专利名称：四象限光电探测器光敏面四个区的光电转换平衡校正方法
一、所属领域本发明涉及光电探测领域，特别涉及四象限光电探测器光敏面四个区的光电转换系数与探测器输出信号的方程组的建立，及其在四象限光电探测器光敏面四个区的光电转换系数平衡校正的方法及其应用。
本发明的四象限光电探测器光敏面四个区的光电转换平衡校正方法是通过对四象限光电探测器的输出信号的合成进行分析，找出光电转换系数与探测器输出信号的关系，列出了关于探测器光敏面四个区的光电转换系数与探测器输出信号的方程组，通过求解方程组求得探测器光敏面四个区的光电转换系数。将四路光电转换系数归一化，从而实现四象限光电探测器光敏面四个区的光电转换一致性，即平衡校正。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是，四象限光电探测器光敏面四个区的光电转换平衡校正方法，其特征在于建立了求取四象限光电探测器光敏面四个区域I、II、III、IV的光电转换系数pI、pII、pIII和pIV的表达式，将光敏面四个输出信号uI、uII、uIII、uIV归一化后，合成探测器的输出信号ux、uy；定义四象限光电探测器输出信号为ux＝(uI+uIV)-(uII+uIII)(I)uy＝(uI+uII)-(uIII+uIV)(2)其中uI、uII、uIV分别为四象限光电探测器光敏面四个区的输出电压信号；四象限光电探测器光敏面四个光敏区的光电转换系数是否平衡一致的一个标志在于当光斑完全从光敏面y(x)轴的一侧移动到另一侧，ux信号是否幅值相等，符号相反；1)、建立方程组并求得光电转换系数求解通式令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分别为0°安装I、IV象限光斑的面积沿光路返回折算到探测器凸透镜上的面积，Q1、R1分别为0°安装探测器输出信号的合成信号ux和uy的电压值。SI′，SII′，SIII′，SIV′分别为90°安装时，光斑完全偏移到I、II象限，以及完全偏移到III、IV象限时，光斑在各象限的面积沿光路返回折算到探测器透镜上的光照面积，R1′，R2′，Q1′，Q2′分别为相应的ux、uy信号的电压值。在(7)～(18)式中，Q1、Q2、R1、R2、Q1′、Q2′、R1′、R2′和S为已知量，pI～pIV、S1～SIV、SI′～SIV′为未知量；解方程组(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与R1、Q2与R2分别为0°安装光斑完全在探测器光敏面y轴一侧时探测器输出信号的合成信号ux和uy的电压值，R1′，R2′，Q1′，Q2′为90°安装时光斑完全在探测器光敏面y轴一侧时探测器输出信号的合成信号ux和uy的电压值；除了上述表达式外，pI，pII，pIII和pIV也可以是由其它不同安装状态时的ux和uy求得的表达式，还可以是其它途径获取的函数形式；2)、光电转换系数校正平衡后ux和uy的表达式给定四象限光电探测器的输出信号，由1中光电转换系数求解通式求出各光敏区光电转换系数，并进行归一化，即将四象限光电探测器光敏面的四个区的输出信号除以其相应的光电转换系数；然后按照(1)式和(2)式将探测器各光敏区输出信号合成ux、uy信号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分别为四象限光电探测器光敏面四个区的输出信号，p1、pII、pIII和pIV分别为四象限光电探测器光敏面四个区的光电转换系数，可由式(19)～(20)求得。
所述将光敏面四个区域的电压信号u1、uII、uIII、uIV归一化后合成探测器的输出信号ux、uy。归一化的ux、uy表达式为 其中信号的合成方式可以是 或 还可以是其它组合形式，如对角和差，或相乘、除等。
本发明通过对四象限光电探测器的输出信号的合成进行分析，找出光电转换系数与探测器输出信号的关系，列出了关于探测器光敏面四个区的光电转换系数与探测器输出信号的方程组，通过求解方程组获得探测器光敏面四个区的光电转换系数。将各光电转换系数归一化，无需对光敏面四个区的四个通道进行硬件增益调节，即可实现四象限光电探测器光敏面四个区的光电转换关系一致性平衡校正，为四象限光电探测器的精确探测奠定了基础。
四
图1是探测器光路图；图2是探测器光敏面上光斑轨迹图，其中图(a)是0°安装时的光斑轨迹图，图(b)是90°安装时的光斑轨迹图；图3是给定四象限光电探测器的输出信号图；其中图(a)是原探测器输出信号图，图(b)0度安装时的波形图，图(c)为旋转90度后的波形图。
光电转换系数校正后探测器输出信号图。
本实施例定义四象限光电探测器输出信号为ux＝(uI+uIV)-(uII+uIII)(1)uy＝(uI+uII)-(uIII+uIV)(2)其中uI、uII、uIII、uIV分别为四象限光电探测器光敏面四个区(如附图2)的输出电压信号。
