ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК G06E3/00 

Изобретение относится к области оптоэлектронного приборостроения и может быть использовано в системах управления производственными процессами, информационно-измерительной технике и робототехнике.

Известный оптоэлектронный функциональный преобразователь с оптическим управлением содержит размещенные на диэлектрической подложке кольцевидные резистивный, фотопроводящий и коллекторный слои, а также два ряда чередующихся полосковых электродов. При этом фотопроводящий слой размещен между внутренним коллекторным и внешним резистивным слоями на некотором расстоянии от последнего, полосковые электроды размещены радиально, причем электроды первого ряда контактируют с резистивным и фотопроводящим слоями, а электроды второго ряда - с фотопроводящим и коллекторным слоями. Данное устройство преобразует информацию об угловом положении светового зонда, перемещающегося вдоль фотопроводящего слоя, в пропорциональное ему по амплитуде выходное сопротивление, измеряемое между коллекторным слоем и одним из краев резистивного слоя.

Недостатком данного устройства является низкая точность преобразования углового положения светового зонда в выходное сопротивление из-за дискретного характера электрического контактирования резистивного и фотопроводящего слоев.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является преобразователь, содержащий расположенные в светонепроницаемом корпусе источник света и круговой растровый фотопотенциометр, между которыми установлен узел формирования светового зонда, закрепленный на входной оси вращения преобразователя. Круговой растровый фотопотенциометр содержит размещенные на диэлектрической подложке резистивный слой, фотопроводящий слой и коллекторный электрод, вытянутые в угловом направлении, а также контактирующую с резистивным и фотопроводящим слоями систему радиальных полосковых электродов. Коллекторный электрод имеет гребенчатую форму, при этом радиальные полосковые электроды на фотопроводящем слое расположены между гребнями коллекторного электрода, которые вытянуты в радиальном направлении. Входное напряжение преобразователя U₁ задано между крайними полосковыми электродами, а выходное напряжение U₂ снимается с резистора нагрузки, включенного между коллекторным электродом и одной из входных клемм. Для задания вида реализуемой устройством функции преобразования K(κ) = U₂(κ)/U₁ осуществляется соответствующее функциональное профилирование резистивного слоя или же нанесение на резистивном слое системы корректирующих прорезей, при помощи которых достигается требуемое распределение потенциала вдоль резистивного слоя. Здесь κ - угловая координата середины светового зонда, перемещающегося вдоль фотопроводящего слоя.

Недостатком устройства-прототипа является низкая точность, что обусловлено погрешностью функционального преобразования, связанной с дискретным характером электрического контактирования резистивного и фотопроводящего слоев растрового фотопотенциометра.

Изобретение решает задачу создания оптоэлектронного функционального преобразователя с повышенной точностью преобразования за счет исключения составляющей погрешности, обусловленной дискретным характером электрического контактирования резистивного и фотопроводящего слоев растрового фотопотенциометра, путем использования определенного соотношения степени размытости светового зонда и периода растровой системы электродов.

В предложенном оптоэлектронном функциональном преобразователе, содержащем расположенные в светонепроницаемом корпусе на общей оси источник света и круговой растровый фотопотенциометр, между которыми установлен узел формирования светового зонда, установленный на входной оси, соосный с общей осью, круговой растровый фотопотенциометр выполнен в виде диэлектрической подложки, на которой размещены пространственно разделенные между собой резистивный и фотопроводящие слои, коллекторный электрод гребенчатой формы, n+1 радиальных полосковых электродов, расположенных между гребнями коллекторного электрода и контактирующих с фотопроводящим и резистивным слоями таким образом, что резистивный слой делится на n элементарных резисторов, а фотопроводящий слой - на 2n элементарных фоторезисторов, образуя n основных секций кругового растрового фотопотенциометра. На краях кругового растрового фотопотенциометра выполнено К дополнительных секций, расположенных вне пределов рабочего угла кругового растрового фотопотенциометра, причем угловая протяженность каждой дополнительной секции равна периоду системы полосковых электродов, структура его аналогична структуре основных секций, которые снабжены дополнительными электродами, шунтирующими элементарные резисторы этих секций, причем 1 ≅ K ≅ α / θ, а световой зонд узла формирования светового зонда выполнен расфокусированным, степень расфокусировки которого удовлетворяет условию:
3θ ≅ β - α ≅ 360 - ζ - α , (1) где θ - угловая протяженность секции растрового фотопотенциометра;
β - угловое расстояние от центра светового зонда, на котором освещенность поверхности фотопроводящего слоя кругового растрового фотопотенциометра равна 10^-3 максимальной освещенности;
α - угловое расстояние от центра светового зонда, на котором освещенность поверхности фотопроводящего слоя кругового растрового фотопотенциометра равна 0,5 максимальной освещенности;
ζ - рабочий угол кругового растрового фотопотенциометра.

