CN114593680A

CN114593680A - 一种高精度测量光斑微位移的光学系统及测试方法

Info

Publication number: CN114593680A
Application number: CN202210176651.0A
Authority: CN
Inventors: 邱成峰; 程鑫; 刘召军; 刘红均
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2022-02-25
Filing date: 2022-02-25
Publication date: 2022-06-07
Anticipated expiration: 2042-02-25
Also published as: CN114593680B

Abstract

本发明公开了一种高精度测量光斑微位移的光学系统，包括定位台，所述定位台上设置有光斑目标平面，使得所述光斑目标平面可以沿定位台移动固定位置；入射激光通过偏转电极在所述光斑目标平面上形成光斑；所述光斑目标平面一侧用于接收激光出射光线形成的光斑，另一侧设置有图像数据采集系统，所述图像数据采集系统对准光斑目标平面。本发明提供了一种简单方便的测量光调制的微小位移系统和方法，针对光斑质量不好且需要精确测量光斑微小位移信息的工况下，我们提出了利用CCD高清相机拍照并提取灰度值的方式来进行表征。在我们的测试工况下，成功对质量较差的光斑最小1mm位移的检测分析。

Description

一种高精度测量光斑微位移的光学系统及测试方法

技术领域

本发明涉及微电子以及光学领域，特别是涉及一种高精度测量光斑微位移的光学系统及测试方法。

背景技术

对于光斑质量不好，散射情况较强的工况下，光斑的微小距离位移的精确表征在激光偏转测试中是一个难题。现有技术中，对于光斑的微距表征，缺少一种简单和已操作的高精度测量方法，故本发明针对光斑的微距位移的表征，设计了一套高精度光学测量系统。并提供相应的使用方法来进行操作。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何实现光斑微小距离位移的精确表征。

基于上述技术问题，本发明提供了一种高精度测量光斑微位移的光学系统，包括定位台，所述定位台上设置有光斑目标平面，使得所述光斑目标平面可以沿定位台移动固定位置；入射激光通过偏转电极在所述光斑目标平面上形成光斑；

所述光斑目标平面一侧用于接收激光出射光线形成的光斑，另一侧设置有图像数据采集系统，所述图像数据采集系统对准光斑目标平面。

较优的，所述定位台设置为XYZ三轴位移台。

较优的，所述定位台上设置有移动定位标尺，使得所述图像数据采集系统可以移动固定位置。

较优的，所述图像数据采集系统包括CCD相机，所述CCD相机用于从后端采集所述光斑目标平面的图像数据。

较优的，所述光学系统还包括环境光源，所述环境光源在不同时间进行图像数据采集时设置为相同亮度以便于图像数据采集系统进行同等条件下的图像采集。

较优的，所述图像数据采集系统与移动定位标尺平面保持垂直并前后调整距离以实现光斑目标平面的对焦和拍照。

为此，本发明还提供一种高精度测量光斑微位移的测量方法，采用如权利要求前所述的高精度光斑微位移光学系统，包括以下步骤：

1)将所述图像数据采集系统对准所述目标平面使得光斑的微距移动在所述图像数据采集系统的视野以内且内观测到目标光斑的位移；

2)将固定倍数的图像数据采集系统前后调整距离，实现对焦并且拍照，实现初始状态图像采集校准。

3)对所述偏转电极依次施加电压差为同一差值的高、低电压信号；

4)在施加步骤3)中不同电压信号时，分别采用图像数据采集系统对所述光斑目标平面进行图像采集；

5)提取相邻电压信号下的图像数据采集结果进行灰度差值；

6)对灰度差值进行统计，计算得出光斑偏转距离。

较优的，如前所述的高精度测量光斑微位移的测量方法，所述步骤3)中，设置高低电压信号为低频方波信号。

较优的，所述步骤6)中，按照以下步骤对灰度差值进行统计并计算得出光斑偏转距离：

61)采取每一相邻电压信号下的图像数据采集结果并选择目标框，

62)绘制距离与所述灰度差值图，不同组相邻电压信号下的图像采集数据目标框里的灰度值沿Y轴叠加，得到叠加后灰度值在X轴上的分布；

63)在步骤62)中，取得取灰度差值最大值和灰度差值对应的距离值，即为光斑受偏转电极调制偏转的距离d₀。

较优的，所述步骤61)中，选择不同图像数据采集结果的目标框时选择同一宽度的目标框。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种简单方便的测量光调制的微小位移系统和方法，针对光斑质量不好且需要精确测量光斑微小位移信息的工况下，我们提出了利用CCD高清相机拍照并提取灰度值的方式来进行表征。在我们的测试工况下，成功对质量较差的光斑最小1mm位移的检测分析。后续可以直接通过图像采集形成计算系统，简单快速地完成微小光斑位移检测分析，乃至偏转电极调制分析。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式的结构示意图。

