四象限探测器光斑尺寸测量方法的研究
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4结论
本文对四象限探测器的光斑位置探测灵敏度 进行了分析,比较了象限间不同沟道宽度对探测器 性能的影响情况,提出了一种四象限探测器光斑尺 寸的测量方法。该方法通过扫描探测器靶面问接 获得实际光斑尺寸,能够克服四象限探测器由于无 法成像而不能直接显示光斑的问题。该方法对于 四象限探测器的应用具有实际参考价值。
第8卷第1期 2010年2月
光学与光电技术
OPTICS&0f,T’()ELECTR()NIC TECHNOL()GY
文章编号:1672—3392(2010)01—0023—03
V01.8。No.1 February,2010
四象限探测器光斑尺寸测量方法的研究
孙峰黄开仁张鑫邓代竹
(华中光电技术研究所一武汉光电国家实验室,湖北武汉430073)
的后焦面上,四象限探测器沿光轴方向呈离焦状态, 靶面半径为R。设光斑形状为弥散圆,半径为r,光功 率均匀分布,投影在每个象限上的光斑面积分别为 S口、S、S(和S,取探测器中心为坐标系原点,光斑中 心的位置坐标为(z,y),z和Y分别代表了横向和纵 向偏移量。理想的四象限探测器不存在死区,即沟道 半宽Z.加,如图1所示,图2为其几何模型。
z、y呈线性变化。由图2,有:
JSa"+-Sb2户larccos(手)一刻,一(手)‘j。2,
【&+S一丌尹一(sn+Sd)
则横向电压信号E(z)为
Ecz,=,一导7【[Larcc。s、 (手r/)一利,,V 一(詈\1r/2]J
(3)
图3所示为理想探测器在不同光斑半径,-时 的E。(z)随横向偏移z变化曲线。
Fig.7
图7光斑尺寸测量装置示意图 Configuration of laser spot size measurement
选用与探测器响应波段一致的激光器作为光 源,经过准直后入射到接收光学系统中,在接收物 镜后放置角度分辨率足够高的电控偏转镜,入射光
参考文献
I=J ]
M Toyoda,H Takami.Characteristic measurement of avalanche photodiode quadrant detector for dim-
了
g
g
X
};
q
o 讨
8l
L卜。凡~
经偏转镜反射成像在四象限探测器上。通过控制 器对偏转镜设定偏转角度,使光斑扫描探测器的整 个靶面,即可得到横向电压信号E随偏转镜偏转 角度0变化的试验曲线,根据曲线获得线性区的变 化斜率k,忌=△E/凹,则S(z)一dEe(z)/dz=k/ L,式中L为电控偏转镜与探测器之间的距离。将 &(z)代入式(6)即可得到光斑半径r。
沟道宽度2Z为有限值,考虑沟道宽度的影 响,则有:
蹦∞∞一—nr2- 砭2上(rz- —2yIZ…)l6/Z(—一d一y-z2面)21,/z2(如—一rz-4xxZ—Z)l/Zdx+4Zz
Ey(x,y)一巧-.二l- y '- Z…..铀.一.2E.(尹~."- 而 一 夕f朋(re一,2)1/2dx一4衫 7c,一2I。 (r2一y2)1/2dy一2I ,(,上~z2)1/2出+422
西 ] E Swanson,J Roberge.Design considerations and exper-
knental results for direct-detection spatial tracking sys— tems[J].0p匕Eng.,1989,28(6):659—666.
