CN103257035A - 光路抖动信号探测器 - Google Patents
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Abstract
一种光路抖动信号探测器，包括前端抖动光信号放大模块和抖动信号的探测和处理模块，所述的前端光信号放大模块由同光轴的依次的光阑、聚焦透镜、位置可调针孔光阑和成像透镜构成，所述的抖动信号的探测和处理模块由CMOS传感器、模拟图像前端和数字信号处理器构成。本发明具有对抖动信号采样分析高速、精度高和成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及光路抖动，特别是一种光路抖动信号探测器。
背景技术
目前，测量光路抖动信号的探测器件有位置灵敏探测器（Position SensitiveDevice，PSD）技术，四象限光电探测器（Quadrant Photodetector，QD）技术和电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）成像技术。QD可以分为光电池QD，光电二极管PIN-QD，四象限雪崩光电管APD-QD，误差信号的提取和计算一般都可归结为光斑相对光电探测器中心的偏移量的计算，他们一般具有较高的灵敏度和位置分辨率；光谱响应范围宽，体积小，使用简便，暗电流小，工作稳定可靠；响应快，惰性小，动态范围宽，可在低照度下工作等优点，但它存在死区，影响其光斑定位性能，在使用QD时，其四个象限的放大器应尽量保持一致和稳定，否则影响分辨率。PSD是利用半导体PN结的横向电阻效应达到器件对光信号位置敏感的目的，它有极为均匀的表面电阻层和双向电极检出信号，并通过放大和运算获得被测位置。PSD具有光电输出线性良好，分辨率高，响应快等特点，光敏面上无死区，可以获得连续的位置检出信号，可以用低频调制的方法抑制背景光的干扰。但PSD灵敏度较低，边缘线性较差。PSD和QD技术虽然有采样频率高的优点，但需要配套复杂高端的信号处理电路，成本很高。CCD成像技术由于像素较多，存在像素性能不均匀，这将影响其探测精度，CCD探测器还具有相应非线性，这将影响测量精度；CCD探测器的光谱响应范围有限，目前主要集中在可见光波段，相应波段在紫外以及红外的CCD目前还在研发之中；同时，在进行像素读取时，需要进行扫描操作，在高帧频是，需要很高的带宽，且数据量大，会造成数据快速处理的负担。
对于作为光路抖动探测器来说，并不需要很高的全帧数据速率。只要能够发现一幅图片中出现的变化（因为这种变化可能预示着某种可疑情况），那么分辨率低一点也是完全可以接受的。对于只提供全帧图像的CCD图像传感器而言，只有采用一个分离的评估电路才能够提供两个观测角度，这意味着处理时间和成本的增加。然而，CMOS图像传感器的工作原理则与RAM相似，所有的存储位均可单独读出。CMOS传感器的二次采样虽然提供了较低的分辨率，但是帧速率较高；而开窗口则允许随机选择一块感兴趣的区域。另外在现代CMOS图像传感器中，一个重要的发展趋势是其光谱灵敏度扩展到了近红外区NIR（至约1,100nm的波长），因此，相对CCD传感器，CMOS适用范围更广。
发明内容
为了克服现有的探测器件的缺陷,本发明提供一种光路抖动信号探测器，该探测器具有对抖动信号采样分析高速、精度高和成本低的特点。
本发明的技术解决方案是：
一种光路抖动信号探测器，特点在于该探测器包括：前端抖动光信号放大模块和抖动信号的探测和处理模块，所述的前端光信号放大模块由同光轴的依次的光阑、聚焦透镜、位置可调针孔光阑和成像透镜构成，所述的聚焦透镜的焦距为3cm～10cm，所述的成像透镜的焦距为10cm～100cm，所述的位置可调针孔光阑的直径30～50微米，聚焦透镜的后焦点与所述的成像透镜组的前焦点重合，所述的位置可调针孔光阑位于所述的聚焦透镜组和所述的成像透镜组的公共焦点后，该焦点与所述的位置可调针孔光阑的距离为所述的位置可调针孔光阑的5～10倍，所述的抖动信号的探测和处理模块由CMOS传感器、模拟图像前端和数字信号处理器构成，所述的CMOS传感器位于所述的成像透镜的像平面，所述的CMOS传感器的输出端与所述的模拟图像前端的输入端相连，所述的模拟图像前端与所述的数字信号处理器的输入端相连，所述的数字信号处理器的输出端与计算机的输入端相连。
