始的待测的位置敏感传感器的边沿位置移动到该待测的位置敏感传感器402对边的边沿位置；

③对图像进行处理，得到光源抖动(x_nv，y_nv)，再结合待测的位置敏感传感器(402)的实测值(x_nψ，y_nψ)，得到光斑的实际测量位移数据：

(x，y)＝(x_nψ-x_nv，y_nψ-y_nv)；

④复位双光楔，控制双光楔同向旋转90°，重复步骤②；

⑤根据采集的光斑数据绘制测量曲线，与理论曲线对比就可以看出位置敏感传感器的线性响应范围；

⑥对线性响应差的区域，根据测量曲线对所述的位置敏感传感器进行定标。

与在先技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、本发明采用CCD对光束漂移进行监测。作为一种工作在高精度需求环境下的位置传感器，位置敏感传感器的标定应尽量减小各种系统误差。采用CCD对光源进行监测，以消除位置敏感传感器光敏上光斑位置由于光源自身抖动和漂移所带来影响。

2、本发明采用电动平台控制双光楔的旋转。采用电动控制而不是手动控制双光楔的旋转，既减少了手动定位和人眼读数误差，又大大提高了标定效率和标定精度。

3、本发明采用指向敏感光路。根据双光楔折射原理，尽管双光楔的楔角很小，仍然会引入光束的轴向微位移(如图1所示)。在双光楔后引入指向敏感光路，可以进一步减小轴向位移对位置敏感传感器上光斑位置的影响，提高标定的准确度和精度。

4、本发明采用双光楔引入光束偏转。根据双光楔折射原理，双光楔绕着光轴相对旋转某一角度时，光束按特定出射角出射，最终实现成像到位置敏感传感器上的光斑位置的改变。这种通过光束偏转而不是激光器或者是位置敏感传感器的移动来得到位置敏感传感器上光斑位置的变化，避免了激光器移动带来的光束抖动或者位置敏感传感器的移动带来的误差。

附图说明

图1为平行光经双光楔后的折射示意图；

图2为本发明位置敏感传感器标定系统结构框图。

图3为本发明位置敏感传感器的标定装置光路示意图；

图4为光束偏转最大角度光路示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图3和图4，图3为本发明位置敏感传感器的标定装置光路示意图，图4为光束偏转最大角度光路示意图。由图可见，本发明位置敏感传感器的标定装置，包括照明单元1、双光楔单元2、指向敏感光路单元3、位置敏感传感器4、数据采集与控制单元5和CCD光束监测单元6：

所述的照明单元1由激光器101、准直镜102、小孔光阑104和分光镜106组成，所述的激光器101发出的激光经所述的准直镜102变成平行光束103，该平行光束再经小孔光阑104形成具有一定孔径的光束105，在该光束105的传播方向顺序放置所述的分光镜106和双光楔单元2；

所述的双光楔单元2包括第一光楔201和第二光楔202，分别位于第一电动旋转台204和第二电动旋转台205上，所述的光束105经过所述的分光镜106分为反射光束和透射光束，所述的透射光束依次通过第一光楔201和第二光楔202，得到出射光束203，所述的反射光束进入所述的CCD光束监测单元6；

所述的指向敏感光路单元3由共焦的第一聚焦透镜301和第一成像透镜304组成，第一聚焦透镜301的焦点光斑303作为第一成像透镜304的物点；

所述的位置敏感传感器4包括光敏面401、传感器402、触角403及处理电路404，该位置敏感传感器4的输出端接所述的数据采集与控制单元5的输入端；

所述的数据采集与控制单元5包括数据采集卡及其接线盒501，PC机和控制软件502；

所述的CCD光束监测单元6由第二成像透镜601、第三成像透镜603、光衰减片604和CCD606组成，该CCD光束监测单元6的输出端接所述的数据采集与控制单元5的输入端；

