CN114739292A - 一种psd标定装置及基于该装置的参数标定方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种PSD芯片参数标定装置，包括：激光器驱动电路、激光器、二维精密平台、稳固平台、伺服驱动装置、数据处理电路。本公开还提供一种PSD非线性畸变标定方法，包括：设置一定边长的网格，同时，令PSD机体坐标系零点作为二维精密平台移动的原点，网格覆盖PSD芯片；获取PSD坐标真值，包括：通过伺服驱动装置控制二维精密平台以边长为步长进行运动进而带动PSD芯片以边长为步长进行运动，使得激光照射至PSD芯片在网格的各个顶点，基于步长记录PSD在网格的各个顶点的坐标真值；获取PSD坐标读数；基于PSD坐标真值和PSD坐标读数，建立PSD芯片在网格各个顶点坐标误差模型；以及对误差模型通过插值方法进行畸变补偿。本公开还提供了一种PSD机体坐标系标定方法。

Description

一种PSD标定装置及基于该装置的参数标定方法

技术领域

本公开涉及激光测量领域，尤其涉及一种PSD芯片参数标定装置、PSD机体坐标系的系数标定方法以及PSD非线性畸变标定方法。

背景技术

随着激光技术的发展，激光单色性及方向性等性能的不断提高，以激光为媒介的光电精密测量技术在工业领域得到了愈加广泛的应用。激光测量作为一种非接触式测量技术，通过光电器件将光信号的强度、相位及频率等信息转换为电信号，进而通过对电信号的采集、处理和分析得到光变化量，并通过物理模型建立光变化量和待测对象的数学关系，通过该关系实现对被测对象的位移、距离和角度等几何量的测量。

常见的光电器件包括四象限探测器(F-QD)、电荷耦合器件(CCD)以及位置敏感器件(PSD)。其中PSD因其具有测量连续特性、高分辨率、高灵敏度和对光束外形质量要求低等特点，在激光位置检测系统中具有优势，可以在微位移检测系统中用做光斑位置探测，但在使用时，往往会在标定过程中引入误差，进而影响测量精度。因此，如何通过参数高精度标定来减小PSD系统误差，是本领域技术人员亟待解决的问题。为了便于说明空间坐标系关系，定义PSD机体坐标系与导航坐标系，如图3所示。文献1《光电位置敏感探测器标定装置设计》中提出了一种基于二维数控平台和激光器的标定装置，该装置以二位数控平台位移为基准，通过二维平台的读数解算获得PSD坐标变化和位移平台实际变化量的实际映射关系。该方案未考虑激光光束的位移和角漂现象。文献2《位置敏感探测器定位误差的标定方法》提出了一种基于光楔的标定平台，该平台通过使标定用激光的传播路径产生变化进而对待测PSD进行标定。该方法环境要求高，光学器件装调步骤复杂，对标定操作人员要求较高。文献3《位置敏感传感器的标定装置和标定方法》提出了一种基于单轴转台的标定装置，该装置使用旋转角度作为直接测量量，进而解算参数。该方法通过间接测量进行坐标参数标定，存在转换过程中因数学计算可能引入的误差。同时上述三个方案均没有考虑PSD机体坐标系和PSD导航坐标系的实际空间转换关系，即二维平台的单向运动会在PSD上体现为产生两轴分量，这会对系数标定带来影响，最终影响使用精度。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种PSD芯片参数标定装置、PSD机体坐标系的系数标定方法及PSD非线性畸变标定方法。

根据本公开的一个方面，提供一种PSD芯片参数标定装置，包括：

激光器，所述激光器与激光器驱动电路连接，生成激光并发射激光至PSD芯片；

二维精密平台，所述二维精密平台设置于稳固平台上，可放置所述PSD芯片，在伺服驱动装置的控制下带动所述PSD芯片运动，并对所述PSD芯片进行定位；

稳固平台，用于放置所述二维精密平台，使所述二维精密平台在平稳固定的环境中工作；

伺服驱动装置，所述伺服驱动装置用于控制所述二维精密平台运动，所述伺服驱动装置与所述稳固平台不接触；

数据处理电路与所述PSD芯片连接，且与所述稳固平台不接触，用于读取所述PSD芯片的原始坐标进行参数标定或读取补偿后的坐标数据进行参数检验；

激光器驱动电路，与所述激光器连接，且与所述稳固平台不接触，用于使所述激光器产生稳定的功率的激光。

根据本公开至少一个实施方式的PSD芯片参数标定装置，所述激光器包括：激光发生器、第一可调衰减片和第二可调衰减片，通过调节所述第一可调衰减片和所述第二可调衰减片以满足不同PSD芯片对照射光不同功率的需求。

