專利名稱：四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的光電轉(zhuǎn)換平衡校正方法
一、所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及光電探測(cè)領(lǐng)域，特別涉及四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)與探測(cè)器輸出信號(hào)的方程組的建立，及其在四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)平衡校正的方法及其應(yīng)用。
本發(fā)明的四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的光電轉(zhuǎn)換平衡校正方法是通過(guò)對(duì)四象限光電探測(cè)器的輸出信號(hào)的合成進(jìn)行分析，找出光電轉(zhuǎn)換系數(shù)與探測(cè)器輸出信號(hào)的關(guān)系，列出了關(guān)于探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)與探測(cè)器輸出信號(hào)的方程組，通過(guò)求解方程組求得探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。將四路光電轉(zhuǎn)換系數(shù)歸一化，從而實(shí)現(xiàn)四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的光電轉(zhuǎn)換一致性，即平衡校正。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是，四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的光電轉(zhuǎn)換平衡校正方法，其特征在于建立了求取四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)域I、II、III、IV的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)pI、pII、pIII和pIV的表達(dá)式，將光敏面四個(gè)輸出信號(hào)uI、uII、uIII、uIV歸一化后，合成探測(cè)器的輸出信號(hào)ux、uy；定義四象限光電探測(cè)器輸出信號(hào)為ux＝(uI+uIV)-(uII+uIII)(I)uy＝(uI+uII)-(uIII+uIV)(2)其中uI、uII、uIV分別為四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的輸出電壓信號(hào)；四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)光敏區(qū)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)是否平衡一致的一個(gè)標(biāo)志在于當(dāng)光斑完全從光敏面y(x)軸的一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)，ux信號(hào)是否幅值相等，符號(hào)相反；1)、建立方程組并求得光電轉(zhuǎn)換系數(shù)求解通式令uI＝pISI(3) SII+SIII＝S (12)pISI′+pIISII′＝Q1′(13)uII＝pIISII(4)pISI′-pIISII′＝R1′(14)uIII＝pIIISIII(5)SI′+SII′＝S(15)uIV＝pIVSIV(6)pIIISIII′+pIVSIV′＝Q2′ (16)pISI+pIVSIV＝Q1(7)pIVSIV′-pIIISIII′＝R2′ (17)pISI-pIVSIV＝R1(8)SIII′+SIV′＝S (18)SI+SIV＝S (9)pIISII+pIIISIII＝Q2(10)pIISII-pIIISIII＝R2(11)
其中S1和S4分別為0°安裝I、IV象限光斑的面積沿光路返回折算到探測(cè)器凸透鏡上的面積，Q1、R1分別為0°安裝探測(cè)器輸出信號(hào)的合成信號(hào)ux和uy的電壓值。SI′，SII′，SIII′，SIV′分別為90°安裝時(shí)，光斑完全偏移到I、II象限，以及完全偏移到III、IV象限時(shí)，光斑在各象限的面積沿光路返回折算到探測(cè)器透鏡上的光照面積，R1′，R2′，Q1′，Q2′分別為相應(yīng)的ux、uy信號(hào)的電壓值。在(7)～(18)式中，Q1、Q2、R1、R2、Q1′、Q2′、R1′、R2′和S為已知量，pI～pIV、S1～SIV、SI′～SIV′為未知量；解方程組(7)～(18)得pI=A`ADD′-BB′C′CBC`A`S-A′BDS+A′D`DS-BC′CS.....(19)]]>pII=pIA`pIS-B`.......(20)]]>pIII=pIIDPIIS-C......(21)]]>pIV=pIBPIS-A.....