[发明专利]一种提高半导体激光器微小角度测量系统精度的方法

说明书

本发明属于精密测量领域，公开了一种提高半导体激光器微小角度测量系统精度的方法。克服在运用四象限光电探测器进行微小角度精密测量中，四象限光电探测器上的椭圆光斑对测量结果精度的影响。通过调整四象限光电探测器和聚焦透镜焦平面之间的距离来实现将椭圆光斑整形为标准的圆形光斑，最后对光斑整形中产生的离焦量误差进行补偿，从而提高微小角度测量的精度。同时避免了建立用于提高测量精度的误差补偿模型，简化测量系统的数据处理过程。

技术领域

本发明涉及精密测量领域，具体涉及一种应用半导体激光器进行微小角度精密测量中提高测量精度的方法。

背景技术

半导体激光器具有效率高、体积小、易集成等优点，常作为激光微小角度测量系统中的光源。四象限光电探测器具有体积小、精度高、灵敏度高、计算简单等优点，则常作为微小角度测量系统的接收端。在微小角度测量系统中，通常将四象限光电探测器放置在成像透镜的焦平面上，通过四象限光电探测器来测量半导体激光器光斑的位置变化，从而实现对入射光角度的测量。

在基于自准直原理的微小角度测量中，入射光斑的能量分布、大小形状和四象限光电探测器的盲区大小均会影响微小角度测量的精度。目前对于微小角度测量系统误差源的分析，主要是围绕理想的圆形光斑展开的。但是由于半导体激光器自身工作原理，导致出射激光在四象限光电探测器上形成长短轴不等的椭圆光斑。采用常用的四象限光电探测器算法必定会导致测量结果的不准确。

专利CN 110836634 A中公开了一种可适应多种光束的四象限光电探测器标定方法，将探测器盲区宽度加入到模型进行计算，并分析定位算法的计算误差，使计算精度更高。但是并未针对椭圆光斑造成的测量误差进行消除。专利CN 111272084 A中公开了一种四象限光电探测器的标定方法，该发明对光斑能量分布函数进行优化，使其推广到能够适应带有倾斜椭圆高斯分布的光斑。但是建立的测量模型涉及复杂的数学运算。

上述研究均未提及使用四象限光电探测器作为位置敏感元件时，为避免入射椭圆光斑对测量结果精度造成影响，对椭圆光斑进行修正的方法。在基于自准直原理微小角度测量过程中，入射光斑为椭圆光斑时，采用传统的四象限光电探测器算法必定会严重影响微小角度测量精度。

为此有必要发明一种准确修正椭圆光斑的的方法，以提高半导体激光器微小角度测量系统对微小角度测量的精度。

发明内容

本发明的目的在于克服在运用四象限光电探测器进行微小角度精密测量中，四象限光电探测器上的椭圆光斑对测量结果精度的影响。通过调整四象限光电探测器和聚焦透镜焦平面之间的距离来实现将椭圆光斑整形为标准的圆形光斑，最后对光斑整形中产生的离焦量误差进行补偿，从而提高微小角度测量的精度。同时避免了建立用于提高测量精度的误差补偿模型，简化测量系统的数据处理过程。

分析微小角度测量系统中椭圆光斑对测量结果精度的影响。

所述的微小角度测量系统如图1所示，包括半导体激光器1、聚焦透镜2、四象限光电探测器3。其中半导体激光器作为微小角度测量的光源，安装在微小角度测量的固定端，聚焦透镜与四象限光电探测器作为测量元件固定在被测物体上。根据光学自准直原理，半导体激光器发出的光束经过聚焦透镜，成像点与位于焦平面处的四象限光电探测器的O点重合，当被测物体旋转微小角度α时，光斑相应地在四象限光电探测器坐标系内发生偏移δ。根据几何关系有：

公式(1)中，f表示聚焦透镜的焦距。

光斑的移动将改变四象限光电探测器四个光敏面上的光能分布，从而输出不同的光电流信号。由于光电流信号很小，要对每个象限的输出信号进行IV放大处理。设U_A、U_B、U_C、U_D表示四个象限信号经过放大处理后输出的对应的电压值。