本發(fā)明涉及光場光強(qiáng)分布測量，特別是一種采用多探測器的光場光強(qiáng)分布測量方法。

背景技術(shù)：

光場光強(qiáng)分布是指在光場面，光功率密度或光照度在二維坐標(biāo)上的分布情況，也稱為光能量分布、光功率密度分布、光照度分布、輻照度分布等，在本發(fā)明中統(tǒng)稱作光強(qiáng)分布。

光場光強(qiáng)分布檢測有著廣泛的應(yīng)用，如，光伏領(lǐng)域的太陽模擬器，需要通過檢測空間輻射光強(qiáng)均勻性進(jìn)行產(chǎn)品分級，a類太陽模擬器的光場光強(qiáng)均勻性需要在2％以內(nèi)；對光束質(zhì)量進(jìn)行分析時，需要對光束截面光場的光強(qiáng)分布進(jìn)行檢測；在投影光刻機(jī)系統(tǒng)，需要對掩模面和硅片面照明光場的光強(qiáng)分布進(jìn)行檢測，計算照明均勻性，還需要對照明光瞳面的光強(qiáng)分布進(jìn)行檢測，以對環(huán)形照明、四極照明等離軸照明模式進(jìn)行評價。需要檢測的光場，有連續(xù)式的，也有脈沖式的。

現(xiàn)有光場光強(qiáng)分布測量裝置，多基于兩種測量方法：

第一種測量方法，采用點探測器掃描的方式實現(xiàn)。采用點探測器在需要測量的光場面進(jìn)行掃描，在時間上依次得到各個空間采樣點的光強(qiáng)，得到光場光強(qiáng)分布。這種測量方法的缺點是光場的時間穩(wěn)定性會影響對光場光強(qiáng)分布的測量結(jié)果。這種影響可以通過增加一路探測器對光源光強(qiáng)隨時間的波動進(jìn)行同步檢測，根據(jù)光源光強(qiáng)隨時間波動的檢測結(jié)果，對光場光強(qiáng)分布測量結(jié)果進(jìn)行修正的方法解決。但是，在一些情況下，會增加系統(tǒng)復(fù)雜性，如光源已封裝在裝置內(nèi)部，需要從光場進(jìn)行分光，需要增加光場分光系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和系統(tǒng)成本；在一些情況下，這種方法很難實現(xiàn)，如大空間范圍的太陽模擬器，光場是由多個光源共同照明形成，空間不同區(qū)域由不同的一個或多個光源照明，一部分光場光強(qiáng)隨時間的波動可能與其他部分光場不同，則不能采用該方法。

第二種測量方法采用面陣探測器。面陣探測器對需要測量的光場面進(jìn)行直接探測，或者采用成像系統(tǒng)將需要測量的光場面成像至面陣探測器上，則可在同一時間得到各個空間采樣點的光強(qiáng)，得到光場光強(qiáng)分布。這種方法不受光源光強(qiáng)隨時間波動的影響。為了實現(xiàn)高空間分辨率，面陣探測器上需要有較多單元探測器，甚至達(dá)到上百萬個，如1024×1024像元(一個像元即一個單元探測器)的面陣ccd探測器。由于單元探測器數(shù)量多，無法進(jìn)行逐個篩選，每個單元探測器的光電響應(yīng)特性，如響應(yīng)非線性、響應(yīng)均一性會有所不同，影響檢測結(jié)果。因此，面陣探測器上所有單元探測器的響應(yīng)非線性、響應(yīng)非均一性必須進(jìn)行標(biāo)定。這種標(biāo)定的技術(shù)難度很高。而且，當(dāng)需要檢測的光場范圍較大時，采用面陣探測器也需要通過掃描增加測試空間范圍或提高空間分辨率，遇到與采用點探測器時相同的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種采用多探測器的光場光強(qiáng)分布測量方法，實現(xiàn)對光場光強(qiáng)分布的高精度檢測。以解決上述現(xiàn)有技術(shù)光源光強(qiáng)隨時間波動影響測量結(jié)果，面陣探測器響應(yīng)非線性、響應(yīng)非均一性標(biāo)定難度大等問題。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種采用多探測器的光場光強(qiáng)分布測量方法，該方法利用的系統(tǒng)包括光電傳感單元、精密掃描臺、信號處理與控制單元；所述的光電傳感單元由精密掃描臺支撐并精密定位，所述的信號處理與控制單元接收光電傳感單元和精密掃描臺的輸出信號，并對它們進(jìn)行控制；

所述的光電傳感單元包含2個以上的點探測器；所述的點探測器是在一次探測時間內(nèi)，能夠?qū)⑵涮綔y區(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為一個電信號的元件；如光電二極管，光電池，光電二極管陣列的一個單元，具有針孔或狹縫光闌的光電二極管，具有熒光轉(zhuǎn)換片的光電二極管；所述的光電二極管，光電池的探測區(qū)域是它們的光敏面；所述的具有針孔或狹縫光闌的光電二極管的探測區(qū)域是針孔或狹縫光闌；所述的具有熒光轉(zhuǎn)換片的光電二極管的探測區(qū)域是熒光轉(zhuǎn)換區(qū)域；

