[发明专利]一种四象限探测模块及其应用方法

说明书

本发明公开一种四象限探测模块及其应用方法。四象限探测模块包括四象限探测器、可调RLC网络、直流信号放大模块、交流信号放大模块和信号调理电路。四象限探测器将光信号转换为电流信号；可调RLC网络将电流信号的直流分量和交流分量分离，并且利用可微调电阻网络实现对探测器结电容的微调，利用感抗抑制信号频率处的电压噪声增益；交流信号放大模块将电流交流分量转换成电压信号，其中的可微调反馈电阻网络实现对信号增益的微调。本发明通过可微调电阻网络提升了四象限探测模块象限间响应一致性，从而优化共模抑制比；利用电感的响应特性，大幅优化信号频率附近的噪声性能，具有高共模抑制比、高增益兼具低噪声的优点，适用于微弱信号探测领域。

技术领域

本发明涉及光电探测领域，尤其涉及一种四象限探测模块及其应用方法。

背景技术

四象限探测器是由四个完全相同的光电探测器按照四个象限排列而成。通常照射到四象限探测器光敏面的激光束用圆形光斑且能量分布均匀，当光束照射到四象限探测器表面时，若光束中心位于四象限探测器中心，各象限接收到的光功率相同，输出相等的光电流；若光束中心偏离四象限探测器中心，四个象限上由于光斑面积不同，接收到的光能量也会发生变化，从而产生不同强度的光电流，所以光电流的变化可以解算出光斑中心相对于探测器中心的位移变化。四象限探测模块作为一种位置敏感器件，常被用于目标位移测量和跟踪等激光测量领域中，如激光准直、激光制导、量子精密测量等。这些应用往往对位移测量精度和灵敏度要求较高。

随着激光实验的发展，激光器的相对强度噪声、散粒噪声已经成为激光测量的主要制约因素，而激光器的相对强度噪声对四象限探测模块来说是一种共模噪声，所以提高探测模块的共模抑制比，可以大幅抑制激光本身的噪声影响。在使用四象限探测模块时，一个很重要的指标就是要求四象限探测模块各象限的响应一致性要好，包括光响应和电响应。光响应一致性主要由四象限探测器各象限的响应灵敏度、结电容等参数决定，电响应一致性主要由各象限信号放大电路的增益决定，这些参数将直接影响四象限探测模块的共模抑制比，从而影响位移测量精度和灵敏度。

现实世界中，四象限探测器各象限的参数并不可能完全一致，且电路中的电阻值等也存在一定误差，所以需要采取一种有效的方法来补偿四象限探测器象限间参数的差异以及硬件电路响应的误差。现有的四象限探测模块，如图2，一般使用固定电阻电容的RC网络实现隔直，跨阻放大电路的反馈电阻也不能精细调节，没有补偿四象限探测器象限间参数的差异和硬件电路响应的差异，导致四象限探测模块的共模抑制比受到限制。

并且在多数动态测量及闭环系统的应用领域中，往往需要从大的直流分量中提取光电流微弱、快速的变化量，从而获得位移变化信息，比如基于光动量效应的极弱力测量领域，四象限探测模块需要在大功率捕获光中探测微粒运动引起的微弱散射光场，从而获得微粒的位移信息。在这些应用场合，光电流中的直流分量比交流分量大几个数量级，且只有交流分量中包含位移变化信息。受光电流大直流分量和四象限探测器最大反偏电压限制，隔直电阻的直流等效阻抗不能太大，但是从噪声模型分析可知，隔直电阻越小，四象限探测模块的输入电压噪声增益越大，所以隔直电阻过小，会劣化探测模块的噪声性能。现有四象限探测模块一般使用固定RC网络隔直，其隔直电阻不随频率变化，因此极大地制约了探测模块的噪声性能。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种四象限探测模块及其应用方法，能够补偿四象限探测器象限间参数的差异和硬件电路响应的差异，提高四象限响应一致性，从而提升四象限探测模块的共模抑制比，并且，进一步提升四象限探测模块的信噪比。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种四象限探测模块，包括四象限探测器、可调RLC（Resistor, inductor andcapacitor ，电阻、电感和电容）网络、直流信号放大模块、交流信号放大模块和信号调理电路；

所述四象限探测器用于将激光信号转换为电流信号；