一种四象限光电探测器基于高斯分布的光斑定位方法技术

本发明专利技术提供一种四象限探测器基于高斯分布的光斑定位方法，采用高斯模型等效激光光斑在四象限光电探测器光敏面上的光强分布，根据光斑中心坐标求解公式求解出

A method of spot location based on Gauss distribution for four quadrant photodetector

The invention provides a light spot location method based on Gauss distribution for four quadrant detector. The light intensity distribution of the laser spot on the photosensitive surface of the four quadrant photoelectric detector is equivalent to the Gauss model, and the formula is solved according to the coordinates of the spot center

【技术实现步骤摘要】
一种四象限光电探测器基于高斯分布的光斑定位方法
本专利技术属于光电探测
，涉及一种四象限光电探测器基于高斯分布的光斑定位方法。
技术介绍
四象限光电探测器是一种常见的位置测量器件，它将圆形或方形光敏面窗口通过光刻技术均匀分割成形状相同、参数相等、呈轴对称分布的四个象限以进行位置测量。四象限光电探测器具有体积小、光谱范围宽、位置分辨率高、灵敏度高及动态响应范围宽等优势，可广泛应用于位置测量、激光准直、自动定位、目标跟踪等精密光电检测系统中。四象限光电探测器的测量原理是利用半导体光伏效应工作，每个象限都可看成一个独立的光电二极管。当激光光斑照射到探测器光敏面上时，各象限根据区域内所接收的光斑能量产生相应大小的光电流，通过对光电流进行转换和计算，就可以确定光斑中心的位置坐标。四象限光电探测器基本结构如图1所示，盲区将圆形光敏面分割成A、B、C、D四个区域。当探测器工作时，激光经光学系统汇聚映射在探测器光敏面上，激光光斑中心位置坐标为a(x0,y0)。此时激光光斑在探测器的四象限上的光能量分别为IA、IB、IC、ID，从而对应各象限阴极所输出的光电流分别为iA、iB、iC、iD，光能量与光电流的对应关系如公式(1)所示，In∝in,n＝A,B,C,D(1)当激光光斑在光敏面上产生位移时，各象限接收到的光能量就会产生变化，从而导致各象限输出的光电流产生相应变化。因此，可根据各象限输出的光电流按照一定的计算方法求解出激光光斑的中心坐标a(x0,y0)。用于计算激光光斑中心坐标的方法是影响四象限光电探测器测量精度的重要因素之一。现有方法包括圆模型、高斯分布、椭圆模型及统计分布模型等以等效激光光斑在探测器光敏面上的分布，从而得到不同的光斑中心位置计算方法。其中，基于圆模型的计算方法是最早也是应用最为广泛的一种算法，其模型简单、计算量小，但测量精度较低。而基于高斯分布模型的计算方法更接近实际光斑光强分布，但随之带来的是计算复杂，难以实现实时检测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种四象限探测器基于高斯分布的光斑定位方法，提高了激光光斑中心位置的测量精度，同时在很大程度上降低了计算量，从而可以实时获得激光光斑中心位置。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种四象限光电探测器基于高斯分布的光斑定位方法，采用高斯模型等效激光光斑在四象限光电探测器光敏面上的光强分布，根据光斑中心坐标求解公式求解出或者或者然后通过查找标准正态分布表获得或者或者的值，从而求解出光斑中心坐标(x0，y0)；所述光斑中心坐标求解公式如公式(1)和(2)所示，其中，(x0，y0)为光斑中心的坐标，σ为激光能量分布的束腰半径，UA、UB、UC和UD分别为四个象限输出的电压，U总＝UA+UB+UC+UD为四象限输出电压总和，和分别表示自变量为和的正太分布函数。进一步，标定激光能量分布的束腰半径σ的方法为：首先，将四象限光电探测器固定在工作台上，将激光器安装在转台上；然后，转台沿x轴方向转动θ角度，根据公式(3)计算出光斑中心移动的距离Δx，Δx＝f·tanθ(3)其中，f为四象限光电探测器光学镜头的焦距；最后，根据四个象限电压输出值UA，UB，UC，UD和光斑中心移动的距离Δx按照公式(1)所述方法求出的值，从而获得激光能量分布的束腰半径σ。进一步，转台沿x轴方向转动多个角度，从而获得多个激光能量分布的束腰半径，取多个激光能量分布的束腰半径的平均值作为最终的激光能量分布束腰半径。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于，本专利技术方法采用高斯模型等效激光光斑在四象限光电探测器光敏面上的光强分布，更接近实际光斑光强分布，提高了测量精度，对实际的工程应用有参考意义。