所述的光電傳感單元中一個點探測器稱為傳感探測器，其他探測器稱為參考探測器；

所述的2個以上的點探測器的探測區(qū)域處于同一平面，相鄰點探測器的探測區(qū)域之間的中心距離相等；所述的點探測器的探測區(qū)域所處的平面稱為光電傳感單元的探測面；

所述的精密掃描臺是能夠?qū)⒐怆妭鞲袉卧奶綔y面調(diào)節(jié)至待測光場平面，并帶動光電傳感單元在光場范圍內(nèi)進(jìn)行精密移動的多自由度位移臺；

所述的信號處理與控制單元是存儲和處理光電傳感單元的光電轉(zhuǎn)換信號，并對精密掃描臺的運動和光電傳感單元的光電轉(zhuǎn)換進(jìn)行同步控制的計算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)；

該方法的特征在于包括下列步驟：

1)在所述的信號處理與控制單元的驅(qū)動下，所述的精密掃描臺將光電傳感單元的探測面調(diào)節(jié)至待測光場平面，將光電傳感單元的傳感探測器的探測區(qū)域調(diào)節(jié)至待測光場范圍內(nèi)第一個檢測位置；

2)所述的光電傳感單元進(jìn)行一次光電轉(zhuǎn)換并輸入所述的信號處理與控制單元，所述的傳感探測器的檢測值即為第一個檢測位置的光強(qiáng)檢測結(jié)果i1，并將第一個檢測位置標(biāo)記為已檢測位置；

3)在所述的信號處理與控制單元的驅(qū)動下，所述的精密掃描臺帶動光電傳感單元傳感探測器移動至待測光場平面第i個檢測位置，移動量等于相鄰點探測器的探測區(qū)域之間的中心距離，使得光電傳感單元至少有一個參考探測器位于已檢測位置；其中i＝2,…,m，為待測光場檢測位置的坐標(biāo)編號，共檢測m個坐標(biāo)位置；

4)光電傳感單元進(jìn)行一次光電轉(zhuǎn)換；光電傳感單元傳感探測器的檢測值表示為isi；光電傳感單元參考探測器的檢測值表示為ir(posj)，其中j＝1,2,…,n，為每個參考探測器的編號，n為參考探測器的個數(shù)，posj為第j個參考探測器(1-rj)所處的待測光場的坐標(biāo)編號；所述的檢測值送所述的信號處理與控制單元，信號處理與控制單元根據(jù)下式計算待測光場第i個檢測位置的光強(qiáng)檢測結(jié)果ii：

其中iposj為待測光場第posj個檢測位置的光強(qiáng)檢測結(jié)果，kj為第posj個檢測位置的計算權(quán)重；當(dāng)?shù)趐osj個檢測位置已標(biāo)記為已檢測位置時，kj的值取非負(fù)數(shù)；當(dāng)?shù)趐osj個檢測位置尚未標(biāo)記為已檢測位置或者posj不處于待測光場范圍內(nèi)時，kj和iposj的值取0；計算完成后將第i個檢測位置標(biāo)記為已檢測位置；

5)重復(fù)步驟3)～4)，直至檢測完待測光場平面全部檢測位置，全部光強(qiáng)檢測結(jié)果ii(i＝1,2,…,m)組成的數(shù)據(jù)矩陣即為待測光場光強(qiáng)分布測試結(jié)果。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1.不需要增加分光探測系統(tǒng)即可消除光源的光強(qiáng)波動對光強(qiáng)分布檢測結(jié)果的影響，較易實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單，成本低；

2.只需要2個或2個以上的點探測器，探測器數(shù)量少，探測器的響應(yīng)非線性、響應(yīng)非均一性標(biāo)定較為簡單；也便于對探測器進(jìn)行篩選，挑選響應(yīng)特性相近的組件。

附圖說明

圖1為本發(fā)明采用的多探測器光場光強(qiáng)分布檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明采用的光電傳感單元實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不以此實施例限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

圖1是本發(fā)明采用的多探測器光場光強(qiáng)分布檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，檢測系統(tǒng)由光電傳感單元1、精密掃描臺2、信號處理與控制單元3組成。所述的光電傳感單元1由精密掃描臺2支撐并精密定位，所述的信號處理與控制單元3接收光電傳感單元1和精密掃描臺2的輸出信號，并對它們進(jìn)行控制；

圖2是本發(fā)明采用的光電傳感單元1實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，所述的光電傳感單元1包含2個以上的點探測器；圖2(a)實施例光電傳感單元1包含3個點探測器，分別為傳感探測器1-s，第一參考探測器1-r1，第二參考探測器1-r2；圖2(b)實施例光電傳感單元1包含4個點探測器，分別為傳感探測器1-s，第一參考探測器1-r1，第二參考探測器1-r2，第三參考探測器1-r3；所述的點探測器采用光電二極管，其探測區(qū)域是它的光敏面；圖2(a)、圖2(b)實施例中所有點探測器的探測區(qū)域處于同一平面，所述的點探測器的探測區(qū)域所處的平面稱為光電傳感單元的探測面；圖2(a)、圖2(b)實施例中相鄰點探測器的探測區(qū)域之間的中心距離相等；

