位置敏感探測器綜合實驗儀的研制

楊應平,陳夢葦,胡昌奎,賈信庭

(武漢理工大學 理學院 物理實驗教學示范中心，湖北 武漢 430070)

1 引 言

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

位置敏感探測器被廣泛應用于需求低成本或高速位置檢測的商業和工業中，比如非接觸式距離測量、激光光束準直和物體的光電跟蹤等場合，也應用于精密光學準直方面，比如生物醫療應用、機器人、過程控制和位置信息系統等. 據此，物理實驗中心開發了用于大學生實驗的位置敏感探測器綜合實驗儀，借助該實驗儀既能夠完成系統組裝調試、激光器驅動、PSD特性測試、輸出信號處理及誤差補償等基礎實驗，也可以完成基于單片機的PSD信號采集系統設計、PSD上位機軟件設計、使用LCD和上位機顯示光斑中心位置等設計性、研究性實驗內容. 通過實驗，學生可以掌握位置敏感探測器原理及利用實驗儀進行設計性實驗等內容. 作為高等院校應用物理、光電信息科學與工程、電子科學與技術、測繪工程、機械電子工程、測控技術與儀器等理工科專業的實驗教學儀器，對提高學生對光斑定位及其實際應用的實踐和提高物理實驗教學示范中心的教學質量都有積極的作用.

2 位置敏感探測器原理與實驗裝置

2.1 位置敏感探測器原理

位置敏感探測器是利用嵌入式電阻層來生成位置靈敏信號電流的單一光電二極管，其工作機理是半導體的橫向光電效應[4]. 橫向光電效應是指當PN結一面被非均勻輻照時，平行于結的平面上出現電勢差，形成光生伏特電壓或光生電流的現象. 工作原理如圖1所示. 當PSD未受光照時，沿著結平面電勢均勻，橫向無電勢差. 當光束照在P型層表面某個區域時，激發光生電子空穴對，電子空穴對在PN結耗盡層分離，并在內電場作用下，電子向N型層運動，空穴向P型層運動. 如果N型層高濃度摻雜，電導率很大，為等電勢層，那么經漂移運動來的電子屬于多數載流子，將快速離開照射區在整個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光生空穴的堆積，結果出現橫向電勢差，在橫向電場作用下光生空穴離開照射區向兩邊電極運動形成橫向電流.

若以PSD器件的幾何中心點為坐標原點，設光斑中心距原點的距離為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光敏面長度為2L，則有如下關系：

(1)

由(1)式得：

(2)

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

2.2 實驗裝置

位置敏感探測器綜合實驗儀分為機械和信號處理兩部分，采用650 nm紅光點狀激光器作光源，位置敏感探測器作為光電探測接收器測量光斑中心位置和光強等信息. 激光器和位置敏感探測器固定在機械調節部分，如圖2(a)所示，使用航插與實驗儀信號處理電路連接. 實驗儀信號處理部分如圖2(b)所示. 圖3為實驗儀總體功能框圖. 光源發射的激光照射在PSD的光敏面上，PSD輸出兩路光電流信號，前置放大電路將其轉換為電壓信號并進行放大，經加法電路和減法電路得到2路信號的和與差， 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，所以需要對減法電路的輸出進行電平抬升和相位調整，以方便后續電路處理和數據采集. 由于PSD的光譜范圍比較寬，所以其輸出信號不僅包括光源照射所產生的有用光電信號，還包括背景光和暗電流的影響而存在的噪聲源. 考慮該影響在整個光敏面是均勻的，對2路輸出電流的影響相等，所以可以認為減法結果不受影響，只需對加法結果進行補償調零. 信號處理部分實際實現電路原理圖如圖4所示.

(a)實驗裝置外觀圖

(b)實驗箱內部結構圖圖2 實驗裝置實物圖

圖3 位置敏感探測器實驗儀總體功能框圖

圖4 一維PSD信號處理電路原理圖

學生利用實驗儀實現光斑中心定位的方法有2種：1)硬件模擬定向，采用運放LF353進行I/V變化、信號放大和信號加減運算，通過液晶顯示定向結果. 2)軟件定向，通過A/D轉換電路對2路輸出數據進行采集處理，經過微處理器運算處理，將數據送至計算機，由計算機軟件實時顯示定向結果，軟件運行界面如圖5所示.

圖5 計算機軟件運行界面

2.3 實驗數據處理

利用研制開發的實驗儀按照一定的實驗要求進行了數據測量[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的測量數據如表1和圖6(a)所示.

(a)測量數據

(b)數據擬合曲線圖6 測量數據與數據擬合曲線圖

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

舍去靠近探測器邊緣的數據，對測得的x與ΔU之間的關系進行了一次擬合，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)

擬合結果的誤差平方和為0.049 98 ，接近于0，說明數據擬合效果很好；確定系數為0.999 8和校正確定系數為0.999 8均接近于1，說明模型對數據擬合很好；標準差為0.027 73，接近于0，即預測數據與原始數據的點對點誤差也較小. 從實驗結果可以看出，PSD在靠近邊緣的位置會出現較大的非線性，而在中心區域具有很好的線性輸出關系.

3 結束語

對位置敏感探測器信號處理方法和光斑中心定位原理進行了研究，在此基礎上研制開發了位置敏感探測器綜合實驗儀. 該實驗裝置圍繞位置敏感探測器能夠完成驗證性、設計性等多方面實驗內容. 利用該裝置進行了實驗數據測量，測量結果線性度好、靈敏度高、可重復性好，能夠實現對光斑能量中心位置的非接觸性測量.

參考文獻：

[1] Henry J, Livingstone J. Improved position sensitive detectors using high resistivity substrates [J]. J.Phys.D: Appl.Phys.,2008,41(16):165106-165112.

[2] 朱夢實,張權,李元旭,等. 使用四象限探測器測量微小位移[J]. 物理實驗,2013,33(1):8-11.

[3] 陳玉林,馬龍,顧斌,等. 基于線陣CCD的邁克耳孫干涉條紋計數器[J]. 物理實驗,2012,32(2):21-24.

[4] Narayanan C, Buckman A B, Busch-Vishniac I. Position detection of multiple light beams using phasedetection [J]. IEEE Trans. Instrumentations and Measurement，1994,43(6):830-836.

[5] 楊應平，賈信庭，陳夢葦. 光電技術實驗[M]. 北京：北京郵電大學出版社,2012.