1引 言
在自由空间光通信ATP系统和激光跟踪雷达系 统中,四象限探测器常作为激光光斑位置传感器,用 于测量入射激光束相对于光学系统光轴的角度偏移 量,具有响应陕、分辨率高和测量精度高的优点[1。3]。
四象限探测器上的光斑尺寸是一个重要的设 计参数,光斑的大小直接决定了位置测量精度和线 性测量区的范围,文献[4]、[5]中提出了光斑优化 设计的原则,并得出了光斑直径取稍大于探测器半 径的1/2值的结论。但是,在实际应用中,由于存 在大气湍流的影响,最优光斑尺寸与理论推导的结 果并不相同L6 7I,因此为了得到最优光斑尺寸,有必 要对四象限探测器上的光斑尺寸进行测量。
一般的四象限探测器模型中,常常把探测器作 为理想元件,忽略象限之间的问隙影响,而实际上 象限之间存在几十微米至数百微米宽度不等的沟 道。本文分别对理想的和实际的四象限探测器的 光斑中心位置进行了推导,得出位置探测灵敏度与 光斑半径的关系式,并提出一种测量激光光斑半径 的方法。
光斑位置探测灵敏度分析
四象限探测器置于接收系统后焦面附近,光轴通 过四象限探测器十字沟道中心,入射激光成像于物镜
Measurement of Laser Spot Radius on Quadrant Photodiode
SUN Feng HUANG Kai—ren ZHANG Xin DENG Dai-zhu
(Huazhong Institute of Electro-Optics--Wuhan National Laboratory for Optoelectronics,Wuhan 430073,China)
图4不同光斑半径时的S(z)随横向偏移z的变化曲线 Fig.4 S(z)of the QPD without
transition region for different spot radius
对于实际的四象限探测器,如图5所示。
一。,一勿t;'t翟r=0 5m。m
图3不同光斑半径时的E(z)随横向偏移z变化曲线 Fig.3 E:(z)of the QPD without
万方数据
fF一—&+&-—So-Sd 式,则输出表示偏移量的电压信号为E、E。有:
j‘ ‰sn+&+Sr+Sd
(~上 1, )
F一旦±曼二£:二& 【“’S。+S6+S。+&
式中,E(z,y)=x/r,E(z,了)=y/r。只有当满
足z2+3,2≤(R—r)2时,全部光斑才会落在探测器
靶面上,即,当IzI≤R—r、l yI≤R—r时,E、E随
图1理想的四象限探测器示意图 Fig.1 Schematic of laser spot on the QPD without transition region
f源自文库
汹爿 /一 。、\
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f、八\、芦L.一/|x /D//;
图2理想的四象限探测器光斑几何模趔 Fig.2 Geometry model of laser spot on the QPD without transition region
-t/,/:/
&(z)。剽7c州卜(xr\ /r l
(4)
图4所示为不同光斑半径时的Sx(z)随横向
偏移z的变化曲线。由图4可知,当光斑半径一定
时,横向位置探测灵敏度S(z)随光斑偏移量的增
加而快速下降,即光斑中心越靠近探测器靶面中
心,则位置探测灵敏度越高,分辨率也越高。Y方
向的分析结果与z方向类似。
(5)
√v’七
o 4厶
E(z,y)和E(z,y)分别对z和Y求导,得到光
s(o,o):掣I一掣l— 斑位于靶面中心时的位置探测灵敏度S(O,O),有:
dz
Fo,y=O
dy
z—o,y=0
孑[驴五-4弦(r2万_FZ2)砸112万--[4Z虿弘叼(6) 丌,一4,2sin一1(2r/,-)一4Z(,上一22)1/2+422~7
Abstract Quadrant photodiode(QPD)is widely used in commercial and industrial applications where high-speed position sensing,laser spot tracking and collimation are needed.Spot size on cells is an important parameter related to system per- formance.Spot-position-detection sensitivity S is analyzed and compared between QPDs with and without transition region. A measuring method for optical spot size is presented.Spot radius can be indirectly measured by scanning QPD cells with motored steering mirror to achieve S. Key words quadrant photodiode;laser tracking;laser spot measurement;spot-position-detection sensitivity
light position sensing[J-].Rev.Laser Eng.,1993,
21(3):392—398.
口 ] 匡萃方,冯其波.四象限探测器用作激光准直的特
性分析I-J].光学技术,2004,30(4):387—389.
D ] 安凯.四象限探测仪测角新算法[J].激光与红外,
2001,31(6):328—329.
