基于PSD的激光测距仪及其在空间机器人上的应用
基于PSD的激光测距仪及其在空间机器人上的应用
作者:谭定忠;王启明;高安礼;李金山;李琳
激光测距仪是一种对入射光位置敏感的光电器件,当入射光照射在PSD感光面的不同位置时,PSD输出不同的电信号,通过对此输出电信号的处理,可确定入射光斑在PSD感光面上的位置。同其它光电位置敏感器件相比,PSD具有位置分辨率高、频谱响应宽、响应快、调理电路简单、性价比高、可以输出连续的模拟信号等优点,特别适合对位置、位移、角度等实时测量。由PSD构成的距离测量系统具有非接触、测量范围大、响应速度快、精度高、成本低等优点,在光学定位、跟踪、自准直以及位移、物体表面振动、物体厚度、角度测量等方面获得了广泛的应用。
1、PSD的工作原理
PSD为P、I、N三层结构,表面P层位感光面,两边各有一输出电极,底层N的公共电极接反偏电压,中间为I层。当入射光点照到PSD光敏面上某一点时,在入射光的照射下,半导体内部产生载流子,他们在耗尽层内部的电场作用下发生定向移动,空穴进入P层,电子进入N层,形成光电流,光电流到达Q点后,被电阻分流,从电极输出。当入射光点位置固定时,单电极输出电流与入射光强成正比;当入射光强不变时,单个电极输出电流与入射光点距中心距离X呈线性关系;量级输出电流与坐标X油管,与入射光电强度无关,即PSD支队入射光光斑位置敏感。
2、误差来源及其补偿方法
PSD的工作原理决定了由PSD构成的测量系统的测量精度会受到背景光和暗电流的影响,在暗电流和背景光影响较大的时候,会给检测结果带来较大的误差。背景光可分为漫射光和几种光源两类。漫射光穿过透镜后落在PSD上呈均匀的光强分布,广能分布的几何中心与PSD几何中心重合;集中光源穿过透镜后在PSD光敏面上行程真实的光电,其位置取决于光源的方位。无论哪种杂散光的测量时都相当于在PSD上除了目标物光电外还有一个干扰光斑,PSD的输出信号是两个光电共同作用的结果。背景干扰光的大小和分布导致PSD光敏面上光能分布质心的变化,若背景光在PSD光敏面上沿轴分布的线密度。
背景光的存在直接影响测量结果,并且导致测量结果受照射光源功率的影响。当信号光源强度有强变弱时,由光斑位置信号算出的光斑坐标位置比实际坐标位置向中心靠拢了,而且光斑离中心越远,这种现象越为明显。
可采用光学方法和电学方法消除背景光的影响。光学法是在PSD感光面上加上一个与信号光源波长相同的带通滤光片,滤掉与信号光源波长不同的背景光。电学法可分采样-保持法和调制法两种,采样-保持法是先检测出信号光源熄灭时的背景光强代销,然后打开电源,将检测到的输出信号减去背景光的成分;调试发就是将光源以某一固定的频率调制成脉冲光,对输出信号用锁相放大器进行同步检波,滤去背景光成分,经过处理得到位置输出信号。暗电流会带来误差和噪声以及类似背景光产生的不利影响,在暗电流影响较大的时候,可采用采样-保持法或调制法将暗电流的影响消除。
3、激光测距仪及其在空间机器人上的应用
PSD芯片尺寸1mm*12mm,光谱响应范围为380-1100nm,位置分辨率6μm;半导体激光器LD发出红光,波长为650nm,输出光能量5mQ,光斑直径1mm,清晰、鲜亮;
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