CN103411859B - 一种用于前向衍射光光强分布测量的对中装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于前向衍射光光强分布测量的对中装置及方法，其特征在于所述对中装置包括光电探测器阵列、精密三维位移平台、x向调整电路和y向调整电路。光电探测器阵列上有用于对中的两个四分之一圆环硅光电探测器和两个二分之一圆环硅光电探测器对称位于光电探测器阵列接收光强变化最快位置的附近，两个二分之一圆环硅光电探测器输出信号给y向调整电路，两个四分之一圆环硅光电探测器输出信号给x向调整电路；光电探测器阵列固定在精密三维位移平台上；通过三维位移平台在x轴方向和y轴方向上精密调节光电探测器阵列的位置，使x向调整电路的输出和y向调整电路的输出归零来完成光电探测器阵列的对中。本发明结构简单,易于安装和应用。

Description

一种用于前向衍射光光强分布测量的对中装置及方法

【技术领域】

本发明涉及一种用于前向衍射光光强分布测量的对中装置，能够有效地减小对中误差给测量带来的影响。

【背景技术】

光电探测器是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件，其在国防建设和国民经济的各个领域有着广泛的应用。在粒度测量领域，环形光电探测器作为激光粒度仪的重要组件，其对中的好坏直接影响着测量结果的精度。目前激光粒度仪的对中方法主要分为两类：手动对中和自动对中。

传统上，激光粒度仪的信号接收装置一般采用半圆形或者扇形同心圆环硅光电探测器并且采用手动对中的调节方法，即在探测器中心孔后方安放一个光电二极管，通过上下、左右方向调节探测器，观察光电二极管接收的光强，当光强最大时，即认为对中良好。但此种方法受人为因素影响较大，对于非专业人士，调整较困难，且对中重复性较低，故容易产生较大误差。

自动对中方法是指激光粒度仪利用四象限探测器进行光路的自动对中。其主要原理是测量激光束的光斑质心的位置变化，然后通过某种特定的算法，确定光斑的三维偏移量，最后利用此偏移量与被测物体之间的关系得到所需的物理量，再由机械装置控制从而进行对中。这种方法的优点是设计简单，使用方便，有比较成熟的算法可供直接使用。但在实际应用中，由于原理上要求四象限探测器的中心与探测器中心孔的圆心要严格共轴，这在工程上是很难实现的。而且，实际应用中，当中心孔不圆时，势必对位于其后方的探测器探测精度产生影响，从而影响对中精度。

【发明内容】

本发明的目的在于设计一种用于前向衍射光光强分布测量的对中装置。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述对中装置包括光电探测器阵列、精密三维位移平台、x向和y向调整电路。为了准确地测量出傅立叶透镜后焦平面上所形成的能量分布，采用了多个同心圆环硅光电探测器阵列作为光电转换器件，其结构是根据夫朗和费衍射理论设计的，光电探测器阵列的中心开有一小孔使爱里斑通过，以免其投射到光电探测器阵列上发生散射，影响光电探测器阵列所测的其他各级衍射光的光能分布；用于对中的两个四分之一圆环硅光电探测器（即C环、D环）关于坐标系y轴对称，两个二分之一圆环硅光电探测器（即A环、B环）关于坐标系x轴对称，A环、B环硅光电探测器与C环、D环硅光电探测器对称位于光电探测器阵列接收光强变化最快位置的附近，A环、B环硅光电探测器输出信号给y向调整电路，C环、D环硅光电探测器输出信号给x向调整电路；所述精密三维位移平台可以分别沿坐标系x轴、y轴和z轴做精密移动，光电探测器阵列固定在所述精密三维位移平台的xoy平面上，光电探测器阵列上各同心圆环的圆心在坐标系的原点o上，坐标系z轴正向沿所述光电探测器阵列平面的副法向，且与光路光轴方向平行,光电探测器阵列沿坐标系x轴、y轴和z轴的位置可以分别通过精密三维位移平台的x向、y向和z向调节机构来调整；所述y向调整电路包括放大器1、放大器2和比较器1，通过调节放大器1和放大器2的放大倍数可以使比较器1的输出为0；所述x向调整电路包括放大器3、放大器4和比较器2，通过调节放大器3和放大器4的放大倍数可以使比较器2的输出为0。

由于制作工艺等原因，所述对中装置在应用前需对x向和y向调整电路进行预调，预调方法是：使用一束光照强度均匀的平行光沿光轴方向照射所述光电探测器阵列，分别调节y向调整电路中的放大器1和放大器2的放大倍数及x向调整电路中的放大器3和放大器4的放大倍数，使比较器1的输出和比较器2的输出均为0。

