УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ СВЕТОВОГО ПЯТНА Российский патент 1997 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к устройствам, осуществляющим преобразование световой информации в электрическую, и может быть использовано для измерения положения одиночного светового пятна в устройствах, предназначенных для определения координат различных объектов, смещения объектов в пространстве, измерения их размеров и т.п. при наличии мощных фоновых засветок.

В настоящее время в бесконтактных методах измерения положения объектов используется целый ряд фотоэлектрических полупроводниковых координаточувствительных приборов, таких как приборы с зарядовой связью (ПЗС), p-i-n-фотодиоды с резистивным слоем, мультисканы. Устройства, выполненные на основе данных приборов, позволяют достигать высокой точности измерения координат только в отсутствии фоновых засветок.

Известно устройство для измерения положения светового пятна [1] содержащее полупроводниковый прибор фирмы Hamamatsu (тип S1352), блок преобразования сигнала, блок обработки сигнала и источник светового излучения. Блок преобразования сигнала состоит из двух преобразователей токов в напряжение. Блок обработки сигнала состоит из схем вычитания и сложения напряжения и специальной схемы, в которой производится деление разности напряжений на их сумму. Данное устройство способно измерять координату светового пятна при линейном смещении по всей длине фотоприемника (30 мм) с погрешностью в пределах ± 1% Однако точность подобных датчиков существенно зависит от посторонних засветок, при наличии которых возникают ошибки в определении координаты полезного сигнала, что исключает возможность использования этих приборов в системах, подверженных воздействию посторонних световых фонов.

Известно устройство для определения положения светового пятна [2] взятое нами в качестве прототипа, состоящее из источника светового излучения, оптически связанного с фотоприемникоммультискан, содержащим делительную и общую шину, двух источников смещения, соединенных между собой и с делительной шиной, а также блок преобразования электрического сигнала (напряжение в напряжение), выполненный в виде операционного усилителя, собранного по схеме повторителя с высоким входным сопротивлением и соединенный с общей шиной. Данное устройство обладает координатной чувствительностью 0,01 мкм и статической погрешностью 0,2 мкм. При работе данного устройства в специальных условиях при отсутствии посторонних засветок ошибки в измерении координаты составляют величину менее 1% Однако при наличии фона, мощность которого равна мощности полезного сигнала, возникают ошибки в определении координаты величиной100 мкм.

Задачей заявляемого изобретения является создание устройства для определения положения светового сигнала в условиях фоновых засветок при сохранении точности определения координаты светового пятна путем обеспечения фильтрации информационного сигнала.

Указанная задача решается устройством, содержащим источник светового излучения, оптически связанный с ним фотоприемник мультискан, имеющий делительную и общую шину, два источника смещения и блок преобразования электрического сигнала, одними выводами источники смещения соединены между собой, а другими с соответствующими выводами делительной шины мультискана, вход блока преобразования электрического сигнала соединен с общей шиной, в котором новым является то, что устройство дополнительно снабжено соединенными последовательно фильтром высоких частот, синхронным детектором и интегратором, модулятором, блок преобразования сигнала выполнен в виде преобразователя ток-напряжение и выходом соединен со входом фильтра высоких частот, выход интегратора связан с объединенными выводами источников смещения, а модулятор соединен с источником светового излучения.

Суть предлагаемого решения заключается в следующем: введение модуляции полезного сигнала, фильтра высоких частот, синхронного детектора и создание петли обратной связи, управляющей положением эквипотенциали мультискана, соответствующей центру светового сигнала, позволяют избавиться от влияния посторонних постоянных и медленно меняющихся засветок и производить координирование модулированного сигнала в широком диапазоне отношений мощности засветок к мощности сигнала. Реализация такого принципа фильтрации положения модулированного оптического сигнала на фоне постоянных засветок возможна благодаря физическим свойствам фотоприемника-мультискана, который обладает принципом прямого детектрирования светового излучения, большим динамическим диапазоном и подвижной, управляемой внешним напряжением апертурой. При этом введение модуляции полезного сигнала необходимо для обеспечения различия (в данном случае частотного) между физическими свойствами полезного сигнала и мешающей засветки. Частота модуляции выбирается так, чтобы она превышала верхнюю частоту изменений фоновых засветок, но была бы ниже чем верхняя частота, определяемая фотоэлектрическим быстродействием мультискана. Блок преобразования электрического сигнала выполняется в виде преобразователя ток-напряжение из-за необходимости съема токового сигнала с фотоприемника при поддержании потенциала выходной шины мультискана близким к нулю. Фильтр высоких частот необходим для подавления составляющей сигнала, обусловленной постоянной или медленно меняющейся фоновой засветкой, что обеспечивает возможность усиления полезного сигнала без опасности перегрузки усилительного тракта. Синхронный детектор необходим для обеспечения узкополосной фильтрации полезного сигнала в строгом соответствии с частотой и фазой модуляции источника светового излучения. Интегратор, используемый в схеме, осуществляет формирование напряжения, необходимого для управления положением эквипотенциали мультискана, путем интегрирования выходного сигнала синхронного детектора.

На чертеже представлена схема устройства, где 1 фотоприемник мультискан; 2 делительная шина мультискана; 3 общая шина мультискана; 4 - источник смещения; 5 блок преобразования электрического сигнала; 6 фильтр высоких частот; 7 синхронный детектор; 8 интегратор; 9 источник светового излучения; 10 модулятор светового излучения.

В предлагаемом устройстве источники смещения 4 соединены между собой и с делительной шиной мультискана 2, вход блока преобразования электрического сигнала 5 соединен с общей шиной 3, выход блока преобразования электрического сигнала 5 соединен со входом фильтра высоких частот 6, выход которого соединен со входом синхронного детектора 7, выход синхронного детектора 7 подсоединен ко входу интегратора 8, выход которого связан с объединенными выводами источников смещения 4, а модулятор 9 соединен с источником светового излучения 10.

Устройство работает следующим образом: модулированный оптический сигнал вместе с фоновой засветкой, попадая на фоточувствительную площадку мультискана, вызывает электрический ток, состоящий из переменной составляющей, соответствующей модулированной части оптического сигнала, и постоянной составляющей тока, соответствующей фоновой засветке. Эти токи протекают через общую шину прибора и поступают на вход блока преобразования сигнала, выполненного в виде преобразователя ток-напряжение. С выхода этого блока напряжение поступает на фильтр высоких частот, в котором происходит ослабление постоянного напряжения, вызванного протеканием через прибор токов, обусловленных фоновыми засветками. С выхода фильтра высоких частот напряжение поступает на синхронный детектор, опорное напряжение которого синхронизовано с частотой модуляции оптического сигнала. С синхронного детектора напряжение подается на интегратор, выход которого связан со входом источников смещения, управляющих положением эквипотенциали мультискана.

При попадании на фотоприемную площадку модулированного сигнала на выходе синхронного детектора возникает напряжение, изменяющее выходное напряжение детектора и положение нулевой эквипотенциали мультискана до тех пор, пока напряжение на выходе синхронного детектора не станет равным нулю. Равенство нулю на выходе синхронного детектора соответствует такому положению эквипотенциали, при котором она находится на середине изображения модулированного оптического сигнала, спроецированного на фотоприемник. Изменение положения оптического пятна вызывает изменение напряжения на выходе интегратора, обеспечивающее перемещение эквипотенциала в новое положение, соответствующее изменившейся координате светового сигнала.

Пример. Для подтверждения возможности работы при наличии посторонних засветок было собрано устройство, блок-схема которого представлен на фиг. 1. В данном устройстве использовался фотоприемник типа мультискана длиной 2 см [2] Блок обработки электрического сигнала был выполнен в виде преобразователя ток-напряжение, собранного на операционном усилителе типа 544УД2 по стандартной схеме источника напряжения, управляемого током [3, с. 170] Фильтр высоких частот, предназначенный для предварительной фильтрации модулированного сигнала и его усиления, состоит из двух усилительных каскадов с емкостной связью, собранных на операционных усилителях 140УД17 в инвертирующем и неинвертирующем включении [3, с. 74 и 76] Синхронный детектор собран по схеме коммутатора напряжения с переменой знака [3, с. 282] и состоит из операционного усилителя типа 140УД17 и аналоговых ключей 590КН4, управляемых цифровыми сигналами. Интегратор собран по стандартной схеме инвертирующего интегратора [3, с. 141] на операционном усилителе 544УД2А. Модулятор светового излучения состоит из генератора прямоугольных импульсов Г5-54 и токового ключа, собранного по схеме коммутатора на биполярном транзисторе КТ827А [3, с. 279] В качестве источника светового излучения используется светодиод 3Л107Б. Источники смещения собраны как схемы вычитания на операционных усилителях 140УД17 [3, с. 139] Источники смещения сдвигают выходное напряжение интегратора U_инт на величину +ΔU9и7-ΔU, так что на их выходах формируются напряжения U_инт+ΔU и U_инт-ΔU Напряжение сдвига ±3ΔU3,95111 вырабатывается схемой, входящей в состав схемы источников смещения и выполненной в соответствии с [3, с. 267]
Экспериментально показано, что при мощности светового сигнала 10^-8 Вт с частотой модуляции 20 кГц ошибка в измерении координаты центра светового пятна не превышает 40 мкм в диапазоне измерений 20 мм (что составляет 0,2%) при изменении мощности фоновой засветки от 0 до 2•10^-6 Вт.

Проведенные испытания устройства, созданного в соответствии с приведенным выше описанием, показали возможность определения положения модулированного светового сигнала с высокой точностью (не менее 10^-3 от поля зрения фотоприемника) в присутствии фоновых засветок, превышающих мощность полезного сигнала более чем в 200 раз.

Литература
1. Витглеб Г. "Датчики" М. Мир, 1989, 195 с.

2. Берковская К.Ф. Кириллова Н.В. Подласкин Б.Г. Столовицкий В.М. Токранова Н. А. "Позиционно-чувствительный фотоприемник мультискан с высоким координатным разрешением". В сб. Научно-технические достижения. М. ВИМИ, 1992, в. 2, с. 22-25.

3. Титце У. Шенк К. "Полупроводниковая схемотехника" М. Мир, 1983, 512 с.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, техническим результатом использования изобретения является повышение точности измерения в условиях фоновой засветки. Результат достигается тем, что модуляция полезного сигнала при введении фильтра высоких частот, синхронного детектора и создании обратной связи, управляющей положением эквипотенциали мультискана, соответствующей центру светового пятна (сигнала), позволяют избавиться от влияния постоянных и медленно меняющихся засветок и производить координирование модулированного сигнала в широком диапазоне отношения мощности засветок к мощности сигнала. 1 ил.

Устройство для определения положения светового пятна, содержащее источник светового излучения, оптически связанный с ним фотоприемник-мультискан, имеющий делительную и общую шины, два источника смещения и блок преобразования электрического сигнала, одними выводами источники смещения соединены между собой, а другими с соответствующими выводами делительной шины мультискана, вход блока преобразования электрического сигнала соединен с общей шиной, отличающееся тем, что оно снабжено соединенными последовательно фильтром высоких частот, синхронным детектором и интегратором, модулятором, блок преобразования электрического сигнала выполнен в виде преобразователя ток - напряжение и выходом соединен с входом фильтра высоких частот, выход интегратора связан с объединенными выводами источников смещения, а модулятор соединен с источником светового излучения.