CN1487264A - 一种平面镜摆动姿态的检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种平面镜摆动姿态的检测装置及其方法，采用交流调制的方法驱动半导体激光器，使发出的激光依次经过整形准直透镜、偏振分光棱镜、1/4波片，入射到平面镜上；反射光经聚光透镜后成像到四象限硅光电探测器上；探测器的输出信号经前置放大电路、和差计算电路，输出反应平面镜在二维方位上摆动幅度的交变电压信号；采用锁相检测电路将二维方位上的交变电压信号处理成两个方向的直流电压信号；经A/D转换送固化有软件处理程序的单片机，利用两个直流电压信号和二维角度之间的计算关系式计算得到平面镜的二维摆动角度的大小。该方法测量原理简单，装置小巧、简单，测量范围为：±30′，测量精度优于0.5″。

Description

一种平面镜摆动姿态的检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量平面镜摆动姿态的方法及其装置，属于光电测量技术领域。

背景技术

目前现有技术中比较先进的平面镜摆动姿态检测装置，大都基于光学干涉测量原理，利用该原理制成的测量装置，结构复杂，体积大，使用起来不够灵活；传统的平面镜摆动姿态检测装置是光电自准直仪，光电自准直仪一般采用普通白炽灯泡作为光源，光源发热经常带来仪器机械变形和热漂移，并且其结构中的振子狭缝环节也带来了不稳定的因素，高精度的光电自准直仪体积也比较庞大；有的利用光电自准直仪的测量原理，以线阵CCD作为检测元件，进行二维角度的测量，如“线阵CCD用于二维小角度测量的研究”(航空计量技术，1997，18(1)，3-6)，采用该方法虽然处理电路简单，速度快，但仪器机械结构也比较复杂；总之，上述这些测量方法及装置用于测量平面镜的摆动姿态时，结构比较庞大，安装调整起来比较繁杂，当检测装置的测量传感器的轴向尺寸小于30mm时，不能达到小于一角秒的测量精度。

现有技术中也有利用光电自准直仪的测量原理，用位置灵敏探测器PSD(PositionSensitive Detector，简称PSD)作为检测元件来测量二维小角度的，如“利用二维PSD器件测量小角度的研究——一种新型的自准直仪”(现代计量测试，2001，2，40-43)，其测量仪器结构比较小巧，但是由于其模拟信号处理部分采用了模拟除法器电路，其模拟输出信号的稳定性和精度也不高。

因此，研制一种小巧、简易、方便并且稳定性和可靠性较高，测量精度优于一角秒的平面镜摆动姿态测量装置，在科学实验中将会用途广泛，解决一些实际问题；并且利用该装置也可以比较方便地进行一些目标检测的研究，在科学研究和工业测量上有很大的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量平面镜摆动姿态的方法及装置，更确切地说是提供一种结构小巧，安装测量方便，稳定性和精度都比较高，并且能够快速检测平面镜摆动姿态的方法及其装置。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

一种平面镜摆动姿态的检测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

a.用交流调制的方法驱动半导体激光器，使发出光强周期性变化的调制光，半导体激光器发出的激光经整形准直透镜后变为平行光，再经偏振分光棱镜、1/4波片变成圆偏振光，入射到平面镜上；

b.平面镜的反射光沿原光路返回，经1/4波片后圆偏振光变为线偏振光入射到偏振分光棱镜上，偏振方向偏转90°，经聚光透镜后成像到四象限硅光电探测器的光敏面上；

c.光电探测器的输出信号由前置放大电路放大处理后，再通过和差计算处理电路，输出反应平面镜在二维方位上摆动幅度的交变电压信号；

d.用锁相检测处理电路，将上面得到的二维方位上的交变电压信号处理成两个方向的直流电压信号；这两个直流电压信号通过A/D转换后送入单片机，通过固化在单片机中的软件处理程序，利用上述两个直流电压信号和二维角度之间的计算关系式：

θ_x＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³

θ_y＝a₀+a₁y+a₂y²+a₃y³

其中：其中θ_x、θ_y为偏转角度，x、y为采集的数据，a₀、a₁、a₂、a₃为系数，计算得到平面镜的二维摆动角度的大小。

本发明的方法中所述光电探测器光敏面上的光斑半径r的范围为：0.4 mm＜r＜0.5mm。

本发明提供的一种平面镜摆动姿态的检测装置，主要包括光电成像系统和以单片机为核心的二次处理仪表，其特征在于：在所述的光电成像系统的光路中依次设有半导体激光器、对激光束准直的整形准直透镜、偏振分光棱镜、1/4波片，以及对从平面镜反射的光进行处理的聚焦透镜和四象限硅光电探测器；所述二次处理仪表主要包括以单片机为核心的对光电探测器输出信号进行交流放大的前置放大电路、与前置放大电路输出端相联的和差电路、对和差电路输出信号进行处理的锁相电路以及与锁相电路输出端相接的A/D转换电路。

