Устройство для определения малых расстояний Советский патент 1982 года по МПК G01C3/08 

1

Изобретение относится к определению и контролю изменений малых расстояний, -преимущественно, до светящихся объектов, в частности до источников света, при исследованиях на оптич ских скамьях.

Существуют разнообразные устройства для определения малых расстояний, основанные на анализе распределения светового потока, идущего от контролируемого объекта и воспринимаемого собирающей оптической системой. Распределение освещенности зависит от взаимного расположения объекта, оптической системы и фотоприемника, с помощью которого выполняется измерение освещенности.

Известны устройства, которые реализуют метод, связанный с определением положения плоскости изображения объекта оптической системы относительно ее фокальной плоскости/ и содержат подвижные элементы 1.

Однако известные устрой,ства требуют постоянного контроля юстировки и градуировки, а поэтому оказываются сложными.

Известны также устройства, в которых предусматривается измерение освещенности в двух фиксированных плоскостях,.расположенных на различных расстояниях от фокальной плоскости, или для различных сечений светового потока 2 ,

Точность подобных устройств во , многом зависит от внешних условий и оказывается недостаточной для измерений малых расстояний.

Наиболее близким к предлагаемому

10 является устройство, содержащее собирающую оптическую систему, вблизи фокальной плоскости которой помещен фотоприемник, подключенный через блок обработки к показывающему при 5 бору 3.

В указанном устройстве используется фотоприемник из четырех квадратных секций с центральной независимой светочувствительной зоной, который тре20бует для анализа распределения освещенности достаточно сложную схему обработки сигнала.

Цель изобретения - упрощение устройства .

25

Поставленная цель достигается тем, что фотоприемник выполнен как трехсекционный полупроводниковый фотоэлемент с поперечным фотозффектом,, крайние секции которого подключены 30 встречно к общему контакту и через

грузочные сопротивления соединены сцентральной секцией, в то время как между общей точкой нагрузочных сопротивлений и общей подложкой .фотоэлемента включен измеритель тока, а показывающий прибор, проградуированный в единицах расстояния, подключен к нагрузочным сопротивлениям.

На фиг. 1 показана функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - электрическая схема устройства; на фиг. 3 - графики, иллюстрирующие изменение распределения освещенности по длине фотоприемника при изменениях расстояния.

Световой поток от источника 1 света с помощью объектива 2, находящегося на расстоянии х от источника света, собирается и воспринимается фотоприемником 3, находящимся между фокальной плоскостью и плоскостью резкого изображения. Фотоприемник 3 представляет собой полупроводниковый фотоэлемент с поперечным фотоэффектом, на общей подложке 4 которого через р-п-переходные слои размещены фоточувствительные секции 5, 6 и 7. Крайние секции 5 и 7 идентичны и соединены общей точкой 8 встречно через нагрузочные сопротивления 9 и 10 с центральной секцией 6 фотоприемник 3. Фотоприемник может быть реализован также на барьерах Шоттки или гетеропереходах.

Интенсивность света, падающего на фотоприемник 3, не одинакова по его длине и зависит от расстояния х

3-3 xc -f- ° УН1-)Чу

где f - расстояние от объектива 2 до плоскости резкого изображения;d - расстояние от объектива 2

до фотоприемника 3; b - ширина фотоприемника; JO -. суммарный световой поток, падающий на фотоприемник; у - расстояние до текущей точки

в плоскости, перпендикулярно оптической оси.

В соответствии ..с приведенным выражением интенсивность J, максимальная на оптической оси, убывает по мере удаления от неёС При изменениях положения источника 1 происходит изменение пространственного распределения интенсивности света, падающего на фотоприемник 3, как показано на фиг. 2 для различных расстояний х ,

Х, Xj.

Так как фотопоток с каждой секции 5, 6 и 7 пропорционален световому .потоку, падающему на нее, то разным расстояниям соответствует.различный выходной сигнал с выхода фотоприемника, пропорциональный разности световых п.отоков, падающих на крайние 5 и 7 и центральную 6 секции. Для одномерного случая этот выходной сигнал описывается выражением

« Т)(

I Ч ПТЫГЩ STri33E E rj

где F - фокусное расстояние объектива 2;

21 - длина центральной секции б;

L jpiHHa каждой крайней секции 5 и 7;

Н

нагрузочное сопротивление, одинаковое для сопротивлений 9 и 10;

Ф чувствительность фотоприемника.

Выражение получено для работы фотоприемника в режиме короткого замыкания при условии, что b 6 21° + 2L.

Для конкретных известных параметров фотоприемника 3 и объектива 2 рассчитывается калибровочная кривая, соответствующая приведенному выражению. По калибровочной кривой и измеряемой с помощью измерителя 11 тока суммарной величине фототока определяется расстояние до источника 1 или любого светящегося объекта, отсчитываемое по шкале показывающего прибора 12.

Устройство может использоваться также для контроля изменений положений светящегося объекта от номинального положения. Для этого путем изменения нагрузочных сопротивлений или положения фотоприемника добиваются выходного нулевого сигнала, т.е. равенства сигналов, снимаемых с крайни и центральной секций фотоприемника. Теперь смещение объекта приводит к появлению выходного сигнала, величина которого соответствует смещению, а знак - направлению перемещения.

Использование простейших измерительных приборов в сочетании с отсутствием подвижных узлов позволяет портативное переносное устройство для определения расстояний от 1 до 5 м, а также для контроля изменения расстояния в указанных пределах.

Формула изобретения

Устройство для определения малых расстояний, преимущественно, до светящихся объектов, путем измерения распределения освещенности, содержаее собирающую оптическую систему, вблизи фокальной плоскости которой

размещен фотоприемник, подключенный через блок обработки к показывающему прибору, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства, фотоприемник выполнен как трехсекционный полупроводниковый фотоэлемент с поперечным фотоэффектом, крайние секции которого подключены встречно к общему контакту и через нагрузочные сопротивления соединены с центральной секцией, в то время как между общей точкой нагрузочных сопротивлений и общей подложкой фотоэлемента включен измеритель тока, а показывающий прибор, проградуированный в единицах расстояния, подклюнагрузочным сопротивлениченям.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США И3671121, кл. 356-4, 1972.

2.Патент США W3815994, кл. 35$-4, 1975.

3.Патент США 04003655, кл. 356-4, 1977.