所述的数据采集与控制单元5的输出端与所述的双光楔单元2的第一电动旋转台204和第二电动旋转台205的控制端相连。

利用所述的位置敏感传感器的标定装置对位置敏感传感器的标定方法，该方法包括如下步骤：

(一)启动位置敏感传感器的标定装置打开所述的激光器101，预热10分钟；

(二)指向敏感光路3焦距F的测量：

①首先通过计算机502控制所述的第一电动旋转台204和第二电动旋转台205的旋转使所述的第一光楔201和第二光楔202的主截面平行且反向放置，此时双光楔所产生的偏向角为零，称为双光楔原位，以下所述的复位也就是恢复到这一状态；

②将所述的位置敏感传感器402替换为CCD相机，调节CCD相机位置，使成像光斑位于该CCD相机中心附近，打开图像采集软件，调节CCD相机曝光参数，避免CCD相机输出饱和；

③在双光楔原位，用所述的CCD相机采集一幅原位光斑图像；

④通过计算机502控制所述的第一电动旋转台204和第二电动旋转台205的旋转驱动所述的第一光楔201和第二光楔202的主截面相对旋转2ψ，即实现一个光楔逆时针方向旋转ψ角，另一个光楔同时顺时针方向旋转ψ角，然后用所述的CCD相机采集一幅旋转位光斑图像，复位双光楔；

⑤对采集的图像进行处理：假如每个光斑由N个像素组成，每个像素对应确定的空间坐标x，y及灰度值p(x，y)，所述的计算机按下列公式计算该光斑的重心坐标为：

$x=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{p}_i(x_i,y_i)/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i(x_i,y_i),$ $y=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{p}_i(x_i,y_i)/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i(x_i,y_i)$

其中p＝s_i+n_i，s_i和n_i分别是采集图像的灰度值和图像噪声；

⑥计算机对原位光斑图像和旋转位光斑图像进行处理，得到双光楔产生零偏向角的时采集第一幅光斑图像的重心坐标(x₀，y₀)和双光楔相对旋转2ψ时的第二幅光斑图像的重心坐标(x_ψ，y_ψ)，利用下式计算出两光斑的位移d为：

$d=\sqrt{{(x_{\mathrm{\ψ}}-x_0)}^2+{(y_{\mathrm{\ψ}}-y_0)}^2}$

⑦由δ＝2(n-1)αcosψ得到光楔相对旋转2ψ时光束偏向角δ，则F_ψ：

F_ψ＝d/δ

⑧复位双光楔，重复步骤④，控制电动角度旋转台相对旋转不同的角度，每次采集一幅旋转位光斑图像，然后根据⑤⑥⑦的计算公式，求得每个旋转角度下的F_ψ，然后对F_ψ求平均得到所述的指向敏感光路的焦距F；

(三)待测的位置敏感传感器精度的测量：

①完成指向敏感光路焦距F的测量后，将CCD相机更换为待测的位置敏感传感器402，复位双光楔，调节所述的待测的位置敏感传感器402，使成像光斑位于该待测的位置敏感传感器的光敏面401的中心位置；

②根据上面求出的指向敏感光路焦距F和F＝d/δ，得到光斑偏移d＝0.01mm时的δ：

δ＝d/F＝0.01/F

计算机再由2ψ＝arcosδ/[2(n-1)α]，得到2ψ，计算机502控制所述的第一电动旋转台204和第二电动旋转台205的旋转驱动所述的第一光楔201和第二光楔202的主截面相对旋转2ψ后，所述的待测的位置敏感传感器402采集一幅光斑图像，同时所述的CCD光束监测单元6的CCD606采集一幅图像，计算机502控制所述的第一电动旋转台204和第二电动旋转台205的旋转驱动所述的第一光楔201和第二光楔202的主截面相对旋转2ψ后，所述的待测的位置敏感传感器402再采集一幅光斑图像，同时所述的CCD光束监测单元6的CCD606采集一幅图像，如此重复，直到光斑接近移出位置敏感传感器402光敏面，共采集n次，得到待测的位置敏感传感器402的第n个光斑的位置为(x_nψ，y_nψ)；