На фиг.1 представлена конструктивная схема оптоэлектронного функционального преобразователя; на фиг.2 - схема кругового растрового фотопотенциометра, где 1 - светонепроницаемый корпус; 2 - источник света; 3 - узел формирования светового зонда; 4 - входная ось преобразователя; 5 - круговой растровый фотопотенциометр; 6 - диэлектрическая подложка; 7 - резистивный слой; 8 - фотопроводящий слой; 9 - коллекторный электрод; 10 - радиальные полосковые электроды; 11, 12 - дополнительные электроды; 13 - резистор нагрузки; 14 - световой зонд.

Устройство работает следующим образом. Световой поток с выхода источника света 2, проходя через узел 3 формирования светового зонда, канализируется, отклоняется от оси симметрии преобразователя и попадает на фотопроводящий слой 8. В месте локальной засветки фотопроводящего слоя 8 вследствие внутреннего фотоэффекта создается токопроводящий мостик, через который осуществляется локальная передача потенциала с резистивного слоя 7 на коллекторный электрод 9 через систему полосковых электродов 10. При изменении угла поворота входной оси 4 изменяется, соответственно, угловое положение κ середины светового зонда 14 на фотопроводящем слое 8, при этом выходное напряжение преобразователя U₂ = U₂( κ) становится координатно зависимым. Вид реализуемой устройством функции преобразования К(κ), определяемой соотношением К(κ)=U₂(κ)/U₁, зависит от вида углового распределения потенциала вдоль резистивного слоя 7. На фиг.2 представлен случай реализации преобразователем линейной функции преобразования К(κ), что соответствует непрофилированному резистивному слою 7. Реализация нелинейных функций преобразования К(κ) осуществляется, как и у прототипа, профилированием резистивного слоя 7 по ширине или же нанесением на нем серии поперечных корректирующих прорезей, в последнем случае одновременно осуществляется также финишная коррекция неоднородностей резистивного и фотопроводящего слоев. Узел 3 формирования светового зонда может быть выполнен на основе полого наклонного световода, стекловолоконного фокона или же элементов цилиндрической и сферической оптики.

Известно, что введение в преобразователь растровой системы электродов дает весьма существенные преимущества по сравнению со случаем непосредственного контактирования резистивного и фотопроводящего слоев в фотопотенциометрах: повышается технологичность устройства, в десятки раз снижается переходное сопротивление фотослоя в области светового зонда, повышается эффективность лазерной коррекции неоднородностей. С другой стороны, введение растровой системы электродов имеет и негативные последствия, внося дискретность в тракт преобразования информации, что приводит к "ступенчатости" координатной характеристики и, соответственно, к появлению составляющей δ_c основной погрешности преобразователя, обусловленной дискретным характером электрического контактирования резистивного и фотопроводящего слоев, при этом δ_c = 1/(2nζ), где n - количество секций фотопотенциометра, равное количеству элементарных резисторов, на которые разбит резистивный слой фотопотенциометра полосковыми электродами: ζ - безразмерный параметр, величина которого находится в пределах 1 ≅ ζ ≅ 2.