摘要 由于四象限探测器具有低噪声、高灵敏度和高带宽的优势,因此被广泛应用于激光光斑跟 踪、准直和位置检测等领域。靶面上的光斑尺寸是影响系统性能的重要参数之一。对探测器的 光斑位置探测灵敏度指标&进行了分析,比较了象限间沟道大小对S的影响关系。提出了一种 测量光斑半径的方法,该方法利用电控偏转镜扫描探测器靶面,获得位置探测器灵敏度,基于位 置探测灵敏度与光斑半径的对应关系,间接测得光斑尺寸。 关键词 四象限探测器;激光跟踪;光斑测量;位置探测灵敏度 中图分类号TN929.1 文献标识码A
收稿日期 2009—08—18; 收到修改稿日期 2009—1∞1 2 作者简介孙峰(1974一),男,博十,高级工程师,主要从事激光应用技术方面的研究。E-mail:sunokl974@sohu.com 基金项目 国防预研基金资助项目
万方数据
24
光学与光电技术
第8卷
探测器的前端处理电路采用和差比幅电路形
transition region for different spot radius
图5实际的四象限探测器示意图 Fig.5 Schematic of laser spot
on the QPD with transition region
设S(z)一dE(x)/dx,S为X坐标位置探测 灵敏度,则有
由式(6)得到不同沟道宽度时的S(o,o)随光 斑半径,.变化曲线,如图6所示。并与式(4)的理
万方数据
第1期
孙峰等:四象限探测器光斑尺寸测量方法的研究
25
想探测器模型进行了比较。由图6可见,光斑越小
位置探测灵敏度越高,位置分辨率也越高;沟道越
宽,则最小光斑半径越大。
’ii lF:-粼一一一描一。w。!t,t:h。ou.:。t。g。:a:p。:.。。
I!l ] G Kazovsky.Theory of tracking accuracy of laser sys—
temsEJ].Optical Engineering,1983,22(3):339—347.
口 ] 徐代升.四象限探测系统信号光斑的优化设计[J].湖
南理工学院学报,2007,20(1):50-53.
本文对四象限探测器的光斑位置探测灵敏度 进行了分析,比较了象限间不同沟道宽度对探测器 性能的影响情况,提出了一种四象限探测器光斑尺 寸的测量方法。该方法通过扫描探测器靶面问接 获得实际光斑尺寸,能够克服四象限探测器由于无 法成像而不能直接显示光斑的问题。该方法对于 四象限探测器的应用具有实际参考价值。
第8卷第1期 2010年2月
光学与光电技术
OPTICS&0f,T’()ELECTR()NIC TECHNOL()GY
文章编号:1672—3392(2010)01—0023—03
V01.8。No.1 February,2010
四象限探测器光斑尺寸测量方法的研究
孙峰黄开仁张鑫邓代竹
(华中光电技术研究所一武汉光电国家实验室,湖北武汉430073)
的后焦面上,四象限探测器沿光轴方向呈离焦状态, 靶面半径为R。设光斑形状为弥散圆,半径为r,光功 率均匀分布,投影在每个象限上的光斑面积分别为 S口、S、S(和S,取探测器中心为坐标系原点,光斑中 心的位置坐标为(z,y),z和Y分别代表了横向和纵 向偏移量。理想的四象限探测器不存在死区,即沟道 半宽Z.加,如图1所示,图2为其几何模型。
z、y呈线性变化。由图2,有:
JSa"+-Sb2户larccos(手)一刻,一(手)‘j。2,
【&+S一丌尹一(sn+Sd)
则横向电压信号E(z)为
Ecz,=,一导7【[Larcc。s、 (手r/)一利,,V 一(詈\1r/2]J
(3)
图3所示为理想探测器在不同光斑半径,-时 的E。(z)随横向偏移z变化曲线。
Fig.7
图7光斑尺寸测量装置示意图 Configuration of laser spot size measurement
选用与探测器响应波段一致的激光器作为光 源,经过准直后入射到接收光学系统中,在接收物 镜后放置角度分辨率足够高的电控偏转镜,入射光
参考文献
I=J ]
M Toyoda,H Takami.Characteristic measurement of avalanche photodiode quadrant detector for dim-
了
g
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X
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q
o 讨
8l
L卜。凡~
