位置敏感探测器测量准确度的研究

杨淑连，宿元斌，何建廷，魏芹芹，盛翠霞，申 晋

（山东理工大学电气与电子工程学院，淄博255049）

位置敏感探测器测量准确度的研究

杨淑连，宿元斌，何建廷，魏芹芹，盛翠霞，申 晋

（山东理工大学电气与电子工程学院，淄博255049）

为了研究噪声光对位置敏感探测器测量准确度的影响，首先对3种噪声光进行了描述，然后运用方差分析法建立了位置敏感探测器测量准确度的数学模型，并对系统的误差进行了分析。结果表明，实验数据和计算数据是一致的，此实验结果证明了该数学模型的正确性。

探测器；横向光电效应；背景光；测量准确度

引 言

在自动化工业生产中，光电位置敏感探测器（position sensitive detector，PSD）被广泛用于和其它光源共存的环境中，在这样的环境中，PSD直接或间接地受到噪声光的影响，这些噪声光可能是来自各个表面的散射光和反射光等［1-3］。这些随机的噪声光源包括定向的光源、点光源或扩展的光源，它们以不同的空间分布照射在探测器的表面。这些直射或反射光与信号光同时照射在探测器的表面时，就会对探测器产生不良的影响［4-7］。因此，PSD的响应就不可避免地受到这些噪声光的干扰。本文中针对各种外部噪声光源对PSD的影响建立模型，并对噪声光对PSD准确度的影响进行分析。

1 无噪声光时PSD的测量准确度

PSD一般分为1维和2维两种形式，1维和2维PSD的基本原理是一样的，即基于半导体的横向光电效应。PSD正是基于该特性实现了对目标位置的测量。为了简化问题，仅讨论1维情形。根据1维PSD的等效电路，设坐标原点在器件的中心点，则在x轴上光点的距离为［8］：

式中，i1，i2分别为两个电极的光电流，L为两个电极之间的距离。

PSD的位置精度定义为PSD能够分辨的最小位移，而准确度是PSD的输出位置相对于实际光束位置的接近程度。PSD的位置精度和测量准确度是传感系统的重要特性，噪声光束的出现和信噪比的衰减严重地影响了这些参量。类似地，外部照明噪声的出现影响了整个测量系统的准确度。

影响PSD的测量准确度的因素包括内部因素和外部因素。由内部因素引起的光点位置不确定度可以由斑点噪声和热噪声表示。在测量系统中，影响PSD性能和测量准确度的是外部因素，因为不容易从实际光点位置信息中把它们分离出来［9-10］。

2 有噪声光时PSD的测量准确度

2.1 噪声光

在实际的光学系统中，第1种外部噪声光是背景辐射，它可能有不同的来源、不同的形状和特性。这主要包括环境照明光、太阳光和其它激光源，这些光源是PSD性能起伏和影响其测量准确度的主要因素。

根据普朗克定律，背景照明的平均功率为：

式中，I（ν）是频率为ν时的光强，A为照射面积，Ω为相关的立体角。当光强较小时，它们的影响可以忽略。

当光束照射到PSD表面时，输出的电流为ij＝ij（Is，xs，ys），j＝1，2，3，4。其中Is是照射到PSD表面的光强度，xs和ys是照射到PSD表面的光束的中心位置。类似的，当噪声光束也照射到PSD的表面时，其输出电流为ij′＝ij′（In，xn，yn），j＝1，2，3，4。其中In是噪声的强度，xn和yn是照射到PSD表面的噪声光束的中心位置。如图1所示。

Fig.1 Signal，noise and background beam on the PSD surface

第2种类型的噪声光包括点光源、扩展光源或漫反射等，它们的特点是光线照射到PSD的整个表面。尽管由于强度的变化以及入射角度的不同，可能使其形心偏离中心位置。但是，作者只分析比较简单的情况，即把它们近似地看作是一个覆盖整个PSD表面的较宽的“点”，并且形心在PSD的中心。因此，ij′＝ij′（Ii，0，0），j＝1，2，3，4。其中Ii是干扰照明光强度，（0，0）是PSD表面噪声光形心的中心位置。

第3种类型的噪声光是脉冲光，其以脉冲串的形式照射在PSD的表面。尽管也是照射在探测器的某个特定区域，其特点是几乎覆盖整个面积的漫射照明。因此，输出电流为ij′＝ij′（Ii，0，0，d），j＝1， 2，3，4。其中d为照射到PSD表面的干扰脉冲的占空比。

