CN109238133A - 高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集方法和装置，所述装置包括光斑位置测量器件、I/V转换电路、RC转换电路和运算电路。所述光斑位置测量器件用于将接收到的高重频脉冲激光信号转换为多路脉冲电流信号；所述I/V转换电路用于将多路脉冲电流信号分别转换为脉冲电压信号；所述RC转换电路用于将脉冲电压信号转换为直流电压信号，所述直流信号幅值为脉冲电压信号的平均值；所述运算电路用于根据多路直流电压信号进行计算得到高重频脉冲光斑位置信息。本发明具有结构简单、成本低的特点，可用于象限探测器和PSD等多种光斑位置测量器件的信号处理系统中，有效降低数据采集系统开发的难度和成本。

Description

高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集方法和装置

技术领域

本发明涉及光电探测领域，特别涉及一种高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集方法和装置。

背景技术

高重频脉冲激光具有峰值功率强、重频高、脉宽窄等优点，随着激光器技术的不断发展，高重频脉冲激光器越来越广泛的应用于工业、医疗和科研等领域，在其应用过程中，常常需要对其光束指向进行精确测量。

光束指向测量通常采用光电效应原理，利用光斑位置测量器件测量光斑位置，进而得到光束指向信息。光斑位置测量器件主要有象限光电探测器及PSD(PositionSensitive Detector，位置敏感探测器)等。

随着技术的不断进步，高重频脉冲激光器的频率越来越高，脉宽越来越窄，其对光斑位置测量器件信号处理采样率要求越来越高，很难实现对高重频短脉冲光束的直接测量。因此，市场在售的光斑位置测量器件通常被用于连续或准连续光的位置测量，而对于10kHz以上的纳秒级乃至皮秒级短脉冲激光，则没有可实施的低成本方案。

发明内容

为此，需要提供一种高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集的技术方案，用以解决现有的光斑位置测量器件在对高重频脉冲激光器的激光进行测量时，存在的测量难度大、成本高等问题。

为实现上述目的，发明人提供了一种高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集装置，所述装置包括光斑位置测量器件、I/V转换电路、RC转换电路和运算电路；所述光斑位置测量器件与I/V转换电路连接，所述I/V转换电路与RC转换电路连接，所述RC转换电路与运算电路连接；

所述光斑位置测量器件用于将接收到的高重频脉冲激光信号转换为多路脉冲电流信号；

所述I/V转换电路用于将多路脉冲电流信号分别转换为脉冲电压信号；

所述RC转换电路用于将脉冲电压信号转换为直流电压信号，所述直流信号幅值为脉冲电压信号的平均值；

所述运算电路用于根据多路直流电压信号进行计算得到高重频脉冲光斑位置信息。

进一步地，所述装置还包括放大电路，所述放大电路设置于RC转换电路和运算电路之间，并分别与RC转换电路和运算电路连接；

所述放大电路用于对多路直流电压信号进行放大处理，并将放大后的直流电压信号发送至运算电路。

进一步地，所述光斑位置测量器件包括四象限光电探测器或位置敏感探测器。

进一步地，光斑位置测量器件转换的电流信号数量为4路，各路电流信号的强度根据光斑质心在探测器的光敏面上的位置确定。

进一步地，运算电路根据多路直流电压信号进行计算得到高重频脉冲光斑位置信息通过以下方式实现：

Vx＝a(((A+B)-(C+D))/(A+B+C+D)))；

Vy＝b(((A+D)-(B+C))/(A+B+C+D))；

其中，A、B、C、D分别表示运算电路接收到的四路经过处理的直流电压信号，a与b为与光敏面尺寸相关的系数，Vx与Vy分别表示光斑的横纵坐标位置。

发明人还提供了一种高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集方法，所述方法应用于高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集装置，所述装置包括光斑位置测量器件、I/V转换电路、RC转换电路和运算电路；所述光斑位置测量器件与I/V转换电路连接，所述I/V转换电路与RC转换电路连接，所述RC转换电路与运算电路连接；所述方法包括以下步骤：