经偏转镜反射成像在四象限探测器上。通过控制 器对偏转镜设定偏转角度,使光斑扫描探测器的整 个靶面,即可得到横向电压信号E随偏转镜偏转 角度0变化的试验曲线,根据曲线获得线性区的变 化斜率k,忌=△E/凹,则S(z)一dEe(z)/dz=k/ L,式中L为电控偏转镜与探测器之间的距离。将 &(z)代入式(6)即可得到光斑半径r。
沟道宽度2Z为有限值,考虑沟道宽度的影 响,则有:
蹦∞∞一—nr2- 砭2上(rz- —2yIZ…)l6/Z(—一d一y-z2面)21,/z2(如—一rz-4xxZ—Z)l/Zdx+4Zz
Ey(x,y)一巧-.二l- y '- Z…..铀.一.2E.(尹~."- 而 一 夕f朋(re一,2)1/2dx一4衫 7c,一2I。 (r2一y2)1/2dy一2I ,(,上~z2)1/2出+422
西 ] E Swanson,J Roberge.Design considerations and exper-
knental results for direct-detection spatial tracking sys— tems[J].0p匕Eng.,1989,28(6):659—666.
1引 言
在自由空间光通信ATP系统和激光跟踪雷达系 统中,四象限探测器常作为激光光斑位置传感器,用 于测量入射激光束相对于光学系统光轴的角度偏移 量,具有响应陕、分辨率高和测量精度高的优点[1。3]。
四象限探测器上的光斑尺寸是一个重要的设 计参数,光斑的大小直接决定了位置测量精度和线 性测量区的范围,文献[4]、[5]中提出了光斑优化 设计的原则,并得出了光斑直径取稍大于探测器半 径的1/2值的结论。但是,在实际应用中,由于存 在大气湍流的影响,最优光斑尺寸与理论推导的结 果并不相同L6 7I,因此为了得到最优光斑尺寸,有必 要对四象限探测器上的光斑尺寸进行测量。
一般的四象限探测器模型中,常常把探测器作 为理想元件,忽略象限之间的问隙影响,而实际上 象限之间存在几十微米至数百微米宽度不等的沟 道。本文分别对理想的和实际的四象限探测器的 光斑中心位置进行了推导,得出位置探测灵敏度与 光斑半径的关系式,并提出一种测量激光光斑半径 的方法。
光斑位置探测灵敏度分析
四象限探测器置于接收系统后焦面附近,光轴通 过四象限探测器十字沟道中心,入射激光成像于物镜
Measurement of Laser Spot Radius on Quadrant Photodiode
SUN Feng HUANG Kai—ren ZHANG Xin DENG Dai-zhu
(Huazhong Institute of Electro-Optics--Wuhan National Laboratory for Optoelectronics,Wuhan 430073,China)
图4不同光斑半径时的S(z)随横向偏移z的变化曲线 Fig.4 S(z)of the QPD without
transition region for different spot radius
对于实际的四象限探测器,如图5所示。
一。,一勿t;'t翟r=0 5m。m
图3不同光斑半径时的E(z)随横向偏移z变化曲线 Fig.3 E:(z)of the QPD without
万方数据
fF一—&+&-—So-Sd 式,则输出表示偏移量的电压信号为E、E。有:
j‘ ‰sn+&+Sr+Sd
(~上 1, )
F一旦±曼二£:二& 【“’S。+S6+S。+&
式中,E(z,y)=x/r,E(z,了)=y/r。只有当满
足z2+3,2≤(R—r)2时,全部光斑才会落在探测器
靶面上,即,当IzI≤R—r、l yI≤R—r时,E、E随
图1理想的四象限探测器示意图 Fig.1 Schematic of laser spot on the QPD without transition region
f源自文库
汹爿 /一 。、\
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图2理想的四象限探测器光斑几何模趔 Fig.2 Geometry model of laser spot on the QPD without transition region
-t/,/:/
&(z)。剽7c州卜(xr\ /r l
(4)
图4所示为不同光斑半径时的Sx(z)随横向
偏移z的变化曲线。由图4可知,当光斑半径一定
时,横向位置探测灵敏度S(z)随光斑偏移量的增
加而快速下降,即光斑中心越靠近探测器靶面中
心,则位置探测灵敏度越高,分辨率也越高。Y方
向的分析结果与z方向类似。
