第六章象限探测器和光电讲解课件.ppt

1、象限探测器和光电位置传感器象限探测器和光电位置传感器象限探测器象限探测器 功能功能：用来确定光点在二维平面上的位置坐标 用途用途：准直、定位、跟踪 工艺工艺：利用集成电路光刻技术，将光敏面分隔成几个面积相等、形状相同、位置对称的区域，每个区域相当于一个光电器件类型：四象限光电二极管、四象限硅光电池、四象类型：四象限光电二极管、四象限硅光电池、四象限限PMT、二象限的也有等等、二象限的也有等等应用：1。和差电路形式。和差电路形式xySDSASBSCVAVBVDVCVA+VDVB+VCVC+VDVA+VB(VA+VD)-(VB+VC)(VA+VD)+(VB+VC)(VA+VB)-(VC+VD)DC

2、BACBDAVVVVVVVV)()(DCBADCBAVVVVVVVV)()(+-)()()()(DCBAyCBDAxVVVVKVVVVVKV2.直差电路形式直差电路形式SASBSCSD-+-VAVCVBVD(VA+VD)+(VB+VC)DCBACAVVVVVV)(DCBADBVVVVVV)(DCBADByDCBACAxVVVVVVKVVVVVVVKV)()(VCVDVAVB象限探测器的应用象限探测器的应用四象限四象限Si Si PINPIN光电二光电二极管极管激光制导的导弹头部有四个排成十字形的激光接收器（四象限探测仪）。如果四个接收器收到的激光一样多，就按原来方向飞行，如果有一个接收器接收的

3、激光少了，它就自动调整方向。激光瞄准、制导跟踪及探索装置激光微定位、位移监控等精密测量系统。激光制导技术激光制导技术 核心部件：激光导引头 功能：利用激光目标指示器照射目标，反射回来的信号经过接收处理形成控制指令控制导弹飞行。美国海尔法导弹采用四象限硅雪崩光电二极管若反射回来的光斑正好若反射回来的光斑正好落在中心：落在中心：(VA+VB)(VC+VD)0(VA+VC)(VB+VD)0否则修正。否则修正。象限探测器的缺点象限探测器的缺点 若被测光斑全部落入一个象限，无法探测若被测光斑全部落入一个象限，无法探测 要求光斑均匀、形状对称要求光斑均匀、形状对称 各象限之间存在间隙，存在探测盲区各象限之

4、间存在间隙，存在探测盲区 不适宜探测小光斑或非均匀不对称光斑不适宜探测小光斑或非均匀不对称光斑 测量精度与光强变化及漂移密切相关，因测量精度与光强变化及漂移密切相关，因此分辨率和精度有限。此分辨率和精度有限。光电位置传感器光电位置传感器 Position Sensitive Detector，PSD 利用离子注入技术，一种对入射到光敏面上的光光点位置点位置敏感的光电器件，分一维和二维两种。可确定光的能量中心位置。PSD的优点的优点 光敏面上无象限分割线，消除死区光敏面上无象限分割线，消除死区 对光斑形状无严格要求，与聚焦无关对光斑形状无严格要求，与聚焦无关 可连续测量，分辨率高，一维可连续测量

5、，分辨率高，一维PSD可达可达0.2m 同时检测光强和位置同时检测光强和位置 忽略光斑形状细节，直接给出忽略光斑形状细节，直接给出“重心重心”位位置置 广泛应用于激光束的监控（对准、位移和广泛应用于激光束的监控（对准、位移和振动）、平面度检测、自动测距、二维位振动）、平面度检测、自动测距、二维位置检测等系统中置检测等系统中一维一维PSD工作原理工作原理 PIN三层结构。三层结构。P层是有均层是有均匀电阻率的光敏层。匀电阻率的光敏层。当入射光点照射到当入射光点照射到PSD光光敏面上某点时，由于在入敏面上某点时，由于在入射光点到信号电极间存在射光点到信号电极间存在横向电势，从而从信号电横向电势，从

6、而从信号电极上分别得到光电流极上分别得到光电流I1和和I2 PSD的等效电路为图（的等效电路为图（b）所示。所示。Rsh为并联电阻，为并联电阻，Ip为电流源，为电流源，D为理想二极为理想二极管，管，RD为定位电阻，结电为定位电阻，结电容容Cj是绝对器件响应速度是绝对器件响应速度的主要因素。的主要因素。位置表达式位置表达式LLI1I2I0 xALIIIIxLxLIILxLIIAAA1212020122与总电流无关与总电流无关一维一维PSD直流工作电路原理图直流工作电路原理图通过运算放大器进行相加相减的运算，最后通过通过运算放大器进行相加相减的运算，最后通过Us模拟除法器，得到光点的位置信号模拟除

