CN111426266A - 一种激光光斑中心的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光光斑中心测量的装置，包括：激光发射端和激光接收端；所述激光发射端发射激光束投射到所述激光接收端；其中，所述激光发射端包括激光发生器和控制电路；所述控制电路与所述激光发生器电性连接；所述激光接收端包括：旋转平台和光敏组件；所述光敏组件位于所述旋转平台的象限内；所述光敏组件与所述旋转平台同步转动。本发明提供了一种激光光斑测量装置及方法，能实现四象限探测器的大多数功能，但在量程、综合成本及四象限感光元器件的一致性上具明显优势，有助于扩大四象限探测器的应用场景。

Description

一种激光光斑中心的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，更具体的说是涉及一种激光光斑测量装置及方法。

背景技术

四象限探测器是一种常见的位置测量器件，它将圆形或方形光敏面窗口通过光刻技术均匀分割成形状相同、参数相等、呈轴对称分布的四个象限进行位置测量。四象限探测器具有体积小、光谱范围宽、位置分辨率高、灵敏度高及动态响应范围宽等优势，可广泛应用于位置测量、激光准直、自动定位、跟踪等精密光电检测系统中。四象限探测器在使用过程中存在的问题主要有：1、量程偏小；因其扩大量程有两种解决方案：要么依托成本高昂的光学放大装置，要么通过更大的光敏面窗口。其量程的拓展与光敏面有效面积的平方成正比。其前提需要保证四个象限的光敏面为均一性能，对工艺要求极高，量程的拓展成本高昂，拓展空间有限。2、性能一致性；四个象限的光敏面由同一工艺一次成型，确保四个象限相关参数极为接近，但仍存在差异；同时四个象限的测量电路也非同一电路。这些要素对四象限探测仪的精度存在一定的影响。3、存在盲区。四象限探测器并非是理想元件，其相邻象限间均存在一条切割缝，其缝宽一般为几十至几百微米，激光光斑照射在此位置时能量存在缺失。这便是四象限的盲区，其对四象限探测器的精度提升存在较大的影响。

因此，针对上述问题如何提供一种激光光斑中心测量的装置及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种激光光斑测量装置及方法，能实现四象限探测器的大多数功能，但在量程、综合成本及四象限感光元器件的一致性上具明显优势，有助于扩大四象限探测器的应用场景。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光光斑中心测量的装置，包括：激光发射端和激光接收端；所述激光发射端发射激光束投射到所述激光接收端；

其中，所述激光发射端包括激光发生器和控制电路；所述控制电路与所述激光发生器电性连接；

所述激光接收端包括：旋转平台和光敏组件；所述光敏组件位于所述旋转平台的象限内；所述光敏组件与所述旋转平台同步转动。

通过上述的技术方案，本发明的技术效果：将光敏传感器固定在旋转平台上的某一象限上，固定时应确保光敏传感器的感光区域恰好与某一象限边界重合，达到模拟四象限探测器的应用背景。光敏传感器随旋转平台转动并高频采集数据，将旋转角度值、光敏传感器数值共同上传。通过主控平台获取所有基础数据，依托算法计算获得光斑中心位置坐标。

优选的，在上述的一种激光光斑中心测量的装置中，所述控制电路包括：恒压源模块、发射端主控电路和无线通信模块；所述恒压源模块分别与所述发射端主控电路、无线通信模块、所述激光发生器电性连接。

优选的，在上述的一种激光光斑中心测量的装置中，所述激光发生器包括激光模组和激光发射装置；所述发射端主控电路与所述激光模组电性连接；所述激光模组与所述激光发生端电性连接。

优选的，在上述的一种激光光斑中心测量的装置中，所述光敏组件包括：方形透镜、光敏传感器、运放模块、接收端主控电路、恒压源模块和无线通信模块；所述激光束投射到所述方形透镜上；所述光敏传感器依次与所述运放模块、所述接收端主控电路电性连接；所述恒压源模块分别与所述接收端主控电路、运放模块和无线通信模块电性连接；所述无线通信模块用于激光发射端和激光接收端进行数据交互。

