[科普中国]-位置探测器

定义

位置探测器又称为位置敏感器件（Position Sensitive Detector，PSD），它是一种能检测光电位置的器件，常作为与发光源组合的位置传感器广泛应用。PSD基本上属于光传感器，也称为坐标光电池。1

探测器探测器的电信号输出是目标空间信息的时间描述，探测器电子信号与探测器特性相匹配。探测器分为经典半导体探测器、新型半导体探测器和热探测器。经典半导体型和热探测器型的探测器特性参数及其后的系统特性参数已得到改进。常见的几种探测器如下：

经典半导体探测器（1）光导型探测器。它需要一个恒定的偏置电压，吸收的光子改变体积电阻率，于是改变了电流的大小，这种改变可以在外部电路中监测。由于电流不断流过，探测器发热，因此，非常大的探测器阵列很难降温。

（2）光伏型探测器。它实际上是一个半导体中的P-N结，吸收的光子产生电压变化，这个变化在外部电路中可以探测。该型探测器不发热并且能够安置在非常大的阵列中。由于工作电流最小，它相对容易耦合在低噪声放大器中。2

新型探测器（1）肖特基势垒二极管（SBD）。它是一个可产生电压的光电发射装置，这些探测器适合使用硅制造工艺。因此，它是相对容易生产的单片器件，其中探测器和读出装置可以同时制造。SBD能够安装在非常大（5000×5000）的阵列上。

（2）带隙工程光探测器（量子势阱）。量子阱探测器的光谱响应能够调谐到任意波长，但是它只有非常窄的光谱响应范围。目前它的限制是需要制冷（通常为60K以下）。2

热探测器（1）辐射热计探测器。因为热探测器吸收热量，所以它的电阻值发生改变，它需要一个外部偏压。电流的改变（因为电阻值发生变化）可以在外部电路中被探测。大型辐射热计探测器阵列中产生的热量难以消散。辐射热计通常是光学斩波的，以提高灵敏度和均匀性。2

（2）热释电探测器。热释电探测器仅仅能够感知温度的变化。热度的变化改变了电偶极矩，产生了电势差。这些交流设备在△T对象周围产生热晕。这些系统通常具有一个介于透镜系统和探测器之间的斩波器（制造一个不断变化的环境）。斩波器与摄像机的帧速率同步，以使显示的图像同步显示。

分类一维PSD一维PSD用于测定光电的一维坐标位置。1

二维PSD一维PSD用于测定光电的二维坐标位置。

两种PSD的工作原理是相同的。1

典型结构外部结构PSD外部有传感器的信号输出端子，输出信号常为电流方式，还有让入射光通过的窗口（材料为玻璃或者是树脂）。

内部结构PSD内部有将入射光信号变为电信号的半导体P-N结。1

工作原理在一维PSD中，入射光在半导体内产生正负等量电荷，即通过P-N结在入射点附近的P层产生正电荷，在N层产生负电荷。P层不均匀的正电荷形成电流，引出端取出与到输出电极距离成反比的电流。根据流过电极的电流可计算光射入的位置。

二维PSD的工作原理与一维PSD的工作原理基本近似，仅是在一维PSD的电极成垂直方向安装二维PSD，但位置间性能不太好，需要进一步改进。1

特性受光面积PSD是检测受光面上点状光束的重心（强度中心）位置的光检测元件，因此，通常在PSD前面设置聚光透镜，在受光面上得到光点，选择最适宜的受光面积的PSD，确保光点进入受光面。1

信号光源和敏感波长范围作为被测量对象、光源以及PSD在外部有遮挡的情况下，由于周围的光不能进入PSD，在其敏感波长范围内采用任何光源都不会出问题。然而，当白炽灯、荧光、水银光、太阳光等入射到PSD上，将来自信号光源的光淹没时，这时要采用可见光截止性的窗口材料PSD，信号光源使用红外LED以及白炽灯。1

电极间电阻以及反偏置电压与响应速度在PSD受光面上光点位置高速移动时，以信号光源为脉冲灯光而消除周围的光成分时，PSD的响应时间，即上升时间和下降时间就会成为问题。PSD的电极间基本上相当于电阻工作，因此，需要高速响应工作时，应选用电极间电阻小的PSD，加较大的反偏置电压而接电容较小状态下使用。响应时间约为1μs左右。1

位置检测误差位置检测误差是指来自电学中心位置的光点的实际移动量与用该位置得到的电流进行计算的移动量之差值，即实际的光点位置与检测的光点位置的差值，最大约为全受光长的2%~3%。PSD位置的检测密度也就相当于此程度，若要求更高的检测精度时，使用查表补偿或调整增益等。1

极间电阻与位置分辨率位置分辨率是值在PSD受光面上能检测的最小变位，用受光面上的距离表示。若电流差为无限小，则电流之间含有的噪声电流分量决定了位置分辨率。电路中含有的噪声电流分量主要有三种，即电流中含有的散粒噪声电流、电极间电阻产生的热噪声电流和运放的输入换算噪声电压除以电阻间电阻的电流。1