根据本公开至少一个实施方式的PSD芯片参数标定装置，所述二维精密平台为集成XY纳米定位平台。

根本公开至少一个实施方式的PSD芯片参数标定装置，还包括：

调节结构，所述调节结构设置于所述稳固平台底部，用于调节所述稳固平台的平面水平。

根据本公开至少一个实施方式的PSD芯片参数标定装置，还包括：

第一固定工装，所述第一固定工装设置于所述稳固平台上，用于固定所述PSD芯片及配套采集板至所述二维精密平台。

根据本公开至少一个实施方式的PSD芯片参数标定装置，还包括：

第二固定工装，所述第二固定工装设置于所述稳固平台竖直向上延伸的方向，用于安装所述激光器。

根据本公开至少一个实施方式的PSD参数标定装置，所述激光器的激光光源为半导体激光器的光源。

根据本公开的又一个方面，提供一种PSD机体坐标系的系数标定方法，通过上述任一所述PSD芯片参数标定装置进行系数标定，包括：

打开激光器和PSD外部电路，所述外部电路包括激光器驱动电路和数据处理电路，等待激光器稳频指示灯亮起；

通过伺服驱动装置控制二维精密平台运动，进而带动PSD运动，使数据处理电路输出的PSD原始坐标点的坐标值接近(0,0)；

基于PSD原始坐标点的坐标值及通过伺服驱动装置驱动二维精密平台在二维平台坐标系的两轴的正方向和负方向分别运动后产生的坐标值，确定安装滚转误差角；

基于PSD原始坐标点的坐标值、通过伺服驱动装置控制二维精密平台在二维平台坐标系的两轴的正方向和负方向分别运动产生的坐标值、通过伺服驱动装置控制二维精密平台在二维平台坐标系第一象限移动的距离值，确定安装方位误差角和安装俯仰误差角；

确定机体坐标系的X轴系数和Y轴系数。

根据本公开至少一个实施方式的PSD机体坐标系的系数标定方法，基于PSD原始坐标点的坐标值及通过伺服驱动装置驱动二维精密平台在二维平台坐标系的两轴的正方向和负方向分别运动后产生的坐标值，确定安装滚转误差角，包括：

通过伺服驱动装置控制二维精密平台分别依次向二维平台坐标系X轴正方向、二维平台坐标系X轴负方向、二维平台坐标系Y轴正方向、二维平台坐标系Y轴负方向移动预定距离至不同四个点，并分别记录移动至四个点的原始坐标值；

基于所述四个点的原始坐标值及PSD原始坐标点的坐标值，计算以逆时针偏离导航坐标系为正的安装滚转误差角。

根据本公开至少一个实施方式的PSD机体坐标系的系数标定方法，基于PSD原始坐标点的坐标值、通过伺服驱动装置控制二维精密平台在二维平台坐标系的两轴的正方向和负方向分别运动产生的坐标值、通过伺服驱动装置控制二维精密平台在二维平台坐标系第一象限移动的距离值，确定安装方位误差角和安装俯仰误差角，包括：

通过伺服驱动装置控制二维精密平台在二维坐标系的第一象限以任意角度移动预设距离，所述预设距离通过分别在二维坐标系X轴正向和Y轴正向移动一定距离确定；

基于所述预设距离、通过伺服驱动装置控制而二维精密平台在二维精密平台在二维平台坐标系的两轴的正方向分别运动后产生的坐标值、PSD原始坐标点的坐标值，计算安装误差角，所述安装误差角包括安装方位误差角和安装俯仰误差角。

根据本公开至少一个实施方式的PSD机体坐标系的系数标定方法，所述确定机体坐标系的X轴系数和Y轴系数，包括：

伺服驱动装置控制二维精密平台运动，使得PSD数据处理电路读取经安装误差角补偿后的PSD坐标点的坐标值，经安装误差角补偿后的PSD坐标点的坐标值接近(0,0)；

分别移动二维精密平台的机体坐标系的两轴，使X、Y轴分别产生R_i的位移，R_i取值多个，获得二维精密平台移动后的多个点的坐标为(x₀,y₀±R_i)和(x₀±R_i,y₀)，i取值为大于0的自然数；