③复位双光楔，计算相对光斑偏移为0.005mm和0.001mm时的ψ，分别重复上面实验；

④同样采取上述光斑重心的算法，对CCD606采集到的光斑图像进行处理，得出光源的抖动数据(x_nv，y_nv)；

那么双光楔相对旋转2nψ角度时，光斑的实际位置是：

(x，y)＝(x_nψ-x_nv，y_nψ-y_nv)；

再计算光斑的实际位移d：

由F＝d/δ，则光楔相对旋转2nψ角度时，理论光斑的位移d_r应为：

d_r＝F*δ＝2F*(n-1)αcosψ

⑤根据求得的光斑的实际位移d和理论光斑的位移d_r对位置敏感传感器(402)的精度进行分析；

(四)位置敏感传感器线性响应范围的测量：

①复位双光楔，调整待测的位置敏感传感器402，令光斑位于待测的位置敏感传感器402中心，同样利用公式：

δ＝d/F

2ψ＝2arcosδ/[2(n-1)α]

计算光斑偏移0.05mm时的相对旋转角度2ψ；

②然后先相对旋转双光楔，使光斑从待测的位置敏感传感器402的中心移动到边沿位置，记下此时电动控制旋转台的旋转角度；

以步骤①中计算得出2ψ角度为间隔，并与步骤①中相反方向旋转双光楔，每相对旋转2ψ角度，位置敏感传感器402采集一次光斑坐标，同时监测CCD606采集一副图像，直到光斑从位于初始的待测的位置敏感传感器402的边沿位置移动到该待测的位置敏感传感器402对边的边沿位置；

③对图像进行处理，得到光源抖动(x_nv，y_nv)，再结合待测的位置敏感传感器(402)的实测值(x_nψ，y_nψ)，得到光斑的实际测量位移数据：

(x，y)＝(x_nψ-x_nv，y_nψ-y_nv)；

④复位双光楔，控制双光楔同向旋转90°，重复步骤②；

⑤根据采集的光斑数据绘制测量曲线，与理论曲线对比就可以看出位置敏感传感器的线性响应范围；

⑥对线性响应差的区域，根据测量曲线对所述的位置敏感传感器进行定标。

下面是一个具体实施例：

所述的标定系统进行标定工作前需要进行光路调节以及相关需要进行的调整。

实例中采用650nmLD激光器，功率5mw，出射光为2mm×4mm椭圆形光束，所述的激光器准直镜102和激光器101集成在一个套筒里。

所述的激光器101的水平和准直调节。采用带有十字刻线分划板进行粗调节。分划板安装在支架上，把分划板放在激光器前方，分划板屏面法线与光束传播方向正交。调整支架到某一适当高度，使分划板上的光斑中心与分划板十字刻线中心重合。沿光束103传播方向前后移动分划板，改变分划板与激光器101的相对位置(过程中始终保持分划板面与光束传播方向垂直)。首先，前后改变分划板的位置，其上的光斑位置几乎不变时，认为激光器101出射光束102已经调准直。其次，根据分划板上光斑位置变化，调节激光器101的俯仰或者左右移动。当调节到前后移动分划板，分划板上光斑位置不再发生变化时，认为光束水平出射。

所述小孔光阑104的装调。实例中采用Φ1mm的圆孔光阑，在小孔光阑104后放置一白屏。调节小孔光阑104位置，直到平行光束103经过小孔光阑104后的圆光束105在白屏上形成一个亮度均匀的圆形光斑。

所述双光楔单元2的装调。本发明主要采用一对电动旋转台控制旋转的圆形光楔，光楔是顶角很小的棱镜，利用棱镜的折射实现光路的偏折。平行光入射时，绕光轴旋转一对圆形光楔可以产生一定范围内，任意角度的光束出射。

首先调整第一圆光楔201和第二圆光楔202的高度等高构成双光楔，并使圆光束105从该双光楔的中心透射。其次，因待测的位置敏感传感器单元4的装调需要用到方向未偏转的入射光，根据双光楔上的标记，调节第一圆光楔201最厚处(或最薄处)与第二圆光楔202最薄处(或最厚处)重合(如图3中双光楔所示位置)，此时通过双光楔的透射光束203指向不发生偏转，只是在垂直于圆光束105传播方向上产生一个微小位移，这个微小位移量经过其后的指向敏感光路3，对待测的位置敏感传感器光敏面401上的光斑位置影响极其微小。