(22)]]>其中A=Q1+R12,]]>B=Q1-R12,]]>C=Q2+R22,]]>D=Q2-R22,]]>A`=Q1′+R1′2,]]>B`=Q1′-R1′2,]]>C′=Q2′+R2′2,]]>D′=Q2′-R2′2;]]>Q1與R1、Q2與R2分別為0°安裝光斑完全在探測(cè)器光敏面y軸一側(cè)時(shí)探測(cè)器輸出信號(hào)的合成信號(hào)ux和uy的電壓值，R1′，R2′，Q1′，Q2′為90°安裝時(shí)光斑完全在探測(cè)器光敏面y軸一側(cè)時(shí)探測(cè)器輸出信號(hào)的合成信號(hào)ux和uy的電壓值；除了上述表達(dá)式外，pI，pII，pIII和pIV也可以是由其它不同安裝狀態(tài)時(shí)的ux和uy求得的表達(dá)式，還可以是其它途徑獲取的函數(shù)形式；2)、光電轉(zhuǎn)換系數(shù)校正平衡后ux和uy的表達(dá)式給定四象限光電探測(cè)器的輸出信號(hào)，由1中光電轉(zhuǎn)換系數(shù)求解通式求出各光敏區(qū)光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，并進(jìn)行歸一化，即將四象限光電探測(cè)器光敏面的四個(gè)區(qū)的輸出信號(hào)除以其相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)；然后按照(1)式和(2)式將探測(cè)器各光敏區(qū)輸出信號(hào)合成ux、uy信號(hào)ux=(uI/pI+uIV/pIV)-(uII/pII+uIII/pIII)....(23)]]>uy=(uI/pI+uII/pII)-(uIII/pIII+uIV/pIV)....(24)]]>其中uI、uII、uIII、uIV分別為四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的輸出信號(hào)，p1、pII、pIII和pIV分別為四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，可由式(19)～(20)求得。
所述將光敏面四個(gè)區(qū)域的電壓信號(hào)u1、uII、uIII、uIV歸一化后合成探測(cè)器的輸出信號(hào)ux、uy。歸一化的ux、uy表達(dá)式為 其中信號(hào)的合成方式可以是 或 還可以是其它組合形式，如對(duì)角和差，或相乘、除等。
本發(fā)明通過(guò)對(duì)四象限光電探測(cè)器的輸出信號(hào)的合成進(jìn)行分析，找出光電轉(zhuǎn)換系數(shù)與探測(cè)器輸出信號(hào)的關(guān)系，列出了關(guān)于探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)與探測(cè)器輸出信號(hào)的方程組，通過(guò)求解方程組獲得探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。將各光電轉(zhuǎn)換系數(shù)歸一化，無(wú)需對(duì)光敏面四個(gè)區(qū)的四個(gè)通道進(jìn)行硬件增益調(diào)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的光電轉(zhuǎn)換關(guān)系一致性平衡校正，為四象限光電探測(cè)器的精確探測(cè)奠定了基礎(chǔ)。
四

圖1是探測(cè)器光路圖；圖2是探測(cè)器光敏面上光斑軌跡圖，其中圖(a)是0°安裝時(shí)的光斑軌跡圖，圖(b)是90°安裝時(shí)的光斑軌跡圖；圖3是給定四象限光電探測(cè)器的輸出信號(hào)圖；其中圖(a)是原探測(cè)器輸出信號(hào)圖，圖(b)0度安裝時(shí)的波形圖，圖(c)為旋轉(zhuǎn)90度后的波形圖。
光電轉(zhuǎn)換系數(shù)校正后探測(cè)器輸出信號(hào)圖。
本實(shí)施例定義四象限光電探測(cè)器輸出信號(hào)為ux＝(uI+uIV)-(uII+uIII)(1)uy＝(uI+uII)-(uIII+uIV)(2)其中uI、uII、uIII、uIV分別為四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)(如附圖2)的輸出電壓信號(hào)。
四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)光敏區(qū)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)是否平衡一致的一個(gè)標(biāo)志在于當(dāng)光斑完全從光敏面y(x)軸的一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)，ux信號(hào)是否幅值相等，符號(hào)相反。1、建立方程組并求得光電轉(zhuǎn)換系數(shù)求解通式令uI＝pISI(3) pISI′-pIISII′＝R1′ (14)uII＝pIISII(4) SI′+SII′＝S (15)uIII＝pIIISIII(5) pIIISIII′+pIVSIV′＝Q2′(16)uIV＝pIVSIV(6) pIVSIV′-pIIISIII′＝R2′(17)pISI+pIVSIV＝Q1(7) SIII′+SIV′＝S (18)pISI-pIVSIV＝R1(8)SI+SIV＝S(9)pIISII+pIIISIII＝Q2(10)pIISIII-pIIISIII＝R2(11)SII+SIII＝S (12)pISI′+pIISII′＝Q1′(13)
