[发明专利]基于激光追踪测量系统的位置敏感探测器模型建立方法

权利要求书

1.基于激光追踪测量系统的位置敏感探测器模型建立方法，其特征在于：该方法包括如下步骤，

步骤一：建立位置敏感探测器的坐标系统；设PSD的中心为坐标原点O，根据右手定则，建立O-xy直角坐标系，x轴方向为水平方向且y轴方向为垂直方向；P(x₀,y₀)为照射到PSD上的入射光斑能量中心点；以P点为中心建立P-x’y’直角坐标系，x’轴方向为水平方向且x’轴与x轴平行；y’轴方向为垂直方向且y’轴与y轴平行；P-x’y’直角坐标系，把PSD接收面分成四个区域，且四个区域的面积分别为S₁、S₂、S₃、S₄；四个电极的长度均为2L；I₁—I₄分别为四个电极输出的电流值；

步骤二：建立光斑能量中心与位置敏感探测器的关系；根据步骤一建立的位置敏感探测器的坐标系统，得到PSD的每个电极上的电流表示为：

其中，p_i为每个电极的法向，l_i为光斑中心到四个电极的距离；ρ_R为电阻率；ω_R为P-N结的厚度；

当入射光斑的能量中心与PSD光敏面的中心重合时，没有估计误差，表示为：

当入射光斑的能量中心与PSD光敏面的中心不重合时，有：

S₁＝(L-x₀)(L-y₀) (10)

S₂＝(L+x₀)(L-y₀) (11)

S₃＝(L+x₀)(L+y₀) (12)

S₄＝(L-x₀)(L+y₀) (13)

PSD的光敏面面积表示为：

S＝S₁+S₂+S_.3+S₄＝(2L)² (14)

由于表面薄层电阻线性均匀一致,载流子的移动符合欧姆定律,四个电流分量I₁，I₂，I₃，I₄都流经S₁、S₂、S₃、S₄后到达四个电极；入射到PSD光敏面的光斑能量中心的相对位置坐标为：

因此，得到光斑能量中心在PSD上的坐标表示为：

其中，K为线性常数，根据PSD的型号确定误差补偿系数；

步骤三：基于PSD的激光追踪测量系统测量原理分析，由激光器发出的线偏振光经过偏振分光镜PBS后，光矢量平行于入射面的p波被透射，经过四分之一波片QW₁后得到圆偏振光为参考光束；经过偏振分光镜PBS后，光矢量垂直于入射面的s光被反射；被反射的s光经过四分之一波片QW₂后得到圆偏振光，经过透镜Lens聚焦后，入射到标准球，反射后再次经过QW₂得到p波，经过PBS透射后，经过四分之一波片QW₃得到圆偏振光；经过追踪光路的分光镜BS₂透射后经过猫眼后被反射，再次经过BS₂被反射的光由PSD接收，经过光电信号处理后的信号用于反馈给电机，实现跟踪控制；再次经过BS₂被透射的光经过QW₃后得到s偏振光，经过PBS被反射，经过QW₁后得到圆偏振光，该圆偏振光为测量光束；参考光束和测量光束进入到激光追踪测量光学系统的干涉光路部分形成激光干涉测量信号；

步骤四：建立激光追踪测量系统中PSD测量模型；测量光l₁入射猫眼中心时，被猫眼按原路反射；反射光l₂经分光镜BS₂反射后入射到PSD的中心；此时，PSD的光电处理电路输出信号幅值为零；设猫眼运动的相对位移为e_r；经过猫眼反射后的出射光束与入射光束不重合；反射到PSD上的光束偏离PSD中心距离为2e_r；此时PSD的光电处理电路有输出信号；设e_rx为猫眼反射镜运动的位移量e_r在x方向的投影，e_ry为猫眼反射镜运动的位移量e_r在y方向的投影；则PSD上的光斑能量中心坐标x₀和y₀分别为：

x₀＝2e_rx (19)

y₀＝2e_ry (20)

PSD在x和y方向输出的电流分别为：

I_x＝(I₁+I₄)-(I₂+I₃)＝2 x₀ D G (21)

I_y＝(I₁+I₂)-(I₃+I₄)＝2 y₀ D G (22)

其中，D为光斑直径，G为光电转换系数，单位为A/m²；

将PSD在x和y方向输出的电流转化成电压，并通过低通滤波器后：

其中，k_e为电流电压转换系数，τ_op为低通滤波时间常数；滤波时间常数取为τ_op＝0.001s，滤除外界杂散光的影响；

位移电压转换系数表示为：

步骤五：PSD性能对激光追踪测量系统跟踪性能的影响分析；根据激光追踪测量系统中PSD的测量模型对在Matlab/Simulink仿真环境下搭建的激光追踪测量精密伺服控制系统模型进行仿真；分析系统对于阶跃信号的动态响应，分析了PSD的位移电压转换系数对激光追踪测量跟踪系统的影响。