所述的精密掃描臺2是能夠?qū)⒐怆妭鞲袉卧?的探測面調(diào)節(jié)至待測光場平面，并帶動光電傳感單元1在光場范圍內(nèi)進(jìn)行精密移動的6自由度位移臺；

所述的信號處理與控制單元3是存儲和處理光電傳感單元1的光電轉(zhuǎn)換信號，并對精密掃描臺2的運動和光電傳感單元1的光電轉(zhuǎn)換進(jìn)行同步控制的計算機(jī)。

本發(fā)明的工作原理和過程如下：

通過精密掃描臺2帶動光電傳感單元1的探測區(qū)域在待測光場范圍內(nèi)進(jìn)行掃描實現(xiàn)待測光場光強(qiáng)分布的檢測；光源的光強(qiáng)波動會對光強(qiáng)分布檢測結(jié)果造成影響；本發(fā)明采用的光電傳感單元1包含2個以上的點探測器，精密掃描臺2帶動光電傳感單元1掃描實現(xiàn)待測光場時，精密掃描臺2的每一次移動量與光電傳感單元1的相鄰點探測器的探測區(qū)域之間的中心距離相等，使得精密掃描臺2的每一次移動傳感探測器1-s均處于待測光場需要檢測位置，至少有一個參考探測器1-r位于已檢測位置；通過在已檢測位置的參考探測器1-r光強(qiáng)檢測值和已有光強(qiáng)檢測結(jié)果，計算光源的光強(qiáng)波動比，對傳感探測器1-s的光強(qiáng)檢測值進(jìn)行修正，消除光源的光強(qiáng)波動對光強(qiáng)分布檢測結(jié)果的影響。

采用圖2(b)所示的4個點探測組成的光電傳感單元1，利用上述的多探測器光場光強(qiáng)分布檢測系統(tǒng)檢測光場光強(qiáng)分布的方法，其特征在于包括下列步驟：

1)在所述的信號處理與控制單元3的驅(qū)動下，所述的精密掃描臺2將光電傳感單元1的探測面調(diào)節(jié)至待測光場平面，將光電傳感單元的傳感探測器1-s的探測區(qū)域調(diào)節(jié)至待測光場范圍內(nèi)第一個檢測位置；

2)所述的光電傳感單元1進(jìn)行一次光電轉(zhuǎn)換并輸入所述的信號處理與控制單元3，所述的傳感探測器1-s的檢測值即為第一個檢測位置的光強(qiáng)檢測結(jié)果i1，并將第一個檢測位置標(biāo)記為已檢測位置；

3)在所述的信號處理與控制單元3的驅(qū)動下，所述的精密掃描臺1帶動光電傳感單元傳感探測器1-s移動至待測光場平面第i個檢測位置，移動量等于相鄰點探測器的探測區(qū)域之間的中心距離，使得光電傳感單元1至少有一個參考探測器1-r1或1-r2或1-r3位于已檢測位置，其中i＝2,…,2500，為待測光場檢測位置的坐標(biāo)編號，共檢測2500個位置；

4)光電傳感單元1進(jìn)行一次光電轉(zhuǎn)換；光電傳感單元傳感探測器1-s的檢測值表示為isi；光電傳感單元參考探測器1-r1或1-r2或1-r3的檢測值表示為ir(posj)，其中j＝1,2,3，為每個參考探測器1-r1或1-r2或1-r3的編號，posj為第j個參考探測器1-rj所處的待測光場的坐標(biāo)編號；所述的檢測值送所述的信號處理與控制單元3，信號處理與控制單元3根據(jù)下式計算待測光場第i個檢測位置的光強(qiáng)檢測結(jié)果ii：

其中iposj為待測光場第posj個檢測位置的光強(qiáng)檢測結(jié)果，kj為第posj個檢測位置的計算權(quán)重；當(dāng)?shù)趐osj個檢測位置已標(biāo)記為已檢測位置時，kj的值取1；當(dāng)?shù)趐osj個檢測位置尚未標(biāo)記為已檢測位置或者posj不處于待測光場范圍內(nèi)時，kj和iposj的值取0；計算完成后將第i個檢測位置標(biāo)記為已檢測位置；

5)重復(fù)步驟3)～4)，直至檢測完待測光場平面全部檢測位置，全部光強(qiáng)檢測結(jié)果ii(i＝1,2,…,2500)組成的數(shù)據(jù)矩陣即為待測光場光強(qiáng)分布測試結(jié)果。

本實施例具有不需要增加分光探測系統(tǒng)即可消除光源的光強(qiáng)波動對光強(qiáng)分布檢測結(jié)果的影響，較易實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單，成本低的優(yōu)點。