其中S1和S4分別為0°安裝I、IV象限光斑的面積沿光路返回折算到探測(cè)器凸透鏡上的面積，Q1、R1分別為0°安裝探測(cè)器輸出信號(hào)的合成信號(hào)ux和uy的電壓值。SI′，SII′，SIII′，SIV′分別為90°安裝時(shí)，光斑完全偏移到I、II象限，以及完全偏移到III、IV象限時(shí)，光斑在各象限的面積沿光路返回折算到探測(cè)器透鏡上的光照面積，R1′，R2′，Q1′，Q2′分別為相應(yīng)的ux、uy信號(hào)的電壓值。在(7)～(18)式中，Q1、Q2、R1、R2、Q1′、Q2′、R1′、R2′和S為已知量，pI～pIV、SI～SIV、SI′～SIV′為未知量。解方程組(7)～(18)得pI=A`ADD′-BB′C′CBC`A`S-A′BDS+A′D`DS-BC′CS.....(19)]]>pII=pIA`pIS-B`.......(20)]]>pIII=pIIDPIIS-C......(21)]]>pIV=pIBPIS-A.....(22)]]>其中A=Q1+R12,]]>B=Q1-R12,]]>C=Q2+R22,]]>D=Q2-R22,]]>A`=Q1′+R1′2,]]>B`=Q1′-R1′2,]]>C′=Q2′+R2′2,]]>D′=Q2′-R2′2.]]>2、光電轉(zhuǎn)換系數(shù)校正平衡后ux和uy的表達(dá)式給定四象限光電探測(cè)器的輸出信號(hào)(如附圖3(a))，由1中光電轉(zhuǎn)換系數(shù)求解通式求出各光敏區(qū)光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，并進(jìn)行歸一化，即將四象限光電探測(cè)器光敏面的四個(gè)區(qū)的輸出信號(hào)除以其相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。然后按照(1)式和(2)式將探測(cè)器各光敏區(qū)輸出信號(hào)合成ux、uy信號(hào)ux=(uI/pI+uIV/pIV)-(uII/pII+uIII/pIII)...(23)]]>uy=(uI/pI+uII/pII)-(uIII/pIII+uIV/pIV)...(24)]]>其中uI、uII、uIII、uIV分別為四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的輸出信號(hào)，pI、pII、pIII和pIV分別為四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，可由式(19)～(20)求得。
繪出(23)、(24)式關(guān)于ux、uy與β的曲線，得到如附圖3(b)、(c)波形。其中(c)為旋轉(zhuǎn)90度后的波形，其實(shí)質(zhì)是90度安裝時(shí)的ux波形類同0度安裝時(shí)的uy波形，而90度安裝時(shí)的uy則類同于0度安裝時(shí)的ux波形。
權(quán)利要求
1.一種四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的光電轉(zhuǎn)換平衡校正方法，其特征在于建立求取四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)域I、II、III、IV的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)pI、pII、pIII和pIV的表達(dá)式，將光敏面四個(gè)輸出信號(hào)uI、uII、uIII、uIV歸一化后，合成探測(cè)器的輸出信號(hào)ux、uy；定義四象限光電探測(cè)器輸出信號(hào)為ux＝(uI+uIV)-(uII+uIII)(1)uy＝(uI+uII)-(uIII+uIV)(2)其中uI、uII、uIII、uIV分別為四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的輸出電壓信號(hào)；四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)光敏區(qū)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)是否平衡一致的一個(gè)標(biāo)志在于當(dāng)光斑完全從光敏面y(x)軸的一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)，ux信號(hào)是否幅值相等，符號(hào)相反；1)、建立方程組并求得光電轉(zhuǎn)換系數(shù)求解通式令uI＝pISI(3)pIISII-pIIISIII＝R2(11)uII＝pIISII(4)SII+SIII＝S (12)pISI′+pIISII′＝Q1′(13)uIII＝pIIISIII(5)pISI′-pIISII′＝RI′(14)uIV＝pIVSIV(6)SI′+SII′＝S(15)pISI+pIVSIV＝Q1(7)pIIISIII′+pIVSIV′＝Q2′ (16)pISI-pIVSIV＝R1(8)pIVSIV′-pIIISIII′＝R2′ (17)SI+SIV＝S (9)SIII′+SIV′＝S (18)pIISII+pIIISIII＝Q2(10)其中S1和S4分別為0°安裝I、IV象限光斑的面積沿光路返回折算到探測(cè)器凸透鏡上的面積，Q1、R1分別為0°安裝探測(cè)器輸出信號(hào)的合成信號(hào)ux和uy的電壓值。