На первый взгляд, величина погрешности δ_c может быть сделана достаточно малой за счет увеличения количества n радиальных полосковых электродов, т. е. уменьшения угловой протяженности θ секций растрового фотопотенциометра. Однако имеется ряд причин, препятствующих уменьшению линейной протяженности секции фотопотенциометра ниже 40-80 мкм. Во-первых, уменьшение θ приводит к резкому возрастанию токов утечки через темновые области фотопроводящего слоя, увеличивающихся пропорционально θ^-2, что, в свою очередь, ведет к S-образному искажению координатной характеристики устройства. Во-вторых, при уменьшении θ существенно возрастают требования к степени шероховатости поверхности подложки, а также резистивного и фотопроводящего слоев, что ведет к удорожанию технологии изготовления преобразователя. В-третьих, с уменьшением θ повышается вероятность появления закороток (проводящих перемычек) между соседними электродами на фотопроводящем слое, катастрофически влияющих на точность функционального преобразования, а также разрывов электродов, И, в-четвертых, при межэлектродных расстояниях порядка 10 мкм у устройства на основе полупроводников группы А²В⁶ вследствие инжекционно-контактных явлений наступает резкое снижение приборной кратности фотопроводимости. Поэтому при топологическом проектировании фотопотенциометров расстояние между радиальными полосковыми электродами на резистивном слое обычно выбирают в пределах от 60 до 300 мкм, а количество n полосковых электродов, в зависимости от заданных габаритов устройства, от 30 до 200.

Таким образом, существует противоречие между необходимостью, с одной стороны, бесконечно уменьшать период θ растровой системы электродов для снижения погрешности δ_c, обусловленной дискретным характером структуры, и, необходимостью, с другой стороны, не допускать отрицательного влияния уменьшения θ на надежность, технологичность и точность устройств.

Изобретение устраняет данное противоречие, для чего впервые используется обнаруженный авторами эффект сглаживания ступенчатости координатной характеристики растрового фотопотенциометра, наблюдаемый при определенном соотношении степени размытости светового зонда и периода растровой системы электродов, задаваемом системой неравенств (1).

Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что при β - α< 3θ не наблюдается полного сглаживания ступенчатости координатной характеристики преобразователя, а при β - α > 36О-ζ-α размытость светового зонда становится настолько сильной, что приводит к S-образному искажению функциональной характеристики из-за подсветки через область фотопотенциометра, лежащую вне рабочего угла. Кроме того, увеличение размытости светового зонда приводит к усилению "краевых эффектов", связанных с тем, что при частичном выходе светового зонда за пределы рабочего интервала [0, ζ] усиливается относительно влияние темновых токов. Пока середина светового зонда, имеющая угловую координату κ, находится в средней части рабочего интервала [0, ζ] , соответствующие отрицательная и положительная добавки к выходному напряжению фотопотенциометра от левого и правого "хвостов" размытого светового зонда компенсируются. При приближении κ к краям рабочего интервала [0, ζ] условия компенсации нарушаются и отклонение функциональной характеристики от заданной тем сильнее, чем больше ширина и степень размытости светового зонда.

Для компенсации описанных "краевых эффектов" в заявляемом устройстве в растровый фотопотенциометр введено на краях одинаковое количество К дополнительных секций, резистивные элементы которых шунтированы дополнительными электродами 11 и 12, при этом 1 ≅ K ≅ α / θ. Дополнительные секции фотопотенциометра находятся вне пределов его рабочего интервала [0, ζ] и имеют ту же структуру и размеры, что и основные секции, находящиеся в рабочем интервале, т.е. каждая из них состоит из одного элементарного резистора и двух элементарных фоторезисторов.