本发明与现有的技术相比，具有以下优点及突出性进步：本发明采用四象限硅光电探测器作为检测元件直接用来测量平面镜的摆动姿态，测量原理比光学干涉方法简单，测量装置小巧；采用的光学系统能量利用率较高；采用交流调制电路驱动半导体激光器的输出，利用锁相检测式的信号处理方式，有效消除了直流信号漂移的影响，提高了稳定性和测试精度；测量装置的测量传感器的外型尺寸大小为Φ20mm×30mm，测量范围为：±30′，测量精度优于0.5″；测量装置小巧、简单，可以很方便的应用在科学实验和工业测量中，对平面镜的摆动姿态进行在线测量。

附图说明

图1为本发明的测量原理示意图。

图2为本发明的光电成像系统结构示意图。

图3为本发明的四象限光电探测器检测原理图。

图4为输出电压信号和偏移量之间的关系。

图5为本发明的以单片机为核心的信号处理结构框图。

图6为本发明的整体处理电路及锁相检测式处理电路框图。

图7为本发明的单片机系统原理图。

图8为本发明的程序流程框图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的测量原理、结构和最佳实施方式。

图1为本发明的测量原理示意图，当平面镜7有一角偏转θ时，照射到平面镜上的激光束，经平面镜反射并聚焦到四象限光电探测器6上时，将有一偏移量S，偏移量S与平面镜的角偏转θ有如下的关系：

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\mathrm{arctg}(s/f^{\′})\≈s/{2f}^{\′}....\left(1\right)$

其中，θ为平面镜的偏转角，S为像位移，f′为透镜的焦距。可以容易的测量出光斑图像在四象限光电探测器上的二维位移S_x、S_y，进而求得相应的平面镜二维偏转角θx、θy，从而完成平面镜摆动姿态的测量。

图2为本发明的测量装置的光学系统原理图。半导体激光器1发出的激光经整形准直透镜2后变为平行光，再经偏振分光棱镜3、1/4波片4变成圆偏振光后，入射到平面镜7上。平面镜7的反射光沿原光路返回，经1/4波片4后圆偏振光变为线偏振光入射到偏振分光棱镜3上，由于此时线偏振光的偏振方向相对于初始时已发生了90°的偏转，该光不能再返回激光器，而是由偏振分光棱镜反射出去，经透镜5聚焦到四象限光电探测器6上。

图3为四象限硅光电探测器。当光照到四象限的光敏面上时，四个硅光电管产生的电流分别为：I₁、I₂、I₃和I₄，因此可用四象限加减法来求得光斑的空间位置即光斑中心(X，Y)：

X＝k_x[(I₁+I₄)-(I₂+I₃)]/∑I    (2)

Y＝k_y[(I₁+I₂)-(I₃+I₄)]/∑I    (3)

其中，∑I＝I₁+I₂+I₃+I₄，k_x和k_y是常数因子.

假如光斑是光强均匀分布的圆斑，光斑半径为r，可以推导出输出电压信号与光斑位移量的关系为：

$V_x=K_x\[1-\frac{2}{\mathrm{\π}}\arcsin \frac{\sqrt{r^2-x^2}}{r^2}+\frac{2x}{\mathrm{\π}{r}^2}\sqrt{r^2-x^2}\]....\left(4\right)$

$V_y=K_y\[1-\frac{2}{\mathrm{\π}}\arcsin \frac{\sqrt{r^2-y^2}}{r^2}+\frac{2y}{\mathrm{\π}{r}^2}\sqrt{r^2-y^2}\]....\left(5\right)$

图4为依据上述公式，模拟计算出光斑在X向移动时，光斑偏移量和输出电压的关系曲线。由图4可以看出，在光斑半径取r＝0.5mm、1mm、1.5mm、2mm时，光斑偏移量和输出电压信号之间的关系。在偏移量为半径的0.6倍以下时，曲线基本是线性的，但对于精密测试来说，还是有一定的偏差，不能完全按线性来处理。由图4还可以看出，探测器的灵敏度与光斑的大小有关，光斑越大其灵敏度越低，虽然此时线性范围大了，但不可取。为了得到比较好的测量效果，考虑各种综合因素，本发明的光电成像系统中，取光斑半径的范围：0.4mm＜r＜0.5mm。

图5为本发明提供的测量装置中的二次处理仪表的信号处理结构框图。高灵敏度四象限硅光电探测器6将接受到的光信号转换为电信号后，经过前置放大电路将电流信号转换为电压信号，然后送入和差处理电路求出X、Y两个方向的交变电压信号，该信号再经锁相检测电路处理后得到X、Y两个方向的直流电压信号，将这两个直流电压信号送入A/D转换器件的输入端，A/D转换的数据由单片机采集，在单片机内经过计算处理后得到平面镜的二维摆动姿态。

