位置敏感探测器光斑脱靶误差补偿方法研究_李鑫.pdf
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1、收稿日期:基金项目:技术基础科研项目()通信作者:米良 :光电器件 :位置敏感探测器光斑脱靶误差补偿方法研究李鑫,米良(中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所,成都 )摘要:为了提高位置敏感探测器()的位置检测范围,解决光斑在探测器光敏面脱靶时无法准确定位光斑的问题,提出一种光斑脱靶误差补偿方法,分析了脱靶前后 检测光斑能量重心变化规律,建立了 光强信号与位置检测误差间的函数关系。实验结果表明:当 光敏面尺寸为 时,对于半径为 的高斯光斑,通过所提出的光斑补偿方案补偿后 的轴检测范围提高了,位置检测平均相对误差不超过,该方法对提高 位置检测性能具有重要的意义。关键词:测量;位置敏感探测器;高斯
2、光斑;误差补偿中图分类号:文章编号:(),(,):,:,:;引言位置敏感探测器(,)是一种基于横向光电效应的光电位置传感器,能够准确且快速地识别其表面光点的能量重心位置,并且具有分辨率高、响应速度快、噪声水平低等特点,被广泛应用于精密检测及光电跟踪控制等领域。受制于 光敏面及光斑尺寸,对于大光斑的应用系统中,仍存在着光斑易脱靶等问题,实际检测范围受到较大限制。因此,研究光斑脱靶对 位置检测的影响规律并利用合理方法进行误差补偿,对提高 位置探测能力具有重要意义。为提高 位置探测范围,相关学者对提高 位置探测能力进行了大量研究。文献 利用插值及神经网络等方法对 的非线性误差进行了补偿,将线性范围由
3、 区提升至整个光敏面范围;文献 分析了高斯光斑半径、信噪比、光斑 质量及放大电路噪声等因素对 位置检测性能的影响。上述研究均着眼于提高 在光敏面区内的探测范围与精度,尚未对探测光斑脱靶过程中 的准确定位问题进行分析研究。在本文中,首先基于高斯光斑模型下光敏面脱靶前后的能量分布模型,分析了 检测的能量重心偏移量随光斑位移的变化规律,并利用 光强指示信号提出一种基于 检光率的脱靶误差的补偿方案,最后通过仿真与实验验证了补偿方案的有效性。本方法能够有效提升 使用范围,对于提升 探测能力具有重要意义。位置检测原理 的工作原理基于半导体的横向光电效应,其结构如图()所示。当光斑入射至二维 光敏面时,若光
4、斑重心与 中心重合,则四个电极会产生大小相等的光电流;当光斑重心相对于 中心产生偏移时,电极产生相应大小的光电流 。()结构图()信号处理方案图 位置检测系统示意图在不考虑背景光和电路噪声的情况下,光斑的能量重心位置的解算公式为()()()()()()式中,为光斑重心位置坐标;,为 光敏面尺寸;,为 四个电极对应的输出电流。对于 位置检测系统,通常先将微弱的光电流经放大电路转换为电压信号,然后利用数据处理和采集等设备观察与记录。信号处理方案如图()所示。脱靶误差补偿方案研究对于激光谐振腔发出的基模辐射场,其横截面的能量分布经由光学扩束、投射和耦合后服从二维高斯分布。光电测量领域中常用的激光光斑
5、的分布模式有均匀光斑和高斯光斑两种,研究表明,高斯光斑在 光敏面中心相比均匀光斑具有更高的灵敏度 。因此,下文均在二维高斯分布光斑模型基础上进行分析。脱靶误差分析对于二维高斯光斑,式()表示了其能量分布,依据准则,的光斑能量处于(,)范围内,视高斯光斑束腰半径为,为光斑半径。由于高斯光斑的能量分布具有中心对称的性质,下述方法以光斑重心在位置敏感探测器方向运动为析,方向与其情况类似。(,)槡()槡()()式中,为光斑总能量,为光斑的高斯光斑的束腰半径,(,)为光斑能量重心位置坐标。其能量分布示意图如图所示。图高斯光斑能量分布示意图图给出了光斑在 光敏面轴上移动时的能量重心示意图,光斑可视为被 的
6、轴分 半导体光电 年 月第 卷第期李鑫 等:位置敏感探测器光斑脱靶误差补偿方法研究为上下两个部分,由于高斯光斑关于轴对称的各点具有相同的能量强度,检测到的能量重心位置可视作光斑沿轴垂直于光敏面上截面能量分布()的重心位置,为便于分析,将总能量进行归一化后,光斑在 中心时能量分布函数如下式所示:()槡 槡()()当光斑在 光敏面内移动时,如图()所示,不考虑干扰因素及 器件本身的误差,检测的光斑位置与光斑位移两者将在数值上相等,这部分移动范围称为 的线性区,此时有:,(,)()当高斯光斑继续沿轴向外侧移动至离开光敏面时,检测的光能量会发生丢失,这种现象称之为光斑脱靶。当光斑脱靶时,检测位置会随光
7、敏面上能量重心变化而发生偏移,因此无法得到准确的光斑位置信息。光斑从即将发生脱靶至完()线性区()非线性区图 光斑能量重心示意图全离开光敏面的这部分位移范围称为 的非线性区,如图()所示。为了使非线性区内 仍能准确定位光斑位置,首先需要找到在非线性区内 位置检测值与光斑实际位移值之间的函数关系,对于某脱靶范围内光斑位移,检测到的能量分布()是被光敏面边缘割裂的高斯分布部分区间。利用重心计算公式得到此时的 位置检测值:()(),(,)(,)()为 便 于 分 析,设 定 光 敏 面 尺 寸 为 的 和 半径 为 的高斯光斑进行 位置检测输出与光斑位移量的仿真分析,结果如图所示。图 位置检测仿真曲
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