附图说明图1是四象限光电探测器光敏面示意图。图2是能量呈高斯分布的激光光斑模型。图3是本专利技术使用的实验平台示意图。图4是激光光斑移动示意图。具体实施方式容易理解，依据本专利技术的技术方案，在不变更本专利技术的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本专利技术四象限探测器基于高斯分布的光斑定位方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本专利技术的技术方案的示例性说明，而不应当视为本专利技术的全部或者视为对本专利技术技术方案的限制或限定。本专利技术的整体思路为，首先光斑采用高斯模型等效，推导出各象限光能量大小；根据光能量与光电流的对应关系，得到光斑位置坐标的关系等式；建立标准正态分布表，通过查询法快速求解出光斑中心位置坐标；标定束腰半径σ值，并将σ的值代入到光斑中心坐标为(x0，y0)的求解关系式中，得到修正后的光斑中心位置坐标。如图2，一般来说，普通激光器出射光斑能量呈高斯分布，光斑能量在其中心处最强，呈圆形向外扩散，且能量逐渐衰弱。激光光斑经光学系统汇聚后落在光电探测器的光敏面上，光斑中心位置坐标为(x0,y0)，其中I(x,y)表示光敏面上(x,y)处的光强值，则呈二维高斯分布等效的光斑能量概率密度函数如公式(2)，其中，I0为整个光斑光能量总和，I0/2πσ2为光斑中心点光强；σ为激光能量分布的束腰半径，其决定了光斑衰减速度和照射范围。对于能量呈高斯分布的激光光斑来说，四象限光电探测器光敏面边界限制了函数积分范围，但由于光斑绝大部分能量都在光敏面内，因此对光敏面边界积分可近似为对无穷域进行积分，整个光敏面上光斑的光能量总和I总如公式(3)所示，一般地，由于四路输出光电流信号较小，为了便于后续处理，通常对各象限光电流信号进行等倍数放大处理，设放大电路增益为E，则放大后输出的电压Un可由公式(4)表示。Un＝Ein,n＝A,B,C,D(4)其中，in为第n象限的光电流大小。结合公式(1)、(3)和(4)，得到四象限输出电压与光能量等效关系如公式(5)。U总＝UA+UB+UC+UD＝M·I总＝MI0(5)其中，M为比例系数，是一常量。根据公式(5)，四象限输出电压与光斑中心位置的关系如下所示：为了求解出光斑中心坐标为(x0，y0)，对公式(6)进行化简，在求解x0时将双重积分先转变为一重积分，得到公式(7)，将公式(5)代入到公式(7)中，并化简得到公式(8)，同理，可以得到关于y0的求解式，见公式(9)，公式(8)和(9)分别为光斑中心位置坐标x0、y0的求解关系式，可以看出x0、y0的具体数值蕴藏在高斯分布函数的积分中，其公式不能用初等函数表，因此需将标准正态分布表在硬件平台上转化成查找表(LUT)，从而利用查表法实时准确地得到光斑中心位置坐标坐标(x0，y0)。查找表的精度很大程度上决定了光斑中心位置测量的精度。当σ＝1，x0＝0，y0＝0，正态分布即为标准正态分布，如公式(10)，由于标准正态分布函数是关于无穷域的积分，考虑到工程上的应用，x∈[-3,3]时已包含整个正态分布面积的99.6％，因此将x轴[-3,3]区间内等分成N个点制成查找表(根据不同的精度要求可确定查找表的存储量)。由于f(x)波形对y轴成轴对称，因此只需标定x>0时的N/2个点。当x<0时，可通过求解得到，这样就能高精度地求解出光斑中心坐标。表1为部分标准正态分布的值，其中表的纵轴表示x值的个位，横轴表示x值小数点后一位，表中数据为与x相对应的值。表1部分标准正态分布表Tab.1Partofthestandardn本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四象限光电探测器基于高斯分布的光斑定位方法，其特征在于，采用高斯模型等效激光光斑在四象限光电探测器光敏面上的光强分布，根据光斑中心坐标求解公式求解出

【技术特征摘要】
1.一种四象限光电探测器基于高斯分布的光斑定位方法，其特征在于，采用高斯模型等效激光光斑在四象限光电探测器光敏面上的光强分布，根据光斑中心坐标求解公式求解出或者或者然后通过查找标准正态分布表获得或者或者的值，从而求解出光斑中心坐标(x0，y0)；所述光斑中心坐标求解公式如公式(1)和(2)所示，其中，(x0，y0)为光斑中心的坐标，σ为激光能量分布的束腰半径，UA、UB、UC和UD分别为四个象限输出的电压，U总＝UA+UB+UC+UD为四象限输出电压总和，和分别表示自变量为和的正太分布函数。2.如权利要求1所述四象限光电探测器基于高斯分布的光斑定位方法，其特征在于，标定激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾国华，唐彦琴，钱惟贤，陈钱，任侃，路东明，张骏，杨成章，龚振飞，赵铁锟，姚琴芬，
申请(专利权)人：南京理工大学，西安西光创威光电有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32