所述指向敏感光路3的装调，主要根据ZEMAX软件优化指向敏感光路3得出的数据。安装时要求：

第一，第二圆光楔202的后楔面与聚焦镜301的前镜面之间的距离等于所述的第一聚焦镜301的焦距，

第二，因为第一聚焦镜301的焦点光斑303作为成像镜302的物点，第一聚焦镜301的后镜面与成像镜302的前镜面的距离由ZEMAX优化数据决定。指向光路的透镜同心度的精确调节主要利用内调节望远镜完成。

所述待测的位置敏感传感器4的装调。实际采用的位置敏感传感器光敏面401的感光范围为10mm×10mm。下面，借助数据采集与控制单元5探测到的光斑位置信息，逐步调节位置敏感传感器402与各单元同心。首先，沿垂直于光束传播方向，左右移动位置敏感传感器402，根据探测到的数据信息旋转待测的位置敏感传感器402。当采集到的纵坐标信息不再变化时，说明位置敏感传感器402的横坐标与采用的坐标一致，锁紧位置敏感传感器402，使其不再旋转。接着，上下左右调节位置敏感传感器402支架，使未发生偏转的光束打在位置敏感传感器402的中心位置。

所述CCD光束检测单元的装调。主要是保证聚焦到CCD上的光斑大小合适，且使初始光束尽量成像在CCD光敏面中心，其次调整CCD位置使成像光束与CCD光敏面正交。

经过以上步骤，实现了激光器及光束通过的各单元的同心调节。

利用所述的本发明位置敏感传感器的标定装置对位置敏感传感器进行标定的方法，包括以下步骤：

(一)开激光器，预热十五分钟；开启PC机和控制软件；

(二)指向敏感光路焦距F的测量：

当两光楔绕光轴相对旋转2ψ，即一个光楔逆时针方向旋转ψ角，另一个光楔同时顺时针方向旋转ψ角时，两光楔产生的总偏向角δ随转角ψ而变：

即：δ＝2(n-1)αcosψ(n是光楔的折射率)

再根据光楔引入的光束偏向角δ，光斑的相对位移量d，则可求得F：

F＝d/δ

①首先控制电动角度旋转台旋转双光楔至两光楔主截面平行且反向放置(如图1中第二幅图所示)，此时双光楔所产生的偏向角为零。

②把待标定的位置敏感传感器402替换为CCD相机，调节CCD位置，使成像光斑位于CCD中心附近。打开图像采集软件，调节CCD曝光参数，避免CCD输出饱和；

③在双光楔产生零偏向角的时候，用CCD采集一幅图像；

④控制电动角度旋转台相对旋转2ψ，即实现一个光楔逆时针方向旋转ψ角，另一个光楔同时顺时针方向旋转ψ角，然后采集一幅图像，复位双光楔；

⑤对采集的图像进行处理。假如每个光斑有N个像素组成，每个像素对应确定的空间坐标x，y及灰度值p(x，y)，则该光斑的重心坐标为：

$x=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{p}_i(x_i,y_i)/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i(x_i,y_i),$ $y=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{p}_i(x_i,y_i)/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i(x_i,y_i)$

其中p_i＝s_i+n_i，s_i和n_i分别是采集图像的灰度值和图像噪声。根据这个公式编程计算光斑图像重心坐标。

⑥根据上面公式，得到双光楔产生零偏向角的时采集图像的重心坐标(x₀，y₀)与双光楔相对旋转2ψ时的图像重心坐标(x_ψ，y_ψ)，可得出光斑位移d：

$d=\sqrt{{(x_{\mathrm{\ψ}}-x_0)}^2+{(y_{\mathrm{\ψ}}-y_0)}^2}$

⑦根据求得d，并由δ＝2(n-1)αcos ψ得到光楔相对旋转2ψ时光束偏向角δ。则可求得F_ψ：

F_ψ＝d/δ

⑧复位双光楔到产生零偏向角位置，重复步骤④，控制电动角度旋转台相对旋转不同的角度，每次采集一幅图像。然后根据⑤⑥⑦的计算公式，求得每个旋转角度下的F_ψ，然后对F_ψ求平均得到指向敏感光路焦距F。

