CN115200474B - 基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位装置及方法，涉及光学检测领域。本发明装置包括沿光的传输路径分立设置的激光器，扩束准直系统，会聚透镜，小孔衍射板，光敏探测阵列，点状激光器；其中，激光器出射的光束经过扩束准直系统的扩束后，变为第一光束；第一光束通过会聚透镜入射至小孔衍射板的衍射小孔后发生衍射，产生衍射光斑；光敏探测阵列用来探测衍射光斑；点状激光器位于光敏探测阵列的正后方，且垂直指向衍射小孔，用于小孔理想光轴和光敏探测阵列中心轴的重合调整，并指示衍射光轴的中心轴。本发明解决了小孔点衍射干涉测量中的光斑中心轴定位问题及对准问题，实现了小孔衍射光斑中心轴的精确定位。

Description

基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位装置及方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，更具体的说是涉及一种基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位装置及方法。

背景技术

随着航空航天、大规模集成电路等高科技技术的发展，目前对于光学元件的面形精度提出了更高的要求。传统的Twyman-Green型和Fizeau型干涉仪因受其标准参考镜面形精度的限制，很难实现更高精度的检测。

点衍射干涉测量技术基本思想是利用波长级的小孔产生近乎理想的球面波作为参考面，摆脱了传统检测方法对于标准参考镜精度的限制，可以实现纳米甚至亚纳米的检测精度。目前点衍射干涉测量技术可分为针孔点衍射测量方法和光纤点衍射测量方法。在构建实际的小孔点衍射干涉系统时，受人为调整误差的影响，衍射小孔前会聚透镜聚焦光斑与小孔很难完全对准，这将使得小孔后衍射光斑形状和位置与理想位置会发生偏离，直接影响着后续光路的布置，同时也将影响系统的检测精度，因此精确测量衍射光斑的尺寸，实现衍射光斑中心的精确定位及校准是点衍射干涉系统研究中非常重要的一环。

点衍射干涉测量系统中的衍射小孔仅为几个微米，衍射范围大，衍射的光强较弱，无法通过人眼准确判断衍射光斑大小及光斑中心位置，因此需要借助特定探测装置实现光斑中心的精确定位。目前尚未有针对小孔点衍射干涉测量中微小孔衍射光斑尺寸测量及中心定位的相关装置。而对于其他光斑尺寸(如激光光斑)测量及中心定位目前主要是基于CCD/CMOS，通过对采集的光斑图像进行处理的方法实现，该类方法仅用于小尺寸光斑的检测，若用于大尺寸衍射光斑的检测，需要采用多CCD或者单CCD扫描测量，构建的系统复杂，测量耗时长，且衍射光束为发散光束需要准直后才能测量，准直镜的引入必然也会引入误差。因此，对本领域技术人员来说，如何实现衍射光斑中心的快速精确定位是亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位装置及方法，以解决背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位装置，包括沿光的传输路径分立设置的激光器，扩束准直系统，会聚透镜，小孔衍射板，光敏探测阵列，点状激光器；其中，

所述激光器出射的光束经过所述扩束准直系统的扩束后，变为第一光束；

所述第一光束通过所述会聚透镜入射至所述小孔衍射板的衍射小孔后发生衍射，产生衍射光斑；

所述光敏探测阵列用来探测所述衍射光斑；

所述的点状激光器位于所述光敏探测阵列的正后方，且垂直指向所述衍射小孔，用于小孔理想光轴和光敏探测阵列中心轴的重合调整，并指示衍射光轴的中心轴。

可选的，所述光敏探测阵列上布置有同心加轴向密排形式的小面元光敏器件。

可选的，还包括分束镜，所述分束镜位于所述小孔衍射板与所述光敏探测阵列之间。

可选的，还包括第二点状激光器，所述第二点状激光器设置在所述分束镜的反射光路上，所述第二点状激光器和所述分束镜，用于辅助光路调整和光轴中心指示。

可选的，所述光敏探测器阵列包括感光条、点状激光器、主控板；所述感光条排列在探测阵列上，所述点状激光器放置于探测阵列中心，所述主控板放置在感光面中心。

可选的，所述感光条由光敏管、处理电路以及单片机组成。

另一方面，提供一种基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位方法，利用所述的一种基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位装置进行定位，具体步骤包括如下：

利用激光器产生激光光束；

对激光器、扩束准直系统和会聚透镜的位置进行调整，使所述激光光束会聚至衍射小孔，由此产生衍射光斑；

光敏探测阵列接收所述衍射小孔出射的衍射光束，光敏探测阵列上的光敏器件产生响应，进而提取光敏信号，利用最小二乘拟合法对对最外层感光光敏器件中心位置进行圆拟合，提取拟合圆的中心即得到实际衍射光斑的中心位置，进而实现衍射光斑中心的精确定位；