计算所述二维精密平台移动后的多个点经安装误差角补偿后的坐标；；

基于所述经安装误差角补偿后的PSD坐标点的坐标值、二维精密平台移动后的多个点经安装误差角补偿后的坐标，计算PSD机体坐标系的X轴系数和Y轴系数。根据本公开的又一个方面，提供一种PSD非线性畸变标定方法，在通过上述任一所述方法标定PSD机体坐标系系数基础上进行非线性畸变标定，包括：

设置一定边长的网格，同时，令PSD机体坐标系零点作为二维精密平台移动的原点，所述网格覆盖PSD芯片；

获取PSD坐标真值，包括：通过伺服驱动装置控制二维精密平台以所述边长为步长进行运动进而带动PSD芯片以所述边长为步长进行运动，使得激光照射至PSD芯片在网格的各个顶点，基于所述步长记录PSD在网格的各个顶点的坐标真值；

获取PSD坐标读数，包括：在通过伺服驱动装置控制二维精密平台以所述边长为步长运动进而带动PSD芯片以所述边长为步长进行运动时，通过PSD数据处理电路读取PSD芯片在网格的各个顶点的经过安装角补偿和系数补偿后的坐标值，其中，安装角补偿包括安装滚转误差角补偿、安装方位误差角补偿和安装俯仰误差角补偿；

基于所述PSD坐标真值和所述PSD坐标读数，建立PSD芯片在网格各个顶点坐标误差模型；

对所述误差模型通过插值方法进行畸变补偿。

根据本公开至少一个实施方式的非线性畸变标定方法，所述安装滚转误差角补偿的计算方法：

假设PSD数据处理电路读取的PSD的某个点的原始读数为(x,y)，经安装滚转误差角补偿后的上述某个点的原始读数(x,y)的坐标为M'(x cos γ+(y-x sin γ)sin γ,ycos γ-x cos γ sin γ)，其中，γ为安装滚转误差角。

根据本公开至少一个实施方式的非线性畸变标定方法，所述安装方位误差角和安装俯仰误差角补偿的计算法方法：

假设PSD数据处理电路读取的PSD的某个点的原始坐标值为(x,y)，经安装误差角补偿后的各个原始坐标为M(x_m,y_m)，x_m＝[x cos γ+(y-x sin γ)sin γ]cos β，y_m＝(ycos γ-x cos γ sin γ)cos α，其中，α为安装方位误差角，β为安装俯仰误差角。

根据本公开至少一个实施方式的非线性畸变标定方法，所述系数补偿的计算方法：

假设PSD数据处理电路读取的PSD的某个点的原始坐标值为(x,y)，经系数补偿后的坐标为(xm，ym)，其中，xm＝x*Kx，ym＝y*Ky，Kx、Ky分别为机体坐标系的X轴系数和机体坐标系的Y轴系数。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开的一个实施方式的PSD参数高精度标定装置的结构示意图。

图2是根据本公开的一个实施方式的PSD参数高精度标定装置的立体结构示意图。

图3是根据本公开的一个实施方式的PSD机体坐标系与PSD导航坐标系关系示意图。

图4是根据本公开的一个实施方式的使用二维精密平台标定PSD机体坐标系X轴与PSD导航坐标系X轴夹角示意图。

图5是根据本公开的一个实施方式的激光器内部结构示意图。

图6是根据本公开的一个实施方式的PSD机体坐标系的系数标定方法流程示意图。

图7是根据本公开的一个实施方式的通过非线性畸变补偿确定PSD芯片测量真值的方法流程示意图。

附图标记说明

1 激光器

2 二维精密平台

3 稳固平台

4 伺服驱动装置

5 数据处理电路

6 激光器驱动电路

7 调节结构

8 第一固定工装

9 第二固定工装

10 PSD芯片。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。

除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。

在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。

当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上“、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。

