PSD位置敏感探测器(Position-SensitiveDetector)应用与研究现状_

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2024年3月19日发(作者：)

PSD位置敏感探测器(Position-Sensitive Detector)应用与研究现状

1PSD介绍........................................................................................................................ 1

1.1 PSD的应用 ......................................................................................................... 1

1.2 PSD 的国内外发展现状 ...................................................................................... 1

2多光束同步检测 ............................................................................................................ 2

2.1 循环点亮光源法 ................................................................................................. 3

2.2 幅度检测法 ........................................................................................................ 4

2.3 相位检测法的研究意义 ...................................................................................... 4

1PSD介绍

1.1 PSD的应用

位置敏感探测器(Position-Sensitive Detector)是一种基于横向光电效应探测光

点重心位置坐标信息的半导体器件，具有分辨率高、响应速度快、信号处理简单

等优点，特别适用于位移、距离、角度以及可以间接转化为光点位置或位移的其

他物理量的非接触高精度快速测量及准直测量。目前已广泛应用于工件的位移、

尺寸、表面状态及振动、偏心、间隙、冲程等运动状态的在线检测，空间三维位

姿检测，机器人测距（替代超声视觉传感器）等方面。

海军用PSD准直仪相对潜艇惯性导航系统的参考轴调整潜艇的导弹发射系

统。国内有科研机构用PSD检测导弹陀螺仪自转扰动角的大小，以改进导弹性能。

由于可以同时给出位置和光强信息，PSD也是宇宙射线谱仪的核心组成部分，可

用于测量宇宙射线及太阳射线中的粒子和同位素。日本滨松公司开发的二维弱光

探测器用于捕捉光子，由PSD输出位置信息，可用来拍摄星云照片。英国牛津大

学以及法国里昂大学分别利用PSD器件结合计算机技术成功研制出可以进行纳

米级离子位置定位的原子显微镜3DAP(Three Dimensional Atom Probe)，能确定导

体材料中原子的质量和位置，在纳米级空间内观察原子的分布。浙江大学现代光

学仪器国家重点实验室也成功地应用PSD技术研制了性能先进的卧式原子力显

微镜（AFM）。PSD还可用在质量分析仪上鉴别带电粒子的种类，用在光分析仪

观察生物发光等。

1.2 PSD 的国内外发展现状

1930年，Schottky将Cu-Cu

2

O金属半导体结的Cu

2

O表面边缘的Au电极通过安

培表短接于Cu层，发现当用一束光照射Cu

2

O表面时，外电流随光入射位置与电

极之间的距离的增加指数下降，这是横向光电效应的首次发现。1957年Wallmark

在圆形InGe p

+

n结上重新发现了这个效应，并用载流子复合理论对此现象做了解

释，提出可以用来检测光点位置。1960年Lucovskey推导出了描述横向光电效应

