碩士研究生答辯講稿

橫向光電效應(yīng)半導(dǎo)體光電位置敏感器件是一種對其感光面上入射光點(diǎn)位置非常敏感的光電器件。當(dāng)有光照射P-N結(jié)時(shí)，半導(dǎo)體吸收光子后激發(fā)出電子-空穴對，在結(jié)電場作用下是空穴進(jìn)入P區(qū)，電子進(jìn)入N區(qū)，從而產(chǎn)生了結(jié)光電勢。如果入射光僅集中照射在P-N結(jié)光敏面上的某一點(diǎn)，則光生電子和空穴亦將集中在結(jié)點(diǎn)。由于P區(qū)參雜濃度大于N區(qū)，因此進(jìn)入P區(qū)的空穴有入射點(diǎn)迅速擴(kuò)散到整個(gè)P區(qū)，N區(qū)的導(dǎo)電率較低，進(jìn)入N區(qū)的電子將仍集中在入射光點(diǎn)，在P-N結(jié)的橫向形成不平衡電勢，建立了一個(gè)橫向電場，這就是橫向光電效應(yīng)。改進(jìn)表面分流型二維PSD改進(jìn)表面分流型二維PSD采用了弧形電極，四側(cè)面結(jié)構(gòu)，信號(hào)在對角線上引出。這樣不僅可以減小位置輸出非線性誤差，同時(shí)保留了表面分流型PSD暗電流小、加反偏電壓容易、響應(yīng)速度高以及邊緣畸變小等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)入射光點(diǎn)位置距各電極距離不同時(shí)，四個(gè)電極收集的電流強(qiáng)度也不相同，各電極收集到的電流強(qiáng)度與光點(diǎn)在光敏面上位置相對應(yīng)，取光敏面的幾何中心位置為二維x-y坐標(biāo)原點(diǎn)，PSD的四個(gè)電極的輸出電流分別為。若將電極輸出電流作適當(dāng)處理，則光敏面上輸出的位置信號(hào)僅是位置坐標(biāo)的單值函數(shù)，其光點(diǎn)位置方程為：（1）（2）光學(xué)原理高精度多功能激光準(zhǔn)直儀的光學(xué)系統(tǒng)主要采用雙光束消漂移的方法來提高激光光線的準(zhǔn)直精度。當(dāng)He-Ne激光器發(fā)出的激光光線經(jīng)過凹透鏡、凸透鏡、光闌和濾光器以后，打到分光器（鍍有半反半透膜）上被分為垂直的兩束光線，其中經(jīng)過分光器反射的向下的直線再經(jīng)過平面反射鏡1的反射，進(jìn)入到五角棱鏡和直角屋脊棱鏡后其漂移方向正好和透過分光器1的平行直線相反。如果直接用這兩束光線做準(zhǔn)直基線，這樣會(huì)使光靶的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，可以在光學(xué)系統(tǒng)中加入反射鏡2和透鏡3，將上下兩束光線合為一束光線，這樣當(dāng)原光束有漂移的時(shí)候，合成的光線將變?yōu)闄E圓形的光束，光束的能量重心是不漂移的，由于光靶采用只對光束能量重心位置敏感的位置敏感探測器PSD，這樣可以消除大部分雜散光和背景光，激光束的準(zhǔn)直精度得到了大大的提高。直線度測評(píng)軟件的設(shè)計(jì)分析直線度誤差測評(píng)軟件結(jié)合高精度多功能激光準(zhǔn)直儀實(shí)現(xiàn)了直線度誤差的動(dòng)態(tài)連續(xù)實(shí)時(shí)測量、靜態(tài)測量，而且結(jié)合直線度誤差的兩類測量方法（角差法和線差法）和直線度誤差的兩種主要評(píng)定方法（兩端點(diǎn)連線法和最小包容區(qū)域法）實(shí)現(xiàn)了可與多種直線度誤差測量儀器的配合使用。直線度測評(píng)軟件的特殊功能及實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的軟件主要的任務(wù)有：交互式界面的設(shè)計(jì)、PSD光靶的等間距移動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出評(píng)測等等。為了方便使用，軟件設(shè)計(jì)時(shí)編寫了求斜率子程序、求直線上點(diǎn)的坐標(biāo)函數(shù)、凸多邊形法子程序等多種子程序和函數(shù)，方便程序調(diào)用和實(shí)現(xiàn)一些特殊功能，如算法轉(zhuǎn)換功能等。在軟件中，我們通過使程序模塊化的方法來實(shí)現(xiàn)各個(gè)特殊功能。要實(shí)現(xiàn)某個(gè)功能，只需要調(diào)用該程序即可。