本文使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。

图1是根据本公开的一个实施方式的PSD参数高精度标定装置的结构示意图。

PSD芯片参数标定装置，包括以下组成部分。

激光器1，激光器1与激光器驱动电路6连接，生成激光并发射激光至PSD芯片10(PSD芯片10为待测PSD芯片)。图5是根据本公开的激光机的一个具体实施方式。激光器1包括：激光发生器11、第一可调衰减片12和第二可调衰减片13，通过调节第一可调衰减片12和第二可调衰减片13以满足不同PSD芯片对照射光不同功率的需求。第一可调衰减片12和第二可调衰减片13可以为手调衰减片。优选的，激光器1为半导体激光器，激光器1的光源为半导体激光器的光源。

二维精密平台2，二维精密平台2设置于稳固平台3上，可放置PSD芯片，在伺服驱动装置4的控制下带动PSD芯片运动，并对PSD芯片进行定位。二维精密平台2可以为集成XY纳米定位平台。待测PSD芯片10放置于二维精密平台2上。

稳固平台3，用于放置二维精密平台2，使二维精密平台2在平稳固定的环境中工作。优选的，稳固平台3为大理石稳固平台。

伺服驱动装置4，伺服驱动装置4用于控制二维精密平台2运动，伺服驱动装置与稳固平台3不接触。

数据处理电路5，与PSD芯片连接，且与稳固平台3不接触，用于读取PSD芯片的原始坐标进行参数标定或读取补偿后的坐标数据进行参数检验。数据处理电路5为待测PSD芯片数据处理电路。

激光器驱动电路6，与激光器1连接，且与稳固平台3不接触，用于使激光器1产生稳定的功率的激光。

调节结构7，调节结构7设置于稳固平台3底部，用于支撑稳固平台及调节稳固平台的平面水平。

第一固定工装8，第一固定工装8设置于稳固平台3上，用于固定PSD芯片及配套采集板至二维精密平台。

第二固定工装9，第二固定工装9设置于稳固平台3竖直向上延伸的方向，用于安装激光器1。

图2是根据本公开的一个实施方式的PSD参数高精度标定装置的立体结构示意图。

图3是根据本公开的一个实施方式的PSD机体坐标系与PSD导航坐标系关系示意图。

如图4所示，PSD机体坐标系与PSD导航坐标系关系，其中，O_P-X_PY_PZ_P表示PSD导航坐标系，O_PB-X_PBY_PBZ_PB表示PSD机体坐标系。因PSD为二维测量传感器，故PSD机体坐标系本质上为二维坐标系，定义PSD感光面中心为原点，定义因二维PSD结构产生的两个正交轴分别为X_PB轴和Y_PB轴，两轴方向自定义。在不考虑平移的情况下，定义PSD导航坐标系的原点与PSD机体坐标系的原点重合，规定以二维精密平台与X_PB轴成锐角的运动轴所在方向为X_P轴，以二维精密平台与Y_PB轴成锐角的运动轴所在方向为Y_P轴。两坐标轴均满足右手螺旋定理。两个入射点为激光照射在不同的PSD位置的点。

图4是根据本公开的一个实施方式的使用二维精密平台标定PSD机体坐标系X轴与PSD导航坐标系X轴夹角示意图。

图6是根据本公开的一个实施方式的PSD机体坐标系的系数标定方法流程示意图。

如图6所示，PSD机体坐标系的系数标定方法S100，包括以下步骤。

在步骤S102中，打开激光器1和PSD的外围电路，外围电路包括PSD数据处理电路5和激光器驱动电路6，等待激光器1稳频指示灯亮起。

在步骤S104中，通过伺服驱动装置4驱动二维精密平台2运动，进而通过二维精密平台2带动PSD芯片10运动，使数据处理电路5读取的PSD芯片10原始坐标点的坐标读数A(x₀,y₀)接近(0,0)。伺服驱动装置4可以为二维精密平台驱动箱。

在步骤S106中，计算安装滚转误差角。具体实施方法为：令二维精密平台2向二维平台坐标系的X轴正向移动距离R，产生原始读数坐标B(x₁,y₁)；令二维精密平台2向二维平台坐标系的X轴负向移动距离R，产生原始读数坐标C(x₂,y₂)；令二维精密平台2向二维平台坐标系的Y轴正向移动距离R，产生原始读数坐标D(x₃,y₃)；令二维精密平台2向二维平台坐标系的X轴负向移动距离R，产生原始读数坐标E(x₄,y₄)。基于B、C、D、E的坐标值及上述步骤S104的PSD原始坐标点的坐标读数A(x₀,y₀)，计算以逆时针偏离导航坐标系为正的安装滚转误差角γ为

