УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ СВЕТОВОГО ПЯТНА Российский патент 2010 года по МПК G01B11/00 G01J1/44 

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.

В настоящее время в бесконтактных методах измерения положения объектов используется целый ряд фотоэлектрических полупроводниковых координатно-чувствительных приборов, таких как приборы с зарядовой связью (ПЗС), p-i-n-фотодиоды с резистивным слоем. Эти многоэлементные координатно-чувствительные приборы имеют пиксельную структуру, что ограничивает их разрешающую способность. Максимальной разрешающей способностью (до 10^-5 от поля зрения) обладает координатно-чувствительный фотоприемник - мультискан.

Известно устройство для определения положения светового пятна [Подласкин Б.Г., Токранова Н.А., Чеботарев К.Е., Чекулаев Е.А. «Устройство для определения положения светового пятна», Патент РФ № 2097691, опубликовано 1997.11.27], 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. Устройство снабжено соединенными последовательно фильтром высоких частот, синхронным детектором, 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.

Данное устройство способно определять координату светового пятна, сформированного только с помощью модулированного светового сигнала.

Однако использование такого устройства исключает возможность определения координат источников немодулированного оптического излучения, таких как Солнце и другие источники естественного происхождения. Кроме того, описанное устройство представляет собой сложную радиотехническую схему, параметры которой должны поддерживаться в узких заданных пределах для обеспечения погрешности определения координаты не более 5 мкм.

Известно устройство для определения положения светового пятна [Б.Г.Подласкин, Е.Г.Гук. «Позиционно-чувствительный фотодетектор мультискан», Измерительная техника, № 8, с.31-34, 2005 г.], взятое в качестве прототипа предлагаемого изобретения, состоящее из мультискана, содержащего набор встречно включенных р-n переходов и делительную, и общую шины, оптической системы, формирующей на поверхности фотоприемника мультискан световое пятно от источника излучения, источника питания, соединенного с делительной шиной, устройства преобразования электрического сигнала напряжение-напряжение, выполненного в виде операционного усилителя, собранного по схеме повторителя с высоким входным сопротивлением и соединенного с общей шиной мультискана, а также регистрирующего устройства. В исходном состоянии при отсутствии света потенциал общей шины равен нулю. При воздействии на мультискан оптического сигнала возникает фототок, который за счет зарядки общей емкости фотоприемника изменяет потенциал сигнальной шины так, что суммарное значение фототока всех встречно включенных диодов становится равным нулю. Возникающее на общей шине напряжение при этом соответствует координате оптического пятна.

Данное устройство способно определять координаты как модулированного, так и немодулированного источников света. Кроме того, как следует из описания, устройство-прототип существенно проще приведенного выше аналога.

Однако это устройство не обладает достаточными быстродействием и точностью для работы в современных системах слежения, что объясняется следующими причинами.

Формирование выходного напряжения, соответствующего координате светового пятна, происходит в результате зарядки общей емкости мультискана за счет фототока I_ф, возникающего в мультискане при попадании на него светового пятна. Зарядка общей емкости фотоприемника изменяет потенциал сигнальной шины так, что суммарное значение фототока всех встречно включенных диодов становится равным нулю. При этом величина фототока определяется из чувствительности мультискана, имеющей величину порядка 5·10^-11 Дж. Величина этой чувствительности определяет время, в течение которого происходит насыщение заряда емкости мультискана при заданной величине фототока. Так, при значении фототока 10^-6А, что соответствует мощности светового потока, равной 2,5·10^-6 Вт, время установления координатного отсчета составляет 5·10^-5 с. При значении фототока 10^-8 А (мощность 2.5·10^-8 Вт) время установления составит 5·10^-3с. Это время как нижняя оценка принимается за значение быстродействия устройства. Однако в современных следящих системах такое быстродействие является недостаточным и требует увеличения на 1-2 порядка. Кроме того, точность определения положения светового пятна недостаточна, что обусловлено наличием длительных переходных процессов, возникающих после формирования напряжения, соответствующего координате оптического пятна, и связанных с перезарядкой емкостей встречно включенных р-n переходов, составляющих структуру мультискана. Перезарядка емкостей происходит за счет протекания в них темновых токов. Длительность этих процессов составляет несколько минут, в течение которых происходит смещение выходного напряжения, сформированного в момент попадания светового пятна на поверхность мультискана, что приводит к ошибкам в определении координаты светового пятна вплоть до нескольких десятков микрон.

Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является повышение эффективности устройства за счет увеличения быстродействия в задаваемом диапазоне и увеличение точности определения положения светового пятна.

Задача решается устройством для определения положения светового пятна, состоящим из фотоприемника мультискан, содержащего набор встречно включенных р-n переходов, делительную и общую шины, оптической системы для формирования на поверхности фотоприемника мультискан светового пятна от источника излучения, преобразователя электрического сигнала, соединенного с общей шиной мультискана, регистрирующего устройства и источника питания, соединенного с делительной шиной мультискана, при этом источник питания выполнен имеющим среднюю точку, преобразователь электрического сигнала выполнен в виде преобразователя ток-напряжение, дополнительно введены внешний источник импульсного напряжения, интегратор, содержащий интегрирующую емкость в цепи обратной связи, соединенный входом с выходом преобразователя ток-напряжение, а выходом со средней точкой источника питания и регистрирующим устройством, и электронный ключ, присоединенный входным электродом к входу интегратора, выходным электродом к выходу интегратора, а управляющим электродом к внешнему источнику импульсного напряжения, причем отношение К величины сопротивления R_oc в цепи обратной связи преобразователя ток-напряжение к величине сопротивления R_инт во входной цепи интегратора удовлетворяет соотношению 1<K≤1000.

Сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Введение средней точки в источник питания, внешнего источника импульсного напряжения, преобразователя ток-напряжение, содержащего сопротивление R_oc в цепи обратной связи и соединенного с общей шиной мультискана, интегратора, содержащего интегрирующую емкость в цепи обратной связи и сопротивление R_инт во входной цепи, соединенного своим входом с выходом преобразователя ток-напряжение и выходом со средней точкой источника питания, и электронного ключа, присоединенного входным электродом к входу интегратора, выходным электродом к выходу интегратора, а управляющим электродом к внешнему источнику импульсного напряжения, причем величина К, равная отношению величины сопротивления в цепи обратной связи преобразователя ток-напряжение (R_oc) к величине сопротивления во входной цепи интегратора (R_инт), выбрана в пределах 1<К≤1000, что позволяет обеспечить два последовательных во времени режима работы мультискана.

Первый режим является режимом формирования координатного отсчета. В этом режиме электронный ключ находится в разомкнутом состоянии. Фототок I_ф, возникающий в мультискане при попадании на него светового пятна, поступает на вход преобразователя ток-напряжение. Напряжение с выхода этого преобразователя поступает через сопротивление R_инт на вход интегратора, на интегрирующей емкости которого происходит накопление потенциала. На выходе интегратора формируется напряжение, которое управляет источником питания через его среднюю точку, смещая потенциалы делительной шины мультискана до тех пор, пока фототок, поступающий на преобразователь ток-напряжение и, тем самым на интегратор, не станет равным нулю. В данной схеме, в отличие от прототипа, потенциал общей шины мультискана поддерживается равным нулю, формирование выходного напряжения, соответствующего координате светового пятна, производится в результате зарядки емкости интегратора, и управление потенциалами делительной шины мультискана производится с помощью выходного напряжения интегратора, приложенного к средней точке источника питания. Поскольку напряжение на выходе преобразователя ток-напряжение равно U=I_ф,R_oc, где R_oc - сопротивление в цепи обратной связи преобразователя ток-напряжение, а величина тока l₃, заряжающего интегрирующую емкость, равна I₃=U/R_инт, где R_инт - сопротивление во входной цепи интегратора, то величина тока I₃ изменяется в K=R_oc/R_инт раз по сравнению с I_Ф, и, соответственно, время формирования выходного напряжения изменяется в К раз. Выбирая соотношение R_oc и R_инт, можно регулировать время формирования выходного напряжения. Однако максимальное значение К ограничивается физическим пределом скорости установления распределения потенциалов на делительной шине мультискана. Этот процесс определяется емкостными характеристиками мультискана, задаваемыми его топологией, в результате чего минимальное значение времени формирования выходного напряжения составляет величину порядка (5÷3)·10^-6 с. В устройстве-прототипе время формирования выходного напряжения, соответствующее нижней оценке быстродействия (т.е при значении фототока, равном 10⁸ А), составляет 5-10^-3 с. В результате максимально возможное увеличение быстродействия не может превышать 5·10^-3/5·10^-6=10³, что соответствует значению K≤R_oc/R_инт=10^-3. В случае, когда R_oc=R_инт, К=1, заявляемое устройство сохраняет быстродействие прототипа, поэтому увеличение быстродействия устройства начинается со значения К>1. Таким образом, в заявляемом устройстве величина К должна находиться в пределах 1<К≤1000. В результате время формирования выходного напряжения может быть снижено по сравнению с прототипом в К раз, где К варьируется в интервале 1<К≤1000 и, тем самым, повышается быстродействие устройства.