直線度測評(píng)軟件的測量方法角差法用自然水平面或光線作為測量基準(zhǔn),將被測表面分為若干段,用水平儀或自準(zhǔn)直儀等小角度量儀,采用節(jié)距法逐段測出每段前后兩點(diǎn)連線與測量基準(zhǔn)之間的微小角度,然后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,求出直線度誤差。采用角差法進(jìn)行直線度誤差檢測的優(yōu)點(diǎn)是測量方便實(shí)用,缺點(diǎn)是測量時(shí)存在累積誤差且數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜,需要將測量值進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換變成相對統(tǒng)一基準(zhǔn)直線的累積值后,再應(yīng)用兩端點(diǎn)連線法或最小包容區(qū)域法等數(shù)據(jù)處理方法評(píng)定出直線度誤差。線差法用模擬法建立理想直線,然后把被測實(shí)際線上各被測點(diǎn)與理想直線上相應(yīng)的點(diǎn)進(jìn)行比較,以確定實(shí)際線各點(diǎn)的偏差值。由于線差法測量得到的是相對統(tǒng)一基準(zhǔn)直線的偏差值,因此其數(shù)據(jù)處理要比角差法簡便,可直接應(yīng)用兩端點(diǎn)連線法或最小包容區(qū)域法評(píng)定出直線度誤差。直線度測評(píng)軟件的評(píng)定方法形狀誤差的評(píng)定，是以被測實(shí)際要素相對于理想要素的最大變動(dòng)量來確定的。由于直線度誤差曲線的不同，理想要素(理想直線)的位置也是浮動(dòng)的。評(píng)定直線度誤差時(shí)根據(jù)理想直線的確定方法不同，可分為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[37-38]、兩端點(diǎn)連線法、最小區(qū)域法和最小二乘法[39-42]。兩端點(diǎn)連線法兩端點(diǎn)連線法評(píng)定直線度誤差，是以誤差曲線的首尾兩個(gè)端點(diǎn)的連接直線作為理想直線，誤差曲線對于該理想直線的最大變動(dòng)量即為直線度誤差。對于給定平面內(nèi)的直線度，就是按誤差曲線兩端點(diǎn)連線的方向做兩平行直線，包容誤差曲線，且以其縱坐標(biāo)方向的最小距離作為直線度誤差值。最小區(qū)域包容法將離散的誤差值連接成誤差折線，并將露在最外圍的那些點(diǎn)連接成封閉的凸多邊形，則各凸點(diǎn)到其對應(yīng)的凸邊的最大縱坐標(biāo)距離，即為直線度誤差直線度測評(píng)軟件的主要組成部分本系統(tǒng)的整個(gè)軟件采用了模塊化的設(shè)計(jì)來完成數(shù)據(jù)采集、動(dòng)靜態(tài)測量以及數(shù)據(jù)顯示和儲(chǔ)存等等工作。軟件的模塊功能及模塊之間的關(guān)系如圖4-10所示。用戶界面模塊：操作人員來完成指令操作和結(jié)果顯示；標(biāo)定模塊：完成準(zhǔn)直系統(tǒng)的標(biāo)定工作，為以后的準(zhǔn)直提供基準(zhǔn)；自動(dòng)測量模塊：實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直自動(dòng)實(shí)時(shí)測量，采樣時(shí)間可以通過用戶界面來設(shè)定；手動(dòng)測量模塊：實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直的單點(diǎn)測量，目的性強(qiáng)，操作簡單；數(shù)據(jù)采集處理模塊：與硬件系統(tǒng)相聯(lián)系，取得模擬信號(hào)的數(shù)值，并進(jìn)行處理；方法通道轉(zhuǎn)換模塊：實(shí)現(xiàn)不同通道數(shù)據(jù)的提取和評(píng)定；數(shù)據(jù)顯示模塊：完成數(shù)據(jù)測量的實(shí)時(shí)顯示；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：對數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化便于存儲(chǔ)和后期記錄分析。