在步骤S106中，二维平台坐标系是与二维精密平台2同一平面的坐标系，二维平台坐标系的X轴和Y轴正交，二维平台坐标系的X轴和Y轴分别严格平行于导航坐标系的X轴和Y轴。

通过步骤S106获得安装滚转误差角后，基于安装滚转误差角可以计算出经安装滚转误差角补偿后的PSD坐标值。假设PSD数据处理电路读取的PSD的某个点的原始读数为(x,y)，经γ补偿后的上述某个点的原始读数(x,y)的坐标为M'(x cos γ+(y-x sin γ)sinγ,y cos γ-x cos γ sin γ)。

在步骤S108中，确定安装方位误差角和安装俯仰误差角。方法如下：基于PSD原始坐标点的坐标值、伺服驱动装置4控制二维精密平台2在二维平台坐标系的两轴的正方向和负方向分别运动产生的坐标值、伺服驱动装置4控制二维精密平台2在二维平台坐标系第一象限移动距离值，确定安装方位误差角和安装俯仰误差角。具体包括：通过伺服驱动装置4控制二维精密平台2在二维坐标系的第一象限以任意角度移动预设距离，预设距离通过分别在二维坐标系X轴正向和Y轴正向移动一定距离确定；基于预设距离、通过伺服驱动装置4控制而二维精密平台2在二维精密平台在二维平台坐标系的两轴的正方向分别运动后产生的坐标值、PSD原始坐标点的坐标值，计算安装误差角，安装误差角包括安装方位误差角和安装俯仰误差角。

本实施方式中，伺服驱动装置4控制二维精密平台2在二维平台坐标系X轴正向移动0.6R，向二维平台坐标系Y轴正向移动0.8R，于是产生坐标F(x₀+0.6R,y₀+0.8R)(即：伺服驱动装置4控制二维精密平台2在二维平台坐标系第一象限移动距离值)，结合上述步骤3中点B、D，(即：伺服驱动装置控制二维精密平台在二维平台坐标系的两轴的正方向和负方向分别运动产生的坐标值)。基于预设距离、原始坐标值B(x₁,y₁)、D(x₃,y₃)及PSD原始坐标读数A(x₀,y₀)，计算安装误差角，安装误差角包括安装方位误差角和安装俯仰误差角，计算得到安装方位误差角

安装俯仰误差角

需要说明的是，在步骤S108中，二维精密平台2向二维平台坐标系第一象限移动时，可以以任一角度在二维平台坐标系第一象限移动，移动距离也不限于某一固定值，可以是任意非零数值。

经过步骤S108获得安装方位误差角和安装俯仰误差角后，基于安装方位误差角和安装俯仰误差角，可以计算出经安装方位误差角和安装俯仰误差角补偿后的PSD芯片坐标值。假设PSD数据处理电路5读取的PSD芯片的某个点的原始坐标值为(x,y)，经安装误差角补偿后的各个原始坐标为M(x_m,y_m)，其中x_m＝[x cos γ+(y-x sin γ)sin γ]cos β，y_m＝(y cos γ-x cos γ sin γ)cos α。安装俯仰误差角β如图4所示。

在步骤S110中，确定机体坐标系的两轴系数。具体方法如下：

在步骤S1102中，通过伺服驱动装置4移动二维精密平台2运动，确定PSD数据处理电路5读取的经安装误差角补偿后的PSD芯片坐标值为(x₀,y₀)，考虑到PSD芯片中心附近为线性较好区，则应使x₀和y₀无限趋于0。

在步骤1104中，分别移动二维平台坐标系的两轴，使二维平台坐标系X、Y轴分别产生R_i的位移，即二维精密平台2移动后的多个点的坐标记作(x₀,y₀±R_i)和(x₀±R_i,y₀)。对于二维精密平台2移动后的多个点的坐标(x₀,y₀±R_i)或(x₀±R_i,y₀)，PSD数据处理电路5输出经安装误差角补偿后的坐标记作(x_i,y_i)。R_i可以多个值，i取值可以为1、2、3……n，例如当i取值为2时，R_i的包含2值，例如R_i取值为1和5，或者R_i取值为3和3。