的Lucovskey方程，奠定了PSD的理论基础。PSD在20世纪60年代迅速发展并逐渐

趋于成熟；70年代发展了表面分割型和两面分割型器件；80年代发展了改进的分

割型器件，改善了器件的性能参数；90年代改进表面分割型器件又得到进一步发

展，使得结构更加完善，性能参数进一步提高。表1列出了主要类型PSD的电极

特点和性能。

表1 PSD的类型与性能特点

PSD类型

电极型/Wallmark型

单面四横向直条电

极

双面分流直条形电

极

枕型电极

直角形电极

电极特点

电极设计为点状，使用时不

加偏置

电极单面条形布置，使用时

要加偏压

电极放在PN结的两面

光敏面周边带弧度形电阻条

的枕形结构

光敏面周边带直线形边界，

并带了电阻边框

性能

灵敏度、响应度和线性度等性能

都很差

各种性能提高，电极间相互影响，

非线性度较大

电极间相互影响小，线性度显著

提高，暗电流较大，不便于加反

向偏压

保持了四边形结构的性能优点，

又有良好的线性度，但面积较小

性能优异

在国内，PSD的发展比较晚，有关PSD的报告出现在上世纪70年代，当时也

只是一些关于PSD原理及特性方面的报道，且大部分是些译文，PSD本身及其应

用方面的研究比较缓慢，只是近年来才引起重视，上世纪90年代应用方面的报道

就比较多了。在研制方面，目前有中国电子科技集团44所研制的a-Si:H一维PSD

和单晶硅双面结构二维PSD；机电部214所主要研制一维和枕形结构的二维PSD；

上海技术物理研究所和西南技术物理研究所也在展开这方面的研究，PSD以其诸

多优点而在国内获得了广泛的应用，如在光学位置和角度的测量与控制、物体轮

廓在线检测、机器人定位、激光光束校准、位移和振动监测、人体运动及分析系

统等方面都有应用，PSD是一种具有广阔应用前景的器件。

2多光束同步检测

在现有的PSD应用中，通常用采用单个PSD来检测一路光信号。然而很多光

学测量系统都需要同时探测多路光信号，例如多自由度的测量、人体关节位置的

确定、桥梁塔体的抗震监测等。如果在测量系统中采用多个PSD，则会使整个测

量系统的体积变得臃肿，同时也增大了信号处理电路的复杂程度，而且在使用过

程中多个PSD的对准难度也大幅度提高；另一方面，由于光电探测器件以及相应

信号处理电路的价格较昂贵，如果系统中使用多个探测器件必将增加整个系统的

成本。而采用单个位置敏感探测器PSD实现对多路光信号同步检测的方法，具有

以下优势：

1减少了获得信息的代价：和传统的每个传感器只探测单一信号相比较，

○

所需传感器数目大大减少，信号处理电路相对比较简单，硬件成本有了很大幅度

的降低，而且在相同时间内获得更多的信号，特别是在测量目标的运动、位姿时，

采用单个传感器同时获取多个信号，具有很明显的优势；

2减少了信息获取的时间：采用单个传感器获取被测信息之后，信号的处

○

理是并行的，所以系统信息处理的总时间减少了；

3提高了系统的容错能力：传统的探测系统中如果某个传感器出现故障，

○

则会导致对应的被测信号完全丢失，而采用多个传感器分别同时对多个信号实行

探测时，即使某个传感器出现故障，但仍可以由其它传感器获得有关信息，使系

统正常运行；

4增加了目标特征矢量的维数：采用多个传感器分别同时对多个信号实行

○

探测，各个传感器性能相互补充，收集到的信息中不相关的特征增加了，可以获

得目标的某一特征或一组相关特征，整个系统获得的综合信息具有更高的精度和

可靠性；

因此，用单个PSD同时检测多路光束就成为了一种很有实用价值的检测技术。

下面是对该项技术的实现方法的介绍。

2.1 循环点亮光源法

在对目标物的二维或者三维的位置检测系统中，需要获得多个特征点的位置

坐标。目前普遍采用的方法是让多个特征点上的光源分时发光，即在某一个时刻

只有一个信号光斑作用于PSD上，然后按固定的时间间隔从处理电路中提取出每

个光斑单独作用时的坐标信息，系统框图见图1。在控制单元的统一时序协调下

对各路光信号进行巡回检测，即当每个光源单独点亮时，控制单元便发出相应的

触发信号来启动A/D转换，接下来数据被读入CPU，从而得到各路光信号的准实

时位置。

位

置

敏

感

单路信号

探

测

循环点

亮

MCU

器

触发信

多个特

征点光

