四象限光电探测器检测与应用的模型法的制作方法

专利名称：四象限光电探测器检测与应用的模型法的制作方法
技术领域：
本发明属于光电探测领域，涉及对四象限光电探测器光路的建模与特征参数提取，从而实现无实验样本的光路参数与电信号的对应关系的建立，用于光电探测器质检及探测器的其它应用的四象限光电探测器检测与应用的模型法。
信号特征参数的提取是检测技术中的一个重要研究内容。四象限光电探测器的输出电信号中本身不可避免地含有一定量的噪声，从探测器输出信号中提取出来的一个特征参数中可能同时包含好几个光路参数的信息，如何从探测器输出的电信号中提取出有效的特征参数，使得这些特征参数所包含的光路参数交叉耦合小，包含的噪声少也是光电探测器应用研究的一个重要内容。有关这种特征参数的提取及其与光路参数的关系的研究也未见报导。惯用的实验标定法采用标定装置给出标准的输入量，获得输入——输出特性，但这在四象限光电探测器中难以实现，因为探测器的输出与多种参数有关，需要建立多维方位角可控精密标定装置，其工艺结构复杂，加工难度大，不易保证精度，成本昂贵，因此实际上均未采用标定法，而是采用基准位置法，宁愿不厌其烦地、反复多次地将四象限光电探测器调节安装在基准位置进行检测。
为了解决上述探测器安装困难问题及其带来的检测误差问题，以及光路参数对探测器输出信号特征参数的交叉耦合问题等，本发明的技术思路是，通过对整个四象限光路进行光路分析，建立起其光路数学模型，以给出光路中所有光路参数(σ、ρ、f、l、R、m、、η、ψ和β)与探测器输出信号(ux和uy)的函数关系(ux＝f(f，l，R，m，，ψ，η，β)，uy＝g(f，l，R，m，，ψ，η，β))。
由于以光路参数为自变量，探测器输出信号为因变量的函数关系式是非线性的，因此很难求得其逆函数。但通常我们可得到的信号是探测器的输出电信号ux和uy，而我们要检测的是光路中的某一个或多个参数，因此，只有以光路参数为自变量，探测器输出信号为因变量的函数关系式还不够，更需要的是以探测器输出信号为自变量，以光路参数为因变量的函数关系式。
本发明采取的技术方案是，四象限光电探测器检测与应用的模型法，其特点是，包括以下步骤1)确定探测器光路参数(以下简称光路参数)，提取探测器输出电信号ux和uy的特征参数(以下简称特征参数)，建立以光路参数为自变量与输出电信号ux和uy的关系式——正模型；正模型函数关系式 2)由正模型产生光路参数与输出电信号ux和uy特征参数之间的数据样本后，建立正模型的反模型，即由ux和uy特征参数为输入量求得光路参数；探测器光路参数选用、ψ、η、R、f、l、β、m，其中β为探测器入射光的扫描角，R、f、l、m为探测器本身的基本参数R探测器凸透镜半径；l探测器光敏面与凸透镜之间的距离；m探测器支架的探测器安装深度；f探测器上凸透镜的焦距；其中、ψ、η表征探测器空间安装状态偏离基准位置有关的偏离度，它们是探测器俯仰、方位偏离的位置角；ψ探测器俯仰、方位偏离的偏离角度；η探测器发生横滚偏离时的偏离角度；也可以用其它相关角表示，或选用其它表征三维空间状态的参数；输出电信号是四象限光电探测器四个区域I、II、III、IV的输出电信号uI、uII、uIII、uIV按照如下关系合成所得 也可以是 还可以是uI、uII、uIII、uIV的其它组合形式，如对角和差，或相乘、除等形式。
