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可配置的象限探测器： 一种优化的位置敏感探测器

罗伯特 埃斯珀-查恩，阿方索 麦地那 埃斯库埃拉，大卫 法理拉和约瑟 罗蒙 森德拉

摘要

应用于高端生物技术的位置敏感探测器(PSDs:Position Sensitive Detectors),都是基于象限光电探测器(QPDs:Quadrant Photodetectors)以及有源像素传感器（APS:Active Pixel Sensor）建立的光纤传感器。这些器件旨在测量激光光斑微小的运动。到目前为止，解决分辨率和噪声最好的办法就是象限探测器，但是象限探测器需要复杂、昂贵的x-y微定位器来测量入射激光光斑的微小位移。有源像素传感器是更加通用的器件，通过设备配置它几乎可以和光斑一致。但是，由于有源像素传感器本身固有的数字特性，它的信噪比和分辨率较低。本文提出了一种新的器件——可配置的象限探测器和它的运算理论。通过在一个矩阵架构中结合光电探测器的原理和模拟交换器，这种新器件结合了象限探测器的模拟运算和有源像素传感器的可配置性。最后，这种器件的原型芯片已经被组装并测试了，测试结果也出来了。

关键词：光学器件和模拟电路；光学传感器；位移测量；位置敏感探测器；象限探测器；高斯光束测量

Ⅰ.介绍

现如今，在许多高精度传感器应用于的高端生物技术相关领域中，位置敏感探测器都扮演着一个重要的角色。在大多数的这些应用中，当一束激光射到探测器上时，光斑收敛在传感器的检测区域的中心。光斑的移动和一些物理、化学、生物参量的变化相关，所以，光斑位移测量得参量是可以预估的。这些光斑的位移导致设备上收集的光电流的变化，反映出检测到的辐照度的变化。这些电流的微差测量允许检测时光斑位置的变化。这里有几类传感器的应用：激光准直系统（用于土木工程），原子力显微技术，测量直线位移，校准精密仪器，应用于军事方面和测量系统方面的纳米级生物传感器（微悬臂）跟踪系统。这些探测器可以用于几种类型的设备，如横向效应二极管(LEP:Lateral Effect Photodiodes)，象限探测器，和系列光电二极管（有源像素传感器）。

在所有的位置敏感探测器中，准确性和敏感度最高的就是象限探测器了，如图1所示。这个设备是一个完全的模拟传感器，每个光电探测器都接收到它的输出电流。它们主要的优点是降低设备输出所产生的背景噪声，而且可以提高灵敏度。同时，因为可以为每个特定的设备配置增益和带宽，所以使用外部信号调节可以提高设备的灵敏性。而它最主要的缺点被认为是需要对齐设备中心与光斑。基于这些巨大、昂贵、复杂的系统的传感系统，这就要求复杂、昂贵的x-y微定位器来对齐设备中心与光斑。而且，使用象限探测器只能测量单一的光斑，不能建立多光斑探测器。

图1.象限光电探测器

使用横向效应光电探测器或有源像素传感器的方法可以用来替代构建象限光电探测器。横向效应光电探测器有更宽的检测范围，但灵敏度就相对较低。另一方面，作为CMOS图像传感器，有源像素传感器是由像素矩阵构成，同样如此。这种方法的优点是光斑中心可以用数学的方法检测得到，因此，设备可以以电子方式对齐。基本上，一旦光斑中心得到定位，一系列符合光斑中心周围四个区域的四组像素被关联在一起，这也就是象限光电探测器的风格。这种方法的另外一个优点是黑暗区域可以直接忽略，避免它对设备产生背景噪声。另外，这种方法可以同时管理一个单一设备上的多个光斑。有源像素传感器的主要缺点与它的数字特性以及高速时钟有关，这些都和噪声源相关。所有的操作都是数字化的，也就提高了设备的背景噪声。因此，有源像素传感器允许更便宜、更简单的机制，但灵敏度也相应较低。

在本文中，介绍了一种新型设备的开发。它可以通过数字方式来选择活跃区域，但是作为一个模拟象限光电探测器，它从每个传感部分收集模拟电流到它们相连的传感器。同时，过低辐照度部分接收到的电流可以忽略不计，因为它们仅仅只是增加了背景噪声而已。这种命名为可配置的象限探测器是一种可供选择的位置敏感探测器解决方案，它结合了基于模拟象限探测器设备的精确性优点，以及有源像素传感器的灵活性，避免了对x-y微定位器的依耐性。这个理念证明已经被设计、制造和测试了，同时这个理念的专利申请已经提交了。

Ⅱ.象限光电探测器

A.原理和操作

一个象限光电探测器是一个由四个部分以象限的方式组合而成的设备，主要用于跟踪入射激光束。当一个激光光斑照射在象限光电探测器上时，每个传感器都会提供一个与接收到的光功率成正比的模拟信号。象限光电探测器的原理图如图1所示。图中有四个区域分别代表每个传感器部分，分别命名为左上角、右上角、左下角和右下角，以及一个代表入射激光光斑的半径为r的圆。光斑中心从传感器中心移动一个特定的距离{Delta;x, Delta;y}。在这种情况下，每个传感器部分从设备接收到总能量的一部分。传感器上每个光斑的能量密度都取决于激光光斑的轮廓。假设入射光束形成一个理想的高斯圆形光斑，可等效为：

(1)

p(d)是距离光斑中心d处的入射光功率密度，为入射光总功率，r为光斑半径，定义为到光斑中心的距离，由因素导致光功率密度下降。在这种配置下，每个传感元件可以接收到的光功率可计算为：

(2)

考虑到在图1中距离d遵循,右上角部分的计算方法可以从以下公式得到:

(3)

这给出了 ：

(4)

从而有：

(5)

当光斑中心和象限光电探测器完全对齐时，每个象限光电探测器都从传感器中接收到的入射总功率。然而，如果光斑移动，每个部分接收到的光功率就会不同，位移就会相应地改变：

(6)

例如，为了获得的值，我们应该计算设备的右半区与左半区所接收到的光功率的差异：

(7)

所以我们可以计算半区之间的光功率的差异：

(8)

这里，是水平功率偏差，即为差异最大的。最后，光斑位移和每个区域收到的光功率波动的关系遵循：

(9)

图2. (a)半区和光斑位移功率差关系图；(b)设备的灵敏度与光斑位移图

B.讨论

在图2(a)中，根据公式8可以得到与光斑位移相关的半区之间理论标准功率差（）。在图2(b)中，给出了位移灵敏度的关系图，预估为图2(a)中所显示的功率变化。应当注意的是位移超过时就测量不到了。此外，最大灵敏度求得为0左右。而且，位移范围在区间内时，可以获得良好的灵敏度。在这个区间之外，灵敏度迅速下降到0。控制光斑的半径可能能控制测量半径和测量结果。光斑越大，测量范围也就越宽，但灵敏度却越小。选择光斑的大小（如果可能的话），应当作为测量半径和测量灵敏度的一个权衡。例如，当需要较高的灵敏度时，就要更好地聚焦光斑，尽量减小半径r，但是只能测量小位移范围。

为了完成象限光电探测传感器地测量，一个机械校准过程是必须的。在这个过程之中，激光光斑中心和象限光电探测器必须对齐。在大多数的应用中，这个过程通过x-y微定位器来完成，这就增加了测量系统的成本和复杂度。对齐过程至关重要，当光斑半径需要减小时，x-y微定位器的分辨率就需要提高，这也增加了整个系统的成本。

Ⅲ.可配置象限光电探测器结构体系

A.介绍

为了避免机械校准，一个通过电子手段模拟象限光电探测器中心移动的设备得以提出。同时，该设备还允许长运动检测，光斑尺寸校准，以及多光斑探测，后面将进一步探讨细节问题。

图3. (a)可配置象限探测器的简化图；(b)配置样本图

B.体系结构

这里提出的传感器设计方案结合了象限光电探测器的灵敏度、精确性和灵活性，并且降低了基于图像传感器在实际应用中的成本。图3(a)显示了该设备的结构，它的核心由一组光电探测器矩阵或传感器元素，每排一组互联通道，和一组连接传感器到正确通道的模拟交换机组成。在设备的外围，一系列可配置的触发器连接着菊花链可以用来配置设备。数字串口连续加载传感器配置来配置模拟开关。一旦配置成功，数字逻辑就会停止，所以数字噪声是很小的。剩下的逻辑操作都是静态的，所以没有开关噪声来干扰测量。从这个角度来看，设备就像是一个纯粹的模拟传感器。四大组光敏二极管以一个象限光电探测器的风格，短接至每个输出端口。四个输出端口中的每一个都增大连接到它们的传感器部分的光电流，所以也没有量化错误。既不包括A到D转换器，也不包括调理电路。这里所提出的体系结构的关键点在于，数字配置允许匹配传感器区域到光斑中心和光斑大小，再次使用调节链条来达到象限光电探测器的标准，但是没有任何微机械调整的需要。

可以在图3(a)中详细的看到，设备的大部分区域都是为传感器部分服务的。这些部分都是占据在大多数传感器表面的光敏二极管。每一行的传感器部分都连接至一对分别命名连至右边（r_n）和连至左边(l_n)为水平管道。每个传感器元件都有一对开关和短路的光电二极管连至每个通道（向左或者向右）。如果没有选择开关，第三个开关就会将光电二极管接地，允许丢弃接收到的不重要的信号，并且将传感区域匹配至接收到有用信号的区域。

每一对横向管道都连接至一个垂直的开关单元。每个单元都可以连接到一对关联横向管道的位于顶部（右上角和左上角）或是底部（右下角和左下角）的输出。同时，一些特定的通道也可以舍弃。在该设备中，传感元件上的开关每列都可以配置，所以每列传感元件都可以通过每行特定的管道向左或向右发送它们的电流。每个垂直开关都有它自己的配置。

简而言之，在该设备中有四个输出，就像经典的象限光电探测器一样，同时它还能够配置：

·每列都可以连接至右端，或是左端，或者舍弃掉。

·每行都可以连接至顶部，或是底部，或者舍弃掉。

图3(b)展示了一个可配置的例子。首先，应当注意示意图顶部的列配置：

·这两个左边的最左边的列（A和B）是用来舍弃信号的。

·接下来的三个列（C,D和E）是用来发送它们的电流到左边通道的。

·最右边的三个列（F,G和H）是用来发送它们的电流到右边通道的。

每组通道都连接一个信号垂直开关单元。每个垂直开关单元都具有以下选项：

·舍弃输入电流（正如1到8行中所显示的）。

·连接至顶部（正如2,3,4行中所显示的）。在这种情况下：

–右边通道是发送到右上角输出的。

–左边通道是发送到左上角输出的。

·连接至底部（正如2,3,4行中所显示的）。在这种情况下：

–右边通道是发送到右下角输出的。

–左边通道是发送到左下角输出的。

示例配置显示出得到的效果是：

1﹚右上角输出将会连接到｛F2：H4｝传感器元件。

2﹚左上角输出将会连接到｛C2：E4｝传感器元件。

3﹚右下角输出将会连接到｛F5：H7｝传感器元件。

4﹚左上角输出将会连接到｛C5：E7｝传感器元

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