光斑位置测量器件将接收到的高重频脉冲激光信号转换为多路脉冲电流信号；

I/V转换电路将多路脉冲电流信号分别转换为脉冲电压信号；

RC转换电路将脉冲电压信号转换为直流电压信号，所述直流信号幅值为脉冲电压信号的平均值；

运算电路根据多路直流电压信号进行计算得到高重频脉冲光斑位置信息。

进一步地，所述装置还包括放大电路，放大电路设置于RC转换电路和运算电路之间，并分别与RC转换电路和运算电路连接；所述方法包括：

放大电路对多路直流电压信号进行放大处理，并将放大后的直流电压信号发送至运算电路。

进一步地，所述光斑位置测量器件包括四象限光电探测器或位置敏感探测器。

进一步地，光斑位置测量器件转换的电流信号数量为4路，各路电流信号的强度根据光斑质心在探测器的光敏面上的位置确定。

进一步地，运算电路根据多路直流电压信号进行计算得到高重频脉冲光斑位置信息通过以下方式实现：

Vx＝a(((A+B)-(C+D))/(A+B+C+D)))；

Vy＝b(((A+D)-(B+C))/(A+B+C+D))；

其中，A、B、C、D分别表示运算电路接收到的四路经过处理的直流电压信号，a与b为与光敏面尺寸相关的系数，Vx与Vy分别表示光斑的横纵坐标位置。

区别于现有技术，上述技术方案所述的高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集方法和装置，所述装置包括光斑位置测量器件、I/V转换电路、RC转换电路和运算电路。所述光斑位置测量器件用于将接收到的高重频脉冲激光信号转换为多路脉冲电流信号；所述I/V转换电路用于将多路脉冲电流信号分别转换为脉冲电压信号；所述RC转换电路用于将脉冲电压信号转换为直流电压信号，所述直流信号幅值为脉冲电压信号的平均值；所述运算电路用于根据多路直流电压信号进行计算得到高重频脉冲光斑位置信息。本发明具有结构简单、成本低的特点，可用于象限探测器和PSD等多种光斑位置测量器件的信号处理系统中，有效降低数据采集系统开发的难度和成本。

附图说明

图1为光束指向测量方案原理示意图；

图2为本发明一实施例涉及的高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集装置的结构示意图；

图3为本发明一实施例涉及的RC转换电路的电路示意图。

附图标记：

1、待测光源；2、光束取样镜；3、聚焦系统；4、光斑位置测量器件；5、I/V转换电路；6、RC转换电路；7、放大电路；8、运算电路；9、电阻；10、电容。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1，为光束指向测量方案原理示意图。待测光源1发出的光束经由光束取样镜2分离出部分采样光，采样光被聚焦系统3会聚到光斑位置测量器件4的光敏面上。此时，光斑位置测量器件测量得到光斑位置，进而由位置信息和聚焦系统焦距计算得到被测光束指向。

所述光斑位置是指光斑质心在探测器光敏面上的位置，通常为偏离光敏面中心点距离的坐标位置。光斑位置以光敏面中心点为基准，光束指向是指以光敏面中心点与聚焦系统镜片轴向中心点的连线。

所述聚焦系统3为若干透镜注组成的光学组件，用于改变激光光路方向，例如可以是一个凸透镜。镜片参数根据实际测量需要来选取，通常需要满足聚焦系统3镜片的焦距乘以光束入射的最大偏转角度的范围小于探测器光敏面尺寸。光斑位置测量器件的光敏面的尺寸有限，测量时光斑尺寸不能超过光敏面尺寸，同时光敏面接收到的光强不能过强(这容易导致输出信号过强而失真，甚至毁坏光敏面)也不能过弱(导致输出信号过弱不容易检测)。

如图2所示，为本发明一实施例涉及的高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集装置的结构示意图。所述装置光斑位置测量器件4、I/V转换电路5、RC转换电路6和运算电路7；所述光斑位置测量器件4与I/V转换电路5连接，所述I/V转换电路5与RC转换电路6连接，所述RC转换电路6与运算电路8连接；

所述光斑位置测量器件4用于将接收到的高重频脉冲激光信号转换为多路脉冲电流信号；

所述I/V转换电路5用于将多路脉冲电流信号分别转换为脉冲电压信号。I/V转换电路的结构为现有通用技术，此处不再赘述，具体结构可以参考：2009年7月的哈尔滨工业大学学报第41卷第7期，相关论文“光电二极管电参数模型及I/V转换稳定分析，马鑫,张东来,徐殿国”。