探测器的输出电信号ux和uy中包含了探测器光路的全部信息，同时也具有很多的特征，这些特征参数包含着不同的光路参数信启、，因此如何找出这些特征参数与要检测的光路参数的对应关系是光电探测器的另一个重要内容。为此，本发明通过对上述以光路参数为自变量，探测器输出信号为因变量的函数关系式进行分析，从中提取出ux和uy信号的四个特征参数ax、bx、ay和by，这四个特征参数分别主要包含探测器焦距f、光敏面与凸透镜之间的距离l和横滚偏离角度η，方位偏离度，俯仰偏离度等信息。于是，首先由光电探测器测试系统中光路参数与探测器输出信号的函数关系生成任意多的关于光路参数与特征参数的样本，再由这些样本通过神经网络或其它方法进行函数逼近，即可获得以特征参数ax、bx、ay和by为自变量，以光电探测器光路参数为因变量的近似函数关系。在后续的实际检测中，提取出探测器输出信号ux和uy的特征参数ax、bx、ay和by，然后把特征参数代入该近似函数关系式，即可求得光路参数中的一个或几个。例如，在四象限光电探测器的光敏面的离焦量d＝f-l检测中，可以首先由建立的以光路参数为自变量，以探测器输出信号为因变量的模型制作关于四象限光电探测器的光敏面的离焦量d，探测器偏移量、η、ψ与特征参数ax、bx、ay和by的样本，然后用神经网络来逼近函数d＝h(ax，bx，ay，by)。于是，在以后探测器光敏面离焦量的实际检测中，只需从探测器输出信号中提取出特征参数ax、bx、ay和by，然后把这四个参数代入已训练好的神经网络中，即可求得四象限光电探测器的光敏面的离焦量d。
本发明的四象限光电探测器检测与应用的模型法，通过建立四象限光电探测器光路数学模型，即探测器输出电信号的特征参数与探测器光路参数之间的确定函数关系反推出探测器光路的参数，从而实现无须通过标定实验获得样本数据，无须为将探测器安装在基准位置每次检测都对探测器光路进行反复多次调节，即可实现四象限光电探测器本身质量是否合格的检测，以及探测器在旋转体三自由度位移的检测等应用。因为不需要做标定实验样本，不需要建立高精度的多维自由度标定装置。因为探测器在实际应用时不需要进行光路调节，因此大大提高了探测器质量检测，或三自由度位移检测的检测速度。
图4为逼近以特征参数为自变量，以某个光路参数为因变量的函数的神经网络结构图。
五、具体实施方案以下结合附图和发明人给出的具体实施方案对本发明作进一步的详细说明。
依照本发明的技术方案，以检测四象限光电探测器光敏面的离焦量d＝f-l为例来说明如何通过模型法来实现探测器的无实验样本检测。
1、四象限光电探测器的光路如附

图1，四象限的光敏面如图2。通过对该光路的分析，可建立四象限光电探测器关于以σ、ρ、f、l、R、m、、η、ψ和β为自变量，以ux和uy为因变量的函数关系式，并提取四个特征参数ux信号在过零点的切线斜率ax和截距bx，uy信号在过零点的切线斜率ay和截距by。 其中cos2φ＝{sinβ-cos[β+arcsin(sinψsin)-arccos(sinsinψ)]}2+cos2[arccos(sinsinψ)-β] ∠RO3S=arccosO3R2+O3S2-RS22O3R·O3S]]>O3R=O3S2+RS2-2O3S·RScos(ψ+η)]]> O3S＝ltanψ参数说明f四象限光电探测器凸透镜焦距；l四象限光电探测器光敏面与凸透镜之间的距离；R四象限光电探测器凸透镜半径；四象限光电探测器偏离位置；ψ四象限光电探测器偏离角度；η四象限光电探测器横滚偏离角；m四象限光电探测器装在其转载支架上的长度的一半；σ光敏面光电转换系数；ρ探测器入射光的光照度；β探测器入射光的偏离角。特别地，(1)当ψ＝0，η＝0时，探测器处于基准位置；此时uy转化为uy＝0，ux转化为 其中r=Rf-lf,]]>s＝|ltanβ|， 将ux对β求偏导得ax=dux/dβ|β=0=-πτρσR2(f-l)/f.]]>由于f-l为探测器光敏面的离焦量，其它均为定值，因此，在基准情况下，ux信号在其过零点(β＝0)处的斜率ax与光敏面离焦量成正比，利用这一特性可以根据ux过零点的斜率来检测探测器的离焦量d＝f-l或凸透镜焦距f，当然同样地可检测参数l。此时探测器的理论输出信号如图3(a)所示。
