位敏探测器PSD的原理与应用

位敏探测器Position Sensitive Detector（PSD）

        激光束的一个独特特性是它在空间上从A到B点沿直线传播。根据这一特性，有许多直线度和定位装置应用。然而，虽然从A到B的传输是一个理想的直线，但由于其随时间、寿命和大气等条件导致发射位置的变化是已知的现象。在大多数情况下，这种运动仅仅是光束直径的一小部分，但是在长路径中，这种运动会引起问题。Dumaoptronics提供光束定位加上特殊的高稳定激光器，减少漂移测量系统。

        基本技术：一种用于中心对准的象限探测器，用于工程测量的横向影响探测器（偏差在微米级），双检测器对准系统（alignmeter）测量光束定位偏差和角度偏差（对长直对准关键HT机械系统和铰接臂）。基于CCD探测器的系统可同时测量多个光束，连续光或脉冲光。PSD系列是由SpotOn产品线提供。激光对准由Alignmeter自准直仪系列提供。

四象限探测器QD（Quadrant Detector）

 

        在某些应用中，有必要将激光束对准目标，并在长时间内保持对准精度高。为了确保对齐保持在很长一段时间，一个积极的反馈回路保持对准零束中心的目标。最适合此应用的是四象限探测器。由于四象限探测器的中心不随时间或温度变化。调零的处理信号的探测器和调整瞄准镜重新中心光束的计算机控制。一个四象限探测器最重要的特点是各探测器之间的差距–常见的间距分别为10和30微米，虽然可以提供更好的间距。

        象限探测器是一个均匀的硅盘，中间有交叉间隙。因此，有四个相等的光电探测器封装为一个。探测器的中心是交叉状分离产生的交叉点。以检测器为中心的激光束将从每个段产生相等的电流。光束运动将被转换成不同的电流在每个段，并通过处理这些数据，可以计算光束中心的波动。所计算的波动被给定为相对于光束尺寸的运动百分比。了解光束的尺寸可以方便地转化为工程单元。由SpotOn系列提供的软件能完成这些计算

图1示出了象限和横向效应检测器的几何结构。

在象限检测器中，四个段用字母A、B、C和D表示

                                             

Figure 1 四象限探测器和横向效应探测器

位敏探测器PSD – POSITION SENSITIVE DETECTROS

        这一系列探测器将显示入射激光束的质心位置，并将在工业、光学、对准和一般激光质量保证中找到大的应用领域。对于工程位置传感，广泛使用三种类型的探测器：双轴横向效应探测器和CCD和CMOS探测器的镶嵌类型。横向效应探测器以类似于象限探测器的方式工作，其中信息由四个电极递送，每个轴两个，并附着在敏感表面的背面。在这种情况下，四个电流由光吸收产生，并用适当的算法进一步处理以给出x和y位置。在镶嵌系统中，光束位置是通过测量在检测器表面上传递给每个像素的能量来确定的。对于位置传感设备的详细信息，请参考Duma的SpotOn详细规格。

 

CCD 型位敏探测系统

        CCD传感器是一种将光学图像转换成电子信号的装置。在定位应用中，一种特殊的校准CCD器件用于将激光能量转换为CCD传感器所感知到的变化。CCD图像传感器是一种电子设备，它是一种以像素为单位的二维小检测元件。今天传感器的像素大小从2微米到10微米不等，每个传感器的像素数量可以超过2000万像素。当光照射到芯片上时，它被当作一个小的电荷，与光的强度水平成正比，在每个光传感器中。这些变化被转换为电压，一次一个像素，因为它们被芯片读取。相机的附加电路将电压转换成数字信息。对于定位应用，CCD探测器必须非常均匀，并将入射光水平与局部强度线性转换。使用CCD探测器的普通摄像机不是这样的。进一步的电子技术将每个像素的电压信息转换成数字信息，并将信息传送到USB端口。一种软件算法将流数据转换成特定软件显示的定位信息。与其他探测器相比，CCD探测器具有明显的脉冲应用优势。位置分辨率通常受传感器像素大小的限制。这两种技术在职位申请上都没有明显的优势，应该通过案例研究来评估。

