改进型二维位置敏感探测器检测误差的校正

　　0　引　言

　　位置敏感探测器(position sensitive detector, PSD)具有响应速度快、位置分辨力高、能同时检测位置和光强等突出特点,适合用于位置、位移、厚度等的动态实时检测。PSD可分为一维和二维两类,分别用来测量光点在直线和平面上的运动位置,其中,二维PSD在激光准直、光学定位跟踪等测量领域具有更广阔的应用前景^[1~4]。但二维PSD存在位置检测误差比较大的明显缺点,如日本Hamamastu公司的改进表面分流型二维PSDS1880,在传感性能较好的A区(±2. 5 mm)应用时,其位置检测误差的典型值高达80μm。为此,本文作者研究设计了传感器位置检测误差标定系统及数据处理方法,实验结果表明:经标定修正后,在A区应用时,传感器的位置检测误差可小于±0.02mm。

　　1　改进型二维PSD及信号调理电路

　　改进表面分流型二维PSD是20世纪90年代发展起来的一种新型传感器。如图1所示,改进表面分流型二维PSD采用枕形结构,其敏感面为L×L=12mm×12mm,考虑到边缘效应的影响,实际应用的范围一般在±5mm的正方形区域,将此区域定义为A+B区,其中,A区为±2. 5mm的正方形区域。传感器的信号电极从对角线上引出,根据Gear定理^[5],这样的结构形式有利于提高传感器的线性度,如日本Hamamastu公司的改进表面分流型二维PSD产品S1880,其位置检测误差在A区应用时,比表面分流型二维PSDS1200减小了一半。

　　设光源发出的光线照射到PSD的光敏面上某点(x,y),由于光电效应以及横向光电效应^[1],可知在信号电极上有四路电流信号输出X₁,X₂,Y₁,Y₂,可以证明

　　式中　x,y为入射光点距PSD中心的坐标;X₁,X₂,Y₁,Y₂为4个信号电极上的输出电流信号。

　　式(1)和式(2)说明,将PSD的4个信号电极的输出电流信号进行一定的加减运算和除法运算后,将得到光点的位置信号(x,y),专用信号调理电路C4674可实现此功能。

　　C4674是Hamamastu公司为改进表面分流型二维PSDS1880设计的专用信号调理电路。如图2所示,四路放大器选用了低漂移高输入阻抗型前置放大器(OP400),其功能是将PSD的四路小电流信号转变为电压信号,通过和差运算后送到除法器AD538作除法运算,其输出信号X₀和Y₀与入射光点位置(x,y)成正比。实验时,以5mW的半导体激光器(波长为0. 635μm)作光源,分别以自然光和40W的日光灯作背景光,实验结果表明:在稳定的背景光下,C4674输出的电压信号与入射光点位置有很好的线性关系。

　　C4674在应用中应注意: (1)C4674提供了一个输出口用来监测入射光的强度,该输出口电压如果小于1V,由于元件噪声将使测量精度降低,而电压大于10V,输出信号X₀和Y₀容易饱和。因此,如果光源强度可调节,则可直接调整到使输出口的电压在1~10V之间;如光源强度不可调,可通过改变前置放大器的反馈电阻R_f,使监测输出口的电压在1~10V之间; (2)为了获得较高的测量精度,必须降低背景光的强度使其明显低于信号光源强度。