图2是设置高低电压信号时，采集信号示意图。

图3是照片数据处理时，取相邻两张照片做灰度值之差操作示意图。

图4灰度差值图片数据读取情况示意图。

图5是出射端光斑位置随电压的偏转示意图。

图6是出射端光斑偏转角度随电压信号强度的变化图。

图7是光斑随偏转电极调制后光斑进行偏转的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

实施例一

对于出射光斑质量差，出射端不平整导致的严重散射且光斑位移较小等情况，整个测试方案包括以下几个关键部分：XYZ三轴位移台1，带可调放大倍速的物镜系统的CCD高清相机3，环境光源4，移动定位标尺5。

高精度测试的技术方案如下：

1)选择观测目标的合理放大倍数。首先将带有可调焦物镜系统的CCD相机固定，调整对准好要测试的光斑目标平面，确保在一定放大倍数下，光斑的微距移动在CCD的视野以内且内观测到目标光斑的位移。

2)所选择放大倍数下的CCD视野校准。对准后将CCD物镜放大倍数固定不变。将固定倍数的物镜CCD系统与移动定位标尺平面保持垂直并且前后调整距离，实现对焦并且拍照，实现在这一物镜放大倍数下的CCD视野校准。

3)对目标光斑进行观测拍照。在把CCD相机对焦好目标区域后，我们确定好使用的放大倍率，然后对标定尺对焦后进行拍照(系统如图1所示)，便于后期数据的采集。然后，我们对样品(即偏转电极6)施加低频的电压信号(样品随施加电压信号会出现左右位移)，如图2所示，采用这个方波信号0.5Hz, V0＝7V，占空比50％的方波。在高电压信号和低电压信号时，依次拍照。为方便后期图片数据处理，拍照时保持周围环境光源一致且CCD放大倍数不变。值得注意的是这里的每频次的高低电压信号施加为方波信号，具体电压数值如前所述，可以选择如7V，0V等。

具体而言，如图1所示，一种高精度测量光斑微位移的光学系统，包括定位台1，所述定位台1上设置有光斑目标平面2，使得所述光斑目标平面2可以沿定位台移动固定位置；入射激光通过偏转电极6在所述光斑目标平面上形成光斑；

所述光斑目标平面2一侧用于接收激光出射光线形成的光斑，另一侧设置有图像数据采集系统3，所述图像数据采集系统3对准光斑目标平面2；所述定位台设置为XYZ三轴位移台1，如图1光斑目标平面可以根据需要进行位置调整。进一步的，所述定位台上设置有移动定位标尺5，使得所述图像数据采集系统可以移动固定位置。

进一步的，所述图像数据采集系统包括CCD相机3，所述CCD相机3用于从光斑目标平面后方采集所述光斑目标平面的图像数据。

所述光学系统还包括环境光源4，所述环境光源4设置为相同亮度以便于图像数据采集系统即CCD相机3进行同等条件下的图像采集。

所述图像数据采集系统3与光斑目标平面2保持垂直并前后调整距离以实现光斑目标平面2的对焦和拍照。

实施例二

针对实施例一，我们提供一种具体的高精度测量光斑微位移的测量方法，采用如实施例一所述的高精度光斑微位移光学系统，包括以下步骤：

1)将所述图像数据采集系统对准所述光斑目标平面使得光斑的微距移动在所述图像数据采集系统的视野以内且内观测到目标光斑的位移；

3)对所述偏转电极依次施加电压差为同一差值的高、低电压信号；本实施例中，我们采用如图2的方波信号，在每一个电压信号上进行拍照，进行图像采集。4)在施加步骤3)中不同电压信号时，分别采用图像数据采集系统对所述光斑目标平面进行图像采集；