В заявляемом устройстве, в отличие от прототипа, часть светового зонда, вышедшая за пределы рабочего интервала [0, ζ], не перестает принимать участие в формировании выходного напряжения, а передает на коллектор требуемое значение потенциала, т.е. значение Ψ= 0 с дополнительного электрода 11 при κ, близких 0, или значение Ψ = U₁ с дополнительного электрода 12 при κ, близких к ζ. Этим нейтрализуется негативное влияние увеличения степени размытости границ светового зонда на точность функционального преобразования. Экспериментальное исследование координатных характеристик преобразователя при разных значениях параметра показало, что уже при К = 1 наблюдается существенное (на 35-40%) снижение начального напряжения U₂(0) по сравнению со случаем К = 0, когда дополнительные секции отсутствуют. При увеличении К величина погрешности преобразования снижается, однако лишь до тех пор, пока выполняется неравенство K ≅ α / θ, т.е. пока угловая протяженность дополнительных секций не превышает половины угловой протяженности светового зонда. Введение большего количества дополнительных секций К > α / θ не имеет смысла, поскольку они представляют собой лишь дополнительные шунтирующие темновые сопротивления.

Сглаживание ступенчатости координатной характеристики преобразователя позволило существенно повысить его разрешающую способность по сравнению с устройством - прототипом. Повышение степени расфокусированности светового зонда приводит также к снижению чувствительности преобразователя к технологическим неоднородностям и дефектам резистивного и фотопроводящего слоев.

П р и м е р 1. Корпус преобразователя выполнен из алюминия, зачернен, имеет внешний диаметр 34 мм и высоту 18 мм. Узел формирования светового зонда выполнен в виде симметрично закрепленного на входной оси непрозрачного (зачерненного) тела вращения, в котором под углом 30^о к оси вращения устройства выполнен цилиндрический канал диаметром 3 мм с отражающими свет (отполированными) стенками, оптически соединяющей источник света с фотопроводящим слоем кругового растрового фотопотенциометра. Ширина светового зонда задается с помощью специальной диафрагмы. Степень расфокусированности светового зонда регулируется путем изменения ширины щели W между поверхностью фотопроводящего слоя и нижней поверхностью непрозрачного тела вращения. Источник света (светодиод АЛ 307 БМ) неподвижно закреплен на внутренней поверхности корпуса симметрично относительно его оси вращения. Топология кругового растрового фотопотенциометра формировалась с помощью метода фотолитографии из напыленных в вакууме на ситалловую подложку пленок резистивного сплава РС-3710 (резистивный слой), селенида кадмия (фотопроводящий слой) и индия (коллекторный электрод, система полосковых радиальных электродов и дополнительные электроды). Ширина резистивного слоя 2 мм, фотопроводящего - 3,5 мм, коллекторного электрода - 0,5 мм. Рабочий угол равен 270^о, θ= 5,4^о, количество секций n = 50. Ширина светового зонда 1 мм, что соответствует α= 16,4^о. Количество дополнительных секций на каждом из краев растрового фотопотенциометра К = 2. Фотопотенциометр реализует линейную функцию преобразования К(κ) = κ U₁/ζ. Ширина щели между поверхностью фотопроводящего слоя и нижней поверхностью тела вращения W = 7 мм, что соответствует значению β - α = 25,9^о, лежащему примерно посредине допустимого диапазона значений разности β - α, определяемого соотношением (1), который в данном случае составляет от 16,2 до 36,8^о. Максимальное отклонение δ_maxкоординатной характеристики преобразователя от линейной функции не превышает 0,35%.

П р и м е р 2. В том же преобразователе ширина щели W уменьшена до 0,4 мм, что соответствует значению β - α= 16,6^о. При этом получено δ_max = 0,40% .

П р и м е р 3. В том же преобразователе ширина щели W уменьшена до 0,3 мм, что соответствует β - α = 13,1^о, выходящему за пределы интервала, определяемого для разности β - α соотношением (1). При этом в характеристике преобразователя уже проявляется "ступенчатость", что привело к увеличению δ_max до 0,52%.

П р и м е р 4. В том же преобразователе ширина щели W увеличена до 1,1 мм, что соответствует β - α= 36,4^о, т.е. значение разности β - α лежит у внутреннего края интервала, установленного соотношением (1). При этом получено δ_max = 0,41%.