位敏探测器被用作各种仪器的构件，如AlignMeter、AngleMeter、Electronic Autocollimators和其他面向应用的仪器。

位敏探测器应用

与传统的机械铣削头相比，激光束的最大特点是几乎没有质量。所以即使平均功率达到几千瓦的光束都可以使用小巧轻质的反射镜进行X&Y方向的位置和角度的高动态移动。Aligna系统使用纳米级分辨率位置敏感探测器（PSD）以几十MHz的速度测量光束位置和角度，并使用基于压电陶瓷的伺服反馈机构对测得的偏移可以进行快速纠正。

在激光材料加工设备中，光束指向稳定系统使用更小，更轻，更快和更便宜的机械结构，能够主动高动态补偿漂移，空气波动和动态变形。不仅如此，客户不需要旷日持久的手动调节，可以在数秒之内更换光路元件甚至激光器。

 

        激光测试激光制造商经常使用PSDs来表征他们的准直激光器。使用PSD可以测试激光器的绝对功率和功率波动，以及光束漂移、集中和光束对外壳或管的排列。SpotOn特别适合这个应用程序，因为它提供了一个图形目标显示器，用于跟踪光束的移动和一个图表显示，以便随着时间的推移监测光束的特性。

Figure 3 ：Controlling Optical Beam Alignment

        在某些应用中，有必要将激光束对准目标，并在很长一段时间内保持高精度的对准。为了保证系统长时间的对准，需要采用主动反馈来维持光束与目标中心的对准。

        用于这个应用的最好的检测器是4象限探测器，因为象限探测器的中心不随时间或温度变化。Nulling由一个计算机控制，该计算机处理来自探测器的信号，并调整一个指向镜以使光束中心重新到中心(见图4)。

Figure 4

测量线性位移

 

        激光被导向一个移动的镜子或一个反射器。测量检测器放置在接收反射光束上。将镜像目标与初始位置平行移动，将在探测器表面产生一个线性位移，从而使镜像线性位移的非接触测量成为可能。

Figure 5 测量线性位移

测量枪管的直线度

        一个SpotOn位敏探测器系统被安装在导轨上，与枪的口径匹配。一个安装在枪管上的激光对准SpotOn探测器。当导轨移动时，探测器的读数会根据枪管变形而变化，记录运动轨迹。

测量导轨误差

 

        当与激光一起使用时，双轴侧向效应探测器可以测量高精度机械装置的公差和误差。为了测量滑轨的误差，一个侧向效应探测器被严格地安装在一个行进的滑块上，并且激光与探测器对准，以定义一个直的光路。当滑块沿滑轨移动时，侧向效应探测器测量了垂直于运动方向的两个轴线上的激光束位置的变化。光束位置读数的任何变化都会显示出轨道上的畸形。如果长的运动路径/或由探测器头电缆引起的应变是不可忽略的，那么PSD可被一个延迟位移，中空的反射器所代替。在这种设计中，探测器与激光器平行安装，光线反射回PSD。由于反射效应，梁的位置读数将是实际移动的两倍。类似的基于PSD的计量系统可以用来测量表面平坦度、方形度和直线度等特征。

使用反射器在滑道中测量误差的配置:

Figure 8

        高精度、实时地测量机械设备的公差和误差将使其性能提高。为了测量激光路径中的误差，一个侧向效应检测器是一个很好的解决方案。安装在工作区域内的探测器将改进并控制光束传送到最高精度。当运输沿着滑道运动时，侧向效应探测器测量了在垂直于运动方向的两个轴上的激光束位置的变化。光束位置读数的任何变化都将显示在轨道上的畸形，在轴承中发挥作用，或者两者都有。

图8描述了使用反射器的应用程序设置，其中图9描述了直接测量XY表设置的布局。

Figure 9

No.	Description
1	Laser   Rod
2	Cavity Mirrors
3	P.S.D
4	P.S.D – Homing  position
5	Folding   Mirror

在使用激光的过程中，镜子可以稍微改变反射镜的常规检查(和调整)，这是必要的，使用探测器上的数据作为数字3，进一步的一个归零点表示为探测器4，可以进行周期性的调整。

使用激光材料可以切割或雕刻。取决于激光的功率和或多或少功率的速度，这是应用于材料。这可能导致表面燃烧或熔化材料(雕刻)或完全切割材料。用内置或周期性检查，激光束路径可以显著改善整体系统性能。

 关键词：位敏探测器,位敏探测系统PSD,四象限探测器,位置敏感探测器

作者：瞬渺光电