Многоэлементный координатный кремниевый фотоприемник Советский патент 1992 года по МПК H01L31/04 

Изобретение относится к области оптоэлектроники, а именно к коорди- натно-чувствительным фотоприемникам (ФП), применяемым в приборах ориентации осей космических аппаратов и научных приборов, на астроориентнры и другие источники излучения, а также в коллиматориых устройствах световых, лазерных центрирующих измерительных систем (ЛЦИС) в качестве поэи- ционно-чувствительиых целевых знаков (ПЧ113), и является усовершенствованием известного устройства, описанного в авт.св. № 1200798.

Однако при засветке большим квадратным пятном фотоприемника с восьмью светочувствительными элементами с целью получения линейной непрерывной (нерелейной) координатной характе- .

ристики внешних больших м- -мрех площадок принципиально невозможно использовать по прямому назначению малую внутреннюю центральную 4-элементную квадрантную область, как в основном ФП, - томчому наведгнию ее центоа на ориентир.

В результате первого этапа относительно грубого наведения о-) ФП на ориентир с исполь-ч ван гм вчсм- них квадрантов и большого киадгзт- ного светового пятна внутренние квадранты оказываются мёпио засвеченными рагн- мегным световым потоком и поэтому не мо% гут выдавать разносткиг глсктрк - чесхих сигнапов для точного наведения оси ФП на ориентир, что является существенным нсдостчтком.

4Й

00 isD Ю

00

1Ч

Целью изобретения явлйетсй повышение точности наведения оси фотоприемника и получение линейной координатной характеристики.

На фиг.1 показано устройство по основному авторскому свидетельству; на фиг.2,3 - то же устройство с диафрагмой с отверстием, ограниченным по периферии квадратом, а внут- ри квадратным или круглым экраном; на фиг.4, 5, 6 проиллюстрировано обоснование выбора размера экранов.

Фотоприемник (фиг«1) содержит кремниевую подложку 1, на которой расположены светочувствительные площадки 2 большого диаметра и светочувствительные площадки 3 меньшего дна- метра, разделенные взаимно перпендиклярными зазорами 4 и кольцевым за- зором 5. К кремниевой подложке 1 и светочувствительным площадкам 2, 3 подсоединены соответствующие выводы 6, 7, 8. На входе фотоприемнйк содержит диафрагму 9 с центральным зкр ном 10 (фиг.2, 3).

Устройство работает следующим образом. ,

Параллельный световой поток от ориентира, проходя через окно диаф- рагмы 9, засвечивает квадратным пят- (ном кольцевые внешние квадратные пло ;щйдки 2 (фиг.2,3), при этом разность фотоэлектрических сигналов с противоположных квадратных площадок 2 определяет координаты отклонения ор «енпфа относительно центра малой (внутренней квадратной площадки .

Обнаружив ориентир на краю поли фения большой внешней кольцевой квадратной площадки 2 ФП. система ориентации, работающая в непрерывном режиме с определением текущих координат ориентира, осуществляет наведение на ориентир малой внутрен- ней квадратной площадки 3 ФП.

Попадание ориентира в поле зрения малой внутренней квадратной площадки 3 ФП сопровождается затенением центральным непрозрачным зк- р.аном 10 элементов 3 малой внутренней светочувствительной площадки ФП. При этом система ориентации, работающая в непрерывном режиме с определением текущих координат ориенти- ра, продолжает наведение центра ФП на ориентир.

Дальнейшее наведение центра ФП на ориентир сопровождается постепенным затенением одной, двух, трех, а затем псех четырех светочувствительных площадок 3 малого диаметра. Засвеченными остаются только небольшие периферийные участки светочувствительных площадок 3 малого диаметра.

Таким образомг последовательное затенение светочувствительных площадок 3 создает разностные электрические сигналы с противоположных пар площадок 3. Эти сигналы поступают в систему управления (ориентации), поворачивающую и приближающую ось ФП к направлению наастроорнентнр.Разностный сигнал при этом уменьшается, приближаясь к О.

Процесс наведения заканчивается периодическими колебаниями оси ФП относительно направления на астроори- ентир с отклонением на величину заданной точности ориентации + $° соответствующей колебаниям разностного электрического сигнала относительно на величину iuЈ. ,

Эти величины обусловлены многими факторами, начиная от стабильности параметров ФП и электронной системы до стабильности динамики органов управления.

После скончания наведения центральная часть ФП затенена экраном 10 в большой или меньшей степени в зависимости от выбранного размера экрана 10. Однако при прочих равных условиях величина i $ достигает наименьшего значения при большом затенении внутренней квадратной области ФП.

Выбор размеров непрозрачных затеняющих экранов круглой формы.

Наименьший размер круглого экрана определяется из соображения(обеспечения непрерывности (нерелейности) характеристики малой внутренней 4-эле ментной центральной квадрантной области фотоприемника. Для этого диаметр экрана должен вписываться в квадрант (фиг.4) или немного выходить за границы квадранта

г ь-ЕлаJ.-0.41

Причем d.

1+J 0,5 d

Отношение размеров

W V

51

и отношение площадей

-р- 0,25. Т°

Допустим, что необходимая томность наведения ift I1 (прн d в 0,5 dmn) поддерживается путем отслеживания системой наведения (ориентации) разностного электрического сигнала с двух противоположных квадрантов ±uj ±1 мВ (по 0,5 мВ с каждого ква дрантл) при сигнале с каждого квадранта 1 В.