图6为采用锁相检测的原理设计的整个模拟信号处理电路框图。该电路可提高测量精度，并可抑制直流漂移。由本地振荡器输出的交变信号对半导体激光器进行调制，使其输出光能随时间变化的正弦交变信号。四象限探测器将调制光信号转换成电信号后，经交流放大电路输出各象限的电压信号，然后通过加减法电路，得到X向电压分量、Y向电压分量。将这两个电压分量输入到由高速模拟开关CD4066组成的检相器。在检相器里，输入信号和参考信号进行检相比较。参考信号为方波信号，输入信号为正弦信号。参考信号为高电平时，开关导通，检相器输出为正弦信号的半波波形，参考信号低电平时，开关断开，检相器输出为零。输入信号和参考信号都是由一个振荡器产生的，它们的相位频率相同。低通滤波器从频率特性上说，有滤波作用，而从时间特性上，它是一个积分器。因此经过低通滤波器积分后的输出电压为：

$V_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}{E}_s\sin \left({\mathrm{\ω}}_{s}t\right)d\left({\mathrm{\ω}}_{s}t\right)=\frac{E_s}{\mathrm{\π}}....\left(6\right)$

式中，ω_s为正弦交流信号的角频率，E_s为正弦交流信号的振幅大小。

由(6)式可知，输出信号的直流分量只正比例于输入信号的幅值大小。在本测试电路中，输出信号正比于光斑在X及Y方向的偏移分量的大小。锁相放大电路具有很高的信噪比，可以将淹没在噪声中的信号提取出来，大大提高仪器的分辨率。

图7为单片机系统框图。X向分量和Y向分量电压信号经过由单片机控制的多通道切换电路送到模数转换器件ADC。A/D转换器选用高分辨率双积分ADC MAX132，该ADC分辨率可达到18位，由晶振提供时钟，能有效克服工频干扰，转换速度最快可达到90次/S。单片机采集数据后，经过特定的计算公式进行数据处理后，输出相应的小角度数字量，由显示器显示。为了方便和主机通讯，还备有光电隔离的RS485接口。为了单片机可靠的工作，电路上选用了X5045芯片，该芯片集EEPROM、电源监视和看门狗电路于一体，用于保存校准参数和系统参数以及对单片机运行情况进行监控。电路设计时，利用了SPI串行接口的特点，使测量仪器体积小、功耗低、工作稳定可靠。

在测量装置进行在线测量前需进行定标。通过精密转台给出平面镜的偏转角度，利用高精度的光电自准直仪为基准标定本测量装置，记录下单片机采集的A/D转换后的结果，及相对应的偏转角度的大小。利用三次曲线拟合的方法拟合出采集数据和偏转角度之间的关系公式：

    θ_x＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³          (7)

    θ_y＝a₀+a₁y+a₂y²+a₃y³          (8)

其中θ_x、θ_y为偏转角度，x、y为采集的数据，a₀、a₁、a₂、a₃为系数。

图8为本发明的程序流程框图，单片机将X、Y向的信号分别采集后，首先与系数a1相乘计算得到c₁、d₁，  其次将采集的数据平方并与a₂相乘得到c₂、d₂，接着再将采集的数据立方并与a₃相乘得到c₃、d₃，然后单片机将a₀、c₁、c₂、c₃相加计算得到θ_x，将a₀、d₁、d₂、d₃相加计算得到θ_y，至此完成了二维偏转角度θ_x、θ_y的计算。

Claims (3)

1.一种平面镜摆动姿态的检测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

a.用交流调制的方法驱动半导体激光器，使其发出光强周期性变化的调制光，半导体激光器发出的激光经整形准直透镜后变为平行光，再经偏振分光棱镜、1/4波片变成圆偏振光，入射到平面镜上；

b.平面镜的反射光沿原光路返回，经1/4波片后圆偏振光变为线偏振光入射到偏振分光棱镜上，偏振方向偏转90°，经聚光透镜后成像到四象限硅光电探测器的光敏面上；

c.光电探测器的输出信号经前置放大电路放大处理后，再通过和差计算处理电路，输出反应平面镜在二维方位上摆动幅度的交变电压信号；

d.采用锁相检测处理电路，将上面得到的二维方位上的交变电压信号处理成两个方向的直流电压信号；这两个直流电压信号通过A/D转换后送入单片机，通过固化在单片机中的软件处理程序，利用上述两个直流电压信号和二维角度之间的计算关系式：

θ_x＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³

θ_y＝a₀+a₁y+a₂y²+a₃y³

其中：其中θ_x、θ_y为偏转角度，x、y为采集的数据，a₀、a₁、a₂、a₃为系数，计算得到平面镜的二维摆动角度的大小。

2.按照权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述四象限硅光电探测器光敏面上的光斑半径的取值范围为：0.4 mm＜r＜0.5mm。

3.一种实施如权利要求1所述方法的装置，主要包括光电成像系统和以单片机为核心的二次处理仪表，其特征在于：在所述的光电成像系统的光路中依次设有半导体激光器(1)、对激光束准直的整形准直透镜(2)、偏振分光棱镜(3)、1/4波片(4)，以及对从平面镜反射的光进行处理的聚焦透镜(5)和四象限硅光电探测器(6)；所述二次处理仪表主要包括以单片机为核心的对光电探测器输出信号进行交流放大的前置放大电路、与前置放大电路输出端相联的和差电路、对和差电路输出信号进行处理的锁相电路以及与锁相电路输出端相接的A/D转换电路。

Images