П р и м е р 5. В том же преобразователе ширина щели W увеличена до 1,25 мм, что соответствует значению β - α= 39,5^о, которое выходит за пределы интервала, установленного соотношением (1). При этом δ_maxвозросло до 0,46%, а при дальнейшем увеличении β - α скорость роста величины δ_max резко увеличивается из-за сильной подсветки внезондовых областей фотопроводящего слоя.

П р и м е р 6. В том же преобразователе при W = 0,7 мм количество дополнительных секций уменьшено до К = 1 (путем перерезания соответствующих полосковых электродов в промежутке между резистивным и фотопроводящим слоями). Величина δ_max увеличилась с 0,35% до 0,39%.

П р и м е р 7. В том же преобразователе дополнительные секции отсутствуют, т.е. К = 0. Величина δ_max увеличилась до 0,53%.

П р и м е р 8. В том же преобразователе выполнено К = 3. Величина δ_max при этом незначительно уменьшилась по сравнению со случаем К = 2 и равна 0,34%.

П р и м е р 9. В том же преобразователе выполнено К = 4, что выходит за пределы интервала, установленного соотношением 1 ≅ K ≅ α / θ, поскольку α / θ = 3,1. Величина δ_max при этом увеличилась до 0,40%.

Предложенное техническое решение относится к оптоэлектронному прибборостроению. Оптоэлектронный функциональный преобразователь содержит светонепроницаемый корпус 1, источник света 2, узел формирования светового зонда, входную ось 4, круговой растровый фотопотенциометр 5, выполненный в виде диэлектрической подложки 6, на которой размещены резистивный слой 7,фотопроводящий слой 8, коллекторный электрод 9 гребенчатой формы, n + 1 радиальных полосковых электродов. Узел формирования светового зонда выполнен расфокусированным со степенью расфокусировки, удовлетворяющей условию 3θ<β-α ≅ 360 -ζ-α , а на краях фотопотенциометра выполнено K дополнительных секций (1≅K≅α/θ), выполненных аналогично по структуре основным секциям фотопотенциометра, снабженного дополнительными электродами. θ - угловая протяженность секций растрового фотопотенциометра; b и α - угловое расстояние от центра светового занда, на котором освещенность поверхности фотопроводящего слоя фотопотенциометра равна соответственно 10^-3 и 0,5 максимальной освещенности; ζ - рабочий угол кругового растрового фотопотенциометра. 2 ил.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий расположенные в светонепроницаемом копрусе на общей оси источник света и круговой растровый фотопотенциометр, между которыми установлен узел формирования светового зонда, установленный на входной оси, соосной с общей осью, круговой растровый фотопотенциометр выполнен в виде диэлектрической подложки, на которой размещены пространственно разделенные между собой резистивный и фотопроводящие слои, коллекторный электрод гребенчатой формы, n+1 радиальных полосковых электродов, расположенных между гребнями коллекторного электрода и контактирующих с фотопроводящим и резистивным слоями таким образом, что резистивный слой делится на h элементарных резисторов, а фотопроводящий слой - на 2h элементарных фоторезисторов, образуя h основных секций кругового фотопотенциометра, отличающийся тем, что на краях кругового растрового фотопотенциометра выполнено K дополнительных секций, расположенных вне пределов рабочего угла кругового растрового фотопотенциометра, причем угловая протяженность каждой дополнительной секции равна периоду системы полосковых электродов, структура его аналогична структуре основных секций, которые снабжены дополнительными электродами, шунтирующими элементарные резисторы этих секций, причем 1 ≅ K ≅ α/θ, а световой зонд узла формирования светового зонда выполнен расфокусированным, степень расфокусировки которого удовлетворяет условию
3θ ≅ β-α ≅ 360 - ζ - α,
где θ - угловая протяженность секции растрового фотопотенциометра;
b - угловое расстояние от центра светового зонда, на котором освещенность поверхности фотопроводящего слоя кругового растрового фотопотенциометра равна 10^-3 от максимальной освещенности;
a - угловое расстояние от центра светового зонда, на котором освещенность поверхности фотопроводящего слоя кругового растрового фотопотенциометра равна 0,5 от максимальной освещенности;
x - рабочий угол кругового растрового фотопотенциометра.