光电探测器阵列中心小孔直径的计算方法如下：

激光器发出的光束经过扩束准直后变成平行光，平行光束的直径大小取决于可变光阑通光孔径的大小。平行光束经过傅里叶透镜后，在其焦平面上形成爱里斑。爱里斑直径的计算公式为

$d_1=2\×\frac{1.22\mathrm{\λf}}{D_l}---\left(1\right)$

其中f为透镜焦距，λ为入射光波长，D_l为光阑直径。因此，光电探测器阵列中心小孔的直径必须大于爱里斑直径d₁，以免爱里斑投射到光电探测器阵列表面发生散射影响测量结果的精度。

光电探测器阵列接收光强变化最快位置的计算方法如下：

根据夫琅和费衍射理论及巴卑涅原理可知，在傅里叶透镜后焦面即光电探测器阵列上，颗粒的衍射光强分布为：

$I\left(r\right)=I_0\frac{{\mathrm{\π}}^2{D}^4}{16f^2{\mathrm{\λ}}^2}{\left(\frac{2J_1\left(x\right)}{x}\right)}^2---\left(2\right)$

式中，I₀为平行入射光强度，D为颗粒粒径，J₁为一阶贝塞尔函数，为参变量，f为傅里叶透镜焦距，λ为入射光波长，r为光电探测器阵列径向距离。令r＝0（即x=0）,按贝塞尔函数的特征，可求得2J₁(x)/x＝1。因此，光电探测器阵列中心处的衍射光强为：

$I\left(0\right)=I_0\frac{{\mathrm{\π}}^2{D}^4}{16f^2{\mathrm{\λ}}^2}---\left(3\right)$

可以看出在其他参数不变的情况下，I(0)的大小与被照射颗粒粒径的四次方成正比。粒径越大，衍射光的强度越大。将代入（2）式可得：

$I\left(r\right)=I_0\frac{{\mathrm{\π}}^2{D}^4}{16f^2{\mathrm{\λ}}^2}{\left(\frac{2J_1\left(\frac{\mathrm{\πDr}}{\mathrm{\λf}}\right)}{\frac{\mathrm{\πDr}}{\mathrm{\λf}}}\right)}^2---\left(4\right)$

对（4）式关于r求二阶导数，并且令二阶导数为零，可以求得傅里叶透镜后焦面上光强变化最快的位置为r_m。

故用于对中的A环、B环、C环、D环硅光电探测器设计在光电探测器阵列径向距离r_m位置附近时，测量灵敏度最高，易于对中调整。即若光电探测器阵列径向距离r_m位置为从光电探测器阵列中心向外数用于测量衍射光强的第n个二分之一圆环硅光电探测器，则该环硅光电探测器即为用于光电探测器阵列在坐标系y轴方向对中的A环硅光电探测器，且B环硅光电探测器与A环硅光电探测器关于坐标系x轴对称；C环和D环硅光电探测器关于坐标系y轴对称且位于B环硅光电探测器之外，所述C环和D环硅光电探测器径向距离与从光电探测器阵列中心向外数用于测量衍射光强的第n+1个二分之一圆环硅光电探测器径向距离相同。

光电探测器阵列对中步骤如下：

步骤一、通过精密三维位移平台的z向调节机构，将光电探测器阵列调节到所需的测量平面上；

步骤二、通过调整精密三维位移平台的x向和y向调节机构来调整光电探测器阵列沿坐标系x轴和y轴的位置进行粗对中，当爱里斑通过光电探测器阵列中心小孔时，即可认为粗对中已完成；

步骤三、观察y向调整电路的输出，若y向调整电路的输出不为零，继续调整精密三维位移平台沿坐标系y轴方向的位置，直至y向调整电路的输出为零，即可认为光电探测器阵列在坐标系y轴方向的对中已完成；

步骤四、观察x向调整电路的输出，若x向调整电路的输出不为零，继续调整精密三维位移平台沿坐标系x轴方向的位置，直至x向调整电路的输出为零，即可认为光电探测器阵列在坐标系x轴方向的对中已完成。

本发明给出的一种用于前向衍射光光强分布测量的对中装置及方法，其优点及功效在于：与目前的对中方法相比本发明有效的减少了不共轴带来的误差以及人为因素的影响。整体结构简单，操作方便，易于安装和应用，能够准确的完成对中。