优选的，在上述的一种激光光斑中心测量的装置中，所述旋转平台采用伺服的旋转平台。

一种激光光斑中心测量的方法，包括如下具体步骤：

步骤一：旋转平台旋转确定零位及象限角位；采集环境光基础数据；

步骤二：激光发生器产生指定光谱范围内的激光束投射到激光接收端；

步骤三：旋转平台旋转，并同步记录旋转的角度、激光功率能量；

步骤四：按照四象限对应的要求成组提取相应的(旋转角度、激光功率能量)例如：{(θ，Pθ)，((θ+90)，P(θ+90)),((θ+180)，P(θ+180))，((θ+270)，P(θ+270))}，然后依托四象限法则计算(θ)位置时的光斑中心；

步骤五：依次调整(θ)，角度增量由旋转设备的精度和需求决定，同理提取并分别计算光斑中心；最后通过连续一周或多周的大量数据，经平差或其它算法获得精准的光斑中心。

旋转一周或多周，理论上存在许多组有效数据，可以获得许多组光斑中心，最后实际提供的光斑中心是算法提取后的光斑中心，因此测量精度非常高。

优选的，在上述的一种激光光斑中心测量的方法中，所述步骤一中，在完成装置的固定以及旋转平台的零位确定后，开始采集环境光，多次采集加权平均后确定背景噪音作为激光信号采集减数扣减，然后确认旋转平台到零位开始采集第一象限的激光光斑信号，光敏传感器位于第一象限位置，激光光斑与光敏传感器所形成的交叠即为有效光斑信号。

优选的，在上述的一种激光光斑中心测量的方法中，所述步骤五中，待完成旋转平台一周或多周激光光斑信号采集后，接收端主控电路会通过算法建立函数式分析多组象限之间的比例关系；基本关系式如下所示：Y＝f(V1,V2,V3,V4)。

优选的，在上述的一种激光光斑中心测量的方法中，所述步骤五中，接收端主控电路控制旋转平台周期旋转，并将每旋转一周的比例函数数据与前数次的进行比较，用于判定光斑中心是否存在变化。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种激光光斑测量装置及方法，能实现四象限探测器的大多数功能，但在量程、综合成本及四象限感光元器件的一致性上具明显优势，有助于扩大四象限探测器的应用场景。

本发明的有益效果：

(1)通过光敏传感器加旋转方式来模拟四象限探测器，实现四象限探测器的功能。光敏传感器+旋转平台的解决方案相比四象限探测器，其综合成本具有较大的优势。

(2)由于在测量过程中，任何一个象限的激光光斑信号采集都是来自同一个光敏传感器及同一套电路，相比于四象限传感器而言，元器件的一致性更好，确保了激光光斑信号的采集质量，提高了测量精度。

(3)装置从理论上可规避四象限探测器的盲区、依托旋转形成的不同角度下光斑中心计算值及修正方式，提升光斑中心测量的精度。

(4)相比于四象限探测器，其量程拓展的空间大，成本低。

(5)整套测量系统尺寸小，成本低，稳定可靠，可接收传感器化用于自动化监测领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明的结构示意图；

图2附图为本发明的俯视图；

图3附图为本发明的原理框图；

图4附图为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种激光光斑测量装置及方法，能实现四象限探测器的大多数功能，但在量程、综合成本及四象限感光元器件的一致性上具明显优势，有助于扩大四象限探测器的应用场景。

实施例1

如图1-4所示，一种激光光斑中心测量的装置，包括：激光发射端和激光接收端；激光发射端发射激光束3投射到激光接收端；

其中，激光发射端包括激光发生器1和控制电路；控制电路与激光发生器1电性连接；

激光接收端包括：旋转平台6和光敏组件；光敏组件位于旋转平台6的象限内；光敏组件与旋转平台6同步转动。

为了进一步优化上述技术方案，控制电路包括：恒压源模块、发射端主控电路和无线通信模块；恒压源模块分别与发射端主控电路、无线通信模块、激光发生器1电性连接。

为了进一步优化上述技术方案，激光发生器1包括激光模组和激光发射装置；发射端主控电路与激光模组电性连接；激光模组与激光发生端电性连接。

为了进一步优化上述技术方案，光敏组件包括：方形透镜、光敏传感器5、运放模块、接收端主控电路、恒压源模块和无线通信模块；激光束3投射到方形透镜上；光敏传感器5依次与运放模块、接收端主控电路电性连接；恒压源模块分别与接收端主控电路、运放模块和无线通信模块电性连接。

