Optiline positsiooniandur

Optiline positsiooniandur (OPA) ehk teisisõnu positsioonitundlik diood on fotodioodi tööpõhimõttel baseeruv optoelektrooniline seade, mis suudab kindlaks määrata seadmele langenud valguskiire positsiooni seadme suhtes.

Tööpõhimõte

OPA tööpõhimõte langeb kokku vastupingestatud fotodioodi tööpõhimõttega. OPA pn-siire on vastupingestatud, mistõttu potentsiaalibarjäär/tõkkekiht laieneb veelgi, suurendades seadme reageerimiskiirust. Ideaalis vool siiret ei läbi ja seade käitub vooluringis lahtise kontaktina. Kui barjäärialas paiknevale elektronile langeb piisava energiaga footon, siis elektron ergastatakse, põhjustades elektron-auk paari tekkimise. Barjääri elektriväli paneb elektroni liikuma siirde n-suunas ja augu p-suunas ning see omakorda viib fotovoolu tekkeni.
Tööpõhimõtte poolest võib eristada kahte tüüpi OPAsid. Esimene neist on pidev OPA, mille valgust tajuv tööpind tagab pideva info positsiooni kohta. Teist tüüpi OPAde tööpind koosneb diskreetsetest ehk üksikutest sensoritest.

Diskreetsed OPAd

Diskreetsete OPAde tööpind koosneb mitmest üksikust sensorist, mida võib kutsuda piksliteks. Olenevalt pikslite koguarvust võib eristada maatriks- ja segmenteeritud OPAsid.

Maatriks-OPAd

Maatriks-tüüpi andureid kasutatakse kõige enam CCD- ja CMOS-kaameratena. Anduri olekuteabe saab süsteemist järjestikuselt välja lugeda ja valguse intensiivsuse jaotuse järgi saab määrata valguskiire asukoha anduril. Täpsemalt kujutab järjestikulisus siin asjaolu, et pikslitemaatriksist loetakse andurist infot välja ühe rea haaval.
Kiiremate rakenduste tarbeks on välja arendatud paralleelse infotöötlusega OPAd. Nii rida-realt kui veergepidi võrreldakse iga piksli valgustatust globaalse intensiivsuslävega. Võrdluste tulemusena leitakse rida ja veerg, kus paikneb kõige eredam piksel, ning selle asukoht on pealelangenud valguskiire koordinaatide keskväärtuseks.

Segmenteeritud OPAd

Segmenteeritud OPAd koosnevad kahest või neljast pikslist, mille vahel on täpselt määratud vahed. Kui pealelangeva valguskiire läbimõõt on suurem kui pikslite vaheline kaugus, siis anduri keskpunktis paikneva valguskiire korral on iga segmendi väljundvool sama väärtusega. Segmenteeritud OPAsid kasutatakse enamasti rakendustes, kus on vaja midagi suure täpsusega tsentreerida. Samas on suure täpsuse saavutamise eelduseks see, et valguskiir ei oleks liiga väike ning oleks sümmeetriline, sest sellest sõltub väljundi lineaarsus.

Tundlikkusspekter

Kindla võimsusega valgusallika põhjustatud fotovoolu sõltuvust valguse lainepikkusest nimetatakse tundlikkusspektriks. Enamiku OPAde kõige tundlikum piirkond on 900 nanomeetri piirkonnas.

Pimevool

Isegi vastupingestatuse ja valguse puudumise korral läbib OPAt väike vool, mida nimetatakse pimevooluks. Pimevool eksisteerib ka signaali puudumise korral ja seda võib pidada müraallikaks. Pimevool üldiselt suureneb vastupinge suurendades ja mingist punktist alates suureneb pimevool hüppeliselt. Samuti suurendab pimevoolu temperatuuri tõus. Pimevoolu tekkepõhjuseid on mitu, kuid selle põhiliseks allikaks on juhuslike elektronide ja aukude paaride teke potentsiaalibarjääris.

Maksimaalne vastupinge väärtus

Kui vastupinge on suurenenud piirväärtuseni, siis toimub OPAs laviin-läbilöök. Selle tulemusena lakkab andur tõenäoliselt töötamast. Piirväärtust ei tohi hetkekski ületada, kuna pooljuht moondub selles olukorras kergesti.

Reaktsiooniaeg

Reaktsiooniaeg on defineeritud kui aeg, mil anduri väljund tõuseb 10%-lt 90%-ni väljundpingest juhul, kui valgus hetkeliselt sisse lülitatakse. Reaktsiooniaeg sõltub pealelangeva valguse lainepikkusest, anduri võimenduselektroonika koormustakistusest ja vastupingest.

Kvantsaagis

Väljundis kindlaksmääratavate elektronide või aukude ja seadmele pealelangevate footonite arvu suhet nimetatakse kvantsaagiseks ning seda väljendatakse tavaliselt protsentides.