直線度測評(píng)軟件的關(guān)鍵技術(shù)（1）DAQAI控件的屬性●CyclicMode循環(huán)模式的設(shè)定。True為Cyclic循環(huán)方式，F(xiàn)alse為non-Cyclic非循環(huán)模式。這個(gè)程序是針對驅(qū)動(dòng)而言，與板卡硬件無關(guān)。在非循環(huán)方式下，驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行完一系列操作后會(huì)停止。對于A/D而言，它會(huì)完成一系列轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到制定的區(qū)域，然后停止。在循環(huán)方式下，除非你發(fā)出一個(gè)停止的指令，否則它不會(huì)停止操作。在將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到緩存區(qū)末尾時(shí)，它會(huì)從緩沖區(qū)的開始端重新操作。對于A/D而言，這種方式會(huì)循環(huán)地覆蓋緩沖區(qū)?？梢圆捎醚h(huán)方式來采集實(shí)時(shí)性很高的數(shù)據(jù)。●StartChannel開始輸入的通道號(hào)?！馧umberOfChannes輸入的通道數(shù)。從StartChannel中描述的通道號(hào)開始計(jì)算，在硬件多通道輸入時(shí)，要分別對StartChannel與NumberOFChannels的屬性設(shè)置?！馜ataType指模擬量輸入返回值類型的設(shè)置。adRaw為二進(jìn)制或十六進(jìn)制形式，adRaw為實(shí)型形式?！馮ransferMode數(shù)據(jù)傳輸模式。adSoftTrig-軟件觸發(fā)，adINTTrig-中斷觸發(fā)，adDMATrig-DMA觸發(fā)?！馞IFOEnableFIFO終端的使能狀態(tài)選擇，取決于硬件設(shè)備?！馞IFOSize返回FIFO的大小?！馧umberOfSamples采樣數(shù)值。在軟件觸發(fā)方式中，NumberOfSamples一般要設(shè)置為FIFO的一般的整數(shù)值，也就是FIFOSize的整數(shù)倍。在使用FIFO的中斷方式下，NumberOfSamples要設(shè)置FIFoSize的整數(shù)倍，并且還要設(shè)置為采樣通道數(shù)的整數(shù)倍。在DMA觸發(fā)方式中，NumberOfSamples的設(shè)置至少要在4KB?！馝ventEnabledDAQAI的時(shí)間觸發(fā)的使能狀態(tài)設(shè)置。（2）DAQAI控件的方法●SelectDevice此方法是用來選擇所需要的板卡設(shè)備的。當(dāng)調(diào)用此方法后，程序運(yùn)行時(shí)就會(huì)彈出一個(gè)對話框來選擇所需要的板卡，并會(huì)把所選擇板卡的板卡號(hào)返回給DeviceNumber屬性?！馬awInput與RealInput是板卡設(shè)備用來采集單個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)所使用的兩種方法。RawInput返回的是二進(jìn)制的數(shù)值，而RealInput返回的實(shí)數(shù)型的數(shù)值。這兩種方法都需要設(shè)置參數(shù)，以說明具體的輸入通道號(hào)?！馎cquireStart與AcquireStop是板卡設(shè)備用來采集連續(xù)的數(shù)據(jù)是所使用的方法。AcquireStart是用來啟動(dòng)連續(xù)數(shù)據(jù)的采集，AcquireStop是用來停止連續(xù)數(shù)據(jù)的采集?！馟etBufferData與GetBufferDataEx是手動(dòng)取回在內(nèi)部緩存器中的數(shù)據(jù)的兩種方法。這兩種方法中的參數(shù)分別為：起始的緩存器的位置、存取的數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，并返回內(nèi)部緩存其中的數(shù)據(jù)。而在VisualBasic.NET中要用GetBufferDataEx來代替GetBufferData。