红外主动式PSD测距系统

　　引　言

　　对某一特定物体距离的测量是光学仪器领域的热门课题之一。在机器人视觉方面,快速精确的测距系统使机器人迅速准确地判断目标与机器人的距离,以便使机器人迅速做出相应的判断和动作。在照相机或其它成象仪器中,精确地获得目标距离信息,可使仪器成象清晰,获得满意的效果。

　　测距方法很多,目前应用较多的主要有反射能量法、超声时间法、带运动机构的双象比较法和PSD测距法[1,2]。反射能量法中仪器发射一束光(通常是近红外光)照射到被测物体表面,仪器同时接收被测物体的反射光能量,根据接收到的反射光能量来判断被测物体的距离;超声时间法测量一束超声波从发射到反射回仪器的时间来判断被测距离;带运动机构的双象比较法则比较复杂,系统中有二套光路对被测物体成象,其中一套光路是经过可运动的反光镜获得的,接收系统及时比较二套光路来的图象,当二者一致时,就可根据可运动反光镜的位置来获得物体的距离信息;PSD测距法利用三角测距原理,用一种称之为位置敏感器件(PositionSensitive Device)的PSD元件来获得二路输出信号,根据这二路信号来获得物体的距离量值。本文将对此作一介绍,并给出部分实验结果。

　　1　PSD测距原理

　　位置敏感器件PSD是在表面层能产生光电效应的PN结上,分别引出相对应的二组电极和公共极,如图1所示。

　　在PSD元件上,电极A到电极B的距离为D,其内阻为RD。当接收入射光线后,光束位置到电极A的距离为x,相应电阻值为Rx。由于光线入射后产生光电子,使电阻层内的光电流与入射光强成正比,并与入射光束到各电极间的距离成正比。当入射光点一定后,则在电极A与电极B处,产生与入射点到相应电极的间距有关的对应电流。例如,光束激发后的总光电流为I0,相应电极A与电极B端产生的电流分别为IA和IB,各量值符号的意义如图1所示,测距系统几何关系如图2。为使测距范围更宽、灵敏度更高,PSD的中心并不对准无限远,而是对准中间距离l0处。由几何关系可知,这时的PSD实际上已经移位了一个偏移量Δ_xo:

　　上式表示输出电流的比值Pl与物距l的相互关系,所以不需确定各点电流值,完全可由比值Pl获得相应于被测物距l的参数值。这种方式可降低对控制电路的要求,测距变得比较容易。如系统结构选lb=34mm,f′=15mm,D=3mm,中间基准物距取l0=2m时,Pl值与物距l的关系如表1。

　　Pl是A、B二路电流的比值,实际电路中要做除法运算是很困难的,可把IA,IB进行对数压缩,也可先把IA,IB分别以相同放大倍率放大和隔直选频后再进行对数压缩,以VA和VB表示(见本文第二部分控制电路),再进行减法运算和放大处理。设对数压缩前的放大隔直选频电路放大倍率为β1,则有: