光电位置传感器及光电位置测量.pdf

r。第 l 8卷 第 4 期 1 9 9 4 年 1 2月 哈 尔 滨 科 学 技 术 大 学 学 报 J 0URNAL HARBI N UNI V SC I&TE CH。V O 1 1 8 N o 4 De c 1 9 9 4 光 电位置传感器及光 电位置测量 袁 峰 丁振良 蒋作民 强锡富 谭定忠 (哈尔演工业大学)摘要对目 前已研制出的多种光电位敏元件及位置测量方法进行了系统的归 纳分类，并结合作者本人的研究工作，对这些方法进行了综合评述 关键词住敏元件位置测量定位 分类号 T M 9 3 0 1 2 6 光电位置测量是许多测量过程的基础，许多角位移和线位移的测量都可以转换为位置的测 量，其中很广泛的一类测量是基于光线偏转原理。因此，光线位置的精密测量是许多测量过 程的关键，也是许多领域研究人员共同关注的问题 目前已经研制出多种光电位敏元件并在 其使用方面做了大量的研究工作，本文对这些研究进行了系统的归纳分类，并结合作者的 研究工作 对这些方面进行比较 由于涉及面较广，本文只讨论简单光学图像的位置 测量。1光电位置测量方法分类 一般位置测量系统由光学系统、位敏元件、前置电路、数据处理等部分构成，有的系统还有 反馈执行元件，因此，光电位置测量从不同角度可以有几种不同的分类方法，如按所使用的位 敏元件类型分类、按提取的位置特征分类、按测量系统的工作状态分类等。其中按所用位敏 元件分类是比 较重要的分类方法 位敏元件总的来说可分为三类 第一类是单探测器类，包括光电倍增管、光电二极管(含光电 池)、光敏电阻等，利用机械扫描或电子扫描(析像管)装置，将输入辐射调制成空间位置信 号 另外通过测量已知分布的光辐射信号的光通量也可进行位置测量，其输出也能反映一维 位置信息 第二类是具有连续位置检测能力的光电探测器P S D，它有面型和线型两种，其输 出含有光信号亮度信息和亮度重心位置信息 笫三类是阵列器件，是目前发展较快、应用较多 的光电探测器 一般分为半导体类和电子管类。半导体类包括光敏二极管阵列、C C D像感 器、像限光敏二极管或光电池，由线型P S D构成的面阵等 电子管类包括象限倍增管、光 导摄像管及侈像正析像管 由于阵列本身就形成一个坐标系。因而非常适于位置测量 阵列 传感器相对前两种探测器能获得更多的信息，如光信号的空间分布，背景分布的情况等 不仅 如此，还能容易地同时获取多个光信号的位置信息。此外还可将光敏元件 成各种特殊形状 (如十字线肜、环形、扇形)以满足不同需要 按提取位置特征的类型可以有不同的定位方法”一个简单光学图像的位置可以用以 下方法表示：信号的边缘，亮度中心、峰值坐标以及整个图像分布与已知样板的匹配情况等。一般箍 F l 期，l q 4 0 3 3 0 ，r 。，维普资讯 http:/ 2 2 哈 尔 滨 科 学 技 术 大 学 学 报 第 l 8 卷 根据位置测量系统的工作状态，位置测量系统可以工作在开环状态或闭环状态 闭环工作状 态通常可提高位置测量精度、扩展系统线性范围等，但这些都是以增加系统复杂性为代价的 2光电位敏元件的主要性能 早期的光电位敏元件主要是光电发射型探测器，有光电倍增管，析像管 光导摄像管及 移像正析像管 其共同特点是体积大，需高压电源，易受磁场干扰(通常需要屏蔽)，摄像管 易被强光灼伤 光电发射型探测器一般都具有优良的弱光探测能力，它们被成功地用于位置 测量，如装在早期的星体跟踪器中测定星像的位置 盯 半导体位敏元件是目 前发展较快的光电探测器，使用方便、类型多样、具有很多优良的 性 能，在弱光检测方面可代替光电倍增管，是目 前光电位置测量中广泛采用的元件，下面将着 重从位置测量角度讨论其性能 2 1分辨能力 分辨能力也就是对光学图像位置变化的分辨能力 对单探测器，直接与这一指标有关的参 数是噪声等效功率，决定这一参数大小的因素是暗电流噪声及热噪声 通常热噪声比暗电流 噪声大得多，只有光敏元件而积很小时，暗电流噪声才能和热噪声相比 如果靠机械扫描来 定位，位置检测系统的分辨能力还要受光学系统外部机械孔径的限制 