CN107036710A - 采用多探测器的光场光强分布测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用多探测器的光场光强分布测量方法，该方法利用的系统包括光电传感单元、精密扫描台、信号处理与控制单元；采用的光电传感单元1包含2个以上的点探测器；精密扫描台带动光电传感单元扫描实现待测光场时，至少有一个参考探测器位于已检测位置，并通其光强检测值对传感探测器的光强检测值进行修正，消除光源光强波动对光强分布检测结果的影响。具有实现容易，结构简单，成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光场光强分布测量，特别是一种采用多探测器的光场光强分布测量方法。
背景技术
光场光强分布是指在光场面，光功率密度或光照度在二维坐标上的分布情况，也称为光能量分布、光功率密度分布、光照度分布、辐照度分布等，在本发明中统称作光强分布。
光场光强分布检测有着广泛的应用，如，光伏领域的太阳模拟器，需要通过检测空间辐射光强均匀性进行产品分级，A类太阳模拟器的光场光强均匀性需要在2％以内；对光束质量进行分析时，需要对光束截面光场的光强分布进行检测；在投影光刻机系统，需要对掩模面和硅片面照明光场的光强分布进行检测，计算照明均匀性，还需要对照明光瞳面的光强分布进行检测，以对环形照明、四极照明等离轴照明模式进行评价。需要检测的光场，有连续式的，也有脉冲式的。
现有光场光强分布测量装置，多基于两种测量方法：
第一种测量方法，采用点探测器扫描的方式实现。采用点探测器在需要测量的光场面进行扫描，在时间上依次得到各个空间采样点的光强，得到光场光强分布。这种测量方法的缺点是光场的时间稳定性会影响对光场光强分布的测量结果。这种影响可以通过增加一路探测器对光源光强随时间的波动进行同步检测，根据光源光强随时间波动的检测结果，对光场光强分布测量结果进行修正的方法解决。但是，在一些情况下，会增加系统复杂性，如光源已封装在装置内部，需要从光场进行分光，需要增加光场分光系统，增加了系统复杂性和系统成本；在一些情况下，这种方法很难实现，如大空间范围的太阳模拟器，光场是由多个光源共同照明形成，空间不同区域由不同的一个或多个光源照明，一部分光场光强随时间的波动可能与其他部分光场不同，则不能采用该方法。
第二种测量方法采用面阵探测器。面阵探测器对需要测量的光场面进行直接探测，或者采用成像系统将需要测量的光场面成像至面阵探测器上，则可在同一时间得到各个空间采样点的光强，得到光场光强分布。这种方法不受光源光强随时间波动的影响。为了实现高空间分辨率，面阵探测器上需要有较多单元探测器，甚至达到上百万个，如1024×1024像元(一个像元即一个单元探测器)的面阵CCD探测器。由于单元探测器数量多，无法进行逐个筛选，每个单元探测器的光电响应特性，如响应非线性、响应均一性会有所不同，影响检测结果。因此，面阵探测器上所有单元探测器的响应非线性、响应非均一性必须进行标定。这种标定的技术难度很高。而且，当需要检测的光场范围较大时，采用面阵探测器也需要通过扫描增加测试空间范围或提高空间分辨率，遇到与采用点探测器时相同的问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种采用多探测器的光场光强分布测量方法，实现对光场光强分布的高精度检测。以解决上述现有技术光源光强随时间波动影响测量结果，面阵探测器响应非线性、响应非均一性标定难度大等问题。
本发明的技术解决方案如下：
一种采用多探测器的光场光强分布测量方法，该方法利用的系统包括光电传感单元、精密扫描台、信号处理与控制单元；所述的光电传感单元由精密扫描台支撑并精密定位，所述的信号处理与控制单元接收光电传感单元和精密扫描台的输出信号，并对它们进行控制；