2.2 测量准确度

为了计算由于噪声光引进的误差，需同时考虑噪声光和信号光入射到PSD表面的情况。如果只考虑信号光束入射到PSD表面，则信号光束形心的位置计算公式为：

如果用噪声光束代替信号光束，则噪声光束的位置公式为：

当噪声光和信号光同时入射到PSD表面时，其最终输出电流为两个电流的叠加。此时最后测量位置为：

在本系统中，通过各自的电流定义入射光信噪比为：

此时测量位置为：

（1）当干扰噪声光束直接入射到PSD表面时，测量误差为：

当噪声光束和信号光束同时照射在PSD的表面，且在PSD探测表面的相对边缘有独立的最大值时，误差最小或为0。因此，当S／N≫1时，最大测量误差为：

可见，由于噪声光束引起的最大误差等于探测面积的长度与PSD上的信噪比的比。

（2）当1个点光源或扩散光源照射在PSD的整个表面上时，它的形心可以放在PSD的中心。当S／N≫1时，测量位置的最大误差为：

（3）最后一种情况是脉冲光以脉冲串的形式照射在PSD的表面。当噪声的强度很小时，即In≪Is或者S／N≫1时，（10）式变为：

式中，d为照射到PSD表面的干扰脉冲的占空比。

3 实验装置

噪声对位置测量准确度影响的实验装置框图如图2所示［7］。入射光源是LD抽运全固态绿色激光器TYPE-532L，辐射波长为532nm，输出功率可达到30mW，工作在TEM00模式，束腰半径为2.0mm，全发散角为1.5mrad，谱线宽度为0.1nm。位置敏感探测器选用的是浜松公司的S1300型双面结构的2维PSD，该PSD有效光敏区为13mm×13mm，当测量范围在±2.5mm以内时，最大误差为±150μm，典型值为±80μm；当测量范围在±5mm（60%有效光敏区）以内时，最大误差为±250μm，典型值为±150μm。伴有噪声光的入射光通过光学系统聚焦后，照射到PSD表面上。PSD的输出信号经过I／V转换和放大电路把电流信号转换成电压信号，并进行放大；然后，将该电压信号送入内部的A／D转换板进行处理；最后，将结果显示出来。

Fig.2 Experimental setup of the system

4 实验结果及讨论

4.1 实验结果

为了计算第1种噪声的影响，首先把信号光束始终照射到PSD表面的中心，然后把噪声光源的零位置调整到PSD的中心，并在x方向扫描过PSD表面的校准区域。在PSD表面上每隔1mm，噪声光照射一次。第1束噪声光强度约为信号光强度的10%，第2束噪声光强度约为信号光强度的5%。从（8）式中计算带有干扰的位置输出的差，并和实验数据进行比较，x方向各个位置实验值偏离计算值的百分比误差e如图3所示，其中“*”对应噪声光强度约为信号光强度的10%，“＋”对应噪声光强度约为信号光强度的5%。从图上可以看出，位置输出的计算结果和实验结果是一致的。在全量程4000μm（－2000μm～＋2000μm）内两组数据的最大的误差约为5.58%。

Fig.3 Percent experimental error of signal beam vs.noise beam position

对于杂散光照明的光学噪声，它在PSD表面上不是形成一个点，而是覆盖了PSD的整个面积。在实验中，通过多束室内光形成这种类型的光源。在x方向，信号光照射在PSD表面的两端，即在－2.50mm和＋2.50mm处。测量时杂散光照明强度约为信号强度的5%和10%。在杂散光照明的情况下，把两个实验数据和由（10）式计算得到的位置输出的差进行了比较。x方向各个位置实验值偏离计算值的百分比误差e如图4所示。其中“*”对应噪声光强度约为信号光强度的10%，“＋”对应噪声光强度约为信号光强度的5%。从图上可以看到，实验数据和计算数据是一致的。在这些点中，最大误差约为全量程读数的5.78%。

Fig.4 Percent experimental error of signal beam vs.background noise beam

对于模拟脉冲，噪声光束以频率1.0kHz，占空比为50%被调制。然后把它照射在PSD探测面积的中心。信号光束照射到PSD校准面积的一端。测量时调制噪声强度约为信号强度5%和10%的强度进行。在干扰脉冲光照明的情况下，实验测量的两组数据与从（11）式计算得到的位置输出进行了比较，x方向各个位置实验值偏离计算值的百分比误差e如图5所示。其中“*”对应噪声光强度约为信号光强度的10%，“＋”对应噪声光强度约为信号光强度的5%。从图中可以看到，计算值和实验结果基本一致。中心数据点的最大误差约为全量程读数的4.25%。

Fig.5 Percent experimental error of signal beam vs.pulsating noise beam

4.2 系统误差

（1）由实验曲线可以看出，正光束的位置数据有负的偏差，而负光束的位置数据有正的偏差，或者说两种情况的实验数据偏向PSD的中心；这主要是由于环境光集中于PSD中心的缘故。根据叠加定律，当噪声光束照射在PSD的边缘时，在净位置输出中将会出现偏差。