(2)当 或 η＝0，但ψ≠0时，探测器处于俯仰偏离位置。此时uy转化为 ux转化为ux=τρσ[2r2arccos(s/r)-2sr2-s2-πr2]·sin∠A`OE]]>其中∠A`OE=arccostan2ψ+tan2βsecβ,t=(l-m)tanψ]]>通常ψ和β的值都比较小，因此sin∠A｀OE≈1，uy近似为一条直线，ψ的信息主要反映在uy的截距by上。此时探测器的输出波形如图3(b)所示。
(3)当＝0或π，η＝0，但ψ≠0时，探测器处于方位偏离位置。此时uy转化为uy＝0，ux转化为 当β＝0时，ux≠0，因此ψ反映在ux过零点的偏移量，也即ux过零点切线的截距bx上。此时探测器的输出如图3(c)所示。
(4)当η≠0，但ψ＝0时，探测器处于横滚偏离位置。此时ux转化为 uy转化为 此时uy的值随β的变化而变化，由于uy表达式中其它参数几乎为恒值，因此η的信息反映在uy的斜率ay上。
2、制作关于特征参数ax、bx、ay和by与探测器离焦量d的样本在建立上述以σ、ρ、f、l、R、m、、η、ψ和β为自变量，以ux和uy为因变量的函数关系式(1)、(2)后，即可通过任意改变、η、ψ、f、l中的一个或几个参数(这里σ、ρ、f、R、m为常数，需要检测的参数是f-l，但存在干扰量、η和ψ)，由关系式(1)、(2)求得关于这些参数与特征参数ax、bx、ay和by的样本。3、建立关于特征参数与探测器离焦量的反模型由这些样本即可通过神经网络来逼近以ax、bx、ay和by为自变量，以、η、ψ、f或、η、ψ、l等一个多个参数为因变量的函数。从而实现探测器光路参数的检测。探测器光敏面离焦量的检测中所用的神经网络模型如附图4。4、实验实测用3中建立的关于d＝f-l的反模型对不同四象限光电探测器进行重复性实测，检测数据如下表。同样地，若有需要，用相同的方法还可测得参数、η和ψ。
三个四象限光电探测器光敏面离焦量d重复检测数据表(mm)
权利要求
1.一种四象限光电探测器检测与应用的模型法，其特征在于包括以下步骤1)确定探测器光路参数(以下简称光路参数)，提取探测器输出电信号ux和uy的特征参数(以下简称特征参数)，建立以光路参数为自变量与输出电信号ux和uy的关系式——正模型；正模型函数关系式 2)由正模型产生光路参数与输出电信号ux和uy特征参数之间的数据样本后，建立正模型的反模型，即由ux和uy特征参数为输入量求得光路参数；探测器光路参数选用、ψ、η、R、f、l、β、m，其中β为探测器入射光的扫描角，R、f、l、m为探测器本身的基本参数R探测器凸透镜半径；l探测器光敏面与凸透镜之间的距离；m探测器支架的探测器安装深度；f探测器上凸透镜的焦距；其中、ψ、η表征探测器空间安装状态偏离基准位置有关的偏离度，它们是探测器俯仰、方位偏离的位置角；ψ探测器俯仰、方位偏离的偏离角度；η探测器发生横滚偏离时的偏离角度；也可以用其它相关角表示，或选用其它表征三维空间状态的参数；输出电信号是四象限光电探测器四个区域I、II、III、IV的输出电信号uI、uII、uIII、uIV按照如下关系合成所得 也可以是 还可以是uI、uII、uIII、uIV的其它组合形式，如对角和差，或相乘、除等形式。
2.如根据权利1所述的四象限探测器检测与应用的模型法，其特征在于所述探测器输出电信号ux和uy特征参数提取的合成输出电信号ux和uy的特征参量可以是ux过零点切线斜率ax截距bx；uy过零点切线的斜率ay截距by；也可以是坐标值；还可以是其它能反映探测器安装状态偏离度的光路参数的相关量。
