四象限探测器用作激光准直的特性分析

　　1　引　言

　　硅光电池四象限探测器是在同一芯片上做出四个探测器,这四个探测器具有基本相同的参数,并分别称为A,B,C,D四个象限。四象限探测器用途较为广泛,如激光准直[1,2]、测角[3,4]、位移测量[5,6]、跟踪探测[7]等。本文以激光准直为例,分析了其探测原理、光电转换特性,并进行了详细的探测精度分析。

　　2　四象限探测原理

　　四象限探测器是通过测量来自激光束的光斑质心的位置变化,并借助某种算法来同时确定光斑的两个方向的偏移量。如图1所示,光斑被四个象限分成A,B,C,D四个部分,其面积分别为s1,s2,s3和s4,对应的四个象限产生的阻抗电流为i1,i2,i3,i4。由i1+i4和i2+i3的比例可以确定横向偏移量;由i1+i2和i3+i4的比例可以确定纵向偏移量。采用的算法是:

　　式中的k为比例系数,是一常量。当光斑中心与四象限探测器中心一致时,四象限阴极产生的阻抗电流i1,i2,i3,i4都相等,两个方向的直线度误差为零;当两者中心不重合时,两个方向的偏移量可以由上式求出。

　　3　光电转换特性与验证

　　3.1　四象限光电池的光电转换

　　四象限光电池的光电转换输出是光电流,光电流与投射到光敏面上的光照度的面积积分成正比。光电流为

　　式中,k1为比例系数;EG为光照度。下面仅考虑一维(X方向)的情况, Y方向同理可得。设四象限中的各个参数完全一致,激光束近似为高斯分布,并在高斯分布中心建立坐标系。当光斑中心与四象限探测器中心一致时,有

　　即光电流输出之差与光电池中心偏离高斯光束中心的距离近似为线性关系。Y方向可同理分析,并具有类似的结论。四象限光电池用作高精度位敏探测器正是利用了它在小范围内有线性关系的缘故。

　　3.2　数值模拟与实验验证

　　由式(10)可知,当光束半径w =2,4,8mm时,得到的数值仿真图如图3所示。由图3可以看出,光束半径越大,得到的光电流之差和位置偏移量的线性范围也越大。因此,增大光束半径可以增大仪器的探测范围,同时还可以减小空气扰动对激光准直的影响[8]。但由于四象限光电池探测器和微弱电信号放大电路的噪声难以消除,所以对于光斑能量重心探测器来说,总是存在一个受限于噪声的最小相对检测量Δx/R,其中Δx是绝对位置检测量,R是光斑尺寸或探测器尺寸。因此,若要提高测量灵敏度,则必须减少R[7,8],也就是说准直激光束半径的选择应兼顾两者。

　　图4是作者研制的准直仪在利用四象限作为位敏元件时用高精度光栅尺标定的曲线。由图4可以看出,只有在小范围内(|Δx|<200μm)才具有良好的线性关系,线性相关度为0·99995;在大于20μm时开始出现曲线。对比图3图4,可以得出理论与实际是相符的。