(5)
√v’七
o 4厶
E(z,y)和E(z,y)分别对z和Y求导,得到光
s(o,o):掣I一掣l— 斑位于靶面中心时的位置探测灵敏度S(O,O),有:
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孑[驴五-4弦(r2万_FZ2)砸112万--[4Z虿弘叼(6) 丌,一4,2sin一1(2r/,-)一4Z(,上一22)1/2+422~7
Abstract Quadrant photodiode(QPD)is widely used in commercial and industrial applications where high-speed position sensing,laser spot tracking and collimation are needed.Spot size on cells is an important parameter related to system per- formance.Spot-position-detection sensitivity S is analyzed and compared between QPDs with and without transition region. A measuring method for optical spot size is presented.Spot radius can be indirectly measured by scanning QPD cells with motored steering mirror to achieve S. Key words quadrant photodiode;laser tracking;laser spot measurement;spot-position-detection sensitivity
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21(3):392—398.
口 ] 匡萃方,冯其波.四象限探测器用作激光准直的特
性分析I-J].光学技术,2004,30(4):387—389.
D ] 安凯.四象限探测仪测角新算法[J].激光与红外,
2001,31(6):328—329.
摘要 由于四象限探测器具有低噪声、高灵敏度和高带宽的优势,因此被广泛应用于激光光斑跟 踪、准直和位置检测等领域。靶面上的光斑尺寸是影响系统性能的重要参数之一。对探测器的 光斑位置探测灵敏度指标&进行了分析,比较了象限间沟道大小对S的影响关系。提出了一种 测量光斑半径的方法,该方法利用电控偏转镜扫描探测器靶面,获得位置探测器灵敏度,基于位 置探测灵敏度与光斑半径的对应关系,间接测得光斑尺寸。 关键词 四象限探测器;激光跟踪;光斑测量;位置探测灵敏度 中图分类号TN929.1 文献标识码A
收稿日期 2009—08—18; 收到修改稿日期 2009—1∞1 2 作者简介孙峰(1974一),男,博十,高级工程师,主要从事激光应用技术方面的研究。E-mail:sunokl974@sohu.com 基金项目 国防预研基金资助项目
万方数据
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光学与光电技术
第8卷
探测器的前端处理电路采用和差比幅电路形
transition region for different spot radius
图5实际的四象限探测器示意图 Fig.5 Schematic of laser spot
on the QPD with transition region
设S(z)一dE(x)/dx,S为X坐标位置探测 灵敏度,则有
由式(6)得到不同沟道宽度时的S(o,o)随光 斑半径,.变化曲线,如图6所示。并与式(4)的理
万方数据
第1期
孙峰等:四象限探测器光斑尺寸测量方法的研究
25
想探测器模型进行了比较。由图6可见,光斑越小
位置探测灵敏度越高,位置分辨率也越高;沟道越
宽,则最小光斑半径越大。
’ii lF:-粼一一一描一。w。!t,t:h。ou.:。t。g。:a:p。:.。。
I!l ] G Kazovsky.Theory of tracking accuracy of laser sys—
temsEJ].Optical Engineering,1983,22(3):339—347.
口 ] 徐代升.四象限探测系统信号光斑的优化设计[J].湖
南理工学院学报,2007,20(1):50-53.