基于四象限的光斑位置探測系統(tǒng)設計

龔元霞 劉福華 許孝敏 劉 杰

（西京學院 理學院，陜西 西安710123）

1 位置探測器介紹

本文主要研究的是運動光斑的位置探測，現(xiàn)有的運動光斑的探測器有很多種，主要有電荷耦合器件、位置敏感器件以及四象限探測器。本文選擇的四象限探測器，探測系統(tǒng)的核心器件進行研究。

1.1 探測器的選擇

四象限探測器是將四個性能完全相同的光電探測器按照直角坐標系的方式排列，利用光生伏特效應將光信號轉換為電信號的器件。光照射到探測器上，探測器的光敏面會形成四個單獨的區(qū)域，由于光斑占用每個區(qū)域的面積不同，從而換算出光斑占用光敏面四個區(qū)域的光電壓不同，來解算光斑實際位置。

本文選擇的四象限探測器如圖1，具體尺寸為30mm（長）X30mm（寬）X15mm（厚），感光口徑為10mm，入光口上帶螺紋，內螺紋大小為M12。

圖1 四象限探測器

探測器的下側有M4 的螺絲，長度約為6mm，用此連接支桿可以固定整個探測器。末端接頭采用的是標準的6 針PS2 接頭，如圖2。

圖2 探測器末端接頭

選用的四象限探測器主要性能參數(shù)：

根據(jù)本系統(tǒng)所應用到的環(huán)境以及硬件的要求，四象限探測器的主要性能參數(shù)設計如表1。

表1 四象限探測器性能參數(shù)

1.2 四象限探測器工作原理

當光照射四象限探測器的光敏面上后，光斑與探測器光敏面的分布如圖在探測器平面上的分布如圖3 所示，因探測器有四個像元，四個像元是獨立的，光斑因為離四個像元的遠近不同，占用的每個像元的面積也有所不同，這樣四個像元因為光電效應產生的電壓也有所不同，根據(jù)這些電壓差別可換算出光斑在探測器上的相對位置。

圖3 探測原理

1.3 探測算法的選擇

根據(jù)本文四象限探測器的探測原理，電壓與光斑位置的解算關系如下：

本文選擇比較簡單的加減定位算法對光斑位置進行計算推導。設四象限光敏面的半徑為R，光斑的半徑為r，假設光斑為均勻光斑，則有光斑解算位置換算關系式如下：

由可公式（3）、公式（4）可以看出，光斑實際位置和解算位置為非線性，不能直接反解出實際位置。當光斑中心位置距離四象限探測器中心較小時，則有：

2 硬件電路的設計

本文主要選擇主控芯片F(xiàn)PGA，再結合外圍信號處理電路，有前置放大電路、模數(shù)轉換電路以及濾波電路等來實現(xiàn)光斑的探測功能。系統(tǒng)設計框圖如圖4。首先，光斑會經過四象限探測器的光伏效應轉換為微弱的電信號，在經前置放大電路放大信號之后經過濾波電路處理一下無用信號，最后經過模數(shù)轉換輸出上位機以及其他外界設備所需要的信號。

圖4 系統(tǒng)設計圖

圖5 為本文控制系統(tǒng)的采集驅動電路板左側是PS2 座接口，右側是RS232 串口通信的接口。

圖5 采集驅動電路板

FPGA 的AD 轉換采用的是ADS1115 芯片，芯片本身帶有放大以及模數(shù)轉換功能；濾波模塊采用最常見的二階濾波電路。FPGA 的接口電路采用雙模式接口，一種是JTAG 模式的接口電路，一種是AS 模式的接口電路，兩種接口共同實現(xiàn)系統(tǒng)的內部測試。電源電路的電路板的供電電源為5V，所選用的FPGA 的I/O 口供電電壓包括3.3V、2.5V 和1.5V。

3 上位機顯示軟件設計

3.1 界面介紹

為了清晰地看到光斑位置的變化以及對光斑位置測量的誤差的判斷，本文設計了一個顯示軟件，可以清晰地將光斑位置顯示在軟件中設計的坐標系中，軟件界面如圖6 所示。

圖6 光斑顯示軟件

左上角是用于通信端口的選擇，下面的四象限用于顯示光斑位置；右側是一些具體參數(shù)的設置。此測試軟件是用C++語言由C++ Borland Builder 編寫，其中里面的RS232 通信部分是需要專門的串口通信控件MSCOMM32.OCX 完成。

3.2 使用介紹

此位置探測系統(tǒng)的使用十分簡單：將光照射到四象限探測器的光敏面上，將附帶的USB 轉RS232 模塊的USB 口插入電腦，打開軟件，選好COM 端口后，在軟件上就能顯示光斑的位置信息了。當跟蹤發(fā)散性光源時，可以在位置探測器的入光口安裝小鏡頭，通過成像的方式來跟蹤光源位置，鏡頭是標準M12接口，市面上很常見。當入射的激光光強較高時，應該在探測器入光口前加適當?shù)乃p片，以免像元電壓飽和。

4 結論

本設計主要研究的就是基于四象限光電探測器的位置探測系統(tǒng)，相比較其他多元探測系統(tǒng)、紅外探測系統(tǒng)在探測效率、可靠性、抗干擾能力、復雜程度、質量體積、成本等諸多方面具有其獨到的優(yōu)越性。當跟蹤發(fā)散性光源時，可以在位置探測器的前端安裝光學單元，通過成像的方式來跟蹤光源位置。該設計方案也可以用于監(jiān)視激光光束的指向或陽光的入射方向從而實現(xiàn)對光源的跟蹤。