四象限光电探测器用于二维小角度测量的研究

　　1引言

　　角度测量是计量科学的重要组成部分，随着生产和科学的不断发展，角度测量越来越广泛地应用于机械、光学、航空、航天、航海等各个领域，技术水平和测量准确度也不断提高。国内外许多部门和研究机构相继研制出各种测角仪器，以满足各种需要。非接触式的二维小角度精密测试技术，由于其具有较高的准确度和测量分辨率，在航天、航海和国防技术中具有广泛地应用前景。本文介绍利用半导体激光器作为光源，以高灵敏度的四象限硅光电探测器作为检测元件的结构小的平面小角度检测装置及其测试方法。

　　2系统介绍

　　2. 1测试系统的光学原理

　　测试系统的光学原理如图1所示。半导体激光器发出的光经准直后变为平行光，然后由会聚透镜经偏振分光棱镜、1/4波片变成圆偏振光后，聚焦到平面反射镜上。反射光沿原路返回，经1/4波片后圆偏振光变为线偏振光入射到偏振分光棱镜上，该光不再返回激光器，而是由偏振分光棱镜反射出去，成像在四象限光电探测器上。

　　2.2四象限硅光电探测器

　　四象限硅光电探测器如图2所示。当光照射到四象限上时，四个硅光电管产生的电流分别为:I 1,I2,I3和I4，因此可用四象限加减法来求得光斑的空间位置即光斑中心(X,Y):

　　kx, ky，和四象限硅光电探测器的孔径大小有关。在实际系统中，kx和ky，的选取应使(X,Y)的最大值处在四象限硅光电探测器的边缘。利用四象限加减法得到的光斑的位置偏移量与光斑中心实际位置并非成完全线性关系，其线性程度与光斑大小有关。光斑的增大将使光斑的位置偏移量与光斑中心实际位置曲线斜率变缓，但其线性区域较宽。综合考虑各种因素，当四象限光敏面的半径为R，光斑半径为r时，应取r=R/2.

　2. 3测试原理

　　如图3所示，当反射镜有一角位移a时，从反射镜回来的光成像在四象限探测器上，有一偏移量s，偏移量s与反射镜的角位移a有如下关系:

　　通过测量光斑图像在四象限探测器上的二维位移，可求得相应的二维偏转角。

　　2. 4测试电路及系统参数

　　电路系统如图4所示。光斑的偏移量先由四象限探测器转换为光电流，再通过电流电压转换放大电路，然后由加减及乘除法运算电路做一定的运算及滤波、稳压，输出稳定的电压信号，该电压信号对应着角位移的大小。最后经显示系统将二维角度显示出来。由于对各象限输出的信号进行了归一化处理，可以消除光斑强度变化的影响。