一种实时标定四象限探测器的方法技术

本发明专利技术提供一种光学测量系统，包括四象限光电二极管探测器，以及被探测物体影像生成装置；还包括安装有玻璃载玻片并能带动所述玻璃载玻片做振动的步进马达；其中，所述的步进马达位于所述的四象限光电二极管探测器与所述的被探测物体影像生成装置间，并使得被探测物体影像生成装置射向四象限光电二极管探测器的光线正好穿过所述步进马达上的玻璃载玻片。本发明专利技术通过玻璃载玻片平移光线的距离和四象限光电二极管探测器的输出信号之间的关系直接标定出四象限光电二极管的输出电压与被探测物体的影像位移间的转换系数，且无需对原光路系统做任何的调节，因而具有操作简单快捷、可实时准确地获取实验参数的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学设备的标定方法，特别涉及
技术介绍
四象限光电二极管探测器(QD)是把四个性能完全相同的光电二极管按照直角坐 标要求排列而成的光电探测器件，常用于激光制导或激光准直中。它具有灵敏度高、响应速 度快(可达亚毫秒量级)、测量精度高、采集信号以数字方式存储、易于后续处理等特点，所 以其在位移测量领域得到了人们的重视及应用。四象限光电二极管探测器的基本结构如图 l所示，它由四个具有相同参数的光电二极管组成，这四个光电二极管分别位于一个圆面的 四个象限。当光照射在探测器上时，由于光伏效应，每支二极管将输出一个正比于自己表面 光功率的电流信号，它们分别为Ip^、l3和14。当被探测物体作微小横向或纵向移动时，如 图1中的灰色圆所示，将引起投射到四象限光电二极管探测器左右部分光功率的差值或上 下部分光功率的差值的变化，从而引起相应的光电流的变化。左右以及上下部分光功率的 差值A Ix禾P A Iy可以分别表示如下 AIx(V工4)-(l2+l3) (1) AIy = (V工2)-(l3+l4) (2) 上式中的A L和A Iy分别与被探测物体影像的横向移动量和纵向移动量成正比。 物体影像造成的光电流再通过四路电流-电压转换电路转换成电压，然后经求和电路以及 取差电路进行运算，最后就能得到代表物体在平面直角坐标上位置(x， y)的输出电压信 号。 要精确测量物体的位移，就必须先对QD进行标定，即得出位移和输出电压信号间 的转换关系，对位移和输出电压信号间的转换关系的标定直接关系到物体位移测量的准 确性。在参考文献1 HL Guo， CX Liu， ZL Li， JFDuan， XH Han， BY Cheng and DZ Zhang， Displacement and force measurementswith quadrant photodetector in optical tweezers, Chin. Phys. Lett. 2003， Vol. 20， No. 6， pp 950-952中给出了一种传统的标定方 法，该标定方法通过移动QD的x， y轴对物体影像进行扫描，得到影像相对于QD的位移与输 出电压的关系曲线，通过对曲线中线性范围内的点作线性拟合即可得出影像相对于QD的 位移与输出电压的转换系数。在图2中就给出了上述传统标定方法中，四象限光电二极管 探测器与光阱捕获的小球相对移动时，输出电压的变化曲线。 传统的标定方法需要人工调节QD的螺旋调节旋钮逐点改变QD的位移，从而产生 影像相对于QD的移动。此方法操作不方便，耗时长，并且可能因为系统的不稳定、QD位移 调节不精确等引起最终转换系数的测量误差，从而进一步对实验结果带来影响。另外，传统 标定方法中获得的位移_电压的转换系数只能应用于和该次QD标定中同样的物体。如果 物体形状不规则或是尺寸不同，就要采用不同的转换系数。但在实验过程中，每个实物的大 小、形状存在一定差别，利用传统的标定方法来获得实验当时每个实物对应的转换系数不 具有可操作性，而采用之前校准得到的系数又必然给实验带来误差。最后，传统的标定方法3不适合对生物细胞等易破坏物体做反复的标定，限制了方法的使用范围。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服对四象限光电二极管探测器的传统标定方法操作不便、耗时 长、容易造成测量误差的缺陷，从而提供一种操作简单、测量精度高的四象限光电二级管探 领lj器。 为了实现上述目的，本专利技术提供了一种光学测量系统，包括四象限光电二极管探 测器，以及被探测物体影像生成装置；还包括安装有玻璃载玻片并能带动所述玻璃载玻片 做振动的步进马达；其中， 所述的步进马达位于所述的四象限光电二极管探测器与所述的被探测物体影像 生成装置间，并使得被探测物体影像生成装置射向四象限光电二极管探测器的光线正好穿 过所述步进马达上的玻璃载玻片。 上述技术方案中，所述的步进马达带动玻璃载玻片做方波振动。 上述技术方案中，所述的步进马达所带动的玻璃载玻片的方波振动角度在±7.5°之间。 上述技术方案中，所述的步进马达的振动频率为2Hz。 