第六章象限探测器和光电讲解
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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
二维PSD
• 二维PSD用于测定光点在平面上的二维（x， y）坐标。
• 受光面是方形的，比一维PSD多一对电极。 • 按结构分为以下三种形式： ① 单侧四电极型 ② 双侧双电极型 ③ 枕形
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） • 每个位置信号（光电流）由两个电阻层分成两
此分辨率和精度有限。
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
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
• 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 • 可连续测量，分辨率高，一维PSD可达
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激光少了，它就自动调整方向。
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
部分 • 位置探测能力强 • 位置探测误差小，分辨率高
单侧四电极型
• 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 • 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
枕形
• 为减少周边误差，对光敏面和电极进行了 改进。
• 边缘四周误差减小，暗电流小，响应时间 快，容易施加偏压
0.2μm • 同时检测光强和位置 • 忽略光斑形状细节，直接给出“重心”位
置 • 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 置检测等系统中
一维PSD工作原理
• PIN三层结构。P层是有均 匀电阻率的光敏层。
• 当入射光点照射到PSD光 敏面上某点时，由于在入 射光点到信号电极间存在 横向电势，从而从信号电 极上分别得到光电流I1和I2
若反射回来的光斑正好 落在中心： (VA+VB)－ ( VC+VD)＝0 (VA+VC)－ (VB+VD)＝0 否则修正。
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 • 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 • 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
象限探测器和光电位置传感器
象限探测器
• 功能：用来确定光 点在二维平面上的 位置坐标
• 用途：准直、定位、 跟踪
• 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 限PMT、二象限的也有等等
应用：
1。和差电路形式
Vx K(VA VD ) (VB VC ) Vy K(VA VB ) (VC VD )
VA y
SB SA SC SD
x VD VC
VB
VA+VD +
VB+VC +
VC+VD +
VA+VB +
(VA+VD)- ( VB+VC)
-
÷
(VA+VD)+ ( VB+VC) +
• PSD的等效电路为图（b） 所示。Rsh为并联电阻，Ip 为电流源，D为理想二极 管，RD为定位电阻，结电 容Cj是绝对器件响应速度 的主要因素。
位置表达式
I1
I0
L xA 2L
I2
I0
L xA 2L
xA
I 2I1 I 2I1
L
I1
L 与总电流无关
xA
I2
L I0
一维PSD直流工作电路原理图
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 • 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。
光电耦合器的结构原理图
• 根据接收器的不同来分类
（a）光电二极管
（b）光电三极管
（c）光电二极管-高（d）光电三极管- （e）光集成电路 速开关三极管 达林顿晶体管
• 反向电压愈高，结电 容愈小。
• 反偏电压的选取一定 要小于器件所允许的 最大反偏电压，否则 器件将遭到击穿。
（3）温度特性
• 环境温度影响PSD的灵 敏度和暗电流。
• PSD的暗电流随着温 度的上升而按指数规 律增加
• 当入射光波长小于约 950nm时，温度变化 对其灵敏度基本上无 影响
• 但长波段其灵敏度随 着温度的变化较大。
二维PSD的位置计算
双侧双电极 型和单侧四 电极型
枕型
（1）光谱响应特性
• PSD的光谱响应 特性曲线，它表 示PSD的灵敏度 与波长之间的关 系。
• 这种PSD波长响 应范围较宽，一 般都在3001100nm范围内， 峰值波长均在 900nm 左右。
（2）结电容与反偏电压关系特性
• 结电容Cj是确定PSD 响应速度的主要因素。 图中是结电容与所加 反偏压间的关系曲线。
（4）位置检测误差
• 一维PSD（S1544）位置检测误差曲线，从 曲线可知，越接近边缘，其位置检测误差 越大。
光电耦合器
• 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。 • 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
路等 • 体积小，寿命长，无触点，抗干扰能力强，输入
Vy
K
VA
(VB VB
VD ) VD
VA－VC
÷
(VA VC ) VA VB VC VD
+
(VA+VD)+ ( VB+VC)
-
÷
VB－VD
(VB VD ) VA VB VC VD
象限探测器的应用
四象限Si PIN光电 二极管
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。
-
÷
(VA+VB)- ( VC+VD)
(VA VD ) (VB VC ) VA VB VC VD
(VA VB ) (VC VD ) VA VB VC VD