为了进一步优化上述技术方案，旋转平台6采用伺服驱动平台，可准确读取任一角度值；

激光接收端的工作原理：

对于指定的激光、指定距离和特定光学环境下，激光光束的总能量(I)可视为恒定，即相互垂直的四个象限位置的光敏传感器5获取的能量总和∑I可视为恒定，参考公式(S-1)。若假定光敏传感器5初始位置为θ，此时光敏传感器5获取电流值为I_θ，则其在四个象限位置获取的电流值分别为(I_θ；I_(θ+9θ)；I_(θ+18θ)；I_(θ+27θ))。据此时计算，其激光光斑4中心的坐标为(X_θ,Y_θ),参考公式(S-2)、(S-3)、(S-4)和(S-5)。

∑I＝I_θ+I_(θ+9θ)+I_(θ+18θ)+I_(θ+27θ) (S-1)

X_θ＝(I_θ+I_(θ+27θ))-(I_(θ+9θ)+I_(θ+18θ))/∑I (S-2)

Y_θ＝(I_θ+I_(θ+9θ))-(I_(θ+18θ)+I_(θ+27θ))/∑I (S-3)

光敏传感器5随旋转平台6转动，按照等角度同步采集该位置的光敏传感器5数据。根据四象限传感器的原理，将相互垂直的四个象限位置的感光传感器获取的能量总和∑I可视为恒定，据此获得此状态的坐标参数。并通过坐标变化求取初始状态下的(X,Y)。

X＝f(X_θ,Y_θ,θ) (S-4)

Y＝f(X_θ,Y_θ,θ) (S-5)

接收端主控电路将所有的(X_θ,Y_θ)进行算法求取光斑中心点(X,Y)。

如图3所示，恒压源模块，主要为发射端主控电路、激光发生器1以及无线通信模块提供稳定的电压输出，恒压源模块可通过外部直流变压也可通过锂电池储能转换为发射端主控电路、激光发生器1以及无线通信模块需求的VCC供电电压，该恒压源模块具有稳定高精度的电压输出以及足够的负载能力。

发射端主控电路，首先由恒压源模块提供稳压电源使发射端主控电路进入初始工作状态，开始与无线通信模块握手通信，读取激光接收端是否完成准备传感数据、读取远端通信状态数据。开始检测外部环境状态、根据当前工作状态开始进入测量程序，确认完成就绪开始产生激光驱动信号给激光发生器1以产生激光信号。

发射端主控电路是激光发射端的核心控制部件，串接起了无线通信模块、恒压源模块以及激光发生器1。在测量期间，发射端主控电路主要用于对激光发生器1的控制以及分析激光接收端回传的测量数据以及同远端通信。

激光发生器1，包括激光模组和激光发射装置。发射端主控电路根据控制状态产生驱动信号驱动激光发生器1产生激光，首先由发射端主控电路产生驱动信号送入到激光模组，该驱动信号是来自发射端主控电路的微控芯片的GPIO输出端口产生高电平驱动信号控制三极管进入饱和导通状态，使对应的继电器线圈得电吸合，从而完成激光驱动流程，使激光发射装置输入端供电形成回路产生激光信号投射到接收端；相反，关闭激光发生器1只需发射端主控电路驱动信号端产生低电平信号即可。

无线通信模块，通过TXD/RXD接口与发射端主控电路实现通信，其VCC供电来自于发射端主控电路。通过无线数据传输可实现激光发射端与激光接收端的通信，以及实现的远端通信及测量数据上传，进行终端的显示以及大数据分析。