3.根据权利要求1所述四象限光电探测器检测与应用的模型法，所述正模型关系式还可以是如下关系式 其中cos2φ＝{sinβ-cos[β+arcsin(sinψsin)-arccos(sinsinψ)]}2+cos2[arccos(sinsinψ)-β] ∠RO3S=arccosO3R2+O3S2-RS22O3R·O3S]]>O3R=O3S2+RS2-2O3S·RScos(ψ+η)]]> O3S＝ltanψ参数说明f四象限光电探测器凸透镜焦距；l四象限光电探测器光敏面与凸透镜之间的距离；R四象限光电探测器凸透镜半径四象限光电探测器偏离位置ψ四象限光电探测器偏离角度η四象限光电探测器横滚偏离角m四象限光电探测器装在其转载支架上的长度的一半σ光敏面光电转换系数ρ探测器入射光的光照度β探测器入射光的偏离角特别地(1)当ψ＝0，η＝0时，探测器处于基准位置。此时uy转化为uy＝0，ux转化为 其中r=Rf-lf,]]>s＝|ltanβ|， 将ux对β求偏导得ax=dux/dβ|β=0=-πτρσR2(f-l)/f.]]>由于f-l为探测器光敏面的离焦量，其它均为定值，因此，在基准情况下，ux信号在其过零点(β＝0)处的斜率ax与光敏面离焦量成正比，利用这一特性可以根据ux过零点的斜率来检测探测器的离焦量d＝f-l或凸透镜焦距f，当然同样地可检测参数l；(2)当 或 η＝0，但ψ≠0时，探测器处于俯仰偏离位置，此时uy转化为 ux转化为ux=τρσ[2r2arccos(s/r)-2sr2-s2-πr2]·sin∠A`OE]]>其中∠A`OE=arccostan2ψ+tan2βsecβ,t=(l-m)tanψ.]]>通常ψ和β的值都比较小，因此sin∠A｀OE≈1，uy近似为一条直线，ψ的信息主要反映在uy的截距by上；(3)当＝或π，η＝0，但ψ≠0时，探测器处于方位偏离位置。此时uy转化为uy＝0，ux转化为 当β＝0时，ux≠0，因此ψ反映在ux过零点的偏移量，也即ux过零点切线的截距bx上；(4)当η≠0，但ψ＝0时，探测器处于横滚偏离位置；此时ux转化为 uy转化为 此时uy的值随β的变化而变化，由于uy表达式中其它参数几乎为恒值，因此η的信息反映在uy的斜率ay上；制作特征参数ax、bx、ay和by与探测器离焦量d的样本是在建立上述以σ、ρ、f、l、R、m、、η、ψ和β为自变量，以ux和uy为因变量的函数关系式(1)、(2)后，即可通过任意改变、η、ψ、f、l中的一个或几个参数，由关系式(1)、(2)求得关于这些参数与特征参数ax、bx、ay和by的样本。
4.根据权利要求1所述四象限光电探测器检测与应用的模型法，其特征在于，由正模型生成的数据样本建立了正模型的反模型，反模型的建立可以采用神经网络法，由这些样本即可通过神经网络来逼近以ax、bx、ay和by为自变量，以、η、ψ、f或、η、ψ、l一个和多个参数为因变量的函数，从而实现探测器光路参数的检测；也可以是ux和uy的特征参数为输入量求取光路参数的其它数据融合法。
全文摘要
本发明公开了一种新颖、简洁、实用的四象限光电探测器检测与应用的模型法。该方法通过建立四象限光电探测器光路数学模型,即探测器输出电信号的特征参数与探测器光路参数之间的确定函数关系反推出探测器光路的参数,从而实现无须通过标定实验获得样本数据,无须为将探测器安装在基准位置每次检测都对探测器光路进行反复多次调节,即可实现四象限光电探测器本身质量是否合格的检测,以及探测器在旋转体三自由度位移的检测等应用。因为不需要做标定实验样本,不需要建立高精度的多维自由度标定装置。因为探测器在实际应用时不需要进行光路调节,因此大大提高了探测器质量检测,或三自由度位移检测的检测速度。
文档编号H01L27/14GK1423341SQ0213956
公开日2003年6月11日 申请日期2002年11月29日 优先权日2002年11月29日
发明者刘君华, 汤晓君, 党丽萍, 李文学 申请人:西安交通大学, 中国人民解放军驻西北光电仪器厂军事代表室