位置敏感探测器光斑脱靶误差补偿方法研究_李鑫.pdf

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 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 位置检测仿真曲线当光斑发生脱靶时，位置检测值与光斑位移值差值的绝对值为脱靶误差，有（）对于光敏面尺寸为 的 和半径为 的高斯光斑，其理论计算的线性区范围为，。但仿真分析曲线显示 位置检测值与光斑位移在，范围内仍有良好线性关系，这是因为发生脱靶时首先离开光敏面上的是远离高斯光斑中心能量较弱的部分，大量光斑仍在光敏面上从而保证 较好的位置检测精度。总体而言，光斑位移距离 中心点越远，位置检测脱靶误差就越大。脱靶误差补偿算法当整个光斑照射在 光敏面上时，对应的 光强信号达到最大值 ，此后光斑继续位移 至脱靶某位置，光强输出信号变化为。将某位置 光强信号与未脱靶时光强信号 的比值定义为检光率，有 （）（）（）（）（）其中，（）表示 的光敏性，与 型号及入射光波长相关；代表放大电路的转换阻抗。通过式（）可以计算出不同光斑位移对应的检光率，其变化曲线如图所示。图 检光率仿真曲线根据式（）（），可以得出高斯光斑在 正半轴移动时检光率与脱靶误差之间函数关系 （）根据上述分析，可以得到不同检光率下的脱靶误差仿真曲线，如图所示。图脱靶误差仿真曲线考虑到当光斑在轴不同方向上移动时，位置检测值与光斑实际位移值具备不同的对应关系，且距离 中心等距但不同方向的两点具有相同检光率。因此，在确定补偿值之前需首先判定光斑移动方向。根据以上分析，提出一套基于 检光率的脱靶误差补偿算法，其流程如图所示。图脱靶误差补偿算法流程图实验与分析为了验证光斑位移量与 检测位置之间的关系，测试脱靶误差补偿方案的效果，在实验室内搭建了如图所示的实验系统。实验基本原理为：激光器发射的光源经扩束后，通过 光学滤波片以减少环境光对位置检测的影响，通过调整二维位移台使光斑垂直入射于 光敏面中心，沿轴正向及反向以固定步距改变光斑位置。经过信号处理电路及数据采集设备后，利用 记录位置和光强信号，并使用（）原理示意图 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（）实物系统图实验系统组成图表实验器件的型号及参数器件制造商型号参数单位值 功率 波长 光敏感性（）（）转换阻抗（）进行数据处理。部分关键实验器件的型号及参数信息如表所示。位置检测模型验证为验证脱靶前后的 位置检测模型的准确性，固定 于二维位移台上，光源半径经扩束镜调整为，设定位移台单位步距为，每点停留并测量 次后取平均值记录。光斑随着位移台在，范围移动时，位置检测信号实验与仿真对比如图所示，由图中能够看出实验值相比理论值略靠近 中心，但变化规律基本吻合。图实验结果与仿真对比图脱靶误差补偿效果探究将实验得到的数据经上文提出的补偿算法处理后，位置检测值与光斑实际位移之间的对应关系如图 所示，能够看出经过脱靶误差补偿后的数据点与实际位移间具有较好的线性关系，与理想对应曲线较为接近。图 对比了实验数据进行误差补偿前后的相对误差关系，位置检测相对误差最大值由 降低为。图 补偿后实验数据对比图图 补偿前后相对误差对比图综合实验分析能够得出，脱靶后 位置检测信号的实验结果和仿真结果接近，且经过脱靶误差补偿方案处理后的数据点具有良好的对应关系。证明了文中提出的 位置检测模型及补偿算法的有效性，但对于图 中补偿后 位置检测信号与实际光斑位移间仍存在的少量偏差，对实验结果的深入分析后得出以下原因：（）器件由于制造工艺限制导致表面电阻值分布不均匀，在远离 中心位置会产生非线性误差；（）光束在光路中由散斑效应引入部分高频噪声，且光电信号放大后得到的模拟电压信号容易受到环境干扰，导致位置检测存在偏差；（）由于空气微粒与光学器件的影响，使 接收到的激光能量密度分布不再符合理想高斯分布，导致光斑重心发生偏移。结论本文对光斑发生脱靶后二维高斯光斑重心偏移现象进行了分析，推导出 位置检测误差与光斑 实际位移之间的函数关系，并根据 检光率变化提出一种 脱靶误差补偿算法。实验表明，经过脱靶 误 差 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。本文提出的脱靶误差补偿方法对于光斑脱靶发生在 两坐标轴上具有较好效果，为大光斑下 检测能力的提升提供了理论指导，但对于发生在光敏面其他位置的脱靶仍具有一定局限性，通过神经网络等方法进行优化从理论上能够将 提升至更大的检测范围。参考文献：高玉娥，刘伟，吕世猛，等 基于位置敏感探测器的六自由度精密位 姿 测 量 系 统 光 学 精 密 工 程，（）：，（）：，：，樊昭阳，李君波 位置敏感探测器非线性校正的神经网络设计 光学与光电技术，（）：，（）：，（）：，（）：，：颜超超，刘瑾，杨海马，等 跟瞄系统中位置敏感探测器测量精度研究 激光与红外，（）：，（）：，（）：，：张天宇，贾方秀基于 窄脉冲激光信号检测放大电路噪声分析及参数匹配研究现代电子技术，（）：，（）：陈洪芳，汤亮，张爽，等 位置敏感探测器对激光追踪测量系统的影响 中国激光，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：张鹏程，刘瑾，杨海马，等基于 的非均匀激光光斑中心定位研究 激光与红外，（）：，（）：作者简介：李鑫（），男，硕士，主要研究方向为激光跟踪反馈系统、光斑位置检测；米良（），男，博士，高级工程师，主要研究方向为大尺寸空间测量、智能制造装备及系统检测评价。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