【附图说明】

附图1所示为圆孔夫朗和费衍射图样。

附图2所示为激光粒度仪光路部分示意图。

附图3所示为用于前向衍射光光强分布测量的对中装置示意图。

附图4所示为精密三维位移平台示意图。

附图5所示为标准粒子板颗粒粒径分布图。

附图6所示为标准粒子板衍射光强沿光电探测器阵列径向分布曲线。

附图7所示为光电探测器阵列未完全对中示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如附图2，激光器发出的平行光经扩束镜和光阑的调节变为粗细一定的平行测量光，测量光束穿过样品池后被傅里叶透镜会聚到光电探测器阵列的表面。

如附图3，本对中装置采用的系统包括：光电探测器阵列（1）、精密三维位移平台（2）、y向调整电路（3）、x向调整电路（4）。其中坐标系x轴正方向与精密三维位移平台x正方向相同，坐标系y轴正方向与精密三维位移平台y正方向相同,坐标系原点与光电探测器阵列的圆心重合；光电探测器阵列固定在精密三维位移平台上，光电探测器阵列沿坐标系x轴和y轴的位置可以通过精密三维位移平台的x向和y向调节机构来调整；y向调整电路包括放大器1、放大器2和比较器1，A环硅光电探测器和B环硅光电探测器输出信号经放大器1和放大器2调理后输入比较器1；x向调整电路包括放大器3、放大器4和比较器1，C环硅光电探测器和D环硅光电探测器输出信号经放大器3和放大器4调理后输入比较器2。

如附图4，精密三维位移平台包括：载物台（1）、x向调节机构（2）、y向调节机构（3）、z向调节机构（4）。所述精密三维位移平台z轴正向沿所述光电探测器阵列平面的副法向，且与光路光轴方向平行，xoy平面和附图三及附图7中的xoy平面重合。

如附图1，根据夫朗和费衍射理论，设计了多个同心圆环硅光电探测器阵列作为光电转换器件，光电探测器阵列是在一个硅片上，由半径不同，且各自独立的同心半圆环组成，每个环上布置有半导体光电二极管，圆心处是一小孔，作用是使爱里斑通过，以免其投射到探测器上发生散射，影响探测器所测的其他各级衍射光的光能分布。用于对中的两个四分之一圆环硅光电探测器（即C环、D环）关于坐标系y轴对称，两个二分之一圆环硅光电探测器（即A环、B环）关于坐标系x轴对称。A环、B环硅光电探测器与C环、D环硅光电探测器对称位于光电探测器阵列接收光强变化最快位置的附近。A环硅光电探测器输出信号经放大器1调理后输入给比较器1的同相输入端，B环硅光电探测器输出信号经放大器2调理后输入给比较器1的反相输入端，C环硅光电探测器输出信号经放大器3调理后输入给比较器2的同相输入端，D环硅光电探测器输出信号经放大器4调理后输入给比较器2的反相输入端。所述精密三维位移平台可以分别沿坐标系x轴、y轴和z轴做精密移动，光电探测器阵列固定在所述精密三维位移平台的xoy平面上，光电探测器阵列上各同心圆环的圆心在坐标系的原点o上，坐标系z轴正向沿所述光电探测器阵列平面的副法向，且与光路光轴方向平行,光电探测器阵列沿坐标系x轴、y轴和z轴的位置可以分别通过精密三维位移平台的x向、y向和z向调节机构来调整。y向调整电路包括放大器1、放大器2和比较器1，通过调节放大器1和放大器2的放大倍数可以使比较器1的输出为0；所述x向调整电路包括放大器3、放大器4和比较器2，通过调节放大器3和放大器4的放大倍数可以使比较器2的输出为0。

由于制作工艺等原因，所述对中装置在应用前需对x向和y向调整电路进行预调，预调方法是：

步骤一、使用一束光照强度均匀的平行光沿光轴方向照射所述光电探测器阵列。

步骤二、观察比较器1的输出，若比较器1的输出为正，则减小放大器1的放大倍数或增大放大器2的放大倍数，直至比较器1的输出为零；若比较器1的输出为负，则增大放大器1的放大倍数或减小放大器2的放大倍数，直至比较器1的输出为零。

步骤三、观察比较器2的输出，若比较器2的输出为正，则减小放大器3的放大倍数或增大放大器4的放大倍数，直至比较器2的输出为零；若比较器2的输出为负，则增大放大器3的放大倍数或减小放大器4的放大倍数，直至比较器2的输出为零。