在步骤S1106中，基于经安装误差角补偿后的PSD坐标点的坐标值(x₀,y₀)、二维精密平台移动后的多个点经安装误差角补偿后的坐标(x_i,y_i)，解算得到PSD机体坐标系的X轴系数为

Y轴系数为

即Kx、Ky分别为标定计算得到的机体坐标系的X轴系数和Y轴系数。

图7是根据本公开的一个实施方式的通过非线性畸变补偿确定PSD芯片测量真值的方法。

如图7所示，通过非线性畸变补偿确定PSD芯片测量值的方法S200。本实施方式的前提是在PSD机体坐标系系数已标定的基础上进行。具体包括如下步骤。

在步骤S202中，设置一定边长的网格，网格覆盖PSD芯片10。同时，令PSD机体坐标系零点作为二维精密平台移动的原点。本实施方式中，使PSD数据处理电路5输出经安装误差角补偿和系数补偿后的原始坐标(x₀,y₀)为二维精密平台2移动的原点，考虑到PSD中心附近为线性较好区，则应使x₀和y₀无限趋于0。

在步骤S204中，获取PSD坐标真值，包括：通过伺服驱动装置4控制二维精密平台2以边长为步长进行运动进而带动PSD芯片10以边长为步长进行运动，使得激光照射至PSD芯片10在网格的各个顶点，基于步长记录PSD在网格的各个顶点的坐标真值。

在步骤S206中，获取PSD坐标读数，包括：在通过伺服驱动装置4控制二维精密平台2以边长为步长运动进而带动PSD芯片10以边长为步长进行运动时，通过PSD数据处理电路5读取PSD芯片10在网格的各个顶点的经过安装角补偿和系数补偿后的坐标值，其中，安装角补偿包括安装滚转误差角补偿、安装方位误差角补偿和安装俯仰误差角补偿。

本实施方式中，步骤S204和步骤S206具体体现为，通过伺服驱动装置4驱动二维精密平台2运动进而带动PSD芯片10运行(即产生分别移动二维平台坐标系的两轴的效果)，使激光器1发出的激光遍历边长真值为R的网格的各个顶点(网格交叉点)，假设网格的某一顶点实际坐标为(x，y)，在每个顶点，PSD数据处理电路5输出的经安装误差角补偿和系数补偿后的坐标为(x_i,y_i)。

在步骤S208中，基于PSD坐标真值和PSD坐标读数，建立PSD芯片在网格各个顶点坐标误差模型。本实施方式中，具体体现为，基于实际坐标点(x，y)和经安装误差角补偿和系数补偿后的坐标(x_i,y_i)，可以得到每个顶点的误差表δ(x_i,y_i)。

在步骤S210中，对所述误差模型通过插值方法进行畸变补偿，获得PSD芯片测量值。对于步骤602得到的误差表δ(x_i,y_i)，通过双三次插值的方法，进行非线性畸变补偿，补偿后的值为PSD测量值。

在上述步骤S202和步骤S206中，涉及安装角补偿和系数补偿的具体计算方法如下。

安装滚转误差角补偿的计算方法：假设PSD数据处理电路5读取的PSD芯片10的某个点的原始读数为(x,y)，经安装滚转误差角补偿后的上述某个点的原始读数(x,y)的坐标为M'(x cos γ+(y-x sin γ)sin γ,y cos γ-x cos γ sin γ)，其中，γ为安装滚转误差角。

安装方位误差角和安装俯仰误差角补偿的计算法方法：假设PSD数据处理电路5读取的PSD芯片10的某个点的原始坐标值为(x,y)，经安装误差角补偿后的各个原始坐标为M(x_m,y_m)，x_m＝[x cos γ+(y-x sin γ)sin γ]cos β，y_m＝(y cos γ-x cos γ sin γ)cos α，其中，α为安装方位误差角，β为安装俯仰误差角。

系数补偿的计算方法：假设PSD数据处理电路5读取的PSD芯片10的某个点的原始坐标值为(x,y)，经系数补偿后的坐标为(xm，ym)，xm＝x*Kx，ym＝y*Ky，其中，Kx、Ky分别为机体坐标系的X轴系数和机体坐标系的Y轴系数，即本公开实施方式的图6中获得的机体坐标系X轴系数和Y轴系数。

