基于四象限的光斑位置探测系统设计

龚元霞 刘福华 许孝敏 刘 杰

（西京学院 理学院，陕西 西安710123）

1 位置探测器介绍

本文主要研究的是运动光斑的位置探测，现有的运动光斑的探测器有很多种，主要有电荷耦合器件、位置敏感器件以及四象限探测器。本文选择的四象限探测器，探测系统的核心器件进行研究。

1.1 探测器的选择

四象限探测器是将四个性能完全相同的光电探测器按照直角坐标系的方式排列，利用光生伏特效应将光信号转换为电信号的器件。光照射到探测器上，探测器的光敏面会形成四个单独的区域，由于光斑占用每个区域的面积不同，从而换算出光斑占用光敏面四个区域的光电压不同，来解算光斑实际位置。

本文选择的四象限探测器如图1，具体尺寸为30mm（长）X30mm（宽）X15mm（厚），感光口径为10mm，入光口上带螺纹，内螺纹大小为M12。

图1 四象限探测器

探测器的下侧有M4 的螺丝，长度约为6mm，用此连接支杆可以固定整个探测器。末端接头采用的是标准的6 针PS2 接头，如图2。

图2 探测器末端接头

选用的四象限探测器主要性能参数：

根据本系统所应用到的环境以及硬件的要求，四象限探测器的主要性能参数设计如表1。

表1 四象限探测器性能参数

1.2 四象限探测器工作原理

当光照射四象限探测器的光敏面上后，光斑与探测器光敏面的分布如图在探测器平面上的分布如图3 所示，因探测器有四个像元，四个像元是独立的，光斑因为离四个像元的远近不同，占用的每个像元的面积也有所不同，这样四个像元因为光电效应产生的电压也有所不同，根据这些电压差别可换算出光斑在探测器上的相对位置。

图3 探测原理

1.3 探测算法的选择

根据本文四象限探测器的探测原理，电压与光斑位置的解算关系如下：

本文选择比较简单的加减定位算法对光斑位置进行计算推导。设四象限光敏面的半径为R，光斑的半径为r，假设光斑为均匀光斑，则有光斑解算位置换算关系式如下：

由可公式（3）、公式（4）可以看出，光斑实际位置和解算位置为非线性，不能直接反解出实际位置。当光斑中心位置距离四象限探测器中心较小时，则有：

2 硬件电路的设计

本文主要选择主控芯片FPGA，再结合外围信号处理电路，有前置放大电路、模数转换电路以及滤波电路等来实现光斑的探测功能。系统设计框图如图4。首先，光斑会经过四象限探测器的光伏效应转换为微弱的电信号，在经前置放大电路放大信号之后经过滤波电路处理一下无用信号，最后经过模数转换输出上位机以及其他外界设备所需要的信号。

图4 系统设计图

图5 为本文控制系统的采集驱动电路板左侧是PS2 座接口，右侧是RS232 串口通信的接口。

图5 采集驱动电路板

FPGA 的AD 转换采用的是ADS1115 芯片，芯片本身带有放大以及模数转换功能；滤波模块采用最常见的二阶滤波电路。FPGA 的接口电路采用双模式接口，一种是JTAG 模式的接口电路，一种是AS 模式的接口电路，两种接口共同实现系统的内部测试。电源电路的电路板的供电电源为5V，所选用的FPGA 的I/O 口供电电压包括3.3V、2.5V 和1.5V。

3 上位机显示软件设计

3.1 界面介绍

为了清晰地看到光斑位置的变化以及对光斑位置测量的误差的判断，本文设计了一个显示软件，可以清晰地将光斑位置显示在软件中设计的坐标系中，软件界面如图6 所示。

图6 光斑显示软件

左上角是用于通信端口的选择，下面的四象限用于显示光斑位置；右侧是一些具体参数的设置。此测试软件是用C++语言由C++ Borland Builder 编写，其中里面的RS232 通信部分是需要专门的串口通信控件MSCOMM32.OCX 完成。

3.2 使用介绍

此位置探测系统的使用十分简单：将光照射到四象限探测器的光敏面上，将附带的USB 转RS232 模块的USB 口插入电脑，打开软件，选好COM 端口后，在软件上就能显示光斑的位置信息了。当跟踪发散性光源时，可以在位置探测器的入光口安装小镜头，通过成像的方式来跟踪光源位置，镜头是标准M12接口，市面上很常见。当入射的激光光强较高时，应该在探测器入光口前加适当的衰减片，以免像元电压饱和。

4 结论

本设计主要研究的就是基于四象限光电探测器的位置探测系统，相比较其他多元探测系统、红外探测系统在探测效率、可靠性、抗干扰能力、复杂程度、质量体积、成本等诸多方面具有其独到的优越性。当跟踪发散性光源时，可以在位置探测器的前端安装光学单元，通过成像的方式来跟踪光源位置。该设计方案也可以用于监视激光光束的指向或阳光的入射方向从而实现对光源的跟踪。