Таким образом, необходимая точность отслеживания разностного сигнала в 1 мВ с пары противоположных квадрантов относительно полного сигнала с каждого квадранта в 1 В составит 0;1%, В этом случае отслеживается малая разность (1 мВ) больших величин (1 В), что сопряжено с повышенными трудностями выделения малых сигналов на фоне помех, генерируемых сигналами больших величин.

Увеличим диаметр экрана до -значения, при котором полный сигнал с каждого квадрачга уменьшится до 50 мВ. Точность отслеживания разностного сигнала в 1 мВ с пары противоположных квадрантов относительно полнго сигнала с каждого квадранта в 50 мВ теперь составит 2%.

В этом случае отслеживается малая разность (1 мВ) малых величин (50 мВ на фоне существенно меньших помех, что осуществляется значительно проще, чем в предыдущем случае отслеживания малой разницы больших величин.

Таким образом, увеличение диаметра экрана существенно, в данном примере на порядок, облегчает задачу ориентации с той же точностью

(fl-tl1).

В пределе диаметр экрана равен диаметру внутренней центральной квадрантной А-элементнойфоточувствительной поверхности ФП - d .

Дальнейшее увеличение диаметра экрана приводит к появлению и увеличению зоны нечувствительности относительно 0 следовательно создает разрыв непрерывности характеристики ФП и, как следствие, приводит к неопределенности положения оси ФП относительно направления на астроориентир.

Таким образом, затенение внутренней квадрантной поверхности нейтрализующее помехи, генерируемые большим

36

сигналом, позволяет еще бопычр повп- сить точность наведения,которая в ог новном изобретении достигается мето- дом отделения внутренней кпадрантгон площадки от генерирующей помехи Роль- L joii плопадки ФП.

Выбор размеров непрозрачных затеняющих экранов, квадратной формы.

Я этом) случае квадрантный -экран должен вписываться п полуокрушость внутренней квадрантной 4-элементной области ФП (фиг.5), тогда сторона квадратного экрана

о

- - 2П ЕЛИ1

5 У

Отношение размеров а /А п - 1AJS и отношение площаден

г. U

0, 54

Наибольший размер (сторона а) квадратного экрана,как и в случае; круглого экрана,

Отличительные особенности работн

П прн этом, а прн a g d&$ полностью соответствуют пзложенньг для случая круглого -«крана.

Исходя из изложенного, размер затеняющего круглого или квадра.ного экранов может выбираться в пределах от 0,25 до 1 площади внутренней центральной квадрантной 4-элементной

фоточувствительиой поворхнос и ФП,

что обеспечивает поддержание линейности характеристики и повышение точности.

Промежуточные размеры экранов, их

Ф°Рма и расстояния h -экранов от фоточувствительной поверхности ФП выбираются в зависимости от конкретных требований, предъявляемых собственно к характеристикам ФП и к коордннатно-угловым характеристик м в системах и приборах орнентяцгч их осей на астроориентиры. При этом параллельность сторон огвергтия диафрагмы и экрана центральным - ртого- нальным осям ФП необходима яля устранения перекоса, а следовательно, неравномерности засветки спсточувст- вительных элементов ФП. Несоблюдение этого условия приводит к наруте

нию линейности и симметрии характеристик Hf в конечном счете, к ухудшению точности наведения оси ФП на астроориентир.

Таким образом, использование предлагаемого устройства позволит повысить точность наведения оси ФП на ориентир при линейности координатной характеристики, создать предельно малогабаритный с малым потреблением энергии прибор ориентации на астро- ориентиры как с малогабаритной оптикой, так и без нее, обладающий двухступенчатым контуром наведения (ориентации) - относительно грубым и точным с перекрытием полей зрения этих контуров, обеспечивающих автоматический переход от поиска ориентира и точной ориентации на него при непрерывной регистрации положения ориентира в системе координат научного прибора.

0

Формула изобретения

Многоэлементный координатный кремниевый фотоприемннк по авт.св. № 1200798, отличающийся тем, что, с целью получения линейной координатной характеристики и повышения точности наведения оси фото- приемника на ориентир, перед фоточувствительным и областями он дополнительно содержит диафрагму с квадратным отверстием и расположенный в ее плоскости центральный квадратный непрозрачный экран, стороны которых параллельны и равно отстоят относительно соответствующих центральных ортогональных осей фотоприемника и составляют не более 1/-J57 диаметров соответствующих большой и малой фоточувствительных областей.

Изобретение относится к области олтоэлектроникн. Целью изобретения является повышение точности наведения оси фотопрнемника (ФН) на ориентир и получение непрерывной лилейной координатной характеристики. С это ft целмо на вчоде ФП содержит днрфршму с отверстием, ограниченны, - аргки квад- ратпм, внутри - непрпчр.тжым экраном. Наведение центра ФП на ориентир сопровождается постепенным -ытенечием одной, двух, трех, а затри ц БГРХ чпы- рех гветочувствнтелытыч ппощадок малого диаметра. Роспедочатепыюе эатя- непие пло1цадок создает разностные сигналы, которые поступают в систему ориентации, поворачива ную и приСт и- жяшчую ось ( К на грая пению н. астро- орнентир. 6 ил.

иг 1

У Mi t/i / 4 V/ д fr V l

k k A A A i л

Of

yv v -- У - У- Ч

б7

3