单探测器位置测量的 极限分辨力可以很高 在L定测试条件下，大面积连续位置探测器P S D的分辨力一般在32 0 t m范围内，而线 型P S D的分辨力为零点几微米 另外，光信号功率对分辨力有直接影响，增加光信号功率 可提高分辨力 他 1 阵列式位敏元件的位置分辨力首先取决于像元中心距，较小的中心距对应较高的位置分辨 力 其次，如果需进一步提高位置分辨力，就要进行亚像素细分，这时像元尺寸、噪声电子数 及信噪比便成为影响细分精度的重要因素 目前，而阵 C C D像感器的最小像元间距可达 4 t m【I l，而多数间距为 1 0#m左右 线阵 C C D的像元最小间距为 5 t m，7 m间距 5 0 0 0 线 的线阵C C D已较普及 对于实现亚像素分辨，提高信噪比和降低噪声是关键，细分误差在信 噪比较高时与信噪比近乎成反比 另外，如果考虑光学系统的作用，在视场一定的情况 下，像元数越多(即阵列越大)分辨力越高 对于象限探测器，其限制因素与单探测器类 似，采用差动结构后，其分辨力将得到进一步改善 2 一 不均匀性 不均匀性产生系统误差 研究表明。大而积单探测器其光敏区具有响应的不均匀性。光电倍增管、光敏二极管等都有这种现象I I。实际中常表现为位置测量的非线性 。在距中心较近的区域非线性较小(1 内)，而距中心较遗处非线性较大(2 左右)”阵列探测器的不均匀性反映在各光敏元响应的不均匀性方面，通常在很小范围内也有较大差 别 这种不均匀性可高达 1 0 以上，对于提高细分精度影响很大补救的办法是对灵敏度 进行校正 由于光敏元响应线性好(0 5)，这种校正效果通常比较理想“目 2 3暗电流 暗电流是光电位敏元件重要的性能参数，是限制位置探测能力的重要因素 它与温度有 关，温度降低，暗电流减小 2 4 晌 府 溱 席 一 维普资讯 http:/、7 笫4 期 袁峰等：光电位置传感器及光电位置测量 2 3 响应速度对动态位置测量十分重要 光敏二极管、光电倍增管以及小型光敏二极管阵列都有 极高的响应速度(响应时间为纳秒级)，P S D位敏元件的响应速度也很高(微秒级)大型光 敏阵列光敏元工作于积分工作模式，需要一定的积分时间来获得必要的灵敏度 目 前，其最 高帧速不超过9 0 0 帧 s，通常为2 5 3 0帧 s，与电视制式兼容，因而这类位敏元件不太适合动 态测量，既使有电子快门也难以完全避免像模糊 一 3 典型位置测量系统 3 1单探测器位置测量系统 单探测器通常只能测量光 通量的变化，把位置变化转换为光通量变化，常借助于像分析 器，其原理是在象面上形成测光窗口作为位置基准 该窗 口可以是狭缝圆孔、棱尖 或刀口“lJ，也可以是调制圆盘这些基准窗 口或调制盘在工作 时 可做周 期性 扫描 运动或转动，使光敏元件输出周期性信号以便提高信噪比 上述位置测量过程实际上也是光 信号边缘位置检测过程 单探测器构成的像分析器可 以有很高的位置分辨力 一个典型的位 置测量系统是振子式光电瞄准装置，其位置分辨力可达零点零几微米。它被用于光电显微镜 和光电自准直仪等 振子上有一狭缝置于位敏元件之前，它以 5 0 H z 振动，当光信号亮线与 狭缝的中心位置重合时，对应光通量的变化，光电器件有 1 0 0 H z 频率对称波形输出 若光信 号亮线与狭缝中心不重合，则输出波形除有 1 0 0 H z 成分外还有 5 0 H z成分，根据其相位可 判断其偏离方向，根据幅值可以判断偏离大小 但由于光敏元件的非均匀性、光信号分布的 非均匀性以及亮度变化等因素的影响，使得这种测量的线性范围很小，通常这种扫描式像分 析器适于光电瞄准 如果要扩大位置测量范围，提高精度，需用伺服机构，目前已有带伺服 系统的光电自准直光管产品“q 另一个典型例子是使用具有伺服锁定功能的析像管构成 的光子式位移传感 器，其分辨力可达零点零几微米 在较宽的测量范围内，非线性低于 1 频响可超过 1 0 0 KH z 3 2 P S D位敏元件构成的位置测量系统 P S D是专为光学信号位置测量而研制的元件，其输出的位置信号是光信号的亮度中心坐 标 文献 1 2】介绍了一种在长2 5 m范围内测量直线度的 P S D应用系统，其精度为2 5 *m 所 用光源为H e N e 激光器，P S D像而上光斑直径为 5 ra m P S D型号是$1 2 0 0，为表面分离改进 型元件 一般来说 P S D位置测量系统比较简单，具有很好的抗杂光干扰能力和较小的位置 温度系 数(波长低于9 0 0 n m时温度系数可低于0 2 )3-3 象限位置测量系统 它检测的也是光信号的亮度中心位置，其输出一般有两种电路联接方案：和差电 骼和直 差电路联接 和差电路的特点是测量灵敏度较高，非线性影响较小；直差电路这两方面性能要 差一些 由于采用差动联接，光信号亮度起伏以及背景影响可以被抵消，灵敏度也有所提 高 这些特点都是单探测器所没有的，线性也比单探测器好 但是，由于象限探测器中每个 光敏元之间的特性差别，每个光敏元自 身响应的不均匀以及光信号形状和分布的不规则性，使得象限位置测量的线性范围也较小，比P S D要小很多【l51采用闭环结构可使线性得到很大 改善，如文献【2 O】中采用四象限光电池、检差电路和伺服电机构成的测量系统，在 1 5 ra m 的范围内得到 0 0 5 的线性度 隆列式探测器位置测量系统 一 维普资讯 http:/ 2 4 哈 尔 滨 科 学 技 术 大 学 学 报 第 l 8 卷 目前，这种测量系统较多，它们具有测量范围大、兮辨力高的特点 用面阵传感器进行光 电位置测量的最好结果是在C C D星体跟踪器中得到的，由于采用亚像素分辨技术，其位置测量 精度接近 l 1 o 0 像素尺寸(0 3 m)，抖动率为 1 2 5 0像素尺寸(0 1 l1 1)，成功地将视场分为 l 5 0 0 o o(所用 C C D为 5 1 2 3 2 0 像元)，获得高精度的关键在于提高信噪比 该系统采用慢 扫描工作方式读出信号电荷，采用相关四甄采样放大器，使读出噪声大大降低，利用半导体 致冷技术降低暗电流，使整个系统噪声控制在信号散粒噪声水平 一般来说，面f 置测量 系统较复杂，一维位置测量系统相对简单些 二维大型面阵位置测量系统不太适于动态位置 测量，因为它需要较长的光积分时间和电荷转移时间 4 光电位置测量的研究动态 光电位置测量的进展主要体现在新型位敏器件的研制与应用，以及新的信号处理技术的 研究应用方面 光敏阵列尤其是C C D技术的发展。对光电位置测量有很大的推动作用，特别是近年来廉价 的、性能优异的C C D产品的出现，使得这种器件在位置测量领域得到广泛应用 近年来有 很多这方面的研究论文 ”l，已被用于星体跟踪 光电自准直测量，激光准直、光电定位 瞄准、光电角度测量等位置测量方面 目前研制出 4 0 9 6 4 0 9 6 像元 C C D、长达 l 5 K的线 型C C D、像元小至 4 I t m的 C C D、亚电子噪声 C C D、帧速高达 9 0 0 帧 S 的高速 C C D，F I T 型高信噪比C C D等一系列适于位置测量的高性能C C D，充分显示了这一位置测量领域的潜 力 另外人们已在研究专门用于位置测量的光敏阵列，文献 2 l】报道了一种具有光信号亮度中 11,求解功能的光敏二极管阵列。能直接输出位置信号。使信号处理环节大大简化 P S D位 敏元件的研究也取得 进展，文献 2 2】报道了具有 5 n m分辨力的高 分辨 P S D 的研 究 情况 微计算机技术及信号处理技术的应用，大大提高了光电位置测量系统的性能 采用微机 或单 片机不仅可简化电路设计使系统设计更灵活，而且可实现各种非理想因素的补偿(如非线 性)以提高测量精度 高速信号处理器的使用使各种信号处理算法容易实现。文献 1 3】中介绍 了用T MS 3 2 0 单片信号处理器实现矩心计算。大大提高了测量速度 另外。如何廉价、方便地 使用阵列位敏元件构成位置测量系统。也是一个为人们所关注的问题 文献 1】介绍了一种利用 单片机和面阵C C D构成的廉价、高性能的位置测量系统。