所述的聚焦透镜和成像透镜为透镜组。
光学放大模块基本原理：
光路抖动放大：由图3，光源7位置抖动量△x，光源到双缝8距离为l，双缝到衍射屏9距离为L，衍射极大值位置抖动量为△y，为在满足L>>l,L>>d,l>>d的条件下，通过推导得到
实际应用中使用位置可调针孔光阑代替双缝，实验证明，可以利用光束经过针孔衍射得到类似的抖动放大效果，而且不会使光束损失太多能量。
使用方法：将激光光束经过焦距为5cm的透镜组聚焦在位置可调针孔光阑附近，可以得到出射的衍射环图像。这一步可以将激光光束的抖动转化为衍射环形状的变化。
将出射的衍射环经过透镜组成像到CMOS（响应波长为400-1000nm）阵列上，经过DSP进行特征点追踪算法的图像处理后，得到数据△X和△Y，可以使用主控芯片将DSP处理得到的光斑位置抖动信号△X和△Y通过SPI通信接口读出，并上传计算机进一步处理。
主控芯片通过与从机，即DSP，在SPI通信过程中得到的二维抖动数据△X和△Y，可以在主控芯片内或由主控芯片提交计算机做进一步处理，然后将处理后的数据用于主动反馈纠正光路漂移等方面。
本发明的有益效果是:
一.本发明利用干涉原理的光路设计实现了光路指向性偏移信号放大（放大倍数可调节，可实现数百倍以上的放大），弥补了CMOS传感器分辨率低（实验中使用的CMOS传感器分辨率约为3um）的不足，将传感器分辨率提高至亚微米量级。
二.本发明利用了CMOS传感器高帧频的特性，提高了对偏移信号的采样速度，验得到最高5khz，并且采样速率可以通过DSP芯片编程调节。
三.本发明所采用的CMOS传感器配套的信号处理电路结构比PSD和QD的配套信号处理电路都较简单，集成度高，不需要附加滤波电路，采样保持电路等，因此价格低廉，方便维护。
四．本发明将点跟踪转化为图像处理，信号由一维点信号转变为二维图像信号，获取信息更完整，因此在应对硬件电路结构引入的误差时，可以采用复杂度的图像处理算法，利用软件方法减小误差。本发明适用于较差光束质量情况，综合成本低于现有CCD，PSD，QD方案。
附图说明
图1是本发明光路抖动信号探测器的结构框图。
图2是本发明图像获取和处理模块结构示意图。
图3是本发明光学放大原理图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的变化范围
先请参阅图1，图1是本发明光路抖动信号探测器的结构框图。由图可见，本发明光路抖动信号探测器包括：前端抖动光信号放大模块和抖动信号的探测和处理模块，所述的前端光信号放大模块由同光轴的依次的光阑2、聚焦透镜3、位置可调针孔光阑4和成像透镜5构成，所述的聚焦透镜3的焦距为3cm～10cm，所述的成像透镜5的焦距为10cm～100cm，所述的位置可调针孔光阑4的直径30～50微米，聚焦透镜3的后焦点与所述的成像透镜组5的前焦点重合，所述的位置可调针孔光阑4位于所述的聚焦透镜组3和所述的成像透镜组5的公共焦点后，该焦点与所述的位置可调针孔光阑4的距离为所述的位置可调针孔光阑4的5～10倍，所述的抖动信号的探测和处理模块由CMOS传感器61、模拟图像前端62和数字信号处理器63构成，所述的CMOS传感器61位于所述的成像透镜5的像平面，所述的CMOS传感器61的输出端与所述的模拟图像前端62的输入端相连，所述的模拟图像前端62与所述的数字信号处理器63的输入端相连，所述的数字信号处理器63的输出端与计算机64的输入端相连。
聚焦光束经过位置可调针孔光阑衍射后，经过所述的成像透镜组成像到所述的图像获取和处理电路的CMOS传感器上。CMOS传感器得到图像后，得到模拟信号，模拟信号经过AFE预处理，得到数字信号，然后将数字信号传输给DSP，由DSP执行特征点追踪算法。可根据需要在光路中添加衰减片来衰减光强，避免CMOS传感器饱和。CMOS传感器饱和可以导致图像的各部分亮度一致，从而使特征点追踪算法因为找不到特征点而失效。在光路调好之后，将1反光镜换成半透半反镜，然后将半透半反镜的透射光入射CCD，调节半透半反镜的角度，然后参照CCD输出数据对本光路抖动信号探测器进行定标。