（2）第2个系统误差是探头的物理结构引起的。在测量过程中，假设散射光照明的影响集中在PSD的中心，但实际上它不可能是这样，因为来自探测器自身的反射光，如果以一定角度照射，会引起照明形心的偏移。对于不同入射角度θ的入射光，得到入射光形心位置数据。其曲线如图6所示。从图上可以看到，当PSD沿轴旋转时，探测体的部分反射光偏移了照明形心。旋转角度越大，形心偏移也越大，这是由于部分探测体遮挡了PSD的部分表面。在实际中，非均匀光分布或者光强的瞬时起伏也能引起照明形心的偏移。

Fig.6 Effect of illumination incident angle on measured position

（3）PSD的另一个系统误差是由于y轴的位移影响了x轴的位置测量值。保持x轴的光束位置固定，光束沿y轴从PSD表面的一端扫描到另一端。测量值较大的误差出现在非常接近PSD表面的边缘。x方向各个位置实验值偏离计算值的百分比误差e如图7所示。从图上可以看到，实验数据和计算数据是一致的。在这些点中，最大误差约为全量程读数的0.98%。

Fig.7 Effect of y-displacement on x-displacement measurement

5 结 论

从理论上对噪声光对PSD测量准确度的影响进行了分析并建立了数学模型，得到了杂散光对PSD的测量准确度的影响，实验结果验证了该模型的正确性。最后，对测量系统的系统误差进行了分析。

［1］ LIU Y，ZHAO M R，SONG L，et al.Noise reduction method for PSD in the range-finding circuit［J］.Laser＆Infrared，2012，42（9）：1026-1030（in Chinese）.

［2］ HUANG Zh H，LIX D，CAIH Y，et al.The research of light-spot position measurement technology under strong background based on PSD［J］.Opto-Electronic Engineering，2012，39（10）：89-94（in Chinese）.

［3］ LIB，GAO Y，WANG H P，et al.Linearization method and experimental research of the high-precision PSD［J］.Journal of Changchun University of Science and Technology（Natural Science Edition），2013，36（1／2）：37-39（in Chinese）.

［4］ ZHANG T T，YAO E T，JIA JT.Study on effect of laser shape and incident angle on PSD location［J］.Computation＆Measurement Technologies，2012，32（1）：15-18（in Chinese）.

［5］ LIB，GAO Y，CAO G H，et al.Research of nonlinear correction method in shafting alignment test system based on PSD［J］.Journal of Mechanical＆Electrical Engineering，2013，30（3）：300-302（in Chinese）.

［6］ YU H Y，ZHAO Zh P，LU Y H.Error measurement system of coaxiality for long-span holes based on PSD［J］.Transducer and Microsystem Technologies，2013，32（2）：70-73（in Chinese）.

［7］ LI T Z，ZHAO Y L，SHENG C X，et al.Study on characteristic and distortion of duo-lateral position sensitive detector［J］.Piezoeletrics＆Acoustooptics，2013，35（2）：181-184（in Chinese）.

［8］ WANG Q L，PAN H X，REN H F，et al.Design of measurement system for curvature of long tube based on PSD［J］.Transducer and Microsystem Technologies，2013，32（1）：108-111（in Chinese）.

［9］ WANG K，WANG J.Design and simulation of FSM system based on PSD［J］.Eletro-Optic Technology Application，2013，28（2）：76-79（in Chinese）.

［10］ CHEN JH，ZHANG JM，LÜY P.Design of position detctor for aligment laser line based on the PSD［J］.Measurement＆Control Technologies，2012，31（10）：8-11（in Chinese）.

Study of measurement accuracy of position sensitive detectors

YANG Shulian，SU Yuanbin，HE Jianting，WEI Qinqin，SHENG Cuixia，SHEN Jin
（School of Electric and Electronic Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China）

In order to study the effect of stray noise on measurement accuracy of a position sensitive detector（PSD），three kinds of the stray noise was described firstly.Then the mathematical model of measurement accuracy of PSD was built by using the method of variance analysis.The error of the system was analyzed.The results show the experimental data is consistent with the calculation data and the mathematical model is valid.

detectors；lateral photo-electronic effect；background light；measurement accuracy

TL816＋.5

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.06.023

1001-3806（2014）06-0830-05

山东省自然科学基金资助项目（2010FM005）

杨淑连（1963-），男，教授，硕士生导师，主要从事光电检测、光纤传感等方面的研究。

E-mail：yangsl21cn＠163.com

2013-10-22；

2013-11-22