四象限光電探測(cè)器實(shí)驗(yàn)裝置的研究與應(yīng)用

楊應(yīng)平,陳夢(mèng)葦,賈信庭

(武漢理工大學(xué) 理學(xué)院 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，湖北 武漢 430070)

1 引 言

隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電探測(cè)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，由于四象限光電探測(cè)器(four-quadrant photoelectric detector，QPD)能夠探測(cè)光斑中心在四象限工作平面的位置，因此在激光準(zhǔn)直、激光通信、激光制導(dǎo)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]. 據(jù)此，開發(fā)了用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)的四象限光電探測(cè)器綜合實(shí)驗(yàn)儀，該實(shí)驗(yàn)儀能夠完成系統(tǒng)組裝調(diào)試，激光器直流、脈沖驅(qū)動(dòng)，四象限探測(cè)器輸出信號(hào)放大，脈沖展寬，基于單片機(jī)的信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及使用LCD和上位機(jī)顯示各象限光斑能量信息和光斑中心位置. 通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以掌握四象限光電探測(cè)器原理及利用實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容. 作為高等院校應(yīng)用物理、光電信息科學(xué)與工程、電子科學(xué)與技術(shù)、測(cè)繪工程、機(jī)械電子工程、測(cè)控技術(shù)與儀器等理工科專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，對(duì)提高學(xué)生對(duì)光電定向及其實(shí)際應(yīng)用的認(rèn)識(shí)和提高教師的教學(xué)質(zhì)量都有積極的作用[5].

2 四象限光電探測(cè)器原理與實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 四象限光電探測(cè)器原理

象探測(cè)器是一種常用的精跟蹤探測(cè)器，其基本原理是光電效應(yīng)，利用半導(dǎo)體材料吸收光子能量引起的電子躍遷，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào). 通常是利用集成光路光刻技術(shù)將完整的PN結(jié)光電二極管的光敏面分割成幾個(gè)具有相同形狀和面積、位置對(duì)稱的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域可以看作1個(gè)獨(dú)立的光電探測(cè)器，其背面仍為一整片. 理想情況下，每個(gè)區(qū)域都具有完全相同的性能參量. 象探測(cè)器光敏面形狀有圓形和矩形，四象限光電探測(cè)器實(shí)物如圖1所示.

(a)圓形光敏面QPD

(b)矩形光敏面QPD圖1 四象限探測(cè)器實(shí)物圖

如圖2(a)所示，四象限光電探測(cè)器光敏面有4部分A，B，C，D. 假設(shè)入射光斑為圓形且能量分布均勻，如圖2(b)所示，照射在光敏面上的光斑被4個(gè)象限分成4個(gè)部分，4個(gè)象限的光斑面積分別為SA，SB，SC和SD. 此時(shí)，由于光生伏特效應(yīng)，在4個(gè)象限中產(chǎn)生與光信號(hào)對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，其對(duì)應(yīng)電流大小分別為IA，IB，IC和ID. 如圖2 (c) 所示，當(dāng)光斑中心在四象限光電探測(cè)器上的位置改變時(shí)，光敏面各象限上的光斑面積也會(huì)改變，從而引起四象限探測(cè)器各象限輸出電流強(qiáng)度的變化，通過一定的信號(hào)處理方法可以得到光斑能量中心位置相關(guān)信息.

(a) (b)

(c) (d)圖2 四象限探測(cè)器工作示意圖

根據(jù)輸出電流強(qiáng)度可以計(jì)算出光斑能量中心位置. 用σx和σy分別表示x和y軸上根據(jù)四象限光電探測(cè)器輸出信號(hào)經(jīng)過一定的算法處理后的歸一化偏移量，σx和σy與光斑能量中心實(shí)際偏移量的對(duì)應(yīng)關(guān)系利用加減算法得[6-7]：

(1)

(2)

式中K為比例常數(shù)，光斑能量中心偏移量σx和σy僅與光斑在探測(cè)器上的面積有關(guān)，只要得到了各象限面積之間的比例關(guān)系， 即可得到光斑能量

中心位置的坐標(biāo). 光斑在探測(cè)器上移動(dòng)如圖2(d)所示，為了討論方便，這里假設(shè)目標(biāo)光斑沿x軸正方向移動(dòng). 設(shè)光斑直徑等于探測(cè)器半徑，則根據(jù)式(1)，得到光斑能量中心實(shí)際位置x0和偏移量信號(hào)σx函數(shù)曲線如圖3所示[7].