与现有的PSD标定装置与方法比，本专利提出的方法具有以下有益效果：

本公开提供的PSD参数高精度标定装置可以通过工装保证标定平台精度，操作过程中实验人员不与平台产生接触，避免了人为操作引入的误差。

本公开提供的PSD参数高精度标定装置引入了PSD导航坐标系与PSD机体坐标系的标定，能够以先标定坐标系，再标定系数和非线性畸变的方式标定PSD参数，也可以通过直接标定坐标系的方式，检定PSD，实现“标-检”一体，并消除因坐标系不统一而引入的误差。

本公开提供的PSD参数高精度标定装置，激光器部分设计为较大功率激光发生器附加两片手调可变衰减片的形式，可以满足不同PSD芯片对照射光不同功率的需求。

本公开提供的PSD参数高精度标定装置结构简单且精度高，依托现有二维精密平台技术和激光发生技术，在不严格要求激光器与水平面垂直以及不严格要求PSD芯片所在平面与位移平台所在平面平行的情况下，仍可以实现PSD参数的快速高精度标校。

本公开提供的PSD参数高精度标定装置能够通过二维平台产生简单位移实现PSD导航坐标系和PSD机体坐标系的变换矩阵标定，并进行坐标变换。公开提供的PSD参数高精度标定装置采用半导体激光器作为标定光源，降低空间激光位置漂移和角度漂移对测量精度的影响，该装置将光源部分和二维平台部分各自单独封装，并均采用电子学自动控制，降低了操作人员机械操作的难度和实验难度，减少了因为人工机械操作可能引入的误差。因此，本公开提供方法，可以解决PSD导航坐标系和PSD机体坐标系转换的问题；解决空间激光漂移对测量精度影响的问题；解决因人工接触标定机构引入标定误差的问题；解决测量过程慢的问题；从而形成了一种快速高精度PSD的参数标定方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式/方式”、“一些实施方式/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须的是相同的实施方式/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式/方式或示例以及不同实施方式/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种PSD芯片参数标定装置，其特征在于，包括：

激光器，所述激光器与激光器驱动电路连接，生成激光并发射激光至PSD芯片；

激光器驱动电路，与所述激光器连接，且不与稳固平台接触，用于使所述激光器产生稳定的功率的激光；

二维精密平台，所述二维精密平台设置于稳固平台上，可放置所述PSD芯片，在伺服驱动装置的控制下带动所述PSD芯片运动，并对所述PSD芯片进行定位；

稳固平台，用于放置所述二维精密平台，使所述二维精密平台在平稳固定的环境中工作；

伺服驱动装置，所述伺服驱动装置用于控制所述二维精密平台运动，所述伺服驱动装置与所述稳固平台不接触；以及

数据处理电路，与所述PSD芯片连接，且不与所述稳固平台接触，用于读取所述PSD芯片的原始坐标进行参数标定或读取补偿后的坐标数据进行参数检验。

2.根据权利要求1所述的PSD芯片参数标定装置，其特征在于，所述激光器包括：激光发生器、第一可调衰减片和第二可调衰减片，通过调节所述第一可调衰减片和所述第二可调衰减片以满足不同PSD芯片对照射光不同功率的需求。

3.根据权利要求1所述的PSD芯片参数标定装置，其特征在于，所述二维精密平台为集成XY纳米定位平台。

4.根据权利要求1所述的PSD芯片参数标定装置，其特征在于，还包括：

调节结构，所述调节结构设置于所述稳固平台底部，用于调节所述稳固平台的平面水平。

5.根据权利要求1所述的PSD芯片参数标定装置，其特征在于，还包括：

第一固定工装，所述第一固定工装设置于所述稳固平台上，用于固定所述PSD芯片及配套采集板至所述二维精密平台。

6.一种PSD机体坐标系的系数标定方法，其特征在于，通过权利要求1至5任一所述PSD芯片参数标定装置进行系数标定，包括：

打开激光器和PSD外部电路，所述外部电路包括激光器驱动电路和数据处理电路，等待激光器稳频指示灯亮起；

通过伺服驱动装置控制二维精密平台运动，进而带动PSD运动，使数据处理电路输出的PSD原始坐标点的坐标值接近(0,0)；

基于PSD原始坐标点的坐标值及通过伺服驱动装置驱动二维精密平台在二维平台坐标系的两轴的正方向和负方向分别运动后产生的坐标值，确定安装滚转误差角；

基于PSD原始坐标点的坐标值、通过伺服驱动装置控制二维精密平台在二维平台坐标系的两轴的正方向和负方向分别运动产生的坐标值、通过伺服驱动装置控制二维精密平台在二维平台坐标系第一象限移动的距离值，确定安装方位误差角和安装俯仰误差角；以及

