二维枕形PSD在定位技术中的应用研究

摘 要： 介绍一种二维枕形PSD信号处理电路。它采用软、硬结合的方式，使用高精度的模拟除法芯片，采用单片机编程方法对数据进行非线性修正，从而完成对位移量的数据采集、数据的显示和记录。

关键词： 单片机；枕形位置传感器；显微镜

中图分类号：TN36 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2012）1110015-01

0 引言

显微镜是观察样本实验中常用的实验仪器，在进行多次重复观察时，得出的实验结果受到显微镜定位的精确度的影响。当采用普通显微镜进行样本进行重复观察时，利用人工定位的方式普遍存在人为误差，且采用普通显微镜的人工定位效率也比较低下。而近来一种采用CCD摄像头采集位置信息的显微镜[1，2]已被研制出来为了提高显微镜的人工定位效率。与CCD电荷耦合器件相比较，一种称为二维位置敏感探测器（Position Sensitive Detector，PSD）的器件由于其输出方式不是电扫描方式，所以处理其信号的电路相对简单[3]。本文介绍一种显微镜定位装置，此定位装置主要由PSD、单片机、步进电机和直角反射棱镜构成。通过此定位装置对样本的所在的位置坐标的显示，以及样本的移动量的显示，操作人员就可以进行精确定位，有效地提高工作效率。

1 显微镜定位系统装置

1.1 系统装置结构

定位系统装置由两部分组成，光学器件装置部分与电子电路部分。光学器件装置部分的主要作用是将激光的光路进行发射，使得其可以落在PSD的光敏面上。光学装置主要由显微镜和直角棱镜组成。电子电路部分主要作用是对PSD的信号输出进行处理，控制步进电机移动载物台，对样本的移动量进行显示。电子电路装置主要由前置放大电路部分、模拟除法电路、单片机电路和步进电机组成。

装置的基本工作原理是：采用半导体激光器和PSD并列放置于同一基体并与显微镜镜筒固定成一体，直角棱镜与载物台固定成一体的设计方案。实验装置如图1所示。

图1中：1、普通光学显微镜镜筒；2、LD半导体激光器；3、PSD（位置敏感探测器）；4、样本（载玻片）；5、载物台；6、直角反射棱镜；7、前置放大电路；8、单片机控制电路；9、步进电机。

由图可得，系统装置是一种传动装置，激光由LD半导体激光器发出，经过直角反射棱镜的反射后，其光束落在PSD（位置敏感探测器）的光敏面上。当显微镜的载物台作人员移动时，固定在载物台上的直角棱镜也随之移动，移动载物台时载玻片上的物体与显微镜目镜所发生的相对位置的改变，就转化为落在PSD光敏面上的光斑相对于PSD的位置改变。PSD光敏探测器由于激光光斑重心在光明面上的相对位置发生改变，它的横向光电效应会使得它两极输出反映位移信息的电流信号。电子电路部分对次电流信号进行处理，得出更加物体的位移量。其过程是，前置信号放大器将该电流信号进行放大，并根据PSD电流信号的计算方法，采用模拟除法转换模块转换为包含位置信息的模拟电压信号，此电压信号而后经过A/D转换模块转变为数字信号送入单片机进行信号的处理，最终通过数码管进行显示。记录下位置读数，便可以通过键盘对单片机发出指令，单片机由输出电脉冲信号控制步进电机移动载物台返回任意所需要的点上，从而实现了对所观察物体的准确定位。

1.2 PSD信号处理

本文所述的系统采用型枕形结构PSD，其结构如图2所示[3]。

以PSD光敏面中心位作为坐标原点，输出的电流信号为I1，I2，I3和I4，设PSD器件有效光敏面长度位L，枕形结构PSD位置坐标（X，Y）与输出信号之间的关系[3]可表示为

PSD信号处理通常采用集成电路方式[4]，或是采用集成电路结合计算机的方式[5]。由于枕形结构PSD输出信号存着非线性失真[6]，为了修正此非线性失真，本文所述的信号处理器采用集成电路得出位置信号，再采用单片机编程修正位置信号的非线性失真。其信号处理过程如图3所示。

2 结论

基于二维光电位置传感器（PSD）和步进电机的显微镜定位系统具有高分辨力和灵敏度，处理信号电路简单，测量精确度高等特点。另外，所述系统与其他带自动化功能显微镜相比，具有成本低，安装简便的特点。可安装在普通显微镜上，适合用于学生的观察实验。

参考文献：

[1]Dai W M， Li J C， Zou Y W， et al. Design of the automatic optic microscope and image acquisition system [J]. Research and Exploration in Laboratory. 2005，24（10），43～45（in Chinese）.

[2]Gan M L， Liu Y P. Implementation of automatic image acquisition with a microscope [J].Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics.1998，30（2），224～228（in Chinese）.

[3]Yi B， Li Z K， Zhang J G. Design of a data acquisition and processing system of planar PSD [J].Computer Measurement and Control.2007，15（3）：407

～409（in Chinese）.

[4]Photonics K K. Hamamatsu technical data [Z]. Solid State Division Hamamatsu City： Shizuoka Pref. Japan， 1991.

[5]Shi L Z，Huang M Z. Two dimensional PSD and signal processor [J]. Journal of Transducer Technologh， 2002，21（8）：20-22.

[6]Tang J Y，Lin J J， Sun X B. Preparation of a Pin-Cushion Two-Dimensional Positioin Sensitive Detector [J]. Acta Optica Sinica， 2005，25（2）：233-236.