调整小孔衍射板的位置，使得衍射光斑中心位置与光敏探测阵列中心位置重合，完成小孔的对准调节；

在小孔对准的基础上，点状激光器垂直指向小孔板，点状激光器的激光光束指示着小孔理想光轴，从而实现衍射中心轴的可视化。

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基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位装置及方法，具有以下有益的技术效果：

(1)解决了小孔点衍射干涉测量中衍射光斑较大、光能量弱导致的光斑中心轴定位问题及对准问题；

(2)实现了小孔衍射光斑中心轴的精确定位，辅助解决小孔的对准问题，并且实现了衍射光束中心轴的可视化，以便后续光路的调整。

(3)通过对衍射光斑的定位可以实现小孔的精确和快速对准，从而避免了人为对准带来的误差；通过辅助激光器实现衍射光轴的可视化，可以使得后续光路的布置变得更加简便。

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为本发明的装置结构示意图；

图2为本发明的光敏探测阵列的左视图投影图；

图3为本发明的光斑直径、探测距离及角度关系图；

图4为本发明的探测器阵列示意图；

图5为本发明的测试光路中心轴可视化示意图；

其中，1为激光器，2为扩束准直系统，3为会聚透镜，4为小孔衍射板，5为光敏探测阵列，6为点状激光器，7为第二点状激光器，8为分束镜。

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基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位装置，如图1所示，包括沿光的传输路径分立设置的激光器1，扩束准直系统2，会聚透镜3，小孔衍射板4，光敏探测阵列5，点状激光器6；其中，

其中，激光器1作为光源用来产生激光光束；扩束准直系统2用于对激光光束进行扩束准直；会聚透镜3用于会聚光束；小孔衍射板4用于产生衍射光斑；光敏探测阵列5用来接收衍射光斑；点状激光器6用于小孔理想光轴和光敏探测阵列5中心轴的重合调整，并指示衍射光轴的中心轴；

激光器1出射的光束经过扩束准直系统2的扩束后，变为第一光束；第一光束通过会聚透镜3入射至小孔衍射板4的衍射小孔后发生衍射，产生衍射光斑；光敏探测阵列5用来探测所述衍射光斑；点状激光器6位于光敏探测阵列5的正后方，且垂直指向衍射小孔，用于小孔理想光轴和光敏探测阵列中心轴的重合调整，并指示衍射光轴的中心轴。

如图2所示为光敏探测阵列5的左视图投影，阴影部分代表是探测光斑位置，光斑中心实际位置是O_p，O代表的是理想光斑中心位置，通过对边缘器件位置P1～P8进行拟合，得到O_p，计算OO_p即是中心偏差。

光斑直径、探测距离及角度关系如图3所示，激光器1通过会聚透镜3将光斑打在衍射小孔上，会产生一个衍射光斑；以2.5微米小孔，衍射全角为34.7度，距离L＝400mm为例，所产生的的光斑直径大小约为250mm，为了可以测量该直径光斑大小以及中心坐标，探测阵列感光面积直径设计为400mm，感光面上设计8个感光条，米字型排列，如图4所示。

光敏探测阵列5上布置有同心加轴向密排形式的小面元光敏器件。

更进一步的，在本实施例中，光敏探测阵列5包含感光条、点状辅助激光器、主控板组成；感光条按米字型排列在探测器上；点状辅助激光器放置于探测器中心，用于辅助探测器阵列和激光器对中心；主控板放置在感光面中心，主要是和感光条通过串口通讯，并给感光条和点状辅助激光器供电。

当衍射光斑照射到感光面上，通过探测器上的感光条可以得到光斑边缘处坐标，探测器将坐标通过串口发送给上位机，上位机拟合之后得到光斑直径和中心点坐标。

在本实施例中，感光条由光敏管、处理电路以及单片机组成；每个感光条由100个光敏三极管排列组成，每一个光敏三极管配合一路处理电路，将光敏三极管的电流信号处理电压，直接送到单片机的IO进行高低点评判断；当输入电压为高电平时，判断该光敏三极管处被光斑照到，否则没有被照到，这样单片机就会采集到光斑边缘对应的光敏三极管的对应编号，根据结构得到其坐标值；单片机将该坐标换算成坐标，通过串口发送给主控板。

本发明实施例还提供一种基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位方法，利用基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位装置进行定位，具体步骤包括如下：