信号处理 A/D转

CPU

图1 循环点亮光源法

2.2 幅度检测法

PSD检测到的光源位置是其照射在PSD光敏面上光斑的能量重心。在完全反

偏状态下，当多个光源同时作用在PSD上时，其电极输出电流的幅值等于每个光

源单独作用在PSD光敏面上的电极输出电流之和，这是基于幅值测量的单片PSD

同步检测多光束技术的理论基础。在这种技术中，采用脉冲幅度调制（PAM）的

方法，用不同频率的脉冲信号调制每个特征点上的光源，同时照射到PSD光敏面

上，此时PSD电极输出的为各个频率的脉冲电流的叠加信号，此信号经过前置放

大之后，通过采样保持器能够分离出每个频率的脉冲信号，然后通过A/D转换后，

将各路信号采集到计算机里进行运算就可以得到每个光斑的位置信号，系统框图

见图2。

位

置

多个特征

点光源

多路

敏

信号

感

感

测

器

多个采样

保持器

放大滤

波

A/D转

换

CPU

各路触发信号

同步信号

采样脉冲电路

MCU

图2 PSD幅值法同步检测多路光信号

采用PSD幅度法实现多光束同步检测技术时，每个光源的调制脉冲信号与其

相应采样保持器的启动信号必须严格的同步，否则就会引起混乱。另外，为了得

到比较高的带宽响应，需要尽可能提高光源的调制频率。然而由于PSD瞬态响应

特性，对于不同的PSD，都存在一个最大的响应频率max f，当调制频率大于这

个频率时，PSD的输出信号就会伴随着严重的干扰信号，因此要想得到比较理想

的输出信号，光源LED的调制频率要受到PSD响应频率的限制，其值必须小于max

f。采用PSD 幅度法实现多光束同步检测是基于输出电流的幅值测量的一种多路

复用技术，因此容易受到外界背景光的干扰，成像光斑的大小也会影响检测的精

度。

2.3 相位检测法的研究意义

前面提到的两种基于单片PSD的多路光信号同步检测技术，存在以下的缺点：

1用循环点亮光源的方法检测多光束技术的缺点主要有：其一，实现起来

○

比较困难，各个特征点光源必须按给定的顺序和固定的时间间隔依次发光，而且

当每个光源点亮后作用于PSD上并形成模拟信号时，就应当及时启动一次A/D转

换，把相应的位置坐标信息采集下来并存放起来，也就是说，每个特征点上的光

源循环点亮和A/D转换的依次采样必须严格同步；其二，这种技术只适用于实时

性不高的场合或缓慢变化的物理量检测。其三，当光斑分时作用于PSD上时会使

系统引入瞬态效应造成PSD饱和而不能正常工作，为了消除这种饱和影响，就必

须降低被检信号的幅度，但是这样做又会导致测量分辨率的降低，由PSD的瞬态

特性可知，PSD电极输出方波信号的波形并不是很理想，所以如果采样点选取的

不好，将影响到整个系统的检测精确度。

2基于PSD幅值法定位的同步检测多光束技术也存在以下缺点：其一，它需

○

要复杂的信号处理电路来实现同步调制和解调功能模块，实现起来比较困难；其

二，如果采样频率太高，将引起输出波形的严重失真，从而限制了PSD的工作带

宽。其三，信号处理电路需要归一化的电路来消除多个指示光源的光强偏差，使

硬件成本比较高。

PSD拥有多种携带位置的信息载体，幅度和相位是两种可以预见的信息载体。

因此本文提出采用PSD相位法来实现对多路光信号实现同步检测。到目前为止，

对PSD相位法多光束同步检测技术的研究与报道仍然很少见，因此还有许多方面

值得探讨。事实上，与其它两种基于单片PSD同步检测多路光信号的技术相比，

相位法多光束同步检测技术至少存在以下几个优点：

1实时性比较好；

○

2相位法定位技术检测的是PSD电极输出信号的相位信息，不依赖于照射光

○

强的大小，不需要归一化电路来消除因光强波动而引起的电流幅度的波动；

3相位法定位技术降低了对光源系统的要求，受背景光的影响很小，抗干

○

扰能力大大提高；

4相位法定位技术的信号处理电路简单、硬件成本低；

○

5同步检测多路光束时，各路之间的串扰很小，且实现起来比较简单。此

○

外，以PSD相位法定位技术配合频分复用技术，用不同频率调制的多个光斑同时

照射在单个PSD上，在信号处理电路中解算出各光斑的位置信息，实现了多个光

点的复用，因此具有更为诱人的应用前景。由此可以看出，对PSD相位法多光束

同步检测技术展开研究，具有重要的意义和价值。

本文标签： 信号检测位置技术信息