Position-sensitive detectors (PSDs), or lateral-effect photodiodes, are commonly used for high-speed, high-resolution optical position measurement. This paper describes the instrument design for multidimensional position and orientation measurement based on the simultaneous position measurement of multiple modulated sources using frequency-domain-multiplexed (FDM) PSDs. The important advantages of this optical configuration in comparison with laser/mirror combinations are that it has a large angular measurement range and allows the use of a probe that is small in comparison with the measurement volume. We review PSD characteristics and quantitative resolution limits, consider the lock-in amplifier measurement system as a communication link, discuss the application of FDM to PSDs, and make comparisons with time-domain techniques. We consider the phase-sensitive detector as a multirate DSP problem, explore parallels with Fourier spectral estimation and filter banks, discuss how to choose the modulation frequencies and sample rates that maximize channel isolation under design constraints, and describe efficient digital implementation. We also discuss hardware design considerations, sensor calibration, probe construction and calibration, and 3-D measurement by triangulation using two sensors. As an example, we characterize the resolution, speed, and accuracy of an instrument that measures the position and orientation of a 10 mm times 5 mm probe in 5 degrees of freedom (DOF) over a 30-mm cube with 4-mum peak-to-peak resolution at 1-kHz sampling.

中文翻译：

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使用数字频域复用的高速微尺度光跟踪

位置敏感探测器 (PSD) 或横向效应光电二极管通常用于高速、高分辨率的光学位置测量。本文介绍了基于使用频域复用 (FDM) PSD 对多个调制源进行同步位置测量的多维位置和方向测量仪器设计。与激光/反射镜组合相比，这种光学配置的重要优势在于它具有较大的角度测量范围，并且允许使用与测量体积相比较小的探头。我们回顾了 PSD 特性和定量分辨率限制，将锁定放大器测量系统视为通信链路，讨论 FDM 在 PSD 中的应用，并与时域技术进行比较。我们将相位敏感检测器视为多速率 DSP 问题，探索与傅立叶频谱估计和滤波器组的相似之处，讨论如何选择调制频率和采样率，以在设计约束下最大化信道隔离，并描述有效的数字实现。我们还讨论了硬件设计注意事项、传感器校准、探头构造和校准以及使用两个传感器通过三角测量进行的 3-D 测量。例如，我们表征了仪器的分辨率、速度和精度，该仪器在 5 个自由度 (DOF) 上测量 10 mm × 5 mm 探头的位置和方向，该探头位于 30 mm 立方体上，具有 4 mm 峰- 1 kHz 采样时的峰值分辨率。讨论如何选择调制频率和采样率以在设计约束下最大化通道隔离，并描述有效的数字实现。我们还讨论了硬件设计注意事项、传感器校准、探头构造和校准以及使用两个传感器通过三角测量进行的 3-D 测量。例如，我们表征了仪器的分辨率、速度和精度，该仪器在 5 个自由度 (DOF) 上测量 10 mm × 5 mm 探头的位置和方向，该探头位于 30 mm 立方体上，具有 4 mm 峰- 1 kHz 采样时的峰值分辨率。讨论如何选择调制频率和采样率以在设计约束下最大化通道隔离，并描述有效的数字实现。我们还讨论了硬件设计注意事项、传感器校准、探头构造和校准以及使用两个传感器通过三角测量进行的 3-D 测量。例如，我们表征了仪器的分辨率、速度和精度，该仪器在 5 个自由度 (DOF) 上测量 10 mm × 5 mm 探头的位置和方向，该探头位于 30 mm 立方体上，具有 4 mm 峰- 1 kHz 采样时的峰值分辨率。和使用两个传感器通过三角测量进行 3-D 测量。例如，我们表征了仪器的分辨率、速度和精度，该仪器在 5 个自由度 (DOF) 上测量 10 mm × 5 mm 探头的位置和方向，该探头位于 30 mm 立方体上，具有 4 mm 峰- 1 kHz 采样时的峰值分辨率。和使用两个传感器通过三角测量进行 3-D 测量。例如，我们表征了仪器的分辨率、速度和精度，该仪器在 5 个自由度 (DOF) 上测量 10 毫米乘以 5 毫米探头的位置和方向，该仪器在 30 毫米立方体上具有 4 毫米峰值 - 1 kHz 采样时的峰值分辨率。