所述的光电传感单元包含2个以上的点探测器；所述的点探测器是在一次探测时间内，能够将其探测区域内的光强信号转换为一个电信号的元件；如光电二极管，光电池，光电二极管阵列的一个单元，具有针孔或狭缝光阑的光电二极管，具有荧光转换片的光电二极管；所述的光电二极管，光电池的探测区域是它们的光敏面；所述的具有针孔或狭缝光阑的光电二极管的探测区域是针孔或狭缝光阑；所述的具有荧光转换片的光电二极管的探测区域是荧光转换区域；
所述的光电传感单元中一个点探测器称为传感探测器，其他探测器称为参考探测器；
所述的2个以上的点探测器的探测区域处于同一平面，相邻点探测器的探测区域之间的中心距离相等；所述的点探测器的探测区域所处的平面称为光电传感单元的探测面；
所述的精密扫描台是能够将光电传感单元的探测面调节至待测光场平面，并带动光电传感单元在光场范围内进行精密移动的多自由度位移台；
所述的信号处理与控制单元是存储和处理光电传感单元的光电转换信号，并对精密扫描台的运动和光电传感单元的光电转换进行同步控制的计算机或嵌入式系统；
该方法的特征在于包括下列步骤：
1)在所述的信号处理与控制单元的驱动下，所述的精密扫描台将光电传感单元的探测面调节至待测光场平面，将光电传感单元的传感探测器的探测区域调节至待测光场范围内第一个检测位置；
2)所述的光电传感单元进行一次光电转换并输入所述的信号处理与控制单元，所述的传感探测器的检测值即为第一个检测位置的光强检测结果I1，并将第一个检测位置标记为已检测位置；
3)在所述的信号处理与控制单元的驱动下，所述的精密扫描台带动光电传感单元传感探测器移动至待测光场平面第i个检测位置，移动量等于相邻点探测器的探测区域之间的中心距离，使得光电传感单元至少有一个参考探测器位于已检测位置；其中i＝2,…,m，为待测光场检测位置的坐标编号，共检测m个坐标位置；
4)光电传感单元进行一次光电转换；光电传感单元传感探测器的检测值表示为ISi；光电传感单元参考探测器的检测值表示为IR(posj)，其中j＝1,2,…,n，为每个参考探测器的编号，n为参考探测器的个数，posj为第j个参考探测器(1-Rj)所处的待测光场的坐标编号；所述的检测值送所述的信号处理与控制单元，信号处理与控制单元根据下式计算待测光场第i个检测位置的光强检测结果Ii：
其中Iposj为待测光场第posj个检测位置的光强检测结果，kj为第posj个检测位置的计算权重；当第posj个检测位置已标记为已检测位置时，kj的值取非负数；当第posj个检测位置尚未标记为已检测位置或者posj不处于待测光场范围内时，kj和Iposj的值取0；计算完成后将第i个检测位置标记为已检测位置；
5)重复步骤3)～4)，直至检测完待测光场平面全部检测位置，全部光强检测结果Ii(i＝1,2,…,m)组成的数据矩阵即为待测光场光强分布测试结果。
本发明具有以下优点：
1.不需要增加分光探测系统即可消除光源的光强波动对光强分布检测结果的影响，较易实现，结构简单，成本低；
2.只需要2个或2个以上的点探测器，探测器数量少，探测器的响应非线性、响应非均一性标定较为简单；也便于对探测器进行筛选，挑选响应特性相近的组件。
附图说明
图1为本发明采用的多探测器光场光强分布检测系统的结构示意图。
图2为本发明采用的光电传感单元实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明，但不以此实施例限制本发明的保护范围。
图1是本发明采用的多探测器光场光强分布检测系统的结构示意图，检测系统由光电传感单元1、精密扫描台2、信号处理与控制单元3组成。所述的光电传感单元1由精密扫描台2支撑并精密定位，所述的信号处理与控制单元3接收光电传感单元1和精密扫描台2的输出信号，并对它们进行控制；
