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1、基于单片机的新型横向光电效应的信号处理器 摘 要从理论上已经得出横向光电效应位置敏感探测器的输出电流和入射光斑的位置成一种固有的非线性关系。基于单片机的输出电流与位置之间的理论关系，一种能够校正非线性和减少位置测量偏差的横向光电效应的位置灵敏探测器被开发出来。新型信号处理器的横向光电效应探测器（S1200，1313 mm，滨松光子学株式会社）能够得出PSD的电流输出位置和光点的入射位置之间的线性关系。在一个1313毫米有效区的60的范围内，可知该位置非线性有效值为0.15、位置测量偏差均方根值为20微米。同时，新的信号处理器与传统的模拟信号相比，新的信号处理器有更好的兼容性、更低的成本、更高的
2、精度，并且容易进行接口。 目 录1 引言12 硬件系统设计33 非线性校正软件设计53.1 理论探讨53.2 非线性校正软件的研究6 3.2.1 数据结构7 3.2.2 软件研发84 实验结果105 总结12参考文献13I 1 引言二维位置灵敏探测器（PSD）得到广泛应用，包括三边PSD，双轴蜂房式线圈PSD，枕型PSD等。其中，三边PSD具有以下优点：它很容易被制造，拥有至少暗电流，并且便利的是反向偏置。然而，这种PSD还是有它不足之处的，例如，相比其他类型的PSD时，它具有严重的非线性和测量偏差，最大测量偏差是至多约设备的有效长度的10。譬如，对于一个双轴蜂房式线圈PSD或枕型PSD的敏感
3、区域约为150毫米，在A区一个典型的位置测量偏差区域约是设备中心活性敏感区域的12，一般偏差为80微米，最大位差为150微米。在B区，一个典型的位置测量偏差区域约是设备中心活性敏感区域的50，一般偏差为150微米，最大位差为250微米。对于使用相同有源敏感区域的横向光电效应PSD，其在A区和B区典型位置测量误差和最大测量误差分别为150微米和300微米；1200微米和1500微米。由于横向光电效应PSD测量的精密度偏低，所以有必要在使用之前做偏差校正。在实践中，一些方法已经在校准过程中使用，如有二次线性和二次非线性插值方式，以及神经网络和共轭梯度算法，然而这些方法只能用于一个给定的设备和不能被
4、应用到其他的设备，且用起来需要一一校正，相当浪费时间。当我们使用PSD时，信号处理电路必须使用，因为PSD的输出是具有与事件点的位置有一定关系的几个电流信号。该处理器不仅转换输出电流和电压，而且还计算出这些电压信号的位置信息。计算包括加法，减法，乘法和除法，因此模拟和数字处理器则根据不同的加工方法计算。在模拟处理器，加法和减法的计算是由运算放大器实现，乘法和除法是通过模拟计算单元实现。由于较少的生产和价格高的原因，有些模拟处理器就使用的模拟乘法装置来以取代ACU， 然而这样却使得该电路变得更复杂和不太精确。而在数字处理器中，模拟/数字转换器用来处理数字化的输出信号，单片机实现其计算，与模拟处理
5、器相比，数字处理器不仅价格便宜，而且有更高的计算精度和更普遍的应用程序。这篇文章中，旨于理论分析与计算横向光电效应PSD固有的非线性输出特性，根据当前位置的关系，我们修改了常用的当前位置近似方程，开发了一个程序和嵌入到一个单片机中实现一个新的横向光电效应PSD数字处理器的非线性修正算法，与传统的处理器相比，新的处理器可以提高横向光电效应PSD的线性度，以及显著降低了位置测量偏差。关键的是，因为这种方法校正了位置流动的固有近似关系，且同于其他特定PSD的非线性修正方法，也使得新的处理器适合于各种大小不同的横向光电效应PSD。本文主要部分：一，新处理器的硬件设计分三个方面；首先，理论方法的提出，其
6、次，计算横线光电效应PSD的当前位置关系，最后，提出在处理器的软件设计来实现校正非线性的方法。二，比较横向光电效应PSD传统的处理方法和新的信号处理方法之间的测试结果。三，对此新类型信号处理器的特性进行了总结。2 硬件系统设计如图1横向光电效应PSD的处理器的硬件框图。首先四个薄弱的PSD输出电流信号（I1I4）由电流 - 电压转换器，即I/ V转换器，它与反馈电阻由运算放大器（OAS）（如LF411）（Rf=100 K）转换为电压信号，然后信号被由一个高精度，低漂移的运算放大器A放大到A/D转换器要求的范围内。A/D转换器（ICL7135或AD574），由模拟开关控制器的控制，将信号逐一依次
