位置敏感探测器综合实验仪的研制

杨应平,陈梦苇,胡昌奎,贾信庭

(武汉理工大学 理学院 物理实验教学示范中心，湖北 武汉 430070)

1 引 言

位置敏感探测器(Position sensitive detector，PSD)，是一种对入射到光敏面上光斑的能量中心位置敏感的光电器件. 相对于其他类型的光电传感器，PSD的主要优点在于它是无盲区的连续性器件，并且存在无需额外器件就可做成大面积系统的可能性[1-3].

位置敏感探测器被广泛应用于需求低成本或高速位置检测的商业和工业中，比如非接触式距离测量、激光光束准直和物体的光电跟踪等场合，也应用于精密光学准直方面，比如生物医疗应用、机器人、过程控制和位置信息系统等. 据此，物理实验中心开发了用于大学生实验的位置敏感探测器综合实验仪，借助该实验仪既能够完成系统组装调试、激光器驱动、PSD特性测试、输出信号处理及误差补偿等基础实验，也可以完成基于单片机的PSD信号采集系统设计、PSD上位机软件设计、使用LCD和上位机显示光斑中心位置等设计性、研究性实验内容. 通过实验，学生可以掌握位置敏感探测器原理及利用实验仪进行设计性实验等内容. 作为高等院校应用物理、光电信息科学与工程、电子科学与技术、测绘工程、机械电子工程、测控技术与仪器等理工科专业的实验教学仪器，对提高学生对光斑定位及其实际应用的实践和提高物理实验教学示范中心的教学质量都有积极的作用.

2 位置敏感探测器原理与实验装置

2.1 位置敏感探测器原理

位置敏感探测器是利用嵌入式电阻层来生成位置灵敏信号电流的单一光电二极管，其工作机理是半导体的横向光电效应[4]. 横向光电效应是指当PN结一面被非均匀辐照时，平行于结的平面上出现电势差，形成光生伏特电压或光生电流的现象. 工作原理如图1所示. 当PSD未受光照时，沿着结平面电势均匀，横向无电势差. 当光束照在P型层表面某个区域时，激发光生电子空穴对，电子空穴对在PN结耗尽层分离，并在内电场作用下，电子向N型层运动，空穴向P型层运动. 如果N型层高浓度掺杂，电导率很大，为等电势层，那么经漂移运动来的电子属于多数载流子，将快速离开照射区在整个N型层均匀分布. P型

图1 PSD工作原理图

层由于电阻率很大而出现光生空穴的堆积，结果出现横向电势差，在横向电场作用下光生空穴离开照射区向两边电极运动形成横向电流.

若以PSD器件的几何中心点为坐标原点，设光斑中心距原点的距离为x，流过N型层上电极的电流为I，流过P型层两电极的电流分别为I1和I2，满足I=I1+I2，PSD光敏面长度为2L，则有如下关系：

(1)

由(1)式得：

(2)

由(2)式可知，电极1和2的输出电流经过适当的信号放大以及运算处理可以得到反映光斑位置的信号输出，即可测出光斑能量中心对于器件中心的位置x，它只与电流I1和I2的和、差及其比值有关，而与总电流无关. 流经电极3的电流即总电流I，与入射强度成正比，所以PSD器件不仅能检测光斑中心的位置，而且能检测光斑的强度.

2.2 实验装置

位置敏感探测器综合实验仪分为机械和信号处理两部分，采用650 nm红光点状激光器作光源，位置敏感探测器作为光电探测接收器测量光斑中心位置和光强等信息. 激光器和位置敏感探测器固定在机械调节部分，如图2(a)所示，使用航插与实验仪信号处理电路连接. 实验仪信号处理部分如图2(b)所示. 图3为实验仪总体功能框图. 光源发射的激光照射在PSD的光敏面上，PSD输出两路光电流信号，前置放大电路将其转换为电压信号并进行放大，经加法电路和减法电路得到2路信号的和与差， 其中加法电路输出电压的极性为正， 而减法电路输出电压的极性不确

定，所以需要对减法电路的输出进行电平抬升和相位调整，以方便后续电路处理和数据采集. 由于PSD的光谱范围比较宽，所以其输出信号不仅包括光源照射所产生的有用光电信号，还包括背景光和暗电流的影响而存在的噪声源. 考虑该影响在整个光敏面是均匀的，对2路输出电流的影响相等，所以可以认为减法结果不受影响，只需对加法结果进行补偿调零. 信号处理部分实际实现电路原理图如图4所示.

(a)实验装置外观图

(b)实验箱内部结构图图2 实验装置实物图

图3 位置敏感探测器实验仪总体功能框图

图4 一维PSD信号处理电路原理图

学生利用实验仪实现光斑中心定位的方法有2种：1)硬件模拟定向，采用运放LF353进行I/V变化、信号放大和信号加减运算，通过液晶显示定向结果. 2)软件定向，通过A/D转换电路对2路输出数据进行采集处理，经过微处理器运算处理，将数据送至计算机，由计算机软件实时显示定向结果，软件运行界面如图5所示.

图5 计算机软件运行界面

2.3 实验数据处理

利用研制开发的实验仪按照一定的实验要求进行了数据测量[5]，光斑能量中心偏离器件中心的距离x与2路电流I/V变换后的输出电压差ΔU的测量数据如表1和图6(a)所示.

(a)测量数据

(b)数据拟合曲线图6 测量数据与数据拟合曲线图

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

舍去靠近探测器边缘的数据，对测得的x与ΔU之间的关系进行了一次拟合，得到的拟合曲线和拟合式分别为图6(b)和式(3)所示：

x=1.305ΔU+0.016 85.

(3)

拟合结果的误差平方和为0.049 98 ，接近于0，说明数据拟合效果很好；确定系数为0.999 8和校正确定系数为0.999 8均接近于1，说明模型对数据拟合很好；标准差为0.027 73，接近于0，即预测数据与原始数据的点对点误差也较小. 从实验结果可以看出，PSD在靠近边缘的位置会出现较大的非线性，而在中心区域具有很好的线性输出关系.

3 结束语

对位置敏感探测器信号处理方法和光斑中心定位原理进行了研究，在此基础上研制开发了位置敏感探测器综合实验仪. 该实验装置围绕位置敏感探测器能够完成验证性、设计性等多方面实验内容. 利用该装置进行了实验数据测量，测量结果线性度好、灵敏度高、可重复性好，能够实现对光斑能量中心位置的非接触性测量.

参考文献：

[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] 朱梦实,张权,李元旭,等. 使用四象限探测器测量微小位移[J]. 物理实验,2013,33(1):8-11.

[3] 陈玉林,马龙,顾斌,等. 基于线阵CCD的迈克耳孙干涉条纹计数器[J]. 物理实验,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] 杨应平，贾信庭，陈梦苇. 光电技术实验[M]. 北京：北京邮电大学出版社,2012.