S1、打开激光器1，使其出射光束频率保持稳定；

S2、激光器1后面放置一扩束准直系统2，使激光器1的出射光束扩束准直系统2进行扩束准直；

S3、扩展准直系统2后放置一会聚透镜3，会聚透镜3将扩束准直系统2出来的光束会聚至小孔衍射板4；

S4、小孔衍射板4上刻有微米级的小孔，会聚光束经过小孔衍射板4后产生衍射光斑；

S5、在离小孔衍射板4足够远处放置光敏探测阵列5，在本实施例中，光敏探测阵列采用小型贴片式光敏器件，布置成同心加轴向多点密排形式，其光敏器件采用光电三极管，尺寸不超过1.5mm×2mm，数量不少于1500个，探测阵列可实现直径不小于600mm的光斑检测，光斑中心定位精度优于1mm。当衍射光束入射至光敏探测阵列5时，光敏探测阵列5上接收到衍射光斑的光敏器件会产生响应，再经过上位机软件对探测阵列上边缘产生响应的光敏器件进行提取，根据提取的光敏信号利用最小二乘法拟合进行圆拟合并提取拟合圆的中心即得到实际光斑中心位置，进而实现衍射光斑中心的精确定位；

S6、探测阵列5后放置点状激光器6，点状激光器6垂直指向小孔衍射板4，点状激光器6发出的光束指示着光敏探测阵列5的中心轴，调节拟合出的衍射光斑中心点和探测阵列中心位置重合，可实现调整小孔理想光轴和探测阵列中心轴相重合，并且可以通过衍射光斑中心位置来判断小孔是否对准。若没有对准，点状激光器6也可指导小孔重新对准；若小孔已完成对准，则该光束可指示衍射光束的中心轴，实现衍射光束中心轴的可视化。

S7、如图5所示，将分束镜8放置于小孔衍射板4与光敏探测阵列5之间，点状激光器6发出的光经过分束镜8透射和反射作用形成两束光束，通过调节透射光束和反射光束，实现分束镜8的定位调整。

S8、在分束镜8的反射光路放置第二点状激光器7，第二点状激光器7出射的光束a经分束镜8反射后再经小孔基板反射形成光束c，该光束可指示衍射光轴。

S9、移除光敏探测阵列5，该位置放置平面反射镜，第二点状激光器7出射的光束a经分束镜8后再经小孔基板反射形成光束c，再经分束镜8透射形成光束d，光束d再经平面反射镜反射形成光束e，最后经分束镜8再次反射形成光束f，该光束可指示后续光路的光轴中心，以便后续光路的调整。

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 (7)

1.一种基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位装置，其特征在于，包括沿光的传输路径分立设置的激光器，扩束准直系统，会聚透镜，小孔衍射板，光敏探测阵列，点状激光器；其中，

所述激光器出射的光束经过所述扩束准直系统的扩束后，变为第一光束；

所述第一光束通过所述会聚透镜入射至所述小孔衍射板的衍射小孔后发生衍射，产生衍射光斑；

所述光敏探测阵列用来探测所述衍射光斑；

所述的点状激光器位于所述光敏探测阵列的正后方，且垂直指向所述衍射小孔，用于小孔理想光轴和光敏探测阵列中心轴的重合调整，并指示衍射光轴的中心轴；

所述光敏探测阵列的感光面上设计8个感光条，米字型排列。

2.根据权利要求1所述的一种基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位装置，其特征在于，所述光敏探测阵列上布置有同心加轴向密排形式的小面元光敏器件。

3.根据权利要求1所述的一种基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位装置，其特征在于，还包括分束镜，所述分束镜位于所述小孔衍射板与所述光敏探测阵列之间。

4.根据权利要求3所述的一种基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位装置，其特征在于，还包括第二点状激光器，所述第二点状激光器设置在所述分束镜的反射光路上，所述第二点状激光器和所述分束镜，用于辅助光路调整和光轴中心指示。

5.根据权利要求1所述的一种基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位装置，其特征在于，所述光敏探测阵列包括感光条、点状激光器、主控板；所述感光条排列在探测阵列上，所述点状激光器放置于探测阵列中心，所述主控板放置在感光面中心。

6.根据权利要求4所述的一种基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位装置，其特征在于，所述感光条由光敏管、处理电路以及单片机组成。

7.一种基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位方法，利用权利要求1-6任一所述的一种基于光敏探测阵列的小孔衍射光斑中心轴定位装置进行定位，其特征在于，具体步骤包括如下：

利用激光器产生激光光束；

对激光器、扩束准直系统和会聚透镜的位置进行调整，使所述激光光束会聚至衍射小孔，由此产生衍射光斑；

光敏探测阵列接收所述衍射小孔出射的衍射光束，光敏探测阵列上的光敏器件产生响应，进而提取光敏信号，利用最小二乘拟合法对最外层感光光敏器件中心位置进行圆拟合，提取拟合圆的中心即得到实际衍射光斑的中心位置，进而实现衍射光斑中心的精确定位；

调整小孔衍射板的位置，使得衍射光斑中心位置与光敏探测阵列中心位置重合，完成小孔的对准调节；

在小孔对准的基础上，点状激光器垂直指向小孔板，点状激光器的激光光束指示着小孔理想光轴，从而实现衍射中心轴的可视化。