УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к устройствам, осуществляющим преобразование световой информации в электрическую, и может быть использовано для измерения пространственного положения объекта в устройствах, предназначенных для слежения за объектами в пространстве, для ориентации различных объектов, для измерения смещения объектов в пространстве и т.п. при наличии мощных фоновых засветок.
Известно устройство для определения положения светового пятна [Сб. Научно-технические достижения. - М.: ВИМИ, 1992, вып.2, с.22-25], состоящее из источника светового излучения, оптически связанного с фотоприемником «мультискан», содержащим делительную и общую шины, двух источников смещения, соединенных между собой и с делительной шиной, а также 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. Данное устройство обладает координатной чувствительностью 0,01 мкм и статистической погрешностью 0,2 мкм. При работе данного устройства в специальных условиях при отсутствии посторонних засветок ошибки в измерении координаты составляют величину менее 3 мкм. Однако при наличии фоновых засветок, мощность которых соизмерима с мощностью полезного сигнала, возникают ошибки в определении координаты величиной более 100 мкм. Кроме того, это устройство не обеспечивает определения положения объекта в трехмерном пространстве.
Известно устройство для определения положения объекта - светового пятна [патент РФ №2097691, БИ №33, 1997], состоящее из генератора импульсов, модулирующего световое излучение, источника излучения, оптически связанного с ним фотоприемника «мультискан», имеющего делительную и общую шины, двух источников смещения и блока преобразования электрического сигнала, выполненного в виде преобразователя ток-напряжение, а также из соединенных последовательно фильтра высоких частот синхронного детектора и интегратора.
Данное устройство обладает координатной чувствительностью 0,01 мкм и статистической погрешностью 0,2 мкм, кроме того, оно способно определять положение светового сигнала в присутствии фоновых засветок, превышающих мощность полезного сигнала более чем в 200 раз.
Определение положения объекта в трехмерном пространстве предполагает определение его координат по излучению трех источников светового излучения, жестко связанных этим объектом. В этом случае фотоприемник «мультискан» должен работать последовательно по трем излучателям, формируя последовательно во времени три координатных отсчета (три положения эквипотенциали) за время, определяемое необходимым быстродействием системы. При этом при переходе от регистрации координаты одного излучателя к регистрации координаты другого происходит скачкообразное перемещение положения эквипотенциали фотоприемника «мультискан» вдоль его фоточувствительной площадки. Такое перемещение эквипотенциали в присутствии фоновой засветки вызывает мощный электрический сигнал, обусловленный быстрым изменением фототока на выходе фотоприемника. Этот токовый импульс приводит к насыщению, как входного преобразователя, так и тракта усиления по переменному току, вызывая длительный переходной процесс, ограничивающий как быстродействие системы, так и ее точность. То есть данное устройство не обладает устойчивостью к переходным процессам, возникающим при быстром последовательном измерении координат трех излучателей. Данное устройство рассчитано на непрерывное измерение координат одного источника оптического излучения, что предполагает плавное перемещение эквипотенциали фотоприемника «мультискан» вдоль его фоточувствительной поверхности.
Известно устройство для определения положения объекта (патент РФ №2150677, МПК7: G01B 21/00, опубликован 30.11.1998) наиболее близкое по совокупности существенных признаков, принятое за прототип. Устройство содержит многоканальный генератор импульсов, три источника светового излучения и оптически связанный с ними фотоприемник «мультискан», имеющий делительную и общую шины, два источника смещения, четыре интегратора, преобразователь ток-напряжение, фильтр высоких частот, синхронный детектор, электрически связанный с генератором, пять ключей, первый второй и третий блоки хранения информации и источник тока.
Конструкция устройства позволяет устранить мощные переходные процессы, возникающие в системе при переключении каналов, скомпенсировать на входе преобразователя ток-напряжения фототоки фоновых засветок и, тем самым обеспечит возможность работы устройства при регистрации координат последовательно по трем каналам (соответствующим) измеряемым координатам),
т.е. позволяет регистрировать положение объекта в трехмерном пространстве при сохранении быстродействия и точности.
Дополнительно введенные два источника излучения дают возможность пространственного координирования объекта. Три блока хранения информации необходимы для запоминания выделенных значений фототоков фоновой засветки для каждой из трех измеряемых координат, а управляемый напряжением источник тока - для компенсации фототоков фоновой засветки.
Известное устройство-прототип не обеспечивает надежного определения координат трех источников излучения при их быстром перемещении в пространстве вследствие недостаточного быстродействия фотоприемника мультискан, обусловленного процессом перезарядки ловушек на границе окисел-кремний.
Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является повышение быстродействия устройства и его точности.