В конце интервала времени t₁, достаточного для установления выходного напряжения, соответствующего координате светового пятна, производится снятие отсчета. Затем в течение времени t₂≥t₁ реализуется второй режим - режим между координатными отсчетами. В этом режиме ключ замыкается, и входной, и выходной электроды преобразователя ток-напряжение соединяются между собой. В результате, вне зависимости от координаты светового сигнала, на выходе преобразователя ток-напряжение фиксируется потенциал равный нулю, который возвращает потенциал делительной шины мультискана в исходное состояние, сохраняющееся в течение всего времени между интервалами, в которые происходит формирование координатных отсчетов. Таким образом, после снятия отсчета перезарядка емкостей встречно включенных р-n переходов, составляющих структуру мультискана, прекращается, что предотвращает развитие переходных процессов их перезарядки за счет темновых токов. В результате устраняется смещение выходного напряжения, сформированного в момент попадания светового пятна на поверхность мультискана, что повышает точность определения положения светового пятна.

Формирование выходного напряжения, соответствующего координате светового пятна, с помощью тока, превышающего величину фототока в К раз, за счет которого происходит формирование выходного напряжения в прототипе, обеспечивает возможность значительного повышения быстродействия заявляемого устройства. Исключение развития переходных процессов в течение интервала времени t₂ между координатными отсчетами устраняет отклонение координаты светового пятна от координаты, зарегистрированной в момент его попадания на поверхность мультискана, что обеспечивает повышение точности определения положения светового пятна. Таким образом обеспечивается повышение эффективности предлагаемого устройства

На чертеже представлена схема устройства, где:

1 - фотоприемник - мультискан;

2 - делительная шина мультискана;

3 - общая шина мультискана;

4 - оптическая система для формирования на поверхности фотоприемника мультискан светового пятна от источника излучения;

5 - источник питания;

6 - средняя точка источника питания;

7 - преобразователь электрического сигнала ток-напряжение;

8 - интегратор;

9 - электронный ключ;

10 - внешний источник импульсного напряжения;

11 - регистрирующее устройство.

В предлагаемом устройстве источник питания 5, содержащий среднюю точку 6, подсоединен к двум концам делительной шины 2 мультискана (М) 1, вход преобразователя электрического сигнала ток-напряжение (ПЭС) 7 соединен с общей шиной 3 мультискана 1, выход блока преобразователя ток-напряжение 7 соединен с входом интегратора (И) 8, содержащего интегрирующую емкость в цепи обратной связи, и с входным электродом электронного ключа 9, выход интегратора 8 соединен с выходным электродом электронного ключа 9, регистрирующим устройством (РУ) 11, и со средней точкой 6 источника питания 5, управляющий электрод электронного ключа 9 соединен с внешним источником импульсного напряжения (ИИН) 10, оптическая система (ОС) 4 формирует на поверхности фотоприемника мультискан 1 световое пятно от источника излучения.

Устройство работает следующим образом.

