PSD（位置敏感探测器）是一种利用光电二极管（PD）表面电阻的非分段光敏传感器，能够提供连续的位置信号、出色的位置分辨率、快速响应和高可靠性。

       相比于普通光电二极管，PSD有两个需要重点关注的核心参数：位置分辨率(△R)与位置探测误差(E)。本文将对这两个参数进行系统解析：首先介绍位置分辨率的理论计算方法，包括各噪声源的量化与极限分辨率的推导；然后说明位置探测误差的定义、规格书中的含义，以及如何通过标定来有效降低该误差。

一、位置分辨率（△R）的计算方法

       滨松产品的位置分辨率定义为入射到PSD上的光斑的最小可检测位移。位置分辨率由PSD电阻长度(Lx)和信噪比（In/Io）决定，如下图：

       这里可以将位置分辨率理解为理论计算的极限值。实际使用过程中，信噪比还将叠加ADC采集电路精度，以及额外的噪声影响。

       以一维PSD S3931为例，来计算位置分辨率。这里面，核心是电流噪声的计算。

以下是计算所需的数据与来源：

1、PSD长度L(m)，极间电阻Rie(Ω)，暗电流Id(A)，可直接查看产品手册。如下图：

2、光电流取决于入射光强和入射光波长的光灵敏度，这里我们假设光电流1uA；

3、系统带宽主要取决于后端读出电路，这里假设带宽1kHz；

4、运放电压噪声来自运放芯片手册，这里假设31.6nV/Hz^0.5；

5、运放跨阻值由光电流大小和输出电压大小决定，这里假设1MΩ；

6、环境温度假设25°C。

输入条件如下图：

       接下来主要是介绍电流噪声的计算。我们先假设运放跨阻值Rf>>极间电阻Rie。如下图：

       以下为计算每部分电流噪声大小，总电流噪声大小，并由此得出位置分辨率大小。S3931的位置分辨率为0.194um，与手册值达成一致。如下图：

       此外，当Rf相对于Rie的大小不可忽略时，Rf的噪声同样需要纳入考虑。为方便评估，我们准备了一份位置分辨率计算表格，支持通过调整输入参数来量化噪声电流及各部分的噪声贡献。

以下措施可有效提高PSD位置分辨率：

1、提高电极间电阻Rie

2、缩短阻抗长度Lx

3、提高信号光电流lo

4、使用噪声特性适合的运放

二、位置探测误差标定方法

       入射到PSD上的光斑位置，可以根据每个电极输出的光电流来计算。但是计算的光斑位置通常和真实入射位置存在误差，称为“位置探测误差”，是PSD最重要的特性之一。

       如果光照射到PSD表面，且输出电极的电流相等，则该入射光斑位置视为PSD的电气中心位置。将该电气中心位置作为原点，那么位置探测误差就定义为光实际入射到PSD上的位置和根据光电流计算的位置的差值。

       将电气中心作为参考位置(原点)，如果实际入射位置是Xi，输出电极得到的电流分别是Ix1和Ix2，通过光电流计算出的位置是Xm，那么Xi和Xm之间的位置差距定义为位置探测误差(E)：

       产品规格书上会提供位置探测误差，如S3931的位置探测误差典型值为±30um，最大值±120um。这里指的是，对于一维PSD S3931总长度的75%的范围内，最大的位置探测误差典型值30um以内。此外，由于批次之间的差异，限定最大的位置探测误差在120um。

       如果我们对位置探测误差有一定的要求，就可以考虑对PSD进行位置探测误差的标定。

       接下来介绍位置探测误差的标定步骤，这里标定的是二维PSD S5991-01，这次我们只标定一维方向的位置探测误差。

       首先我们需要获得光斑的真实位置，核心是高精度的位置移动平台，这里我们的平台的位置精度达到±0.5um。此外，激光器波长532nm，光斑约1mm，PSD模块型号C10443-02。

1、我们将激光器固定在PSD正上方，PSD模块可随下方位置移动平台运动，信号通过采集单元进行采集。

2、打开激光器，使得光斑位于PSD的电气中心，并调节激光器功率，避免饱和，通常总光电流控制在10-100 uA左右。

3、关闭环境光源，避免环境光对位置探测的影响。

4、采集数据，光斑坐标从-4.5mm移动到4.5mm，每隔0.5mm取一个点。

5、计算位置探测误差，并绘制下图。

到此，我们可以得出位置探测误差的特性：

1、位置探测误差越靠近中心，误差越小。

2、位置探测误差相对比较线性，标定后位置探测误差可大大降低，但无法完全消除。

3、残余误差来自于二维位置平台的定位精度，光斑尺寸差异，PSD倾斜角度差异，PSD本征非线性等，测量误差则来源于位置移动平台的重复精度和PSD的位置分辨率，电路随机噪声等。可以通过进一步减小步进距离，多次重复采集来降低测量误差。

三、总结：

1、位置分辨率（△R）

       位置分辨率（△R）定义为入射光斑的最小可检测位移，由PSD电阻长度与信噪比决定。实际计算中需综合考虑散粒噪声、电极间阻抗热噪声、运放等效输入噪声等电流噪声源。

       以S3931为例，在典型条件下其极限位置分辨率约为0.194um，与手册值一致。提高电极间电阻、增大信号光电流、缩短阻抗长度或选用低噪声运放，均可有效改善位置分辨率。

2、位置探测误差（E）

       位置探测误差（E）指计算光斑位置与真实入射位置之间的偏差。规格书中给出的典型值(如 S3931典型±30um，最大±120um)适用于感光面中心75%区域。该误差在中心区域较小且呈现较好的线性特征，通过高精度标定可大幅降低，但无法完全消除，残余误差来源于平台定位精度、光斑尺寸、PSD本征非线性等因素。