7、法器，得到光点的位置信号二维二维PSD二维二维PSD用于测定光点在平面上的二维用于测定光点在平面上的二维（x，y）坐标。）坐标。受光面是方形的，比一维受光面是方形的，比一维PSD多一对电极。多一对电极。按结构分为以下三种形式：按结构分为以下三种形式：单侧四电极型单侧四电极型 双侧双电极型双侧双电极型 枕形枕形双侧双电极型双侧双电极型 电极分别设置在器件的两侧（前表面和后表面）电极分别设置在器件的两侧（前表面和后表面）每个位置信号（光电流）由两个电阻层分成两每个位置信号（光电流）由两个电阻层分成两部分部分 位置探测能力强位置探测能力强 位置探测误差小，分辨率高位置探测误差小，分辨率高单侧四电极型

8、单侧四电极型 四个电极都设置在器件的前表面四个电极都设置在器件的前表面 光电流在同一电阻层内分成四个部分光电流在同一电阻层内分成四个部分 周边有相对较大的误差周边有相对较大的误差 施加偏压容易，暗电流小，响应速度快施加偏压容易，暗电流小，响应速度快枕形枕形 为减少周边误差，对光敏面和电极进行了为减少周边误差，对光敏面和电极进行了改进。改进。边缘四周误差减小，暗电流小，响应时间边缘四周误差减小，暗电流小，响应时间快，容易施加偏压快，容易施加偏压二维二维PSD的位置计算的位置计算双侧双电极双侧双电极型和单侧四型和单侧四电极型电极型枕型枕型（1）光谱响应特性）光谱响应特性 PSDPSD的光谱响应特的

9、光谱响应特性曲线，它表示性曲线，它表示PSDPSD的灵敏度与波的灵敏度与波长之间的关系。长之间的关系。这种这种PSDPSD波长响应波长响应范围较宽，一般范围较宽，一般都在都在300-1100nm300-1100nm范围内，峰值波范围内，峰值波长均在长均在900nm 900nm 左左右。右。（2）结电容与反偏电压关系特性）结电容与反偏电压关系特性 结电容结电容Cj是确定是确定PSDPSD响应速度的主要因素。响应速度的主要因素。图中是结电容与所加图中是结电容与所加反偏压间的关系曲线。反偏压间的关系曲线。反向电压愈高，结电反向电压愈高，结电容愈小。容愈小。反偏电压的选取一定反偏电压的选取一定要小于器

10、件所允许的要小于器件所允许的最大反偏电压，否则最大反偏电压，否则器件将遭到击穿。器件将遭到击穿。（3）温度特性）温度特性 环境温度影响环境温度影响PSDPSD的灵的灵敏度和暗电流。敏度和暗电流。PSD的暗电流随着温的暗电流随着温度的上升而按指数规度的上升而按指数规律增加律增加 当入射光波长小于约当入射光波长小于约950nm时，温度变化时，温度变化对其灵敏度基本上无对其灵敏度基本上无影响影响 但长波段其灵敏度随但长波段其灵敏度随着温度的变化较大。着温度的变化较大。（4）位置检测误差）位置检测误差 一维一维PSD（S1544）位置检测误差曲线，从）位置检测误差曲线，从曲线可知，越接近边缘，其位置检

11、测误差曲线可知，越接近边缘，其位置检测误差越大。越大。光电耦合器光电耦合器 发光器件与光接收器件组合的一种器件发光器件与光接收器件组合的一种器件 以光作为媒介把输入端的电信号耦合到输出端。以光作为媒介把输入端的电信号耦合到输出端。发光器件：发光二极管发光器件：发光二极管 接收器件：光电二极管、光电三极管、光集成电接收器件：光电二极管、光电三极管、光集成电路等路等 体积小，寿命长，无触点，抗干扰能力强，输入体积小，寿命长，无触点，抗干扰能力强，输入和输出之间隔离，可单向传输信号等特点和输出之间隔离，可单向传输信号等特点 可取代继电器、变压器、斩波器等可取代继电器、变压器、斩波器等 广泛用于隔离电

12、路、开关电路、模数转换电路、广泛用于隔离电路、开关电路、模数转换电路、逻辑电路以及长线传输、高压控制等单元电路。逻辑电路以及长线传输、高压控制等单元电路。光电耦合器的结构原理图光电耦合器的结构原理图（a）光电二极管）光电二极管（b）光电三极管）光电三极管（c）光电二极管）光电二极管-高速开关三极管高速开关三极管 根据接收器的不同来分类根据接收器的不同来分类（d）光电三极管）光电三极管-达林顿晶体管达林顿晶体管（e）光集成电路）光集成电路光电传感器光电传感器光电耦合器的应用光电耦合器的应用光电耦合器特点总结：光电耦合器特点总结：1.以光为媒介传输，保证了输入输出端间的高度电绝缘，绝缘电阻大于104兆欧，隔离性好，耐压高；2.传输单向性，不会发生反馈；3.抗电磁干扰性强，可靠性能好；4.不同组合逻辑电路容易实现配合，易阻抗匹配，便于接口；5.响应速度快、灵敏度高；6.输入输出无触点接触，体积小。