[發明專利]亞微米量級的高精度探測系統及位置角度探測方法

在審

• 申請號: 201810371395.4
• 申請日: 2018-04-24
• 公開（公告）號: CN108955626A
• 公開（公告）日: 2018-12-07
• 發明（設計）人: 申景詩;呼夏苗;曹長慶;吳曉鵬;馮喆珺;曾曉東;王婷;陳堃
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01C1/00
• 分類號: G01C1/00;G01C15/00
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

本發明提出了一種亞微米量級的高精度探測系統和位置角度探測方法，主要解決了現有位置和角度探測系統測量精度低、系統體積大、價格昂貴的問題，其包括：光路單元(1)、探測單元(2)和信息處理單元(3)。其中，探測單元(2)使用了兩個位置敏感探測芯片同時獨立測量位置和角度信息。外部的模擬光源準直通過光路單元到達探測單元，探測單元將獲得的電壓信息傳送到信息處理單元，信息處理單元將計算得到的位置和角度值實時顯示在上位機的程序頁面上。本發明簡化了系統結構，減小了系統體積，提高了檢測過程的靈敏性和檢測結果的可靠性，適用于對亞微量級的目標探測和干擾檢測。

技術領域

本發明屬于光電探測領域，特別涉及一種位置敏感探測系統，可用于目標檢測。

背景技術

目標檢測在信息化高速發展的時代占據重要的地位，對被測物體的距離和方位角的探測技術也逐漸成為人們關注的熱點。目前的測量方式主要有接觸式和非接觸式兩種。接觸式測量有速度慢、可能損傷被測物件、發生碰撞和由于磨損作用而造成額外的維修保養成本等缺點。相比之下，非接觸式測量由于不存在接觸力而有測量范圍廣、速度快、量程大等優點，逐漸成為精密檢測技術的主要發展方向。

位置敏感探測器PSD作為一種光電探測器，憑借其自身的高響應度、高分辨率、信號處理簡單等特點，在位移測量、三維運動測量、微小角度測量以及平行度測量中顯示了廣闊的應用前景，在測距系統中被廣泛青睞。

相對于其他類型的光電傳感器，PSD的主要優點在于它是無盲區的連續性器件，并且在無需額外器件的情況下就可以做成大面積的測量系統。如今，PSD已被廣泛應用于需求低成本或高速位置檢測的商業和工業應用中，比如非接觸式距離測量、激光光束準直和物體的光電跟蹤等場合，也應用于精密光學準直方面，比如生物醫療應用、機器人、過程控制和位置信息系統等。

如今，美國、日本、英國等發達國家在PSD研究和制造方面已經具有相當高的水平，其產品性能日臻完善。50年代至80年代主要是注重PSD特性研究和從實驗研究轉化為產品開發的階段。因此過去在應用上不如電荷耦合器件CCD器件那樣廣泛。相比光電二極管陣列和CCD的逐行掃描，PSD忽略了光斑形狀細節，直接給出光斑重心位置，高效而快捷。日本松下、瑞典Sitek和美國UDT等開發出了多種規格、能滿足不同要求的一維和二維PSD系列產品及相應的處理電路，但價格昂貴。目前，在國內利用PSD探測芯片實現的位置和角度測量系統存在產品體積大、系統復雜、測量精度低的缺點。

發明內容

本發明的目的在于克服目前市場上PSD精度低、尺寸大、結構復雜的缺陷，提供一種亞微米量級的高精度探測系統及位置角度探測方法，以較簡單的結構獲得位置和角度的高精度探測。

為實現上述目的，本發明的系統包括：光路單元、探測單元和信息處理單元，其特征在于：

所述的光路單元，包括透鏡、分光棱鏡和3個直角棱鏡；

所述的探測單元，包括位置探測芯片PSD_B和角度探測芯片PSD_A；

所述分光棱鏡和位置探測芯片PSD_B位于透鏡的焦平面上，即位于透鏡后175mm處，角度探測芯片PSD_A位于透鏡之后的83.5mm位置處；

激光經過透鏡打在分光棱鏡上分成兩束，一束反射到位置探測芯片PSD_B，另一束透過分光棱鏡到達第一直角棱鏡后，再依次全反射到第二直角棱鏡和第三直角棱鏡，到達角度探測芯片PSD_A。

進一步，信息處理單元包括：

數據采集模塊，用于采集位置探測芯片PSD_B和角度探測芯片PSD_A電極上的電壓值；

數據處理模塊，用于將采集數據模塊里采集到的電壓值計算得到位置和角度值；