7、转换成数字信号，最后，数字信号被送到一个单片机的P1口（AT89C55有2k随机存取存储器（RAM）。 图1 横向光电效应PSD的处理器的硬件框图 在用户界面中，通过使用键盘和显示器IC8279，设置12个八元素的发光二极管（LED）和16个按键，且12LED被分成两组，每组6个并分别显示x和y坐标符号，16个键中的十个编号0-9和其他6个功能键来设定的工作模式，设置升值（L是有效的敏感表面的长度设备），削减背景信号，启动，退出等功能。 图2 横向光电效应PSD的主要结构 如图2横向光电效应PSD的主要结构图。在该坐标系XOY的原点被设置在该装置的中心时，输出电流和归一化的位置之间的关系见公式
8、(1); (1) 在该坐标系XOY，其原点设置在该装置的角落时，输出电流和归一化的位置之间的关系见公式(2)和(3); (2) (3)其中I1-I4表示PSD的输出电流，XC，YC，XC，YC归一化的位置坐标。实际坐标等于归一化位置的坐标与该设备的有效探测表面的长度的乘积。处理器有两个可选模式。模式I是传统的方法，它使用等式功能(1)中来计算位置坐标，同时适于横向光电效应PSD和双轴叠层横向PSD，模式II是其中使用公式(1)处理数据的新方法,其中指出了执行校正功能的校正过程，并且适应于横向光电效应PSD。3 非线性校正软件设计3.1 理论探讨在完全反向偏置的pn结的情况下，忽略饱和电流，Lu
9、covsky得到的PSD方程如公式(4)； (4)其中表示潜在的pn结片，c表示每交界处的单位面积的电容，r表示每个所述表面层中，t表示单位面积的电阻时间，x和y是在pn结片的位置坐标，另g（X，Y,t）表示激励。假设光敏区域的大小是11，载荷和容量是零，在XOY坐标系中，边界条件如公式(5)； (5)上述等式满足格林函数（）/(t)=k，同时2其边界条件如公式(6)和(7)； (6) (7)在t=0时，假设光源有稳定的光照强度和PSD的敏感区上（X0，Y0）有来于X0的小半径光斑效应,得到公式(8)。 (8)其中，当光生电流I0= QF时，U（t）为阶跃函数如公式(9)； (9) 将(8)代
10、入式(7)，我们得到公式(10)： (10)其中Amn=1/rc(m/l)+（n/l）=rcl/（m+n）。当于（X0，Y0）发生一个稳定且轻强度效应时，公式(10)给出了PSD的敏感区域的电势分布。当t足够长时，根据欧姆定律（Jn=En）的微分形式，En=-/n,稳定的问题可以得到解决，在横向光电效应 PSD的四个电接点收集的电流如公式(11)-(14)： (11) (12) (13) (14)归一化是通过设置l=1执行的，在稳定状态下，输出电流和归一化后的光的位置之间的关系示于图3，在图3所示的电流值，即相对值忽略系数4I0/。从图3中我们可以看出I1和X0 之间有着明显的非线性关系。在X
11、0处，I1不是线性的，即使Y0不变。这些有助于理解I1，I2，I3，I4之间的关系。3.2 非线性校正软件的研究从式(11)-(14)系列式和图3可以看到的光入射位置和横向光电效应PSD的输出电流之间的非线性,然而获得函数X =f(I1，I2，I3，I4）和y=g（I1，I2，I3，I4）是相当复杂的，并且在传感器也难以实现。 图3 输出电流与光源的位置我们使用简单的位置电流公式(2)的关系作为参考，根据理论结果，修正点使其指向的光敏感区的整个范围。我们已经知道，电场分布由设备结构决定，而不是设备装置的尺寸决定，所以使其适应于不同尺寸的设备，我们归一化的长度为L= 1，在给定的光入射位置（X，
12、Y），我们从方程（11）-（14）得到了（I1-I4）和由式(2)得出（XC，YC）位置。假设正确的入射位置之间的（X，Y），所计算的位置（XC，YC）关系如公式(15)： (15)其中（，）是修正系数。这样我们可得出实际位置（x，y），近似位置（xc，yc）和修改因子（，)几者之间的关系，通过改变（x，y），我们可以得到相应的修正系数不同的位置，然而实际上，我们只需要计算第一象限的值就可获得其他三个象限的值，因为该设备是轴对称。 3.2.1 数据结构 首先，我们计算第一象限中I1-I4的值通过设定x = 0.5：0.05：0.95，Y =0.5：0.05：0.95,而yx，m=1000，n=
13、1000的结果利用matlab运算式7a-7b。其次，通过公式(2)我们可以得到在位置（x，y）的每一个计算的值（xc，yc）。这样，我们可得到原始值的数据库，其（xc，yc）原始值的分布于图4。 图4 原始坐标分布图 基于二进制三点内插法，假设给定的NM个节点满足的x和y坐标如式（16）。 （16）函数的对应式是zij=z(xi,yi)，其中，i=0,1，.，N-1和j=0,1，.，M-1让最接近的9邻点中的一个点（x，y）处的网格是下面这种形式，即式(17)： （17）二元三点插值法计算公式如式(18)； （18） 我们可以通过上面的方程得出在任何位置（x，y）的近似z值，且本文可得出z即