（3）DAQAI控件的事件在使用DAQAI控件的事件之前，必須在控件ntEnabled屬性中將其設(shè)置為True?！馩nEventRaw與OnEventReal這兩個(gè)事件是在采樣個(gè)數(shù)達(dá)到NumberOfSamples中所設(shè)置的數(shù)值時(shí)才被觸發(fā)。這兩個(gè)事件是根據(jù)DataType來確定的。若DataType為adRaw，則控件響應(yīng)的事件為OnEventRaw；若DataType為adReal，則控件響應(yīng)的事件為OnEventReal。通過這兩個(gè)事件中的各自的參數(shù)（DataCount和Data）可以取回采樣數(shù)據(jù)?！馩nTerminated此事件是在非循環(huán)的模式下，當(dāng)采樣個(gè)數(shù)達(dá)到NumberOfSamples中所設(shè)置的數(shù)值時(shí)被觸發(fā)。系統(tǒng)光源誤差He-Ne光源并不是理想的點(diǎn)光源，其發(fā)出的光線存在一定的發(fā)散角。當(dāng)移動(dòng)到一定的距離時(shí)，PSD接收信號(hào)的信噪比降低[43-44]，進(jìn)而系統(tǒng)的精度也降低了。另外系統(tǒng)光源如果長時(shí)間工作的話，溫度會(huì)升高，進(jìn)而使得光線產(chǎn)生震動(dòng)漂移，進(jìn)而影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PSD的非線性誤差及處理電路誤差PSD的輸出電流并非與光點(diǎn)的位移成線性關(guān)系，當(dāng)光點(diǎn)越靠近中心，其非線性誤差就越小。為了減小非線性誤差，采用通過光學(xué)系統(tǒng)壓縮位移范圍，使光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)限制在PSD線性度較好的范圍內(nèi)達(dá)到減小非線性誤差的目的。PSD信號(hào)處理電路大多采用的都是模擬器件，而模擬器件容易受溫度、電壓和外界信號(hào)的影響，輸出存在不穩(wěn)定性。本系統(tǒng)雖然采用了低漂移高輸入阻抗型運(yùn)算放大器的OP400，但零點(diǎn)漂移和溫漂不能完全消除，進(jìn)而對測量存在著影響。系統(tǒng)傳動(dòng)誤差當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)上的不穩(wěn)定性以及一些連接部件之間的蠕變，會(huì)造成激光的漂移，產(chǎn)生與PSD器件的相對抖動(dòng)，這都不可避免的對系統(tǒng)測量帶來影響。另外如果電機(jī)長時(shí)間工作會(huì)發(fā)熱，其溫度有時(shí)會(huì)相當(dāng)高，這也會(huì)影響電機(jī)傳動(dòng)，進(jìn)而影響系統(tǒng)測量?？偨Y(jié)與展望PSD是一種極具特色和應(yīng)用前景的一種光電位置敏感器件，圍繞PSD的研究也將更加深入，作者認(rèn)為可以進(jìn)行以下幾方面的探討：1.光源選擇方面，選擇更加理想的光源，減小發(fā)散角，提高光線的穩(wěn)定性，盡量縮小光斑的大小。隨著集成度的提高，可以將光源和PSD整合成密閉的無雜散光的器件，這樣可以盡量消除外界雜散光的影響。2.目前PSD只適用于單點(diǎn)測量，還不能對多點(diǎn)進(jìn)行同時(shí)測量。隨著CMOS技術(shù)的發(fā)展，PSD的集成度、效率會(huì)更高，功耗、暗電流等影響因素會(huì)更低。3.在PSD處理電路中，當(dāng)信號(hào)非常弱的時(shí)候，可以加入反饋控制，控制電路使得信號(hào)輸入也按比例增大，提高信噪比，進(jìn)而提高系統(tǒng)的測量精度。另外PSD電路中是模擬信號(hào)，很容易受到外界的干擾，如電磁干擾等，可以采用如下措施來減小模擬器件帶來的誤差：減少與前置放大電路的距離或采用屏蔽措施，采用高階濾波電路提高信噪比；減少處理電路的器件，比如除法器可以用軟件來代替。4.VisualBasic有其自身的優(yōu)點(diǎn)，但對于現(xiàn)階段來說VB的運(yùn)行速度相對與其它編程軟件來說速度稍慢，界面過于呆板，與硬件之間的通信相對復(fù)雜。如今隨著編程軟件的開發(fā)升級(jí)，涌現(xiàn)出一些高性價(jià)比、功能比較完善的系統(tǒng)開發(fā)軟件，如