测试条件对PSD位置精度的影响

1、测试条件对PSD位置精度的影响吕爱民袁红星贺安之段俊斌摘 要 研究了测试条件对PSD位置精度的影响，并通过实验给出 了定性或定量的实验结果，为PSD运用于高精度光斑定位技术创造了有 利的条件。关键词位置敏感探测器入射光强反偏电压光斑模式背景 光Research of the Effects of Measuring Conditionson PSD LocalizationLU Aimin Duan Junbin(88200 Unit of PLA, Beijing 100012)Yuan Hongxing He Anzhi(Nanjing University of Science and

2、Technology)Abstract The effects of measuring conditions on PSD localization precision are probed into, qualitative and quantitative results through experiments are also provided.The advantageous prerequisites for the usage of precision beam spot localization are cosequently created.Key Words PSD Lig

3、ht intensity Reverse bias-voltage Beam spot mode Background disturbance0引言随着PSD (position sensitive detector)在位置检测技术中的迅 速发展，对PSD本身的特性进行理论研究固然是重要的，但更有必要开 展测试条件对PSD位置精度影响的研究，它的影响从应用角度讲就显得 更加重要，有利于提高测量精度。PSD是一种新型的半导体位置敏感探 测器，它除了具有光电二极管阵列和CCD器件所具有的定位性能外，还 具有灵敏度高、分辨率高、响应速度快、实时性强和电路配置简单等特 点，因而正在逐渐被人们所重视口3

4、。但国内有关PSD的研究起步比较 晚，在应用方面的报道有些大都处于原理研究与应用探索阶段。本文研 究了指示光源强度、反偏电压、光斑模式、背景光等测试条件对PSD位 置精度的影响并通过实验给出了定性或定量的实验结果，为PSD运用于 高精度光斑定位技术创造了有利条件。1指示光源对PSD位置精度的影响1实验方法将PSD和激光器分别固定在光学导轨上，PSD采用日本滨松公司生 产的12 mmX12 mm S1880型，指示光源为半导体激光源。调整电源电压 控制激光器输出功率，并由C4674信号处理电路的V输出端监视激光器 功率转换为电压值变化。使得功率变化的电压值为1 2、3、10 V, 然后分别观测指

5、示光源在PSD敏感面上同一点的坐标值，并重复采样三 次。2实验结果根据上述方法测量结果所计算得标准差为：当光强电压在110 V 之间波动时，O =0.127 mm，。=0.138 mm，其在15V之间波动时 O =0.1389 mm，& =0.157 mm，而在610V之间波动时，O 和O 仅为 0. 003 mm、0.009 mii比前两种精度提高了两个数量级。光强的变化对PSD 不同区域的影响也是不一样的，如在PSD中心附近无论在15 V之间， 还是610 V之间波动所受光源影响都较小，A区：。x（1-5）=0.018 mm， a 15 =0.020 mm， a 610 二。mm， O 6

6、10 =0.002 mm；而在 B 区则为： a =0.138 mm，a=0.157 mm，a=0.006 mm，a =0.008X （1-5）m-5）（.6-102y （6-10）mm。因此，A区受光强影响较小，B区受光强影响较大。2背景光对PSD位置精度的影响1实验方法所采用的器件与1. 1相同，不同的是使激光器输出功率转换的光强 电压为最佳值（7.5 V），其它测试条件不变，只改变周围背景光，研究 其PSD位置输出值的情况。2实验结果从实验结果和理论分析得知，随着背景光的不断加强，同一点的位 置也随之向PSD中心原点接近，且趋势很大，如某一点的坐标为（一 2.079, 2.183）时，随

7、着背景光的不断加强，该点的坐标则为（一0.442, 0.682）。再者不稳定的背景光对PSD测量精度也有影响，如由四个日光 灯照射时采样的测量结果的标准差为a =0.009 mm，a =0.011 mm，而 暗室或自然光条件下，测量结果的标准差为a =0.0008ymm，a =0.0009 mm和a x=0.00035 mm，a y=0.0007 mm，提高了一个数量级，有利于测量3反偏电压对PSD位置精度的影响二维PSD有两种电压工作状态。一种是零偏电压，另一种反偏电压 状态，反偏电压状态工作PSD具有光电流大，分辨率高的特点。因此二 维PSD 一般在反偏电压状态下工作。1实验方法实验器件与

8、1. 1相同。实验方法是其它实验条件不变，只将反偏电 压从1.00，2.00，3.00，12.00 V和12.43 V分别对不同点重复 采样多次取平均值，并与国内C103和日本S1880型PSD作了对比实验。2实验结果C103型PSD当反偏电压从1, 2,，12.00 V和12.43 V变化时， 同一点位置坐标值之差高达2 mm左右，在原点中心附近影响更大些，反 偏电压在14 V之间时误差较大，超过5 V后反偏电压的影响要小些。 而S1880型PSD除在原点中心附近有个别位置坐标误差为0.02 mm左右， 其它点都没有超过0.015 mm。在112.43 V之间测试时，反偏电压对 其位置输出的

9、影响比较小。对精度要求不太高的测量，S1880型PSD无 需考虑其反偏电压的影响。4光斑模式对PSD位置精度的影响一般来说，激光器光源能量分布不一定是很均匀的，会存在多模结 构或多个强度分布，实际工作时就相当于多个光束同时作用于PSD，这 样必然会影响位置测量精度。1实验方法将激光光源经扩束、准直后得到一均匀光源，再经特制光阑分别得 到：（1）能量相等的两个点光源；（2）能量不相等的两个点光源。能 量是通过光阑的大小来控制的。能量相等的两个点光源实验：先让两个光束分别入射到PSD敏感面 上，再让其同时入射到PSD敏感面上，并记录下各自的光源在PSD敏感 面上的坐标。能量不相等的两个点光源实验：

10、方法与上相同，也是分别记录下个 字光源在PSD敏感面的坐标值。2实验结果通过实验得知两光束能量均匀和不均匀作用时光点的坐标与光点能 量有着紧密的关系，并且是为光能权重比乘以各自的坐标值。5结论通过上面四个方面的实验研究，已经了解了测试条件对PSD位置精 度影响的情况，因此在检测中就应引起如下方面的注意：（1）位置指示 光源强度太弱扰动太大不能准确定位，太强又会使器件饱和而不能正常 工作们。减少光强对测量精度的影响，主要是控制指示光源输出功率的 稳定性。笔者曾经使用二节五号电池作半导体激光器电源，在短时间内 可明显看到光强电压指示表随时间增加而下降，也就引起不动光点的坐 标随之不断地变化，因此不

11、可能有好的重复性和高的测量精度。后来改 用直流稳压电源即可满足高精度测量的要求；（2）完全清除背景光的影 响是比较困难的。在实际操作中，可以采用调零的方法，即在测量之前 可让位置光源和比较稳定的背景光源同时作用于PSD上，调整PSD使其 位置输出为坐标原点（0，0）后再进行正式测量。这就有效地减少背景 光对PSD定位精度的影响；（3）反偏电压是通过信号处理电路加在PSD 的接地端的，它是在电路设计时所要考虑的问题，实际使用中无需考虑 其反偏电压的影响；（4）光斑模式的影响。指示光源的光束应尽量小， 使得能量保持不变，同时又不能有衍射现象存在，更换或改装光源时。 应做到前后光阑大小不变，尽量使得光阑几何中心与光束能量重心重合。经过上述研究