楊應(yīng)平,陳夢(mèng)葦,胡昌奎,賈信庭

(武漢理工大學(xué) 理學(xué)院 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，湖北 武漢 430070)

1 引 言

位置敏感探測(cè)器(Position sensitive detector，PSD)，是一種對(duì)入射到光敏面上光斑的能量中心位置敏感的光電器件. 相對(duì)于其他類型的光電傳感器，PSD的主要優(yōu)點(diǎn)在于它是無盲區(qū)的連續(xù)性器件，并且存在無需額外器件就可做成大面積系統(tǒng)的可能性[1-3].

位置敏感探測(cè)器被廣泛應(yīng)用于需求低成本或高速位置檢測(cè)的商業(yè)和工業(yè)中，比如非接觸式距離測(cè)量、激光光束準(zhǔn)直和物體的光電跟蹤等場(chǎng)合，也應(yīng)用于精密光學(xué)準(zhǔn)直方面，比如生物醫(yī)療應(yīng)用、機(jī)器人、過程控制和位置信息系統(tǒng)等. 據(jù)此，物理實(shí)驗(yàn)中心開發(fā)了用于大學(xué)生實(shí)驗(yàn)的位置敏感探測(cè)器綜合實(shí)驗(yàn)儀，借助該實(shí)驗(yàn)儀既能夠完成系統(tǒng)組裝調(diào)試、激光器驅(qū)動(dòng)、PSD特性測(cè)試、輸出信號(hào)處理及誤差補(bǔ)償?shù)然A(chǔ)實(shí)驗(yàn)，也可以完成基于單片機(jī)的PSD信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)、PSD上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)、使用LCD和上位機(jī)顯示光斑中心位置等設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容. 通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以掌握位置敏感探測(cè)器原理及利用實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容. 作為高等院校應(yīng)用物理、光電信息科學(xué)與工程、電子科學(xué)與技術(shù)、測(cè)繪工程、機(jī)械電子工程、測(cè)控技術(shù)與儀器等理工科專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，對(duì)提高學(xué)生對(duì)光斑定位及其實(shí)際應(yīng)用的實(shí)踐和提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的教學(xué)質(zhì)量都有積極的作用.

2 位置敏感探測(cè)器原理與實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 位置敏感探測(cè)器原理

位置敏感探測(cè)器是利用嵌入式電阻層來生成位置靈敏信號(hào)電流的單一光電二極管，其工作機(jī)理是半導(dǎo)體的橫向光電效應(yīng)[4]. 橫向光電效應(yīng)是指當(dāng)PN結(jié)一面被非均勻輻照時(shí)，平行于結(jié)的平面上出現(xiàn)電勢(shì)差，形成光生伏特電壓或光生電流的現(xiàn)象. 工作原理如圖1所示. 當(dāng)PSD未受光照時(shí)，沿著結(jié)平面電勢(shì)均勻，橫向無電勢(shì)差. 當(dāng)光束照在P型層表面某個(gè)區(qū)域時(shí)，激發(fā)光生電子空穴對(duì)，電子空穴對(duì)在PN結(jié)耗盡層分離，并在內(nèi)電場(chǎng)作用下，電子向N型層運(yùn)動(dòng)，空穴向P型層運(yùn)動(dòng). 如果N型層高濃度摻雜，電導(dǎo)率很大，為等電勢(shì)層，那么經(jīng)漂移運(yùn)動(dòng)來的電子屬于多數(shù)載流子，將快速離開照射區(qū)在整個(gè)N型層均勻分布. P型

圖1 PSD工作原理圖

層由于電阻率很大而出現(xiàn)光生空穴的堆積，結(jié)果出現(xiàn)橫向電勢(shì)差，在橫向電場(chǎng)作用下光生空穴離開照射區(qū)向兩邊電極運(yùn)動(dòng)形成橫向電流.

若以PSD器件的幾何中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，設(shè)光斑中心距原點(diǎn)的距離為x，流過N型層上電極的電流為I，流過P型層兩電極的電流分別為I1和I2，滿足I=I1+I2，PSD光敏面長(zhǎng)度為2L，則有如下關(guān)系：

(1)

由(1)式得：

(2)

由(2)式可知，電極1和2的輸出電流經(jīng)過適當(dāng)?shù)男盘?hào)放大以及運(yùn)算處理可以得到反映光斑位置的信號(hào)輸出，即可測(cè)出光斑能量中心對(duì)于器件中心的位置x，它只與電流I1和I2的和、差及其比值有關(guān)，而與總電流無關(guān). 流經(jīng)電極3的電流即總電流I，與入射強(qiáng)度成正比，所以PSD器件不僅能檢測(cè)光斑中心的位置，而且能檢測(cè)光斑的強(qiáng)度.