激光接收端，主要包括光敏组件和旋转平台6。

光敏组件包括方形透镜、光敏传感器5、运放模块、主控电路、恒压源模块以及无线通信模块。

方形透镜，当激光发射端的激光入射信号投射到方形透镜之上，该方形透镜为表面平整的菲涅尔透镜，具有良好的聚光作用。

光敏传感器5，当光信号照射到光敏传感器5的感光区时会产生光生伏特效应，将光信号转化为电势差形成电压信号。

运放模块，其作用是将小信号稳定放大，其输入端连接到光敏传感器5的输出端，由于光敏传感器5感应的电压极小，不便于进行后级的进一步分析，所以需要增加运放模块，将光敏传感器5通过光生伏特效应将光信号转化为对应的电压信号后送到运放模块的输入端进行放大，再通过电压跟随器稳定电压信号，最后通过滤波电路送到接收端主控电路进行AD采样。

恒压源模块，主要为接收端主控电路、运放模块、显示模块以及无线通信模块提供稳定的电压输出，该恒压源模块可通过外部直流变压也可通过锂电池储能转换为需求的VCC供电电压，该恒压源模块具有稳定高精度的电压输出以及足够的负载能力。

接收端主控电路，运放模块经过一定比例放大后会将信号送到接收端主控电路的GPIO口进行AD转换，以便于微控芯片能够识别到电压的幅值作为判断激光光斑4信号大小的依据。

接收端主控电路是激光接收端的核心控制部件。在测量期间，接收端主控电路主要用于将多路光敏传感器5经过运放模块的激光功率能量值进行识别分析、综合比较。

基本判断方式为：如果固定在目标体上的接收端没有发生任何倾斜或偏移，那么每旋转一周各象限采集到的激光能量比例将不会有明显变化，即光敏传感器5经过运放送到将接收端主控电路采集到的AD值在相同角度下同自身比较其数据应该一样的，光敏传感器5在不同象限聚焦的激光能量相互比例关系不会发生变化；如果发生倾斜或者偏移，则其比例会产生一定的变化。

光斑落在不同象限的光敏传感器5上各自的面积将会变化，那么光敏传感器5聚焦后的激光能量与发生倾斜或偏移前的激光能量相互比例关系也会变化，从而确知待测目标发生倾斜或偏移，根据测量比例的大小可判断发生倾斜或偏移幅度的大小。

显示模块，该模块与接收端主控电路通过I2C线路连接，主控电路将检测到的倾斜数据实时通过显示模块显示出来。

无线通信模块，通过TXD/RXD接口与接收端主控电路实现通信，其VCC供电来自于主控电路。通过无线数据传输可实现接收端与发射端的数据通信。

实施例2

如图1、2、4所示，一种激光光斑中心测量的方法，具体步骤包括如下：

具体地，激光发生器1固定于基准点2上，通过微调装置保证激光发生器1形成的激光光束置于预设位置；控制电路，可用于跟接收端的数据通信，也可用于跟远端服务器通信及数据上传，便于集中数据分析。

旋转平台旋转确定零位及象限角位；采集环境光基础数据；

具体地，在测量之前旋转平台6内置编码器，能够确定零位作为旋转的初始位置点，在进行多次旋转时能够定位到初始点便于准确计算测量数据以及结果偏差。电机内置位置环，能够根据预先设定的象限进行定位旋转，使旋转平台6上的光敏传感器5每次在相同的象限位聚光，以此保证测量的准确性。通过旋转平台6使光敏传感器5位于5-1位置即第一象限，初始零位处。

具体地，在完成装置的固定以及旋转平台6的零位确定后，开始采集环境光，以便在后续计算中进行必要的环境光消除，然后确认旋转平台6到零位开始采集第一象限的激光光斑4信号，光敏传感器5目前位于5-1位置，激光光斑4与光敏传感器5所形成的交叠S1即为有效光斑信号，会送到光敏传感器5内置的光敏传感器5。