四象限光电探测器光敏面四个光敏区的光电转换系数是否平衡一致的一个标志在于当光斑完全从光敏面y(x)轴的一侧移动到另一侧，ux信号是否幅值相等，符号相反。1、建立方程组并求得光电转换系数求解通式令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分别为0°安装I、IV象限光斑的面积沿光路返回折算到探测器凸透镜上的面积，Q1、R1分别为0°安装探测器输出信号的合成信号ux和uy的电压值。SI′，SII′，SIII′，SIV′分别为90°安装时，光斑完全偏移到I、II象限，以及完全偏移到III、IV象限时，光斑在各象限的面积沿光路返回折算到探测器透镜上的光照面积，R1′，R2′，Q1′，Q2′分别为相应的ux、uy信号的电压值。在(7)～(18)式中，Q1、Q2、R1、R2、Q1′、Q2′、R1′、R2′和S为已知量，pI～pIV、SI～SIV、SI′～SIV′为未知量。解方程组(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、光电转换系数校正平衡后ux和uy的表达式给定四象限光电探测器的输出信号(如附图3(a))，由1中光电转换系数求解通式求出各光敏区光电转换系数，并进行归一化，即将四象限光电探测器光敏面的四个区的输出信号除以其相应的光电转换系数。然后按照(1)式和(2)式将探测器各光敏区输出信号合成ux、uy信号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分别为四象限光电探测器光敏面四个区的输出信号，pI、pII、pIII和pIV分别为四象限光电探测器光敏面四个区的光电转换系数，可由式(19)～(20)求得。
绘出(23)、(24)式关于ux、uy与β的曲线，得到如附图3(b)、(c)波形。其中(c)为旋转90度后的波形，其实质是90度安装时的ux波形类同0度安装时的uy波形，而90度安装时的uy则类同于0度安装时的ux波形。
权利要求
1.一种四象限光电探测器光敏面四个区的光电转换平衡校正方法，其特征在于建立求取四象限光电探测器光敏面四个区域I、II、III、IV的光电转换系数pI、pII、pIII和pIV的表达式，将光敏面四个输出信号uI、uII、uIII、uIV归一化后，合成探测器的输出信号ux、uy；定义四象限光电探测器输出信号为ux＝(uI+uIV)-(uII+uIII)(1)uy＝(uI+uII)-(uIII+uIV)(2)其中uI、uII、uIII、uIV分别为四象限光电探测器光敏面四个区的输出电压信号；四象限光电探测器光敏面四个光敏区的光电转换系数是否平衡一致的一个标志在于当光斑完全从光敏面y(x)轴的一侧移动到另一侧，ux信号是否幅值相等，符号相反；1)、建立方程组并求得光电转换系数求解通式令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分别为0°安装I、IV象限光斑的面积沿光路返回折算到探测器凸透镜上的面积，Q1、R1分别为0°安装探测器输出信号的合成信号ux和uy的电压值。SI′，SII′，SIII′，SIV′分别为90°安装时，光斑完全偏移到I、II象限，以及完全偏移到III、IV象限时，光斑在各象限的面积沿光路返回折算到探测器透镜上的光照面积，R1′，R2′，Q1′，Q2′分别为相应的ux，uy信号的电压值。在(7)～(18)式中，Q1、Q2、R1、R2、Q1′、Q2′、R1′、R2′和S为已知量，pI～pIV、SI～SIV、SI`～SIV`为未知量；解方程组(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与R1、Q2与R2分别为0°安装光斑完全在探测器光敏面y轴一侧时探测器输出信号的合成信号ux和uy的电压值，R1′，R2′，Q1′，Q2′为90°安装时光斑完全在探测器光敏面y轴一侧时探测器输出信号的合成信号ux和uy的电压值；除了上述表达式外，pI，pII，pIII和pIV也可以是由其它不同安装状态时的ux和uy求得的表达式，还可以是其它途径获取的函数形式；2)、光电转换系数校正平衡后ux和uy的表达式给定四象限光电探测器的输出信号，由1中光电转换系数求解通式求出各光敏区光电转换系数，并进行归一化，即将四象限光电探测器光敏面的四个区的输出信号除以其相应的光电转换系数；然后按照(1)式和(2)式将探测器各光敏区输出信号合成ux、uy信号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分别为四象限光电探测器光敏面四个区的输出信号，pI、pII、pIII和pIV分别为四象限光电探测器光敏面四个区的光电转换系数，可由式(19)～(20)求得。
2.根据权利要求1所述自较平衡法，将光敏面四个区域的电压信号uI、uII、uIII、uIV归一化后合成探测器的输出信号ux、uy，归一化的ux、uy表达式为 其中信号的合成方式可以是 或 还可以是其它组合形式，如对角和差，或相乘、除等。
全文摘要
本发明公开了一种四象限光电探测器光敏面四个区的光电转换平衡校正方法。该方法通过对四象限光电探测器的输出信号的合成进行分析,找出光电转换系数与探测器输出信号的关系,列出了关于探测器光敏面四个区的光电转换系数与探测器输出信号的方程组,通过求解方程组获得探测器光敏面四个区的光电转换系数。将各光电转换系数归一化,无需对光敏面四个区的四个通道进行硬件增益调节,即可实现四象限光电探测器光敏面四个区的光电转换关系一致性平衡校正,为四象限光电探测器的精确探测奠定了基础。
文档编号H01L31/00GK1423340SQ0213956
公开日2003年6月11日 申请日期2002年11月29日 优先权日2002年11月29日
发明者刘君华, 汤晓君, 党丽萍, 李文学 申请人:西安交通大学, 中国人民解放军驻西北光电仪器厂军事代表室