SI′，SII′，SIII′，SIV′分別為90°安裝時(shí)，光斑完全偏移到I、II象限，以及完全偏移到III、IV象限時(shí)，光斑在各象限的面積沿光路返回折算到探測(cè)器透鏡上的光照面積，R1′，R2′，Q1′，Q2′分別為相應(yīng)的ux，uy信號(hào)的電壓值。在(7)～(18)式中，Q1、Q2、R1、R2、Q1′、Q2′、R1′、R2′和S為已知量，pI～pIV、SI～SIV、SI`～SIV`為未知量；解方程組(7)～(18)得pI=A`ADD`-BB′C′CBC`A`S-A′BDS+A′D`DS-BC′CS......(19)]]>pII=pIA`pIS-B`.......(20)]]>pIII=pIIDPIIS-C.......(21)]]>pIV=pIBPIS-A.......(22)]]>其中A=Q1+R12,]]>B=Q1-R12,]]>C=Q2+R22,]]>D=Q2-R22,]]>A`=Q1′+R1′2,]]>B`=Q1′-R1′2,]]>C′=Q2′+R2′2,]]>D′=Q2′-R2′2;]]>Q1與R1、Q2與R2分別為0°安裝光斑完全在探測(cè)器光敏面y軸一側(cè)時(shí)探測(cè)器輸出信號(hào)的合成信號(hào)ux和uy的電壓值，R1′，R2′，Q1′，Q2′為90°安裝時(shí)光斑完全在探測(cè)器光敏面y軸一側(cè)時(shí)探測(cè)器輸出信號(hào)的合成信號(hào)ux和uy的電壓值；除了上述表達(dá)式外，pI，pII，pIII和pIV也可以是由其它不同安裝狀態(tài)時(shí)的ux和uy求得的表達(dá)式，還可以是其它途徑獲取的函數(shù)形式；2)、光電轉(zhuǎn)換系數(shù)校正平衡后ux和uy的表達(dá)式給定四象限光電探測(cè)器的輸出信號(hào)，由1中光電轉(zhuǎn)換系數(shù)求解通式求出各光敏區(qū)光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，并進(jìn)行歸一化，即將四象限光電探測(cè)器光敏面的四個(gè)區(qū)的輸出信號(hào)除以其相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)；然后按照(1)式和(2)式將探測(cè)器各光敏區(qū)輸出信號(hào)合成ux、uy信號(hào)ux=(uI/pI+uIV/pIV)-(uII/pII+uIII/pIII)...(23)]]>uy=(uI/pI+uII/pII)-(uIII/pIII+uIV/pIV).....(24)]]>其中uI、uII、uIII、uIV分別為四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的輸出信號(hào)，pI、pII、pIII和pIV分別為四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，可由式(19)～(20)求得。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述自較平衡法，將光敏面四個(gè)區(qū)域的電壓信號(hào)uI、uII、uIII、uIV歸一化后合成探測(cè)器的輸出信號(hào)ux、uy，歸一化的ux、uy表達(dá)式為 其中信號(hào)的合成方式可以是 或 還可以是其它組合形式，如對(duì)角和差，或相乘、除等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的光電轉(zhuǎn)換平衡校正方法。該方法通過(guò)對(duì)四象限光電探測(cè)器的輸出信號(hào)的合成進(jìn)行分析,找出光電轉(zhuǎn)換系數(shù)與探測(cè)器輸出信號(hào)的關(guān)系,列出了關(guān)于探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)與探測(cè)器輸出信號(hào)的方程組,通過(guò)求解方程組獲得探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。將各光電轉(zhuǎn)換系數(shù)歸一化,無(wú)需對(duì)光敏面四個(gè)區(qū)的四個(gè)通道進(jìn)行硬件增益調(diào)節(jié),即可實(shí)現(xiàn)四象限光電探測(cè)器光敏面四個(gè)區(qū)的光電轉(zhuǎn)換關(guān)系一致性平衡校正,為四象限光電探測(cè)器的精確探測(cè)奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)H01L31/00GK1423340SQ0213956
公開日2003年6月11日 申請(qǐng)日期2002年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月29日
發(fā)明者劉君華, 湯曉君, 黨麗萍, 李文學(xué) 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué), 中國(guó)人民解放軍駐西北光電儀器廠軍事代表室