优选地，光敏传感器5具有光伏效应，聚焦后的激光光强根据能量的大小会在光敏传感器5的PN结累计相同比例的电荷，形成分布电动势，类似一种特殊的电压源，对外部线路通过电压不同大小的方式释放能量。由于电压幅值相对比较小，微控器不易准确采集电压大小，所以增加运放将光功率测量装置的小电压信号进行放大，转化为对应比例的电压信号V1，再反馈给主控并将数据存储起来作为后续算法分析的数据基础。

旋转平台旋转，并同步记录所有旋转的角度、激光功率能量；成组提取符合四象限要求的旋转角度、激光功率能量，按照4象限法求取光斑中心；步骤五：将所有的光斑中心计算结果进行算法处理，提供最终的光斑中心值及精度，无线数据上传，将测试结果通过无线通信模块上传到远端，建立大数据分析曲线，汇总分析。

特别说明，由于感光元器件的性能，激光照射下感光元器件微秒级甚至飞秒级即可数据稳定，旋转平台可以低速连续旋转采集记录对应的角度及电压信号；为了确保数据精度，也可以采用逐个停顿采集的方式获取数据。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种激光光斑中心测量的装置，其特征在于，包括：激光发射端和激光接收端；所述激光发射端发射激光束投射到所述激光接收端；

其中，所述激光发射端包括激光发生器和控制电路；所述控制电路与所述激光发生器电性连接；

所述激光接收端包括：旋转平台和光敏组件；所述光敏组件位于所述旋转平台的象限内；所述光敏组件与所述旋转平台同步转动。

2.根据权利要求1所述的一种激光光斑中心测量的装置，其特征在于，所述控制电路包括：恒压源模块、发射端主控电路和无线通信模块；所述恒压源模块分别与所述发射端主控电路、无线通信模块、所述激光发生器电性连接。

3.根据权利要求2所述的一种激光光斑中心测量的装置，其特征在于，所述激光发生器包括激光模组和激光发射装置；所述发射端主控电路与所述激光模组电性连接；所述激光模组与所述激光发生端电性连接。

4.根据权利要求2所述的一种激光光斑中心测量的装置，其特征在于，所述光敏组件包括：方形透镜、光敏传感器、运放模块、接收端主控电路、恒压源模块和无线通信模块；所述激光束投射到所述方形透镜上；所述光敏传感器依次与所述运放模块、所述接收端主控电路电性连接；所述恒压源模块分别与所述接收端主控电路、运放模块和无线通信模块电性连接；所述无线通信模块用于激光发射端和激光接收端进行数据交互。

5.一种激光光斑中心测量的方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

步骤一：旋转平台旋转确定零位及象限角位；采集环境光基础数据；

步骤二：激光发生器产生指定光谱范围内的激光束投射到激光接收端；

步骤三：旋转平台旋转，并同步记录旋转的角度、激光功率能量；

步骤四：按照四象限对应的要求成组提取旋转角度、激光功率能量的数据求取此时的光斑中心；

步骤五：依次提取θ，角度增量由旋转设备的精度和需求决定，同理提取并分别计算光斑中心；最后通过连续一周或多周的大量数据，经平差或其它算法获得精准的光斑中心，并数据上传。

6.根据权利要求5所述的一种激光光斑中心测量的方法，其特征在于，所述步骤一中，在完成装置的固定以及旋转平台的零位确定后，开始采集精准的环境光，多次采集与位置相应的环境光背景数据作为背景光折减数据，确保激光光斑的数据质量。

7.根据权利要求5所述的一种激光光斑中心测量的方法，其特征在于，所述步骤四中，待完成旋转平台一周或多周激光光斑信号采集后，接收端主控电路会成组提取符合四象限要求的基础数据，按照四象限法进行光斑中心计算。

8.根据权利要求5所述的一种激光光斑中心测量的方法，其特征在于，所述步骤五中，接收端主控电路控制旋转平台周期旋转，并将每旋转一周或多周众多光斑中心数据进行平差或其它算法，提供光斑中心的结果值及精度。

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