图2是本发明采用的光电传感单元1实施例的结构示意图，所述的光电传感单元1包含2个以上的点探测器；图2(a)实施例光电传感单元1包含3个点探测器，分别为传感探测器1-S，第一参考探测器1-R1，第二参考探测器1-R2；图2(b)实施例光电传感单元1包含4个点探测器，分别为传感探测器1-S，第一参考探测器1-R1，第二参考探测器1-R2，第三参考探测器1-R3；所述的点探测器采用光电二极管，其探测区域是它的光敏面；图2(a)、图2(b)实施例中所有点探测器的探测区域处于同一平面，所述的点探测器的探测区域所处的平面称为光电传感单元的探测面；图2(a)、图2(b)实施例中相邻点探测器的探测区域之间的中心距离相等；
所述的精密扫描台2是能够将光电传感单元1的探测面调节至待测光场平面，并带动光电传感单元1在光场范围内进行精密移动的6自由度位移台；
所述的信号处理与控制单元3是存储和处理光电传感单元1的光电转换信号，并对精密扫描台2的运动和光电传感单元1的光电转换进行同步控制的计算机。
本发明的工作原理和过程如下：
通过精密扫描台2带动光电传感单元1的探测区域在待测光场范围内进行扫描实现待测光场光强分布的检测；光源的光强波动会对光强分布检测结果造成影响；本发明采用的光电传感单元1包含2个以上的点探测器，精密扫描台2带动光电传感单元1扫描实现待测光场时，精密扫描台2的每一次移动量与光电传感单元1的相邻点探测器的探测区域之间的中心距离相等，使得精密扫描台2的每一次移动传感探测器1-S均处于待测光场需要检测位置，至少有一个参考探测器1-R位于已检测位置；通过在已检测位置的参考探测器1-R光强检测值和已有光强检测结果，计算光源的光强波动比，对传感探测器1-S的光强检测值进行修正，消除光源的光强波动对光强分布检测结果的影响。
采用图2(b)所示的4个点探测组成的光电传感单元1，利用上述的多探测器光场光强分布检测系统检测光场光强分布的方法，其特征在于包括下列步骤：
1)在所述的信号处理与控制单元3的驱动下，所述的精密扫描台2将光电传感单元1的探测面调节至待测光场平面，将光电传感单元的传感探测器1-S的探测区域调节至待测光场范围内第一个检测位置；
2)所述的光电传感单元1进行一次光电转换并输入所述的信号处理与控制单元3，所述的传感探测器1-S的检测值即为第一个检测位置的光强检测结果I1，并将第一个检测位置标记为已检测位置；
3)在所述的信号处理与控制单元3的驱动下，所述的精密扫描台1带动光电传感单元传感探测器1-S移动至待测光场平面第i个检测位置，移动量等于相邻点探测器的探测区域之间的中心距离，使得光电传感单元1至少有一个参考探测器1-R1或1-R2或1-R3位于已检测位置，其中i＝2,…,2500，为待测光场检测位置的坐标编号，共检测2500个位置；
4)光电传感单元1进行一次光电转换；光电传感单元传感探测器1-S的检测值表示为ISi；光电传感单元参考探测器1-R1或1-R2或1-R3的检测值表示为IR(posj)，其中j＝1,2,3，为每个参考探测器1-R1或1-R2或1-R3的编号，posj为第j个参考探测器1-Rj所处的待测光场的坐标编号；所述的检测值送所述的信号处理与控制单元3，信号处理与控制单元3根据下式计算待测光场第i个检测位置的光强检测结果Ii：
其中Iposj为待测光场第posj个检测位置的光强检测结果，kj为第posj个检测位置的计算权重；当第posj个检测位置已标记为已检测位置时，kj的值取1；当第posj个检测位置尚未标记为已检测位置或者posj不处于待测光场范围内时，kj和Iposj的值取0；计算完成后将第i个检测位置标记为已检测位置；