(三)位置敏感传感器精度的测量：

①完成指向敏感光路焦距F的测量后，将CCD更换为位置敏感传感器402，复位双光楔到到产生零偏向角位置，并调节位置敏感传感器402，使成像光斑位于位置敏感传感器中心位置；

②根据上面求出的指向敏感光路焦距F和F＝d/δ，得到光斑偏移d＝0.01mm时的δ：

δ＝d/F＝0.01/F

再由2ψ＝arcosδ/[2(n-1)α]，计算出此时的相对旋转角2ψ。控制电动角度旋转台每相对旋转2ψ角度，位置敏感传感器402采集一次光斑坐标，同时监测CCD606采集一副图像，直到光斑接近移出位置敏感传感器402光敏面，假设采集到第n次，位置敏感传感器402采集的位置为(x_nψ，y_nψ)；

③复位双光楔到产生零偏向角位置，计算光斑偏移0.005mm和0.001mm时的ψ，分别重复上面实验；

④同样采取上述光斑重心的算法，对CCD606采集到的光斑图像进行处理，得出光源的抖动数据(x_nv，y_nv)。那么光楔相对旋转2nψ角度时，光斑的实际位置是：

(x，y)＝(x_nψ-x_nv，y_nψ-y_nv)

可根据公式

计算光斑实际位移d。

由F＝d/δ，则光楔相对旋转2nψ角度时，理论光斑的位移d_r应为：

d_r＝F*δ＝2F*(n-1)αcosψ

⑤根据求得的d、d_r对位置敏感传感器402的精度进行分析。

(四)位置敏感传感器线性响应范围的测量

①复位双光楔2到产生零偏向角位置，调整位置敏感传感器402，令光斑位于位置敏感传感器402中心。同样利用公式：

δ＝d/F

2ψ＝2arcosδ/[2(n-1)α]

计算光斑偏移0.05mm时的相对旋转角度2ψ。

②然后先相对旋转双光楔，使光斑从位置敏感传感器402中心移动到边沿位置，记下此时电动控制旋转台的旋转角度。以①中计算得出2ψ角度为间隔，并与①相反方向旋转双光楔，每相对旋转2ψ角度，位置敏感传感器402采集一次光斑坐标，同时监测CCD606采集一副图像，直到光斑从位于初始位置敏感传感器402的边沿位置移动到位置敏感传感器402对边的边沿位置；

③根据前面的图像处理方法对图像进行处理，得到光源抖动(x_nv，y_nv)。再结合位置敏感传感器402的实测值(x_nψ，y_nψ)，得到光斑的实际测量位移数据：

(x，y)＝(x_nψ-x_nv，y_nψ-y_nv)

④复位双光楔到产生零偏向角位置，控制双光楔同向旋转90°，重复步骤②。

⑤完成上面步骤，对计算得到的理论值和测量值进行分析，将实测数据曲线和理论曲线进行比较(如作图)，就能很容易得到位置敏感传感器402线性响应范围。

实验表明，本发明的特点在于：

本发明位置敏感传感器标定系统可以获取位置敏感传感器的精度，线性响应范围，响应误差等信息；

采用光束的偏移而不是光源或位置敏感传感器的移动引入光斑偏移量，避免了被标定对象在标定过程中因移动带来的误差，提高了标定结果可靠性；

采用电动控制旋转双光楔，提高了标定效率和准确性；

采用CCD相机对光源抖动进行监测，避免了因光源抖动对测量结果的影响，减少了标定误差；

总之，本发明具有高效率，高可靠性，结果简单，易于装调，易于操作等优点。

Claims (2)

