位置敏感探测器定位误差的标定方法及标定装置

摘要

本发明提供一种位置敏感探测器定位误差的标定方法及标定装置，标定装置包括电控平移台、单轴精密转台、用于给PSD发射光束的半导体激光器和用于夹持半导体激光器的激光夹持器；单轴精密转台固定于电控平移台上，单轴精密转台上放置有PSD。该方法很容易的调整PSD光敏面法线与电控位移台的移动方向垂直，避免了因坐标系旋转而引入的测试误差，提高了PSD定位误差的测试精度。

说明书

技术领域

本发明属于光学定位跟踪测试技术领域，具体涉及一种高精度位置敏感探测器位置定位误差的标定方法及标定装置。

背景技术

位置敏感探测器(PositionSensitiveDetector，简称PSD)是一种基于非均匀半导体横向光电效应的光电位置传感器，可以准确迅速地探测到入射光斑的能量中心位置，具有很高的位置分辨率和良好的响应特性，适合用于位置、位移等的实时动态检测。目前开发的PSD可分为一维PSD和二维PSD两类，可分别用于测量光点在直线和平面上的运动位置及位移，其中二维PSD在激光准直、光学定位跟踪等测量领域具有广阔的应有前景。

一般情况下，PSD的定位误差为±0.05mm，为了适应和满足更高精度的位移探测，则需要对PSD不同位移量下的定位误差进行标定并加以修正。通常的做法是将光源(半导体激光器LD)通过设计的专用夹具固定在万能工具显微镜的立臂上，PSD安装在万能工具显微镜的工作台上，利用万能工具显微镜x和y两个方向上的位移调节装置调整激光光点入射到PSD光敏面的一个位置上，记下此时PSD的坐标数值，同时记下万能工具显微镜的坐标数值。再次调节万能工具显微镜x和y两个方向上的位移调节装置，使激光光点入射到PSD光敏面的另一个位置上，记下此时PSD的坐标数值，同时记下万能工具显微镜的坐标数值。利用PSD两次的坐标数值，可以计算出两个光点之间的距离，并将其作为测量值。利用万能工具显微镜两次的坐标数值，可以计算出两个光点之间的距离，并将其作为相对真值。测量值与相对真值之差即为PSD的定位误差。

该方法是建立在PSD光敏面和万能工具显微镜二维测量平面平行的前提下，因此PSD光敏面和万能工具显微镜二维测量平面的平行性是影响PSD定位误差测试精度的关键因素，此方法没有调整PSD光敏面和万能工具显微镜二维测量平面平行性的微调环节。如果PSD光敏面和万能工具显微镜二维测量平面不平行，则PSD测量坐标系和万能工具显微镜测量坐标系不为同一个坐标系，两个测量坐标系之间会发生相对旋转，并且此旋转角度在上述的测试条件下是无法获知的，因此也不能对坐标旋转引入的测试误差进行修正。即在两个测量坐标系发生相对旋转的条件下，所获得PSD的测量坐标和万能工具显微镜的测量坐标不能进行直接运算。

由于上述方法的PSD测量坐标系与标准设备测量坐标系之间均存在坐标旋转的现象，为此提出一种高精度位置敏感探测器定位误差的标定方法及标定装置具有一定的实际意义。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种位置敏感探测器定位误差的标定方法及标定装置，很容易的调整PSD光敏面法线与电控位移台的移动方向垂直，避免了因坐标系旋转而引入的测试误差，提高了PSD定位误差的测试精度。

解决上述问题的技术方案：所提供的位置敏感探测器定位误差的标定装置，包括电控平移台、单轴精密转台、用于给PSD发射光束的半导体激光器和用于夹持半导体激光器的激光夹持器；所述单轴精密转台固定于电控平移台上，单轴精密转台上放置有PSD。

上述单轴精密转台通过螺栓与电控平移台固定。

所提供的位置敏感探测器定位误差的标定方法，包括以下步骤：

步骤1：将PSD放置于单轴精密转台上，转动PSD，使PSD的光敏面与电控平移台成夹角，然后固定PSD；

步骤2：调整半导体激光器光束方向，使光束和PSD光敏面垂直，记录PSD的坐标测量值和电控平移台的测量值；移动电控平移台到下一位置后，记录PSD的坐标测量值和电控平移台的测量值；通过两次PSD的坐标测量值计算出两个光点之间的距离，作为测量值；通过两次电控平移台的测量值计算出两个光点之间的距离，作为相对真值；测量值与相对真值之差即为PSD的定位误差；

步骤3：根据PSD的定位误差确定单轴精密转台的转动步距，以确定后的转动步距转动单轴精密转台，然后重复步骤2来测量转动后的PSD的定位误差，经过多次转动单轴精密转台，从而得到PSD的定位误差的数集；

步骤4：

以单轴精密转台的角度位置和相对应的PSD的定位误差分别为横轴和纵轴，绘制曲线；确定曲线所对应函数的单调性，若为单调函数则重复步骤1-4，直到曲线所对应的函数为非单调函数再进行下一步；若为非单调函数则进行下一步；