如图3，在进行图像数据采集后，我们实施步骤5)提取相邻电压信号下的图像数据采集结果进行灰度差值；

6)对灰度差值进行统计，计算得出光斑偏转距离。

进一步的，所述步骤3)中，设置高低电压信号为低频方波信号。所述步骤 6)中，按照以下步骤对灰度差值进行统计并计算得出光斑偏转距离：

进一步的，所述步骤61)中，选择不同图像数据采集结果的目标框时选择同一宽度的目标框。

具体而言，我们选择任意相邻的一组照片，用之前的校准尺的图片对距离进行校正(为了减少误差每一批数据处理只做一次校准)，然后提取拍照时序上相邻的两张照片的灰度值之差。这样我们可以得到一张高电压和低电压下，灰度值有差异的照片，具体电压信号如图3，如图4所示，其中a)黄色目标框， b)沿Y轴叠加灰度值后沿X轴的分布。然后，选择目标区域框，在选择目标框时，我们要保证目标框的宽度一致，如图4a)中所示。然后，选择将目标框里的灰度值沿着Y轴叠加，最终我们会得到叠加后的灰度值在X轴上的分布，如图4b)所示，其中最大值和最小值之间的距离d₀我们就认为是光斑受液晶偏转的距离。在测得光斑偏转距离d₀后，若考虑样品液晶盒的长度为L，那么对应的偏转角度可以获得。

如图5是出射端光斑位置随电压的偏转。

我们将所有测试的信号电压强度换算成偏转角度(方法之前已经介绍

L为入射到第一个锯齿形电极界面离出射端的距离，d₀为出射端光斑偏转距离)。然后，与探测到的光斑的偏移位置整合在一起，我们可以得到如图6所示曲线。可见，随着施加电压的增加其偏转角度逐渐增加，到5V 左右，其偏转角度达到饱和，最大偏转角度约为3.6°(朝一个方向的偏转角)。如图7，由于我们所设计的锯齿形电极是由3个顶角为20°的三角电极组成，通过Comsol光线追踪仿真，其理论的偏转角度在10°(一个方向)左右。这种与理论偏转角度的差异可能是来源于液晶分子在施加电压前后的折射率差值并没有理论值那么大，同时也可能由于光场的分布不仅仅在液晶层中，导致两个电压状态下有效折射率的差异减少。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种高精度测量光斑微位移的光学系统，其特征是：包括定位台、光斑目标平面，图像数据采集系统，所述定位台上设置有光斑目标平面，使得所述光斑目标平面可以沿定位台移动固定位置；入射激光通过偏转电极在所述光斑目标平面上形成光斑；

所述光斑目标平面一侧用于接收激光出射光线形成的光斑，另一侧设置有图像数据采集系统，所述图像数据采集系统对准所述光斑目标平面。

2.如权利要求1所述的高精度测量光斑微位移的光学系统，其特征是：所述定位台设置为XYZ三轴位移台。

3.如权利要求1所述的高精度测量光斑微位移的光学系统，其特征是：所述定位台上设置有移动定位标尺，使得所述图像数据采集系统可以移动固定位置。

4.如权利要求1所述的高精度测量光斑微位移的光学系统，其特征是：所述图像数据采集系统包括CCD相机，所述CCD相机用于从光斑目标平面后方采集所述光斑目标平面的图像数据。

5.如权利要求1所述的高精度测量光斑微位移的光学系统，其特征是：所述光学系统还包括环境光源，所述环境光源在不同时间进行图像数据采集时设置为相同亮度以便于图像数据采集系统进行同等条件下的图像采集。

6.如权利要求3所述的高精度测量光斑微位移的光学系统，其特征是：所述图像数据采集系统与所述光斑目标平面保持垂直并前后调整距离以实现光斑目标平面的对焦和拍照。

7.一种高精度测量光斑微位移的测量方法，其特征是：采用如权利要求1至6任一项的高精度光斑微位移光学系统，包括以下步骤：

2)将固定倍数的图像数据采集系统前后调整距离，实现对焦并且拍照，实现初始状态图像采集校准；

5)提取相邻电压信号下的图像数据采集结果进行灰度差值；

6)对灰度差值进行统计，计算得出光斑偏转距离。

8.如权利要求7所述的高精度测量光斑微位移的测量方法，其特征是：所述步骤3)中，设置高低电压信号为低频方波信号。

9.如权利要求7所述的高精度测量光斑微位移的测量方法，其特征是：所述步骤6)中，按照以下步骤对灰度差值进行统计并计算得出光斑偏转距离：

61)采取每一相邻电压信号下的图像数据采集结果并选择目标框；

10.如权利要求9所述的高精度测量光斑微位移的测量方法，其特征是：所述步骤61)中，选择不同图像数据采集结果的目标框时选择同一宽度的目标框。