若选取标准粒子板作为颗粒样品，所述颗粒粒度服从分布参数N=4.1，特征尺寸参数X=46.3的R-R分布。傅里叶透镜焦距f＝75mm，入射光波长λ＝635nm，光阑直径D_l＝8mm，入射光强I₀＝1，则有：

光电探测器阵列中心小孔直径的计算方法如下：

激光器发出的光束经过扩束准直后变成平行光，平行光束的直径大小取决于可变光阑通光孔径的大小。平行光束经过傅里叶透镜后，在其焦平面上形成爱里斑。爱里斑直径的计算公式为

$d_1=2\×\frac{1.22\mathrm{\λf}}{D_l}---\left(5\right)$

其中f为透镜焦距，λ为入射光波长，D_l为光阑直径，代入数值计算可得d₁≈14.53μm因此，光电探测器阵列中心小孔的直径必须大于爱里斑直径d₁，以免爱里斑投射到光电探测器阵列表面发生散射影响测量结果的精度。

光电探测器阵列接收光强变化最快位置的计算方法如下：

根据夫琅和费衍射理论及巴卑涅原理可知，在傅里叶透镜后焦面即光电探测器阵列上，颗粒的衍射光强分布为：

$I\left(r\right)=I_0\frac{{\mathrm{\π}}^2{D}^4}{16f^2{\mathrm{\λ}}^2}{\left(\frac{2J_1\left(x\right)}{x}\right)}^2---\left(6\right)$

式中，I₀为平行入射光强度，D为颗粒粒度，J₁为一阶贝塞尔函数，为参变量，f为傅里叶透镜焦距，λ为入射光波长，r为光电探测器阵列径向距离。令r＝0（即x=0）,按贝塞尔函数的特征，可求得2J₁(x)/x＝1。因此，光电探测器阵列中心处的衍射光强为：

$I\left(0\right)=I_0\frac{{\mathrm{\π}}^2{D}^4}{16f^2{\mathrm{\λ}}^2}---\left(7\right)$

可以看出在其他参数不变的情况下，I(0)的大小与被照射颗粒粒径的四次方成正比。粒径越大，衍射光的强度越大。将代入（6）式可得：

$I\left(r\right)=I_0\frac{{\mathrm{\π}}^2{D}^4}{16f^2{\mathrm{\λ}}^2}{\left(\frac{2J_1\left(\frac{\mathrm{\πDr}}{\mathrm{\λf}}\right)}{\frac{\mathrm{\πDr}}{\mathrm{\λf}}}\right)}^2---\left(8\right)$

对（8）式关于r求二阶导数，并且令二阶导数为零，可以求得傅里叶透镜后焦面上光强变化最快的位置为r_m＝0.456mm。

故用于对中的A环、B环、C环、D环硅光电探测器设计在光电探测器阵列径向距离r_m＝0.456mm位置附近时，测量灵敏度最高，易于对中调整。即若光电探测器阵列径向距离r_m＝0.456mm位置为从光电探测器阵列中心向外数用于测量衍射光强的第6个二分之一圆环硅光电探测器，则该环硅光电探测器即为用于光电探测器阵列在坐标系y轴方向对中的A环硅光电探测器，且B环硅光电探测器与A环硅光电探测器关于坐标系x轴对称；C环和D环硅光电探测器关于坐标系y轴对称且位于B环硅光电探测器之外，所述C环和D环硅光电探测器径向距离与从光电探测器阵列中心向外数用于测量衍射光强的第7个二分之一圆环硅光电探测器径向距离相同。

下表给出了部分不同单一颗粒粒径对应的光电探测器阵列接收光强变化最快的位置。

表1部分不同单一颗粒粒径对应的光电探测器阵列接收光强变化最快位置

对中方法及工作过程：

如附图7，设图中x轴方向为水平方向，y轴方向为竖直方向。若光电探测器阵列未完全对中，即光电探测器阵列的中心O'与理论对中中心O在水平方向上偏差Δx，在竖直方向上偏差Δy，则可以按以下步骤完成光电探测器阵列的对中。