确定机体坐标系的X轴系数和Y轴系数。

7.根据权利要求6所述的PSD机体坐标系的系数标定方法，其特征在于，基于PSD原始坐标点的坐标值及通过伺服驱动装置驱动二维精密平台在二维平台坐标系的两轴的正方向和负方向分别运动后产生的坐标值，确定安装滚转误差角，包括：

通过伺服驱动装置控制二维精密平台分别依次向二维平台坐标系X轴正方向、二维平台坐标系X轴负方向、二维平台坐标系Y轴正方向、二维平台坐标系Y轴负方向移动预定距离至不同的四个点，并分别记录移动至四个点的原始坐标值；以及

基于所述四个点的原始坐标值及PSD原始坐标点的坐标值，计算以逆时针偏离导航坐标系为正的安装滚转误差角。

8.根据权利要求7所述的PSD机体坐标系的系数标定方法，其特征在于，基于PSD原始坐标点的坐标值、通过伺服驱动装置控制二维精密平台在二维平台坐标系的两轴的正方向和负方向分别运动产生的坐标值、通过伺服驱动装置控制二维精密平台在二维平台坐标系第一象限移动的距离值，确定安装方位误差角和安装俯仰误差角，包括：

通过伺服驱动装置控制二维精密平台在二维坐标系的第一象限以任意角度移动预设距离，所述预设距离通过分别在二维坐标系X轴正向和Y轴正向移动一定距离确定；以及

基于所述预设距离、通过伺服驱动装置控制而二维精密平台在二维精密平台在二维平台坐标系的两轴的正方向分别运动后产生的坐标值、PSD原始坐标点的坐标值，计算安装误差角，所述安装误差角包括安装方位误差角和安装俯仰误差角。

9.根据权利要求6所述的PSD机体坐标系的系数标定方法，其特征在于，所述确定机体坐标系的X轴系数和Y轴系数，包括：

伺服驱动装置控制二维精密平台运动，使得PSD数据处理电路读取经安装误差角补偿后的PSD坐标点的坐标值，经安装误差角补偿后的PSD坐标点的坐标值接近(0,0)；

分别移动二维精密平台的机体坐标系的两轴，使X、Y轴分别产生R_i的位移，R_i取值多个，获得二维精密平台移动后的多个点的坐标值，i取值为大于0的自然数；

计算所述二维精密平台移动后的多个点经安装误差角补偿后的坐标；以及

基于所述经安装误差角补偿后的PSD坐标点的坐标值、二维精密平台移动后的多个点经安装误差角补偿后的坐标，计算PSD机体坐标系的X轴系数和Y轴系数。

10.一种PSD非线性畸变标定方法，其特征在于，在通过权利要求6至9任一所述方法标定PSD机体坐标系系数标定基础上进行非线性畸变标定，包括：

设置一定边长的网格，同时，令PSD机体坐标系零点作为二维精密平台移动的原点，所述网格覆盖PSD芯片；

获取PSD坐标真值，包括：通过伺服驱动装置控制二维精密平台以所述边长为步长进行运动进而带动PSD芯片以所述边长为步长进行运动，使得激光照射至PSD芯片在网格的各个顶点，基于所述步长记录PSD在网格的各个顶点的坐标真值；

获取PSD坐标读数，包括：在通过伺服驱动装置控制二维精密平台以所述边长为步长运动进而带动PSD芯片以所述边长为步长进行运动时，通过PSD数据处理电路读取PSD芯片在网格的各个顶点的经过安装角补偿和系数补偿后的坐标值，其中，安装角补偿包括安装滚转误差角补偿、安装方位误差角补偿和安装俯仰误差角补偿；

基于所述PSD坐标真值和所述PSD坐标读数，建立PSD芯片在网格各个顶点坐标误差模型；以及

对所述误差模型通过插值方法进行畸变补偿。

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