2. 直差电路形式
VC
SB
VA
SC SA
SD
VB
VD
Vx
K
VA
(VA VB
VC ) VC VD
二维PSD
• 二维PSD用于测定光点在平面上的二维（x， y）坐标。
• 受光面是方形的，比一维PSD多一对电极。 • 按结构分为以下三种形式： ① 单侧四电极型 ② 双侧双电极型 ③ 枕形
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） • 每个位置信号（光电流）由两个电阻层分成两
此分辨率和精度有限。
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
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
• 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 • 可连续测量，分辨率高，一维PSD可达
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激光少了，它就自动调整方向。
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
部分 • 位置探测能力强 • 位置探测误差小，分辨率高
单侧四电极型
• 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 • 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
枕形
• 为减少周边误差，对光敏面和电极进行了 改进。
• 边缘四周误差减小，暗电流小，响应时间 快，容易施加偏压
0.2μm • 同时检测光强和位置 • 忽略光斑形状细节，直接给出“重心”位
置 • 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 置检测等系统中
一维PSD工作原理
• PIN三层结构。P层是有均 匀电阻率的光敏层。
• 当入射光点照射到PSD光 敏面上某点时，由于在入 射光点到信号电极间存在 横向电势，从而从信号电 极上分别得到光电流I1和I2
若反射回来的光斑正好 落在中心： (VA+VB)－ ( VC+VD)＝0 (VA+VC)－ (VB+VD)＝0 否则修正。
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 • 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 • 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
象限探测器和光电位置传感器
象限探测器
• 功能：用来确定光 点在二维平面上的 位置坐标
• 用途：准直、定位、 跟踪
• 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 限PMT、二象限的也有等等
应用：
1。和差电路形式
Vx K(VA VD ) (VB VC ) Vy K(VA VB ) (VC VD )
VA y
SB SA SC SD
x VD VC
VB
VA+VD +
VB+VC +
VC+VD +
VA+VB +
(VA+VD)- ( VB+VC)
-
÷
(VA+VD)+ ( VB+VC) +
• PSD的等效电路为图（b） 所示。Rsh为并联电阻，Ip 为电流源，D为理想二极 管，RD为定位电阻，结电 容Cj是绝对器件响应速度 的主要因素。
位置表达式
I1
I0
L xA 2L
I2
I0
L xA 2L
xA
I 2I1 I 2I1
L
I1
L 与总电流无关
xA
I2
L I0
一维PSD直流工作电路原理图
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 • 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。
光电耦合器的结构原理图
• 根据接收器的不同来分类
（a）光电二极管
（b）光电三极管
（c）光电二极管-高（d）光电三极管- （e）光集成电路 速开关三极管 达林顿晶体管
• 反向电压愈高，结电 容愈小。
• 反偏电压的选取一定 要小于器件所允许的 最大反偏电压，否则 器件将遭到击穿。
（3）温度特性
• 环境温度影响PSD的灵 敏度和暗电流。
• PSD的暗电流随着温 度的上升而按指数规 律增加
• 当入射光波长小于约 950nm时，温度变化 对其灵敏度基本上无 影响
• 但长波段其灵敏度随 着温度的变化较大。
二维PSD的位置计算
双侧双电极 型和单侧四 电极型
枕型
（1）光谱响应特性
• PSD的光谱响应 特性曲线，它表 示PSD的灵敏度 与波长之间的关 系。
• 这种PSD波长响 应范围较宽，一 般都在3001100nm范围内， 峰值波长均在 900nm 左右。
（2）结电容与反偏电压关系特性
• 结电容Cj是确定PSD 响应速度的主要因素。 图中是结电容与所加 反偏压间的关系曲线。
（4）位置检测误差
• 一维PSD（S1544）位置检测误差曲线，从 曲线可知，越接近边缘，其位置检测误差 越大。
光电耦合器
• 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。 • 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
路等 • 体积小，寿命长，无触点，抗干扰能力强，输入
Vy
K
VA
(VB VB
VD ) VD
VA－VC
÷
(VA VC ) VA VB VC VD
+
(VA+VD)+ ( VB+VC)
-
÷
VB－VD
(VB VD ) VA VB VC VD
象限探测器的应用
四象限Si PIN光电 二极管
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。
-
÷
(VA+VB)- ( VC+VD)
(VA VD ) (VB VC ) VA VB VC VD
(VA VB ) (VC VD ) VA VB VC VD
2. 直差电路形式
VC
SB
VA
SC SA
SD
VB
VD
Vx
K
VA
(VA VB
VC ) VC VD