Сформированное от источника излучения оптической системой 4 на поверхности фотоприемника мультискан 1 световое пятно, попадая на фоточувствительную площадку мультискана 1, вызывает фототок, который через общую шину 3 мультискана 1 попадает на вход блока преобразователя ток-напряжение 7. В течение интервала времени t1 электронный ключ 9 в результате воздействия на него внешнего источника 10 импульсного напряжения разомкнут, и на выходе преобразователя ток-напряжение 7 с резистором R_oc в цепи обратной связи формируется напряжение, которое подается на вход интегратора 8 и через сопротивление R_инт во входной цепи интегратора вызывает зарядку интегрирующей емкости в цепи обратной связи интегратора 8. С выхода интегратора 8 напряжение подается на среднюю точку 6 источника питания 5, смещая потенциалы делительной шины 2 мультискана 1 до тех пор, пока фототок, поступающий на преобразователь ток-напряжение 7, не станет равным нулю. Одновременно напряжение с выхода интегратора 8 подается на вход регистрирующего устройства 11. В конце интервала времени t1 производится регистрация выходного напряжения, соответствующего измеряемой координате светового пятна, с помощью регистрирующего устройства 11. По истечении времени t₁ внешний источник импульсного напряжения 10 переводит электронный ключ 9 в замкнутое состояние, вызывая разряд емкости интегратора 8, в результате чего напряжение на выходе интегратора 8 и, тем самым, на средней точке 6 источника питания 5 становится равным нулю, что переводит распределение потенциалов на делительной шине 2 мультискана 1 в исходное состояние и препятствует развитию переходных процессов, происходящих в результате перезаряда емкостей встречно включенных р-n переходов в неосвещенной области мультискана 1. Через время t₂>t₁ источник импульсного напряжения 10 снова переводит электронный ключ 9 в разомкнутое состояние, и процесс формирования координатного отсчета и его регистрации повторяется.

Пример.

Для подтверждения возможности повышения быстродействия и точности определения положения светового пятна при работе с источником света было собрано устройство, блок-схема которого представлена на чертеже. В данном устройстве использовался фотоприемник мультискан 1 длиной 2·10^-2 м. Оптическая система 4 была выполнена на основе щелевой оптики (ширина щели 0.5·10^-3 м, длина щели 1·10^-2 м, расстояние от поверхности мультискана 2·10² м), формирующей на поверхности фотоприемника мультискан 1 световое пятно от удаленного источника света. В качестве источника немодулированного света использовалась лампа накаливания. Для сравнения с прототипом мощность источника света устанавливалась так, чтобы обеспечивалось значение фототока на общей шине мультискана, равное 10^-8 А. Величина фототока измерялась с помощью электрометрического усилителя У1-7. В качестве источника питания 5 использовался высокостабильный источник постоянного напряжения В5-47, на котором с помощью резистивного делителя была сформирована средняя точка 6. Напряжение источника питания 5 было установлено равным 10 В. Источник питания был подключен к делительной шине 2 фотоприемника мультискан. Преобразователь электрического сигнала 7 был выполнен по стандартной схеме преобразователя ток-напряжение на операционном усилителе типа 544УД2, с резистором в цепи обратной связи. В качестве электронного ключа 9 использовалась интегральная микросхема ADG453, входной электрод которой был подсоединен к входу интегратора 8, собранного по стандартной схеме на операционном усилителе типа 544УД2 с резистором во входной цепи и с интегрирующей емкостью 1000 пФ в цепи обратной связи. В соответствии с формулой изобретения значение К было взято K=R_oc/R_инт=500, и величины сопротивлений резисторов R_oc и R_инт были выбраны R_OC=5 мОм и R_инт=10 кОм, соответственно. Выходной электрод электронного ключа 9 был подсоединен к выходу интегратора 8, а управляющий электрод электронного ключа был подсоединен к внешнему источнику импульсного напряжения 10. В качестве внешнего источника импульсного напряжения 10 был использован генератор импульсов Г5-60. Выход интегратора 8 был одновременно подсоединен к средней точке 6 источника питания 5 и к входу регистрирующего устройства 11. В качестве регистрирующего устройства 11 был использован цифровой вольтметр В7-34 с 6-ю десятичными разрядами. Поскольку выбран коэффициент K=R_oc/R_инт=500, величина тока, заряжающего интегральную емкость, увеличилась в 500 раз, и время формирования выходного напряжения снизилось от 5·10^-3с до 10^-5 с. Для реализации работы устройства длительность импульсов, подаваемых от генератора импульсного напряжения 10 на электронный ключ 9, должна быть равной или большей максимального времени формирования выходного напряжения (т.е времени при I_Ф=10^-8 А). Поэтому от генератора импульсного напряжения 10 на электронный ключ 9 подавались импульсы длительностью t₁=10^-5 с. Таким образом, в течение t₁=10^-5 с электронный ключ 9 был разомкнут, и с помощью вольтметра В7-34 проводилась регистрация выходного напряжения, соответствующего координате светового пятна. Поскольку должно быть t₂≥t₁ через 10^-5 с, источник импульсного напряжения 10 снова переводил электронный ключ 9 в разомкнутое состояние, и процесс формирования координатного отсчета и его регистрации повторялся.