所述RC转换电路6用于将脉冲电压信号转换为直流电压信号，所述直流信号幅值为脉冲电压信号的平均值。如图3所示，一个具有RC转换电路作用的简单电路仅需一个电阻9和一个电容10就可以组成。

所述运算电路8用于根据多路直流电压信号进行计算得到高重频脉冲光斑位置信息。

本发明的有益效果如下：利用RC转换电路的电气性质，将光斑位置测量器件输出的高重频脉冲电压信号转换为带有光束位置信息的直流电压信号。装置具有适用于高重频脉冲激光测量的高重频脉冲电信号的处理能力，整体结构简单易实现，具有良好的经济价值。

在某些实施例中，所述装置还包括放大电路7，所述放大电路7设置于RC转换电路6和运算电路8之间，并分别与RC转换电路6和运算电路8连接；所述放大电路7用于对多路直流电压信号进行放大处理，并将放大后的直流电压信号发送至运算电路。

在某些实施例中，所述光斑位置测量器件包括四象限光电探测器或位置敏感探测器。优选的，光斑位置测量器件转换的电流信号数量为4路，各路电流信号的强度根据光斑质心在探测器的光敏面上的位置确定。

光斑位置测量器件通常输出4路信号，各输出信号的电信号强度与光斑质心在探测器光敏面上的位置有关，通过对这些电信号进行处理，可以确定入射光斑在光敏面上的位置。对于高重频脉冲激光而言，这4路电信号即为高重频脉冲信号，这就要求数据采集装置具备非常高的采样率，才能准确测量到脉冲信号。本发明通过设置RC转换电路，可以将脉冲信号转换为直流电压信号，而后通过对直流电压信号进行处理得到光斑位置，从而降低了对数据采集装置的采样率要求。在本实施方式中，所述高重频激光为重复频率在1kHz以上、脉冲宽度在纳秒甚至皮秒量级的激光。

在某些实施例中，运算电路根据多路直流电压信号进行计算得到高重频脉冲光斑位置信息通过以下方式实现：

Vx＝a(((A+B)-(C+D))/(A+B+C+D)))；

Vy＝b(((A+D)-(B+C))/(A+B+C+D))；

其中，A、B、C、D分别表示运算电路接收到的四路经过处理的直流电压信号，a与b为与光敏面尺寸相关的系数，Vx与Vy分别表示光斑的横纵坐标位置。

如图4所示，发明人还提供了一种高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集方法，所述方法应用于高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集装置，所述装置包括光斑位置测量器件、I/V转换电路、RC转换电路和运算电路；所述光斑位置测量器件与I/V转换电路连接，所述I/V转换电路与RC转换电路连接，所述RC转换电路与运算电路连接；所述方法包括以下步骤：

首先进入步骤S401光斑位置测量器件将接收到的高重频脉冲激光信号转换为多路脉冲电流信号；

而后进入步骤S402I/V转换电路将多路脉冲电流信号分别转换为脉冲电压信号；

而后进入步骤S403RC转换电路将脉冲电压信号转换为直流电压信号，所述直流信号幅值为脉冲电压信号的平均值；

而后进入步骤S404运算电路根据多路直流电压信号进行计算得到高重频脉冲光斑位置信息。

在某些实施例中，所述装置还包括放大电路，放大电路设置于RC转换电路和运算电路之间，并分别与RC转换电路和运算电路连接；所述方法包括：放大电路对多路直流电压信号进行放大处理，并将放大后的直流电压信号发送至运算电路。

在某些实施例中，所述光斑位置测量器件包括四象限光电探测器或位置敏感探测器。光斑位置测量器件转换的电流信号数量为4路，各路电流信号的强度根据光斑质心在探测器的光敏面上的位置确定。

在某些实施例中，运算电路根据多路直流电压信号进行计算得到高重频脉冲光斑位置信息通过以下方式实现：

Vx＝a(((A+B)-(C+D))/(A+B+C+D)))；

Vy＝b(((A+D)-(B+C))/(A+B+C+D))；

其中，A、B、C、D分别表示运算电路接收到的四路经过处理的直流电压信号，a与b为与光敏面尺寸相关的系数，Vx与Vy分别表示光斑的横纵坐标位置。

本发明提出一种采用RC转换电路和数据采集电路相结合的技术方案，实现高重频脉冲信号到直流信号的转换，进而获得高重频脉冲激光的光斑位置信息。在数据采集领域中，RC转换电路常被用于消除高频噪声，当远高于其截止频率的高频信号输入时，RC转换电路输出信号为高频脉冲信号变换的直流信号，幅值为高频脉冲信号的平均值。本发明降低了高重频窄脉宽激光测量过程中的数据采集难度从而降低了光斑位置测量器件数据采集系统开发的难度和成本，代表着光斑位置测量器件数据采集系统发展的一个新方向，具有结构简单、成本低的优点。