本专利技术还提供了一种所述的光学测量系统上实时标定四象限光电二极管探测器 的方法，包括 步骤1)、开启所述的步进马达，由所述的步进马达带动所述的玻璃载玻片做方波 振动； 步骤2)、所述的被探测物体影像生成装置发出的带有被探测物体影像的光线穿过 所述的玻璃载玻片照射到所述的四象限光电二极管探测器上，在所述玻璃载玻片做方波振 动时，被探测物体影像相对于所述四象限光电二极管探测器发生移动，得到所述四象限光 电二极管探测器的输出电压信号； 步骤3)、根据步骤2)得到的输出电压信号，以及玻璃载玻片在做方波振动时被探测物体影像相对于所述四象限光电二极管探测器的位移，计算所述四象限光电二极管探测器的位移与输出电压的转换系数，实现对所述四象限光电二极管探测器的标定。 上述技术方案中，在所述的步骤3)中，所述的玻璃载玻片在做方波振动时被探测物体影像相对于所述四象限光电二极管探测器的位移通过标定得到，所述的标定包括 步骤3-1)、用视频电荷耦合器件采集所述玻璃载玻片振动时所得到的一系列光肼中的被探测物体影像； 步骤3-2)、采用灰度重心法得到被探测物体影像的位置，从而得到被探测物体影像相对于所述四象限光电二极管探测器的位移。 本专利技术的优点在于 1、本专利技术通过玻璃载玻片平移光线的距离和四象限光电二极管探测器的输出信 号之间的关系直接标定出四象限光电二极管的输出电压与被探测物体的影像位移间的转 换系数，且无需对原光路系统做任何的调节，因而具有操作简单快捷、可实时准确地获取实 验参数的优点。 2、本专利技术可以为特定的物体做实时的标定，因而克服了被检测物体尺寸一致性问题给传统方法的一次标定多次使用所带来的缺陷。 3、本专利技术不对被检测物体本身做诸如移动等操作，不会对被检测物体造成影响， 具有广泛的应用范围。附图说明相对移动图1为四象限光电二极管探测器的结构示意图2为采用传统的标定方法得到的四象限光电二极管探测器与光阱捕获的小球 时输出电压的变化曲线图3为在一个实施例中采用本专利技术方法的光镊系统的光路结构示意图4为玻璃片做方波振动时四象限光电二极管探测器所输出的电压信号曲线图。图面说明1卤素灯4第一滤光镜7汞灯10物镜13第二透镜16CCD19第一扩束透镜 22第三扩束透镜2第-5聚光镜 8第二滤光镜 ll辅助物镜 14目镜 17底出口 20第二扩束透镜 23第三分色镜25四象限光电二极管探测器3第一反射镜 6物平面 9第一分色镜 12第二分色镜 15第四分色镜 18激光 21第二反射镜 24第四扩束透镜 26玻璃载玻片具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术加以说明。 在本专利技术的一个实施例中，以常见的光镊系统为例，对在该系统中如何利用本发 明的方法加以说明。 在图3中，给出了一个光镊系统的示意图，从图中可以看出，该光镊系统包括有一 个倒置研究型光学显微镜，一个电荷耦合器件(CCD，ChargeCoupled Device)以及一个四象 限光电二极管探测器(QD)，此外，还包括有其他必要的光学元件，如透镜、反射镜等。其中， 倒置研究型光学显微镜由图中的虚线框本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学测量系统，包括四象限光电二极管探测器，以及被探测物体影像生成装置；其特征在于，还包括安装有玻璃载玻片并能带动所述玻璃载玻片做振动的步进马达；其中，所述的步进马达位于所述的四象限光电二极管探测器与所述的被探测物体影像生成装置间，并使得被探测物体影像生成装置射向四象限光电二极管探测器的光线正好穿过所述步进马达上的玻璃载玻片。

【技术特征摘要】
一种光学测量系统，包括四象限光电二极管探测器，以及被探测物体影像生成装置；其特征在于，还包括安装有玻璃载玻片并能带动所述玻璃载玻片做振动的步进马达；其中，所述的步进马达位于所述的四象限光电二极管探测器与所述的被探测物体影像生成装置间，并使得被探测物体影像生成装置射向四象限光电二极管探测器的光线正好穿过所述步进马达上的玻璃载玻片。2. 根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于，所述的步进马达带动玻璃载玻 片做方波振动。3. 根据权利要求2所述的光学测量系统，其特征在于，所述的步进马达所带动的玻璃 载玻片的方波振动角度在±7.5°之间。4. 根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于，所述的步进马达的振动频率为2Hz。5. —种在权利要求l-4之一的光学测量系统上实时标定四象限光电二极管探测器的 方法，包括步骤1)、开启所述的步进马达，由所述的步进马达带动所述的玻璃载玻片做方波振动；步骤2)、所述的被探测物体影像生成装置发出的带有被探测物体...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭红莲，屈娥，凌林，黄璐，李兆霖，张道中，李志远，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]