步骤一、通过精密三维位移平台的z向调节机构，将光电探测器阵列调节到所需的测量平面上；

步骤二、通过手动调整光电探测器阵列进行粗对中，当爱里斑通过光电探测器阵列中心小孔时，即可认为粗对中已完成。

步骤三、观察y向调整电路的输出，发现此时y向调整电路的输出为正值，说明A环硅光电探测器输出信号大于B环硅光电探测器输出信号。由于光电探测器阵列所接收到的衍射光强呈环形对称分布，故判定此时光电探测器阵列在竖直方向上向下偏移。调节精密三维位移平台竖直方向调节机构，缓慢升高精密三维位移平台直至y向调整电路的输出信号为零，即认为光电探测器阵列竖直方向对中已完成。

步骤四、观察x向调整电路的输出，发现此时x向调整电路的输出为正值，说明C环硅光电探测器输出信号大于D环硅光电探测器输出信号。由于光电探测器阵列所接收到的衍射光强呈环形对称分布，故判定此时光电探测器阵列在水平方向上向右偏移。调节精密三维位移平台水平方向调节机构，使精密三维位移平台缓慢向左移动直至比x向调整电路的输出信号为零，即认为光电探测器阵列水平方向对中已完成。

以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。

Claims (5)

1.一种用于前向衍射光光强分布测量的对中装置，其特征在于所述对中装置包括光电探测器阵列、精密三维位移平台、x向和y向调整电路；所述对中装置采用了根据夫朗和费衍射理论设计的多个同心圆环硅光电探测器阵列作为光电转换器件，同心圆环的圆心处开有一小孔；在光电探测器阵列上还设计有用于对中的两个关于坐标系y轴对称的四分之一圆环硅光电探测器及两个关于坐标系x轴对称的二分之一圆环硅光电探测器，所述两个二分之一圆环硅光电探测器的两个输出信号给y向调整电路，所述两个四分之一圆环硅光电探测器的两个输出信号给x向调整电路；所述精密三维位移平台可以分别沿坐标系x轴、y轴和z轴做精密移动，所述光电探测器阵列固定在所述精密三维位移平台的xoy平面上，所述光电探测器阵列上各同心圆环的圆心在坐标系的原点o上，所述坐标系z轴正向沿所述光电探测器阵列平面的负法向，且与光路光轴方向平行；所述光电探测器阵列沿坐标系x轴、y轴和z轴的位置可以分别通过精密三维位移平台的x向、y向和z向调节机构来调整；所述y向调整电路包括放大器1、放大器2和比较器1，通过调节放大器1和放大器2的放大倍数可以使比较器1的输出为0；所述x向调整电路包括放大器3、放大器4和比较器2，通过调节放大器3和放大器4的放大倍数可以使比较器2的输出为0。

2.根据权利要求1所述的一种用于前向衍射光光强分布测量的对中装置，其特征在于所述两个四分之一圆环硅光电探测器沿坐标系y轴对称，所述两个二分之一圆环硅光电探测器沿坐标系x轴对称。

3.根据权利要求1所述的一种用于前向衍射光光强分布测量的对中装置，其特征在于所述两个四分之一圆环硅光电探测器与所述两个二分之一圆环硅光电探测器位于光电探测器阵列接收光强变化最快位置的附近。

4.一种采用权利要求1-3之一所述装置的用于前向衍射光光强分布测量的对中方法，其特征在于所述对中方法包括如下步骤：

步骤一、通过精密三维位移平台的z向调节机构，将光电探测器阵列调节到所需的测量平面上；

步骤二、通过调整精密三维位移平台的x向和y向调节机构来调整光电探测器阵列沿坐标系x轴和y轴的位置进行粗对中，当爱里斑通过光电探测器阵列中心小孔时，即可认为粗对中已完成；

步骤三、观察y向调整电路的输出，若y向调整电路的输出不为零，继续调整精密三维位移平台沿坐标系y轴方向的位置，直至y向调整电路的输出为零，即可认为光电探测器阵列在坐标系y轴方向的对中已完成；

步骤四、观察x向调整电路的输出，若x向调整电路的输出不为零，继续调整精密三维位移平台沿坐标系x轴方向的位置，直至x向调整电路的输出为零，即可认为光电探测器阵列在坐标系x轴方向的对中已完成。

5.根据权利要求4所述的一种采用权利要求1-3之一所述装置的用于前向衍射光光强分布测量的对中方法，其特征在于所述对中方法在应用前需对x向和y向调整电路进行预调，预调过程是：使用一束光照强度均匀的平行光沿光轴方向照射所述光电探测器阵列，分别调节y向调整电路中的放大器1和放大器2的放大倍数及x向调整电路中的放大器3和放大器4的放大倍数，使比较器1的输出和比较器2的输出均为0。