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

位置敏感探測(cè)器綜合實(shí)驗(yàn)儀分為機(jī)械和信號(hào)處理兩部分，采用650 nm紅光點(diǎn)狀激光器作光源，位置敏感探測(cè)器作為光電探測(cè)接收器測(cè)量光斑中心位置和光強(qiáng)等信息. 激光器和位置敏感探測(cè)器固定在機(jī)械調(diào)節(jié)部分，如圖2(a)所示，使用航插與實(shí)驗(yàn)儀信號(hào)處理電路連接. 實(shí)驗(yàn)儀信號(hào)處理部分如圖2(b)所示. 圖3為實(shí)驗(yàn)儀總體功能框圖. 光源發(fā)射的激光照射在PSD的光敏面上，PSD輸出兩路光電流信號(hào)，前置放大電路將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并進(jìn)行放大，經(jīng)加法電路和減法電路得到2路信號(hào)的和與差， 其中加法電路輸出電壓的極性為正， 而減法電路輸出電壓的極性不確

定，所以需要對(duì)減法電路的輸出進(jìn)行電平抬升和相位調(diào)整，以方便后續(xù)電路處理和數(shù)據(jù)采集. 由于PSD的光譜范圍比較寬，所以其輸出信號(hào)不僅包括光源照射所產(chǎn)生的有用光電信號(hào)，還包括背景光和暗電流的影響而存在的噪聲源. 考慮該影響在整個(gè)光敏面是均勻的，對(duì)2路輸出電流的影響相等，所以可以認(rèn)為減法結(jié)果不受影響，只需對(duì)加法結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)零. 信號(hào)處理部分實(shí)際實(shí)現(xiàn)電路原理圖如圖4所示.

(a)實(shí)驗(yàn)裝置外觀圖

(b)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

圖3 位置敏感探測(cè)器實(shí)驗(yàn)儀總體功能框圖

圖4 一維PSD信號(hào)處理電路原理圖

學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)儀實(shí)現(xiàn)光斑中心定位的方法有2種：1)硬件模擬定向，采用運(yùn)放LF353進(jìn)行I/V變化、信號(hào)放大和信號(hào)加減運(yùn)算，通過液晶顯示定向結(jié)果. 2)軟件定向，通過A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)2路輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，經(jīng)過微處理器運(yùn)算處理，將數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)時(shí)顯示定向結(jié)果，軟件運(yùn)行界面如圖5所示.

圖5 計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)行界面

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

利用研制開發(fā)的實(shí)驗(yàn)儀按照一定的實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行了數(shù)據(jù)測(cè)量[5]，光斑能量中心偏離器件中心的距離x與2路電流I/V變換后的輸出電壓差ΔU的測(cè)量數(shù)據(jù)如表1和圖6(a)所示.

(a)測(cè)量數(shù)據(jù)

(b)數(shù)據(jù)擬合曲線圖6 測(cè)量數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)擬合曲線圖

x/mmΔU/Vx/mmΔU/Vx/mmΔU/Vx/mmΔU/V-3.900-2.751-1.900-1.4680.1000.0402.1001.603-3.800-2.720-1.800-1.3910.2000.1222.2001.689-3.700-2.674-1.700-1.3130.3000.1962.3001.775-3.600-2.638-1.600-1.2470.4000.2662.4001.849-3.500-2.591-1.500-1.1790.5000.3452.5001.929-3.400-2.535-1.400-1.0990.6000.4272.6002.009-3.300-2.474-1.300-1.0160.7000.5092.7002.086-3.200-2.411-1.200-0.9430.8000.5812.8002.169-3.100-2.351-1.100-0.8740.9000.6542.9002.234-3.000-2.287-1.000-0.8011.0000.7333.0002.308-2.900-2.213-0.900-0.7191.1000.8163.1002.380-2.800-2.137-0.800-0.6421.2000.8993.2002.453-2.700-2.063-0.700-0.5641.3000.9763.3002.520-2.600-1.996-0.600-0.4961.4001.0483.4002.576-2.500-1.929-0.500-0.4211.5001.1253.5002.634-2.400-1.846-0.400-0.3391.6001.2103.6002.686-2.300-1.765-0.300-0.2611.7001.2943.7002.731-2.200-1.689-0.200-0.1841.8001.3763.8002.773-2.100-1.624-0.100-0.1201.9001.4453.9002.805-2.000-1.5490 -0.0382.0001.5184.0002.835

舍去靠近探測(cè)器邊緣的數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)得的x與ΔU之間的關(guān)系進(jìn)行了一次擬合，得到的擬合曲線和擬合式分別為圖6(b)和式(3)所示：

x=1.305ΔU+0.016 85.

(3)

擬合結(jié)果的誤差平方和為0.049 98 ，接近于0，說明數(shù)據(jù)擬合效果很好；確定系數(shù)為0.999 8和校正確定系數(shù)為0.999 8均接近于1，說明模型對(duì)數(shù)據(jù)擬合很好；標(biāo)準(zhǔn)差為0.027 73，接近于0，即預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)誤差也較小. 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，PSD在靠近邊緣的位置會(huì)出現(xiàn)較大的非線性，而在中心區(qū)域具有很好的線性輸出關(guān)系.

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)位置敏感探測(cè)器信號(hào)處理方法和光斑中心定位原理進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上研制開發(fā)了位置敏感探測(cè)器綜合實(shí)驗(yàn)儀. 該實(shí)驗(yàn)裝置圍繞位置敏感探測(cè)器能夠完成驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性等多方面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容. 利用該裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果線性度好、靈敏度高、可重復(fù)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光斑能量中心位置的非接觸性測(cè)量.

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