УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ СВЕТОВОГО ПЯТНА
DEVICE FOR DETERMINING POSITION OF LIGHT SPOT

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно 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.
-5
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 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, опубл. 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 и интегратором, модулятором, блоком преобразования электрического сигнала, выполненным в виде преобразователя ток-напряжение и выходом, соединенным с входом фильтра высоких частот, причем 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 света.
Однако использование модулированного сигнала исключает возможность применения этого устройства для определения координат источников немодулированного оптического излучения, таких как Солнце, например, 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 [статья Б.Г.Подласкин, Е.Г.Гук «Позиционно-чувствительный фотодетектор мультискан», Измерительная техника, №8, с.31-34 (2005)], взятое в качестве прототипа предлагаемого изобретения, состоящее из мультискана, содержащего набор встречно включенных р-n переходов, делительную и общую шины, оптической системы, формирующей на поверхности фотоприемника-мультискана световое пятно от источника излучения, источника питания, соединенного с делительной шиной, блока преобразования электрического сигнала (напряжение в напряжение), выполненного в виде операционного усилителя, собранного по схеме повторителя с высоким входным сопротивлением и соединенного с общей шиной мультискана, а также подключенного к нему регистрирующего устройства. В исходном состоянии при отсутствии света потенциал общей шины равен нулю. При воздействии на мультискан оптического сигнала возникает фототок, который за счет заряда общей емкости фотоприемника изменяет потенциал общей шины мультискана так, что суммарное значение фототока всех встречно включенных p-n переходов становится равным нулю. Возникающее на общей шине выходное напряжение при этом соответствует координате оптического пятна.
Данное устройство способно определять координаты как модулированного, так и немодулированного источников света. Кроме того, устройство-прототип существенно проще приведенного выше аналога.
Однако точность определения положения светового пятна в этом устройстве недостаточна. Это обусловлено наличием длительных переходных процессов, возникающих после формирования напряжения, соответствующего координате оптического пятна, и связанных с перезарядкой емкостей за счет протекания темновых токов во встречно включенных р-n переходах, составляющих структуру мультискана. В результате этих переходных процессов в течение нескольких минут происходит смещение выходного напряжения общей шины, 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 предлагаемым изобретением, является повышение точности при определении положения светового пятна модулированного и немодулированного света при сохранении простоты устройства.
Указанная задача решается устройством, включающим фотоприемник-мультискан с набором встречно включенных р-n переходов, делительной и общей шинами, земляную шину, оптическую систему для формирования на поверхности мультискана светового пятна от источника излучения, источник питания, соединенный с делительной и земляной шинами, блок преобразования электрического сигнала «напряжение-напряжение», выполненный в виде операционного усилителя, собранного по схеме повторителя с высоким входным сопротивлением и соединенного входом с общей шиной мультискана, а выходом с регистрирующим устройством, причем устройство дополнительно содержит внешний источник импульсного напряжения и электронный ключ, входной электрод электронного ключа подключен к общей шине мультискана, выходной электрод электронного ключа подключен к земляной шине, а управляющий электрод электронного ключа подключен к упомянутому источнику импульсного напряжения.
-11
-8
-6
-3
Сущность предлагаемого решения заключается в следующем. Введение внешнего источника импульсного напряжения и электронного ключа, присоединенного к общей шине мультискана, земляной шине и внешнему источнику импульсного напряжения, управляющему этим электронным ключом, позволяет обеспечить два режима работы мультискана. Первый является режимом формирования координатного отсчета. В этом режиме ключ разомкнут, происходит накопление потенциала на интегральной емкости мультискана и формирование напряжения координатного отсчета. В конце интервала времени, достаточного для установления выходного напряжения, соответствующего координате светового пятна, производится снятие отсчета. Второй режим - это режим между координатными отсчетами. В этом режиме ключ замыкается, и общая шина мультискана соединяется с земляной шиной источника питания. В результате, вне зависимости от координаты светового сигнала, на общей шине мультискана фиксируется потенциал, равный нулевому потенциалу земляной шины источника питания в течение всего времени между интервалами, в которое происходит формирование координатных отсчетов. Таким образом, при замыкании ключа происходит восстановление потенциалов на делительной шине мультискана, соответствующее исходному состоянию, перезарядка емкостей прекращается, что предотвращает развитие переходных процессов. Возможность предотвращения развития переходных процессов основана на существенном различии времен формирования выходного напряжения на общей шине, соответствующего координатному отсчету, и характерных времен переходных процессов. Время формирования выходного напряжения определяется из значения чувствительности мультискана, имеющего порядок 5·10 Дж. Величина этой чувствительности определяет время, в течение которого происходит насыщение заряда емкости при заданной мощности светового сигнала. В рабочем диапазоне фототоков мультискана от 10А до 10А время формирования выходного напряжения, соответствующего координате светового пятна, не превышает величину порядка 5·10 с. С другой стороны, характерное время переходных процессов, связанных с перезарядкой емкостей встречно включенных р-n переходов, составляет сотни секунд, что несравнимо по порядку величины с временем установления напряжения координатного отсчета.
1
2
1
1
2
Авторы выявили, что для достижения поставленной цели необходимо дополнительно ввести в устройство электронный ключ и внешний источник импульсного напряжения, управляющий им и обеспечивающий периодическое размыкание электронного ключа на время t и его замыкание на время t≥t. При этом в интервале времени t происходит быстрый процесс формирования выходного напряжения, соответствующего координате светового пятна, и его регистрация. В интервале времени t происходит восстановление исходного распределения потенциалов на делительной шине мультискана, что препятствует развитию медленных переходных процессов, изменяющих выходное напряжение, соответствующее исходной координате светового пятна, и обеспечивает повышение точности определения положения светового пятна.