它具有亚像素分辨力 神经网络技术 也应用到了位置测量领域，文献 6】介绍了用大规模集成电路实现神经网络进行峰值位置检测 的研究。应用 H o p fi e l d 网络对矩心位置求解，用 H T(H o p fi e l d T a n k)网络实现对有一定分 布光信号位置的相关检测。使测量速度大大提高，该方法有极好的抗噪声能力和抗数据缺损 能力。所以此项研究反映了这一领域的一个重要发展方向。参考文献 1 Yu a n Fe n g a n d Di n g Zh e nl i a n g F a s t p o s i t io n me a s u r e me n t u s i n g CCD I n：Li Z h u S HE V o l 2 1 0 1 Me a s u r e me n t T e c h n o l o g y a n d I n t e l l lg e n t I mt mn n UWu Ha n C h i n a 1 9 9 3 2 襄 峪。位篁传警嚣P S D应用暴统的设计研究。哈尔滨科学技术大学学报，1 9 9 4，l 8(1)3 Du b i a v k o R。：j Ai d O n P A r)e c e f o r P o s k h n n g h：1 蠢 Ta c k i n g o f L u n i 1。T a r g e t s。I E EE Tr a mL v s a-u m Me a s，1 3 5，M 一 3 j(1)维普资讯 http:/ 、4 霸 袁峰等 光电位超传惑器及光电位置测量 2 5 t；：n 1 文 i T L：e：r s t b,i r 3 o f a j。“1。,3 S L!V!F：1 2(d l y s e!S 1：芭 V o l 6 0 8(t ,d g me n t、1 9 8 6 5 p n j f n 麒i：I n v,g e p f c s l n 量i T。r a zl t o n-i a 1 殳 t n l。No v a a dH t y I n：S P I E V o；0 S O p t i a d Mi g v me n t!I I 1 9 8 6 6 Mi n s G S a n d I n i g o R M I i mp H me n ta Ne n e u ral n。、f b r 0 r 翠d z md d n g I n：S P r】三、_ro】1 4 8 5，Ap p i md o n o f A,-t i f 0 a【Ne u r a l Ne t v,r U、1 9 9 1 7王以馅 电荷耦合器件原理与应用北京：科学出版社，1 9 9 7 S d a mp i n M a n d De d c e s S T A q d mn t CC D s t a r t r i c k e r i n：S HE V o 1 1 2 4 2 c h a r g e C o u p l e d De v i c e s a n d s o l i d s t a t e Op fi d S e n s o r 1 9 9 0 9 L a v e r t y P I E E E T r a n s a c ti o n O i l A e r o s p a c e a；x d N a x g a t i o n a I E l&：t r o n i m，1 9 6 3，1 o(3)：1 9 4 2 0 5 l O 殷庆瑞，王通，钱梦禄光声光热技术及其应用北京：科学出版社 1 9 9 1 1 l 孙培菠，刘正飞 光电技术 北京：机械2 1 2 i k 出版社，1 9 9 2 1 2 Mo r u z J L a n d C u R L o w一 s t O p t i c a l l n t s y s t e m I E E E p r o c e e d i n g s，1 9 8 9，1 3 6(,2)l 3 全固第二届C C D应用技术学术讨论会论文集中国：北藏河 1 9 9 2 l 4 比尤迎 W箸，缨家鼎译 光辐射实用探测器 j E 京：帆械工业出版社 1 9 8 8 i 5下河道明，长团秀治 光学式非接触7日一 0研究 精密机械，1 9 8 4 5 o(7)1 6仓泯一男 位置测定。