1.一种位置敏感传感器的标定装置，特征在于其构成包括：照明单元（1）、双光楔单元（2）、指向敏感光路单元（3）、位置敏感传感器（4）、数据采集与控制单元（5）和CCD光束监测单元（6）： 

所述的照明单元（1）由激光器（101）、准直镜（102）、小孔光阑（104）和分光镜（106）组成，所述的激光器（101）发出的激光经所述的准直镜（102）变成平行光束（103），该平行光束再经小孔光阑（104）形成具有一定孔径的光束（105），在该光束（105）的传播方向顺序放置所述的分光镜（106）和双光楔单元（2）； 

所述的双光楔单元（2）包括第一光楔（201）和第二光楔（202），分别位于第一电动旋转台（204）和第二电动旋转台（205）上，所述的光束（105）经过所述的分光镜（106）分为反射光束和透射光束，所述的透射光束依次通过第一光楔（201）和第二光楔（202），得到出射光束（203），所述的反射光束进入所述的CCD光束监测单元（6）； 

所述的指向敏感光路单元（3）由共焦的第一聚焦透镜（301）和第一成像透镜（304）组成，第一聚焦透镜（301）的焦点光斑303作为第一成像透镜（304）的物点； 

所述的位置敏感传感器（4）包括光敏面（401）、传感器（402）、触角（403）及处理电路（404），该位置敏感传感器（4）的输出端接所述的数据采集与控制单元（5）的输入端； 

所述的数据采集与控制单元（5）包括数据采集卡及其接线盒（501），计算机和控制软件（502）； 

所述的CCD光束监测单元（6）由第二成像透镜（601）、第三成像透镜（603）、光衰减片（604）和CCD（606）组成，该CCD光束监测单元（6）的输出端接所述的数据采集与控制单元（5）的输入端； 

所述的数据采集与控制单元（5）的输出端与所述的双光楔单元（2）的第一电动旋转台（204）和第二电动旋转台（205）的控制端相连。 

2.利用权利要求1所述的位置敏感传感器的标定装置对位置敏感传感器的标定方法，其调整在于该方法包括如下步骤： 

㈠启动位置敏感传感器的标定装置打开所述的激光器（101），预热10分钟； 

㈡指向敏感光路单元（3）焦距F的测量： 

①首先通过计算机（502）控制所述的第一电动旋转台（204）和第二电动旋转台（205）的旋转使所述的第一光楔（201）和第二光楔（202）的主截面平行且反向放置，此时双光楔所产生的偏向角为零，称为双光楔原位，以下所述的复位也就是恢复到这一状态； 

②将所述的位置敏感传感器（402）替换为CCD相机，调节CCD相机位置，使成像光斑位于该CCD相机中心附近，打开图像采集软件，调节CCD相机曝光参数，避免CCD相机输出饱和； 

③在双光楔原位，用所述的CCD相机采集一幅原位光斑图像； 

④通过计算机（502）控制所述的第一电动旋转台（204）和第二电动旋转台（205）的旋转驱动所述的第一光楔（201）和第二光楔（202）的主截面相对旋转2ψ，即实现一个光楔逆时针方向旋转ψ角，另一个光楔同时顺时针方向旋转ψ角，然后用所述的CCD相机采集一幅旋转位光斑图像，复位双光楔； 

⑤对采集的图像进行处理：假如每个光斑由N个像素组成，每个像素对应确定的空间坐标x,y及灰度值p（x,y），所述的计算机按下列公式计算该光斑的重心坐标为： 

其中p_i=s_i+n_i，s_i和n_i分别是采集图像的灰度值和图像噪声； 

⑥计算机对原位光斑图像和旋转位光斑图像进行处理，得到双光楔产生零偏向角的时采集第一幅光斑图像的重心坐标（x₀，y₀)和双光楔相对旋转2ψ时的第二幅光斑图像的重心坐标(x_ψ，y_ψ，利用下式计算出两光斑的位移d为： 