Техническим результатом использования изобретения является повышение точности измерения положения источника света при сохранении простоты электрической схемы устройства.
На чертеже представлена схема устройства, где
1 - фотоприемник-мультискан;
2 - делительная шина мультискана;
3 - общая шина мультискана;
4 - оптическая система, формирующая на поверхности фотоприемника-мультискана световое пятно от источника излучения;
5 - источник питания;
6 - земляная шина;
7 - блок преобразования электрического сигнала;
8 - регистрирующее устройство;
9 - электронный ключ;
10 - внешний источник импульсного напряжения.
В предлагаемом устройстве источник питания 5 подсоединен одним контактом к делительной шиной 2 мультискана 1, а другим контактом - к земляной шине 6, вход блока преобразования 7 электрического сигнала соединен с общей шиной 3, выход блока преобразования 7 электрического сигнала соединен с регистрирующим устройством 8, входной электрод электронного ключа 9 подсоединен к общей шине 3 мультискана 1, выходной электрод электронного ключа 9 подсоединен к земляной шине 6, управляющий электрод электронного ключа 9 подсоединен к внешнему источнику импульсного напряжения 10, оптическая система 4 формирует на поверхности фотоприемника-мультискана 1 световое пятно от источника излучения.
Устройство работает следующим образом.
1
1
2
1
Сформированное от источника излучения оптической системой 4 на поверхности фотоприемника-мультискана 1 световое пятно, попадая на фоточувствительную площадку мультискана, вызывает фототок, который протекает через общую шину 3 прибора и заряжает выходную емкость мультискана 1. Напряжение, сформированное на емкости при накоплении заряда, подается на вход блока 7 преобразования электрического сигнала, выполненного в виде преобразователя напряжение-напряжение, с выхода которого поступает на регистрирующее устройство 8. При этом электронный ключ 9 в результате воздействия на него внешнего источника 10 импульсного напряжения находится в разомкнутом состоянии в течение интервала времени t, в конце которого производится регистрация выходного напряжения, соответствующего измеряемой координате светового пятна, с помощью регистрирующего устройства 8. По истечении времени t внешний источник 10 импульсного напряжения переводит электронный ключ 9 в замкнутое состояние. При этом потенциал общей шины 3 мультискана приобретает нулевое значение, равное потенциалу земляной шины 6, что соответствует исходному распределению потенциалов на делительной шине 2 мультискана 1 и препятствует развитию переходных процессов, происходящих в результате перезаряда емкостей встречно включенных диодов в неосвещенной области мультискана. Через время t≥t источник 10 импульсного напряжения снова переводит электронный ключ 9 в разомкнутое состояние, и процесс формирования координатного отсчета и его регистрации повторяется.
2
Исключение развития переходных процессов в течение интервала времени t устраняет отклонение координаты светового пятна от координаты, зарегистрированной в момент его попадания на поверхность мультискана, что обеспечивает повышение точности определения положения светового пятна.
Пример.
1
2
-4
Для подтверждения возможности повышения точности определения положения светового пятна при работе с источником света было собрано устройство, блок-схема которого представлен на чертеже. В данном устройстве использовался фотоприемник-мультискан 1 длиной 2 см. Оптическая система 4 была выполнена на основе щелевой оптики (ширина щели 0.5 мм, длина щели 10 мм, расстояние от поверхности мультискана 20 мм), формирующей на поверхности фотоприемника-мультискана 1 световое пятно от удаленного источника немодулированного света. В качестве источника немодулированного света использовалась лампа накаливания. В качестве источника питания 5 использовался высокостабильный источник постоянного напряжения В5-47. Источник питания 5 был подключен к делительной шине 2 фотоприемника-мультискана 1. Напряжение источника питания 5 было установлено равным 10 В. Один конец делительной шины 2 подключен к земляной шине 6 устройства. Блок преобразования 7 электрического сигнала был выполнен в виде преобразователя напряжение-напряжение, собранного по стандартной схеме повторителя напряжения с высоким входным сопротивлением на операционном усилителе типа 544УД2. В качестве электронного ключа 9 использовалась интегральная микросхема ADG453, входной контакт которой был подключен к общей шине 3 мультискана 1, выходной контакт был подключен к земляной шине 6, а управляющий контакт подключен к внешнему источнику 10 импульсного напряжения. В качестве внешнего источника 10 импульсного напряжения был использован генератор импульсов Г5-60. В качестве регистрирующего устройства 8 был использован цифровой вольтметр В7-34 с 6 десятичными разрядами. От генератора 10 импульсного напряжения на электронный ключ 9 подавались импульсы длительностью 20 мс с периодом 40 мс. Таким образом, в течение времени t=20 мс электронный ключ был разомкнут, на 19-ой мс с помощью вольтметра В7-34 проводилась регистрация выходного напряжения, соответствующего координате светового пятна. В течение следующих 20 мс (t) электронный ключ был замкнут, и тем самым общая шина 3 мультискана 1 была в это время подключена к земляной шине 6. Проведенные испытания устройства, созданного в соответствии с описанием изобретения, показали, что в течение 30 минут отклонение координаты неподвижного светового пятна от координаты, зарегистрированной в момент попадания светового пятна на поверхность мультискана, составило 10В, что при длине мультискана 20 мм 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.