本发明抖动信号的探测和处理模块，即CMOS传感器，AFE，DSP可以安排在一块PCB板上，引出8个引脚，作为光学引擎模块核心板。在实际控制环路中，装置的电路系统与计算机的通信接口可以选择USB总线。
对于光路自动准直系统来说，本装置提供的反馈信号，经过控制器通过PID算法后，产生控制信号，控制驱动器驱动压电陶瓷偏摆镜调节光路，纠正光路的偏移。
Claims (2)
1.一种光路抖动信号探测器，特征在于该探测器包括：前端抖动光信号放大模块和抖动信号的探测和处理模块，所述的前端光信号放大模块由同光轴的依次的光阑（2）、聚焦透镜（3）、位置可调的针孔光阑（4）和成像透镜（5）构成，所述的聚焦透镜（3）的焦距为3cm～10cm，所述的成像透镜（5）的焦距为10cm～100cm，所述的位置可调针孔光阑（4）的直径30～50微米，聚焦透镜（3）的后焦点与所述的成像透镜组（5）的前焦点重合，所述的位置可调针孔光阑（4）位于所述的聚焦透镜组（3）和所述的成像透镜组（5）的公共焦点后，该焦点与所述的位置可调针孔光阑（4）的距离为所述的位置可调针孔光阑（4）的5～10倍，所述的抖动信号的探测和处理模块由CMOS传感器（61）、模拟图像前端（62）和数字信号处理器（63）构成，所述的CMOS传感器（61）位于所述的成像透镜（5）的像平面，所述的CMOS传感器（61）的输出端与所述的模拟图像前端（62）的输入端相连，所述的模拟图像前端（62）与所述的数字信号处理器（63）的输入端相连，所述的数字信号处理器（63）的输出端与计算机（64）的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的光路抖动信号探测器，特征在于所述的聚焦透镜（3）和成像透镜（4）为透镜组。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201310180237 CN103257035A (zh) | 2013-05-15 | 2013-05-15 | 光路抖动信号探测器 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201310180237 CN103257035A (zh) | 2013-05-15 | 2013-05-15 | 光路抖动信号探测器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103257035A true CN103257035A (zh) | 2013-08-21 |
Family
ID=48961092
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN 201310180237 Pending CN103257035A (zh) | 2013-05-15 | 2013-05-15 | 光路抖动信号探测器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103257035A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111007521A (zh) * | 2019-12-09 | 2020-04-14 | 北京信息科技大学 | 一种激光主动探测系统及目标识别方法 |
-
2013
- 2013-05-15 CN CN 201310180237 patent/CN103257035A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN111007521A (zh) * | 2019-12-09 | 2020-04-14 | 北京信息科技大学 | 一种激光主动探测系统及目标识别方法 |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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