需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集装置，其特征在于，所述装置包括光斑位置测量器件、I/V转换电路、RC转换电路和运算电路；所述光斑位置测量器件与I/V转换电路连接，所述I/V转换电路与所述RC转换电路连接，所述RC转换电路与所述运算电路连接；

所述光斑位置测量器件用于将接收到的高重频脉冲激光信号转换为多路脉冲电流信号；

所述I/V转换电路用于将多路脉冲电流信号分别转换为脉冲电压信号；

所述RC转换电路用于将脉冲电压信号转换为直流电压信号，所述直流信号幅值为脉冲电压信号的平均值；

所述运算电路用于根据多路直流电压信号进行计算得到高重频脉冲光斑位置信息。

2.如权利要求1所述的高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集装置，其特征在于，所述装置还包括放大电路，所述放大电路设置于RC转换电路和运算电路之间，并分别与RC转换电路和运算电路连接；

所述放大电路用于对多路直流电压信号进行放大处理，并将放大后的直流电压信号发送至运算电路。

3.如权利要求1所述的高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集装置，其特征在于，所述光斑位置测量器件包括四象限光电探测器或位置敏感探测器。

4.如权利要求3所述的高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集装置，其特征在于，光斑位置测量器件转换的电流信号数量为4路，各路电流信号的强度根据光斑质心在探测器的光敏面上的位置确定。

5.如权利要求4所述的高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集装置，其特征在于，运算电路根据多路直流电压信号进行计算得到高重频脉冲光斑位置信息通过以下方式实现：

Vx＝a(((A+B)-(C+D))/(A+B+C+D)))；

Vy＝b(((A+D)-(B+C))/(A+B+C+D))；

其中，A、B、C、D分别表示运算电路接收到的四路经过处理的直流电压信号，a与b为与光敏面尺寸相关的系数，Vx与Vy分别表示光斑的横纵坐标位置。

6.一种高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集方法，其特征在于，所述方法应用于高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集装置，所述装置包括光斑位置测量器件、I/V转换电路、RC转换电路和运算电路；所述光斑位置测量器件与I/V转换电路连接，所述I/V转换电路与RC转换电路连接，所述RC转换电路与运算电路连接；所述方法包括以下步骤：

光斑位置测量器件将接收到的高重频脉冲激光信号转换为多路脉冲电流信号；

I/V转换电路将多路脉冲电流信号分别转换为脉冲电压信号；

RC转换电路将脉冲电压信号转换为直流电压信号，所述直流信号幅值为脉冲电压信号的平均值；

运算电路根据多路直流电压信号进行计算得到高重频脉冲光斑位置信息。

7.如权利要求6所述的高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集方法，其特征在于，所述装置还包括放大电路，放大电路设置于RC转换电路和运算电路之间，并分别与RC转换电路和运算电路连接；所述方法包括：

放大电路对多路直流电压信号进行放大处理，并将放大后的直流电压信号发送至运算电路。

8.如权利要求6所述的高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集方法，其特征在于，所述光斑位置测量器件包括四象限光电探测器或位置敏感探测器。

9.如权利要求8所述的高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集方法，其特征在于，光斑位置测量器件转换的电流信号数量为4路，各路电流信号的强度根据光斑质心在探测器的光敏面上的位置确定。

10.如权利要求9所述的高重频激光的光斑位置测量器件的数据采集方法，其特征在于，运算电路根据多路直流电压信号进行计算得到高重频脉冲光斑位置信息通过以下方式实现：

Vx＝a(((A+B)-(C+D))/(A+B+C+D)))；

Vy＝b(((A+D)-(B+C))/(A+B+C+D))；

其中，A、B、C、D分别表示运算电路接收到的四路经过处理的直流电压信号，a与b为与光敏面尺寸相关的系数，Vx与Vy分别表示光斑的横纵坐标位置。