⑦由δ=2(n-1)αcosψ得到光楔相对旋转2ψ时光束偏向角δ，则F_ψ： 

F_ψ=d/δ 

⑧复位双光楔，重复步骤④，控制电动旋转台相对旋转不同的角度，每次采集 一幅旋转位光斑图像，然后根据⑤⑥⑦的计算公式，求得每个旋转角度下的F_ψ，然后对F_ψ求平均得到所述的指向敏感光路单元的焦距F； 

㈢待测的位置敏感传感器精度的测量： 

①完成指向敏感光路单元焦距F的测量后，将CCD相机更换为待测的位置敏感传感器（402），复位双光楔，调节所述的待测的位置敏感传感器（402），使成像光斑位于该待测的位置敏感传感器的光敏面（401）的中心位置； 

②根据上面求出的指向敏感光路单元焦距F和F=d/δ，得到光斑偏移d=0.01mm时的δ： 

δ=d/F=0.01/F 

计算机再由2ψ=arcosδ/[2（n-1）α]，得到2ψ，计算机（502）控制所述的第一电动旋转台（204）和第二电动旋转台（205）的旋转驱动所述的第一光楔（201）和第二光楔（202）的主截面相对旋转2ψ后，所述的待测的位置敏感传感器（402）采集一幅光斑图像，同时所述的CCD光束监测单元（6）的CCD（606）采集一幅图像，计算机（502）控制所述的第一电动旋转台（204）和第二电动旋转台（205）的旋转驱动所述的第一光楔（201）和第二光楔（202）的主截面相对旋转2ψ后，所述的待测的位置敏感传感器（402）采集一幅光斑图像，同时所述的CCD光束监测单元（6）的CCD（606）采集一幅图像，如此重复，直到光斑接近移出位置敏感传感器（402）光敏面，共采集n次，得到待测的位置敏感传感器（402）的第n个光斑的位置为(x_nψ，y_nψ)； 

③复位双光楔，计算相对光斑偏移为0.005mm和0.001mm时的ψ，分别重复上面实验； 

④同样采取上述光斑重心的算法，对CCD606采集到的光斑图像进行处理，得出光源的抖动数据(x_nv，y_nv) 

那么双光楔相对旋转2nψ角度时，光斑的实际位置是： 

(x，y)=(x_nψ-X_nv，y_nψ-y_nv)； 

再计算光斑的实际位移d：

由F=d/δ，则光楔相对旋转2nψ角度时，理论光斑的位移d_r应为： 

d_r=F*δ=2F*(n-1)αcosψ 

⑤根据求得的光斑的实际位移d和理论光斑的位移d_r对位置敏感传感器（402）的精度进行分析； 

㈣位置敏感传感器线性响应范围的测量： 

①复位双光楔，调整待测的位置敏感传感器（402），令光斑位于待测的位置敏感传感器（402）中心，同样利用公式： 

δ=d/F 

2ψ=2arcosδ/[2（n-1）α] 

计算光斑偏移0.05mm时的相对旋转角度2ψ； 

②然后先相对旋转双光楔，使光斑从待测的位置敏感传感器（402）的中心移动到边沿位置，记下此时电动旋转台的旋转角度； 

以步骤①中计算得出2ψ角度为间隔，并与步骤①中相反方向旋转双光楔，每相对旋转2ψ角度，位置敏感传感器（402）采集一次光斑坐标，同时监测CCD（606）采集一副图像，直到光斑从位于初始的待测的位置敏感传感器（402）的边沿位置移动到该待测的位置敏感传感器（402）对边的边沿位置； 

③对图像进行处理，得到光源抖动(x_nv，y_nv)，再结合待测的位置敏感传感器（402）的实测值(x_nψ，y_nψ)，得到光斑的实际测量位移数据： 

(x，y)=(x_nψ-X_nv，y_nψ-y_nv)； 

④复位双光楔，控制双光楔同向旋转90°，重复步骤②； 

⑤根据采集的光斑数据绘制测量曲线，与理论曲线对比就可以看出位置敏感传感器的线性响应范围； 

⑥对线性响应差的区域，根据测量曲线对所述的位置敏感传感器进行定标。 

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