Проведенные испытания устройства, созданного в соответствии с приведенным выше описанием, показали, что формирование выходного напряжения, соответствующего координате светового пятна при значении фототока, равном 10^-8 А, происходит за интервал времени 10⁵ с. По оценке авторов в случае использования устройства-прототипа при значении фототока 10^-8 А время формирования выходного напряжения, соответствующего координате светового пятна, происходит за интервал времени 5·10^-3 с. Таким образом, быстродействие устройства определения положения светового пятна, приведенного в примере, по сравнению с прототипом повышено в 500 раз.

Проведенные испытания устройства также показали, что в течение 30 мин отклонение координаты неподвижного светового пятна от координаты, зарегистрированной в момент попадания светового пятна на поверхность мультискана, составило 10^-4 В, что при длине мультискана 2·10^-2 м и напряжении питания 10 В соответствует 0 2 мкм. По оценке авторов при использовании устройства-прототипа отклонение координаты светового пятна от координаты, зарегистрированной в момент попадания светового пятна на поверхность мультискана, составляет 40 мкм. Таким образом, точность определения положения светового пятна по сравнению с прототипом увеличена в 200 раз.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Устройство включает фотоприемник - мультискан, содержащий набор встречно включенных р-n переходов, делительную и общую шины, оптическую систему для формирования на поверхности фотоприемника - мультискана светового пятна от источника излучения, преобразователь ток - напряжение, соединенный с общей шиной мультискана, регистрирующее устройство, источник питания, соединенный с делительной шиной мультискана, и интегратор, содержащий интегрирующую емкость в цепи обратной связи, и среднюю точку в источнике питания. Величина сопротивления R_oc в цепи обратной связи преобразователя ток-напряжение выбрана больше величины сопротивления R_инт во входной цепи интегратора в К раз, где 1<К К≤100. Устройство также содержит внешний источник импульсного напряжения и электронный ключ, присоединенный входным электродом к входу интегратора, выходным электродом - к выходу интегратора, а управляющим электродом - к внешнему источнику импульсного напряжения. Регистрирующее устройство подсоединено к выходу интегратора. Изобретение обеспечивает формирование выходного напряжения, которое приложено к средней точке источника питания за счет заряда емкости интегратора с помощью напряжения, сформированного на выходе преобразователя ток-напряжение, вследствие чего величина тока, заряжающего интегрирующую емкость, может увеличиваться в К=R_0c/R_инт раз, где 1<К≤1000, путем выбора величин R_oc и R_инт, что снижает время формирования выходного напряжения, соответствующего координате светового пятна в К раз. После снятия отсчета обеспечивается возможность прекратить перезарядку емкостей р-п переходов мультискана, что предотвращает развитие переходных процессов и, тем самым, повышает точность измерения положения светового пятна. 1 ил.

Устройство для определения положения светового пятна, состоящее из фотоприемника - мультискана, содержащего набор встречно включенных р-n переходов, делительную и общую шины, оптической системы для формирования на поверхности фотоприемника - мультискана светового пятна от источника излучения, преобразователя электрического сигнала, соединенного с общей шиной мультискана, регистрирующего устройства и источника питания, соединенного с делительной шиной мультискана, отличающееся тем, что источник питания выполнен имеющим среднюю точку, преобразователь электрического сигнала выполнен в виде преобразователя ток-напряжение, дополнительно введены внешний источник импульсного напряжения, интегратор, содержащий интегрирующую емкость в цепи обратной связи, соединенный своим входом с выходом преобразователя ток-напряжение, а выходом - со средней точкой источника питания и регистрирующим устройством, и электронный ключ, присоединенный входным электродом к входу интегратора, выходным электродом - к выходу интегратора, а управляющим электродом - к внешнему источнику импульсного напряжения, причем отношение К величины сопротивления R_oc в цепи обратной связи преобразователя ток-напряжение к величине сопротивления R_инт во входной цепи интегратора удовлетворяет соотношению 1<K≤1000.