基于Duolateral PSD的高精度光位置检测系统

　　1引言

　　灵巧快速的可见光位置检测仪是近年来迅速发展的一项新技术，在工业加工制造、仪器装配等场合有着广泛应用。实现可见光位置检测功能的方法很多，如PSD、CCD、CMOS。PSD是一种横向(lateral)光电效应器件，与CCD、CMOS相比，具有位置分辨率高、对聚焦要求不严、不存在测量死区等优点。但是，在应用过程中，PSD也表现出了一些不尽人意的地方，如检测错误率高、线性度差等。在此基础上，业界推出了Duolateral PSD。Duolateral PSD在保持普通PSD优良性能的同时，检测错误率和非线性度方面得到了极大的提升。

　　2 Duolateral PSD工作原理

　　体基片上布上均匀的P型电阻层，在电阻层的末端引出两条导线，导出x位置信号;基片背面是N型电阻层，在末端也引出两条导线，导出y位置信号，如图1所示。当一束光照射到PSD工作面，在入射点产生与光强成正比的光电转换电流，电流经过电阻层流向电极，由于入射点与各电极的距离不同，因而各电流方向的电阻值不同，距离越远的电阻值越大，引出的电流越小，距离越近的电阻值越小，引出的电流也就越大。

　　Duolateral PSD与普通PSD的不同之处在于：Duolateral PSD采用两个电阻层，且两个电阻层的电流方向正交，得到普通PSD两倍大的电流，因而有着非常高的分辨率，可以达到0.1m。同时，电极间干扰较小，测量精度得以提高。

　　Duolateral PSD的输出信号直接反映光斑重心位置，通过对各引脚输出的电流进行简单的计算，就可以得到光斑重心与各引脚的距离，从而确定光斑重心的位置。

　　x方向的位置：

　　y方向的位置：

　　式中Ix,Ix,Iy, Iy分别为4个输出电流，L为电阻层长度。

　　3 二维光位置检测系统设计

　　基于Duolateral PSD的光位置测量系统是典型的光电器件应用系统，由PSD后续信号处理电路、多通道数据采集系统组成。PSD后续信号处理电路主要包括前置放大器、电平转换等电路，完成对微弱光电信号的拾取、放大;多通道数据采集系统由数据滤波、A/D转换器、MCU、LCM及计算机接口等部分组成，完成对放大后的信号数字化、信号处理、显示、传输等功能。

　　4系统标定

　　4.1 标定平台设计

　　为了验证系统的测量性能，设计了一套简易的实验平台。实验平台设计方案如图3所示，主要由支架、激光器、丝杠等组成。丝杠为新加坡UltraIndustria Automation公司的UIA076R9，重复定位精度为±8m，定位精度为20m/30mm。激光器采用上海光机所的DL-100型半导体激光器，中心波长840nm，功率在0~20mA可调。