14、是系数或，在线性插值后数据库的数据组增到1378组。3.2.2 软件研发在应用中，坐标系统的原点是总是选择基于设备的中心，通过公式(1)计算A/D转换器的电压信号，可得到（xc，yc）的归一化位置。另左下和右上点发现在数据库中，同时修正因子（或）可通过如下线性内插方程得到方程(19)： (19) (20)归一化的坐标（x，y）是通过乘以(,），最后的实际位置（x，y）是通过乘以器件长度得到相乘得到。4 实验结果 用一个新的信号处理器的横向光电效应PSD进行测试，该试验的装置如图5所示。一个频率稳定的He-Ne激光与5毫瓦的输出功率用作光源。 图5 测试装置一个衰减器，用于调节激光强度到适当大小
15、，透镜将激光会聚到一个小点，小点投影到PSD的直径为约0.2mm，激光开启了半个多小时内，其光点的漂移位置可以忽略不计。然而，为了消除背景照明的影响，测试是在黑暗的环境中进行。要测试的PSD安装在精确度为一微米的步进马达驱动的螺旋测微计上，调节偏置电压vr=5v，每隔1000微米固定y的坐标，光点沿着x轴扫描，最后分隔1000微米读取此时位置的坐标。首先，PSD在模式一下测试，光源位置从（-6000，-6000um）的坐标移至到（6000,6000um）每次移1000um，并从信号处理器读出相应的测量位置坐标。网格为13X13点的，其测量如图6所示；我们可以看到，该中心具有较高的密度，同时边框
16、具有低的密度。测量偏差是大的，即使在中心。例如，在y=1000um恒量时，不断扫描x轴，可测出当X为1000微米，测量坐标XC为1648微米；当X为2000微米，XC为 3123um；当X为3000微米，XC为4330微米这样一组数据结果，发现测量结果与实际值不相符。 图6 模式1工作下的信号处理器的网格测量位置图PSD在模式二下测试，光源位置从（-5000，-6000um）的坐标移至到（5000,5000um）每次移动1000um，从信号处理器读出相应的测量位置坐标。网格是1111点的，其测量如图7所示；在新的处理器测试中，增加一个修正过程中的，其结果显示出良好的线性度。 在（-5000，-
17、5000um）-（5000，5000um）的测试范围内，其涵盖有效感光面积的60，均方根（RMS）典型位置测量偏差为20微米，均方根位置非线性为0.15，最大位置测量偏差为50um。而在（-6000，-6000um）- 6000，000um）的测试范围内，其涵盖有效感光面积的80，均方根（RMS）典型位置测量偏差为50微米，均方根位置非线性为0.38，最大位置测量偏差为145um。 图7 模式2工作下的信号处理器的网格测量位置图5 总结 在这篇文章中，讲述了基于单片机的新型信号处理器的横向光电效应PSD设计。新处理器被应用到横线光电效应PSD13X13毫米的有源区，且其试验结果是成功的与未经非
18、线性校正功能的传统方法相比，这种新方法可以减少典型位置均方根测量偏差在1010微米至20um微米之内，当器件的有源敏感面积为60时，最大均方根偏差在1500微米至50um之间，而在器件的有源敏感面积85以上的时，其典型位置均方根偏差的和最大位置测量均方根偏差分别为50um和145um。新的处理器适合不同尺寸的PSD，在这种情况下，设备就变得实用了，因为单芯片微计算机的使用方式和计算等式可以很容易地进行修改，正因为它仅需要修改的处理方程，这个新的类型的处理器可以用于处理其他类型的PSD，例如枕形PSD或者低电阻边界的方形PSD。 参考文献 1Position Sensitive Detector
19、s,Hamamatsu Photonics K.K.,Solid-State Division,Products, http:/.2 Position Sensitive Detectors, UDT Sensors, Inc., http:/ 3 X.-D.Wang and M.-Y.Ye,Optical Technique28,17(2002).4 C.-T.Mo,C.-Z.Chen,L.-L.Zhang,and F.-J.Sun,J.Optoelectron., Laser 14,343 (2003).5 G.Lucovsky,J.Appl.Phys.31,1088 1960.6 H.S.Carslaw and J.G.Jeager,Conduction of Heat in Solids, 2nd ed.Clarendon, Oxford, 198612