[发明专利]一种光束光斑位移放大测量系统及测量方法

说明书

本发明提出了一种光束光斑位移放大测量系统及测量方法，聚焦的待测光束被放置在聚焦焦点附近的光阑部分遮挡；被光阑部分遮挡的待测光束入射到位置敏感光电探测器的感光面上，形成缺损光斑；待测光束若发生空间位置变化导致光阑遮挡处的光束光斑产生与被遮挡方向平行的位移d，位置敏感光电探测器的感光面上将产生放大的光斑缺损变化量D=dL₂/L₁，输出的光斑位移放大L₂/L₁倍，L₁为光阑与聚焦焦点在光线行进方向上的距离；L₂为PSD与聚焦焦点在光线行进方向上的距离。本发明使位置敏感光电探测器上光斑能量重心位置变化获得与光斑尺寸变化相同倍数的放大，可大幅提高光束光斑位移测量灵敏度，结构简单灵活，便于不同应用集成整合，且成本低。

技术领域

本发明涉及光电检测的技术领域，尤其涉及一种光束光斑位移放大测量系统及测量方法。

背景技术

光学测量由于其非接触的特点应用日益广泛，很多光学测量应用将待测量变化转化为测量光束空间位置变化，然后通过位置敏感探测器测量这一位置变化，即测量该光束在位置敏感探测器的感光面上形成的光斑位移。位置敏感探测器检测的光斑位置是光斑能量重心的位置，目前对于位置敏感探测器的使用模式基本都是使光束在位置敏感探测器感光面上形成完整光斑，位置敏感探测器检测输出的是完整光斑整体移动导致的光斑能量重心位置变化。这种使用模式下的位置敏感探测器具有检测范围大、输出线性好的优点，但在位置敏感探测器的这种使用模式下，光斑位移的物理放大很难实现，虽然可以采用类似望远系统的共焦双透镜结构，但放大倍率不高，系统复杂，导致相关应用的测量精度受限。

申请号为202010704608.8的发明专利公开了一种光电式边缘检测系统及其检测方法，通过将物体边缘检测转化为测量光束光斑强度中心位置变化检测，实现了物体边缘的非接触、高精度检测，能够针对不同待测物体边缘特征，通过特定光阑对测量光束进行相应整形，大大提高物体边缘检测的灵敏度和稳定性；并且本发明整体结构简单灵活，可针对不同光学性质的材质进行调整，便于现场测量。但是该专利是直接利用位置敏感光电探测器的缺损光斑能量重心位置输出特性对遮挡测量准直光束的待测物体边缘进行识别检测，是一种类似于判断有无的开关式检测。本专利是基于位置敏感光电探测器的缺损光斑能量重心位置输出原理以及近似线性的输出特性，结合聚焦光束尺寸变换的光学结构，实现被光阑部分遮挡的光束光斑的位移放大测量，是一种定量测量。从应用目的、光学结构以及检测原理各个方面均有极大不同。

发明内容

针对现有基于光束光斑位移检测方法存在的光斑位移物理放大困难、相关检测精度不足、系统复杂、成本高昂的技术问题，本发明提出一种光束光斑位移放大测量系统及测量方法，使位置敏感光电探测器上光斑能量重心位置变化获得与光斑尺寸变化相同倍数的放大，可大幅提高光束光斑位移测量灵敏度。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种光束光斑位移放大测量方法，其步骤如下：

步骤S1：聚焦的待测光束被放置在聚焦焦点附近的光阑部分遮挡；

步骤S2：被光阑部分遮挡的待测光束入射到位置敏感光电探测器的感光面上，形成能量重心位置变化的缺损光斑；

步骤S3：待测光束若发生空间位置变化导致光阑遮挡处的光束光斑产生与被遮挡方向平行的位移d，位置敏感光电探测器的感光面上将产生放大的光斑缺损变化量D＝dL₂/L₁，位置敏感光电探测器输出的光斑位移X(D)放大L₂/L₁倍；其中，L₁为光阑与聚焦焦点在光线行进方向上的距离；L₂为位置敏感光电探测器与聚焦焦点在光线行进方向上的距离。