圖3 σx-x0函數(shù)曲線圖

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

四象限光電探測(cè)器綜合實(shí)驗(yàn)儀是根據(jù)光學(xué)雷達(dá)和光學(xué)制導(dǎo)的原理而設(shè)計(jì)的，分為機(jī)械和信號(hào)處理兩部分，采用650 nm紅光點(diǎn)狀激光器作光源，四象限光電探測(cè)器作為光電探測(cè)接收器測(cè)量光斑中心位置和光強(qiáng)等信息. 激光器和四象限光電探測(cè)器固定在機(jī)械調(diào)節(jié)部分，如圖4(a)所示，使用航插與實(shí)驗(yàn)儀信號(hào)處理電路連接. 實(shí)驗(yàn)儀信號(hào)處理部分如圖4(b)所示.

實(shí)驗(yàn)儀采用硬件和軟件2種光電定向方式實(shí)現(xiàn)直觀、快速定位跟蹤目標(biāo)方位. 學(xué)生實(shí)現(xiàn)光斑中心定位的方法有2種：

1)硬件模擬定向，其中又分為2種定向方案：

a.采用運(yùn)放LF353進(jìn)行I/V變化、信號(hào)放大和信號(hào)加減運(yùn)算，其原理如圖5所示；

b.采用電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)加法運(yùn)算，采用運(yùn)放進(jìn)行信號(hào)減法運(yùn)算,運(yùn)算的結(jié)果通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換后送給微處理器進(jìn)行計(jì)算.

2)軟件定向，通過A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)4個(gè)象限的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，經(jīng)過微處理器運(yùn)算處理，將數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)時(shí)顯示定向結(jié)果，軟件運(yùn)行界面如圖6所示.

(a)實(shí)驗(yàn)裝置機(jī)械部分外觀圖

(b)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖5 光電信號(hào)處理原理圖

圖6 計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)行界

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

利用研制開發(fā)的實(shí)驗(yàn)儀按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行了數(shù)據(jù)測(cè)量[8]，由于x方向和y方向測(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理方法相同，在此僅以x方向?yàn)槔?，光斑移?dòng)量Δx和偏移量σx的測(cè)量結(jié)果如表1所示.

測(cè)量數(shù)據(jù)中僅給出了光斑的移動(dòng)距離，數(shù)據(jù)初步處理是將測(cè)得的σx值最接近零處定位為QPD的中心位置，即Δx=1.600時(shí)x0=0，得到的三次擬合式和擬合曲線如式(3)和圖7所示.

(3)

圖7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及三次擬合曲線圖

采用高次擬合雖然能很好地逼近實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，但從圖7可以看出，在非線性測(cè)量區(qū)域四象限光電探測(cè)器靈敏度較低，實(shí)際使用中多使用靈敏度高的線性區(qū)域[9]，因此，對(duì)線性好的區(qū)域進(jìn)行擬合，得到式(4)：

σx=0.763x0-0.015 2 ,

(4)

因此，在線性區(qū)域內(nèi)，K=0.763.

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)四象限光電探測(cè)器光斑中心定位原理進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上研制開發(fā)了四象限光電探測(cè)器綜合實(shí)驗(yàn)儀. 該實(shí)驗(yàn)裝置圍繞四象限光電探測(cè)器能夠完成驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性等多方面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容. 利用該裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果線性測(cè)量范圍寬、靈敏度高、可重復(fù)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光斑能量中心位置的非接觸性測(cè)量.

參考文獻(xiàn)：

[1] LUO Ding, KUANG Cuifang, HAO Xiang, et al. High-precision laser alignment technique based on spiral phase plate [J]. Optics and Lasers in Engineering,2012,50(7):944-949.

[2] CHEN Mengwei, YANG Yingping, JIA Xinting, et al. Analyses of center location algorithm for laser spot [A]. International Photonics and OptoElectronics Meetings (IONT)[C]. Wuhan, 2012.

[3] Freebody, Marie. Lasers evolve to meet the demands of optical communications [J]. Photonics Spectra, 2012,46(12):50-53.

[4] 朱夢(mèng)實(shí),張權(quán),李元旭,等. 使用四象限探測(cè)器測(cè)量微小位移[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2013,33(1):8-11.

[5] 關(guān)海艷,馮毅,何春鳳,等. 光敏電阻綜合演示儀的設(shè)計(jì)[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2014,34(2):25-27.

[6] CUI Song, SOH Y C. Analysis and improvement of laguerre-Gaussian beam position estimation using quadrant detectors [J]. Optics Letters, 2011,36(9):1692-1694.

[7] 陳夢(mèng)葦，楊應(yīng)平，賈信庭,等. 四象限探測(cè)器光斑中心定位算法的分析與研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2013,37(5)：1124-1127.

[8] 楊應(yīng)平，賈信庭，陳夢(mèng)葦. 光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)[M]. 北京：北京郵電大學(xué)出版社,2012.

[9] CHEN Mengwei, YANG Yingping, JIA Xinting, et al. Investigation of positioning algorithm and method for increasing the linear measurement range for four-quadrant detector [J]. Optik, 2013,124(24):6806-6809.