：朽c&P S D 应用 精密机诫，1 9 S 5 5 1(4)1 7 J a n d i c k J R S c e n t c c h a r g e d c o u p l e d d e v ic e s o p t E n g 1 9 8 7 2 6(8)1 s港寿眷导 弹制导技术 北京：宇航出版社，1 9 8 9 】9 秦积荣 光电捡测原理及应用(中册)北京：固 防工业出版社，1 9 8 7 2 0 Do n g Y a n l i n g a n d L i Da c Mn g An Au t o ma t i c P h o t o e l e c t r c d e t e c t i o n s y s t e m w i t h h i g h a c w a r a c y f o r l a s e r a l i g n me n tI n：s p I E V o 1 1 2 3 0 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n o p t o l e c t fi c S d e n m a n d E n n e e r i n g 1 9 9 t)2 1 Go n n a o n W R a n d Ha s e ta J W A l o w o 0 s t h i g h r e s o l u t io n o pt i c a l p o s t i o n s l r l s o rI E EE Tr a mI n s t mm Me a s，1 9 9 0 3 9(4)，上 K o h j i T o d-R e a l 一 i m e，h i g h r u o l u t i o n o p t i cal b e a m p o s i t i o n-s e n s i n g d e x c e R e v S c i I n s t m m1 9 9 1 6 2(1)P h o t o e le c t r i c P o s it io n S e n s o r a n d P o s it i o n Me a s u r e me n t Y u a n F e n g，Di n g Z h e n l ia g，d a n g Z u o mit 。Qia n g X i f u，T a n D in g z h o n g A b s t r a c t P h o t o e l e c t r o n i c p o s i t i o n me a s u r e me n t h a s e v o k e d i n t o a n i mp o r t a n t s t u d y fi e l dMa n y k i n d s o f p h o t o e l e c t r o n i c p o s i t i o n d e t e t o r s h a v e b e e n d e v c l o p e d a n d ma n y m e t h o d s f o r p o s i t i o n d e t e c ti n g a d v a n c e d A s u mma r y d i s c u s s i n g t h ee d e t e c t o r s a n d me t h o d s i s g i v e n i n t h i s p a p e r 莲 p o s i t i o n s e n s i t i v e d e v i c e，p o s i t i o n l；c a s u r e t r l e!t p o s i t i o n i n g ，、维普资讯 http:/