5)重复步骤3)～4)，直至检测完待测光场平面全部检测位置，全部光强检测结果Ii(i＝1,2,…,2500)组成的数据矩阵即为待测光场光强分布测试结果。
本实施例具有不需要增加分光探测系统即可消除光源的光强波动对光强分布检测结果的影响，较易实现，结构简单，成本低的优点。
Claims (3)
1.一种采用多探测器的光场光强分布测量方法，该方法利用的系统包括光电传感单元(1)、精密扫描台(2)和信号处理与控制单元(3)；所述的光电传感单元(1)由所述的精密扫描台(2)支撑并精密定位，所述的信号处理与控制单元(3)接收光电传感单元和精密扫描台的输出信号，并对所述的光电传感单元和精密扫描台进行控制；
所述的光电传感单元包含2个以上的点探测器；所述的光电传感单元中一个点探测器称为传感探测器(1-S)，其他点探测器称为参考探测器(1-R1、1-R2、…、1-Rn)，其中n为参考探测器的个数；
所述的2个以上的点探测器的探测区域处于同一平面，两相邻点探测器的探测区域之间的中心距离相等；所述的点探测器的探测区域所处的平面称为光电传感单元的探测面；
其特征在于该方法的包括下列步骤：
1)在所述的信号处理与控制单元(3)的驱动下，所述的精密扫描台(2)将光电传感单元(1)的探测面调节至待测光场平面，将光电传感单元的传感探测器(1-S)的探测区域调节至待测光场范围内第1个检测位置；
2)所述的光电传感单元(1)进行一次光电转换并输入所述的信号处理与控制单元(3)，所述的传感探测器(1-S)的检测值即为第1个检测位置的光强检测结果I1，并将第一个检测位置标记为已检测位置；
3)在所述的信号处理与控制单元(3)的驱动下，所述的精密扫描台(1)带动光电传感单元(1)的传感探测器(1-S)移动至待测光场平面第i个检测位置，移动量等于相邻点探测器的探测区域之间的中心距离，至少有一个参考探测器(1-Rx)位于已检测位置；其中i＝2,…,m，为待测光场检测位置的坐标编号，共检测m个坐标位置；x为参考探测器的序号；
4)所述的光电传感单元(1)进行一次光电转换；所述的传感探测器(1-S)的检测值表示为ISi；所述的参考探测器(1-R)的检测值表示为IR(posj)，其中j＝1,2,…,n，为每个参考探测器的编号，n为参考探测器的个数，posj为第j个参考探测器(1-Rj)所处的待测光场的坐标编号；所有的检测值送所述的信号处理与控制单元(3)，所述的信号处理与控制单元(3)根据下式计算待测光场第i个检测位置的光强检测结果Ii：
其中Iposj为待测光场第posj个检测位置的光强检测结果，kj为第posj个检测位置的计算权重；当第posj个检测位置已标记为已检测位置时，kj的值取非负数；当第posj个检测位置尚未标记为已检测位置或者posj不处于待测光场范围内时，kj和Iposj的值取0；计算完成后将第i个检测位置标记为已检测位置；
5)重复步骤3)～4)，直至检测完待测光场平面全部检测位置，全部光强检测结果Ii(i＝1,2,…,m)组成的数据矩阵即为待测光场光强分布测试结果。
2.根据权利要求1采用多探测器的光场光强分布测量方法，其特征在于所述的点探测器为光电二极管、光电池、光电二极管阵列的一个单元，具有针孔或狭缝光阑的光电二极管、具有荧光转换片的光电二极管；所述的光电二极管，光电池的探测区域是它们的光敏面；所述的具有针孔或狭缝光阑的光电二极管的探测区域是针孔或狭缝光阑；所述的具有荧光转换片的光电二极管的探测区域是荧光转换区域。
3.根据权利要求1采用多探测器的光场光强分布测量方法，其特征在于所述的信号处理与控制单元(3)为计算机或嵌入式系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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