步骤5：确定步骤4中的非单调曲线极值点的横坐标与纵坐标，其中，横坐标为PSD光敏面与电控平移台移动方向平行时的角度位置，纵坐标为PSD定位误差。

上述步骤3中转动单轴精密转台的方向应按转动单轴精密转台到PSD光敏面与电控平移台平行时转过的角度最小的方向来转动。

本发明的优点：

本发明可以很容易的调整PSD光敏面法线与电控位移台的移动方向垂直，避免了因坐标系旋转而引入的测试误差，提高了PSD定位误差的测试精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是PSD角度—定位误差曲线图。

附图标记明细如下：

1-电控位移台；2-PSD；3-半导体激光器；4-激光夹持器；5-单轴精密转台。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步的详细阐述：

如图1的位置敏感探测器定位误差的标定装置，包括电控平移台1、单轴精密转台5、用于给PSD发射光束的半导体激光器3和用于夹持半导体激光器的激光夹持器4；单轴精密转台5固定于电控平移台1上，单轴精密转台5上放置有PSD2；单轴精密转台5通过螺栓与电控平移台1固定。

实施例中，本实施例中，PSD的标称定位误差为-0.03mm，因此确定转台角度转动步距为1°，在此转动步距下可以保证PSD定位误差的测试精度。整个实验过程中，采样点数为32个。电控平移台的测试精度为2um，单轴精密转台的测角精度为0.1°。为了减少实验中可变因素的对定位误差测试的影响，规定PSD单次探测距离为8mm，也就是说在每一次测量PSD定位误差时，移动电控平移台，使PSD的测量值为8mm。

整个实施例的具体实现过程如下：

步骤1：将PSD放置于单轴精密转台上，调整PSD光敏面，使其与电控平移台移动方向存在一定的夹角。

将PSD放置于单轴精密转台上，目视观察，调整PSD光敏面，使其与电控平移台移动方向存在一定的夹角，为了减少计算量，此角度一般小于20°。然后将PSD和单轴精密转台固连，防止在测试过程中PSD发生位移而影响测试精度。

步骤2：根据电控平移台移动前后PSD的测量坐标值与电控平移台的测量数值计算PSD的单次定位误差。

规定PSD单次探测距离为8mm，也就是说在每一次测量PSD定位误差时，移动电控平移台，使PSD的测量值为8mm。调整半导体激光器光束方向，使其和PSD光敏面垂直，记下此时电控平移台的测量值。移动电控平移台，当PSD的测量距离为8mm时，停止移动，记下此时电控平移台的测量值。移动前后，利用电控平移台两次的测量数值，可以计算出两个光点之间的距离，并将其作为相对真值，8mm与相对真值之差即为单次PSD的定位误差。定位误差测试装置示意图如图1所示。

步骤3：根据PSD定位误差的大小，确定转台的转动步距以及采样点数，按步骤2计算转台转动后PSD的单次定位误差。

本实施例中PSD定位误差为-0.03mm，因此确定转台角度转动步距为1°，在此转动步距下可以保证PSD定位误差的测试精度。转台的转动方向应按转动转台到PSD光敏面与电控平移台平行时转过的角度最小原则来转动。整个实验过程中，采样点数为32个。按步骤2计算32次PSD单次定位误差以及与之对应的角度位置。定位误差与角度位置数据见表1。

表1单次定位误差及对应角度数据

测量序号角度位置(°)定位误差(mm)1-18.3-0.325

2-17.3-0.2873-16.3-0.2514-15.3-0.2195-14.3-0.1896-13.3-0.1627-12.3-0.1378-11.3-0.1159-10.3-0.09610-9.3-0.07911-8.3-0.06412-7.3-0.05313-6.3-0.04314-5.3-0.03615-4.3-0.03216-3.3-0.03017-2.3-0.03118-1.3-0.034

表1单次定位误差及对应角度数据(续)

测量序号角度位置(°)定位误差(mm)19-0.3-0.039200.7-0.047211.7-0.057222.7-0.070233.7-0.085244.7-0.103255.7-0.123266.7-0.146277.7-0.172

288.7-0.200299.7-0.2313010.7-0.2653111.7-0.3023212.7-0.341

步骤4：以转台角度位置和相对应的PSD的定位误差分别为横轴和纵轴，绘制曲线。

根据表1中的数据，以转台的角度位置为横轴，以对应的PSD定位误差为纵轴绘制散点图，鉴于误差——角度曲线理论上应是对称曲线，因此选择二次多项式为拟合函数对散点图进行拟合，并得到函数表达式，如图2所示。

步骤5：求取步骤4中拟合曲线极值点的坐标。

求取步骤4中拟合的非单调曲线极值点的横坐标与纵坐标，横坐标为PSD光敏面与电控平移台移动方向平行时的角度位置，纵坐标为PSD定位误差。由图1可知，拟合曲线具有极大值点，拟合曲线的函数表达式为：

y＝-0.0013x²-0.0075x-0.0405

根据拟合函数，求得极值点的坐标为：x＝-2.8846，y＝-0.03mm，则PSD光敏面与电控平移台移动方向平行时的角度位置为-2.9°，PSD的定位误差为-0.03mm，此值与PSD的标称定位误差为-0.03mm相吻合。