Поставленная задача решается тем, что устройство содержит генератор импульсов, три источника светового излучения и оптически связанный с ним фотоприемник «мультискан», имеющий делительную и общую шины, два источника смещения и первый интегратор, последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, фильтр высоких частот и синхронный детектор, электрически связанный с генератором, первый источник светового излучения соединен с первым выходом генератора импульсов, одними выводами источники смещения соединены с соответствующими выводами делительной шины, другими - между собой, а вход преобразователя ток-напряжение соединен с общей шиной фотоприемника «мультискан», в котором в устройство дополнительно введены второй и третий источники светового излучения, пять ключей, второй, третий и четвертый интеграторы, первый второй и третий блоки хранения информации и источник тока, причем генератор импульсов выполнен в виде многоканального, к выходу преобразователя ток-напряжение подсоединен первый вход первого ключа, к выходу которого подсоединен четвертый интегратор, выход которого соединен с первым входом второго ключа, к его соответствующим выходам подсоединены первый, второй и третий блоки хранения информации, а их выходы подсоединены к соответствующим входам третьего ключа, к выходу которого подсоединен источник тока, выход источника тока подсоединен к входу преобразователя ток-напряжение, параллельно с первым интегратором подсоединены второй и третий интеграторы, входы первого, второго и третьего интеграторов соединены с соответствующими выходами четвертого ключа, первый вход которого соединен выходом синхронного детектора, выходы первого, второго и третьего интеграторов соединены с соответствующими входами пятого ключа, выход которого соединен с объединенным выводом источников смещения, второй и третий источники светового
излучения соединены соответственно со вторым и третьим выходами генератора, четвертый выход генератора соединен со вторыми входами второго и четвертого ключей и с четвертыми входами третьего и пятого ключей, а пятый выход генератора соединен со вторыми входами первого ключа и синхронного детектора. При этом первый, второй и третий источники светового излучения соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами генератора, два светодиода соединены последовательно между собой, вход светодиодов подсоединен к выходу второго источника тока, вход которого подсоединен к выходу фильтра нижних частот, вход которого соединен с выходом усилителя постоянного тока, вход усилителя постоянного тока подсоединен к общей шине фотоприемника «мультискан», к выходу преобразователя ток-напряжение подсоединен первый вход первого ключа, к выходу которого подсоединен четвертый интегратор, выход которого соединен с первым входом второго ключа, к его соответствующим выходам подсоединены первый, второй и третий блоки хранения информации, а их выходы подсоединены к соответствующим входам третьего ключа, к выходу которого подсоединен первый источник тока, выход первого источника тока подсоединен к входу преобразователя ток-напряжение, входы первого, второго и третьего интеграторов соединены с соответствующими выходами четвертого ключа, первый вход которого соединен с выходом синхронного детектора, выходы первого, второго и третьего интеграторов соединены с соответствующими входами пятого ключа, выход которого соединен с объединенным выводом источников смещения, четвертый выход генератора соединен со вторыми входами второго и четвертого ключей и с четвертыми входами третьего и пятого ключей, а пятый выход генератора соединен со вторыми входами первого ключа и синхронного детектора.
Использование двух светодиодов обеспечивает дополнительную фоновую засветку фотоприемной площадки фотоприемника «мультискан», что приводит к полному переходу носителей заряда в фотоприемнике «мультискан» из «ловушек», расположенных в середине запрещенной зоны в зону проводимости. Этот процесс «чистки ловушек» обуславливает полную линейность люкс-амперной характеристики фотоприемника «мультискан», что увеличивает быстродействие фронтов электрического сигнала возникающих под действием источников излучения, т.е. приводит к повышение быстродействия устройства для определения положения объекта.
Расположение упомянутых светодиодов по краям фотоприемной площадки фотоприемника «мультискан» так, что излучение упомянутых светодиодов направлено на фотоприемную площадку фотоприемника «мультискан» под углом 30±5 градусов, обеспечивает максимально равномерное освещение фотоприемной площадки фотоприемника «мультискан» и, тем самым, обеспечивает однородный
процесс «чистки ловушек» по фотоприемной площади. В результате обеспечивается одинаковое увеличение быстродействия фронтов различных электрических сигналов по всей длине фотоприемной площади.
Применение второго источника тока обеспечивает питание упомянутых светодиодов.
Усилитель постоянного тока, к выходу которого подключен упомянутый второй источник тока, задает величину тока, управляющего мощностью излучения упомянутых светодиодов. Усилитель постоянного тока может быть регулируемым, что позволяет осуществить регулировку мощности излучения упомянутых светодиодов в обратной зависимости от мощности основного фонового излучения с целью снижения динамического диапазона изменения величины фоновой засветки, что приводит к повышению точности координатоуказания трех источников излучения.
Фильтр нижних частот применяют с целью подавления импульсной составляющей электрического сигнала на выходе второго источника тока, что позволит устранить модуляцию тока светодиодов, синхронную с модуляцией полезного сигнала и, тем самым, увеличить точность координатоуказания устройства.
Два светодиода соединены между собой последовательно, вход светодиодов подсоединен к выходу второго источника тока, вход которого подсоединен к выходу усилителя постоянного тока, вход которого подсоединен к общей шине фотоприемника «мультискан»
Заявляемое устройство для определения положения объекта иллюстрируется Фиг., где
1 - многоканальный генератор;
2 - первый источник светового излучения;
3 - второй источник светового излучения;
4 - третий источник светового излучения;
5 - фотоприемник "мультискан";
6 - делительная шина "мультискана";
7 - общая шина "мультискана";
8 - светодиод;
9 - светодиод;
10 - источник смещения;
11 - источник смещения;
12 - первый интегратор;
13 - второй интегратор;
14 - третий интегратор;
15 - четвертый интегратор;
16 - преобразователь ток-напряжение;
17 - фильтр высоких частот;
18 - синхронный детектор;
19 - первый ключ;
20 - второй ключ;
21 - третий ключ;
22 - четвертый ключ;
23 - пятый ключ;
24 - первый блок хранения информации;
25 - второй блок хранения информации;
26 - третий блок хранения информации;
27 - первый источник тока;
28 - второй источник тока;
29 - усилитель постоянного тока;
30 - фильтр нижних частот;
В предлагаемом устройстве источники смещения 10 и 11 соединены между собой и с делительной шиной мультискана 6, вход преобразователя ток-напряжение 16 соединен с общей шиной 7, с которой соединен вход усилителя постоянного тока 29, выход которого соединен с источником тока 28, выход которого соединен с входом светодиода 8, выход светодиода 8 соединен с входом светодиода 9, выход светодиода 9 подсоединен к общему проводу устройства, выход преобразователя ток-напряжение 16 через ключ 19 соединен с входом интегратора 15, выход которого через ключ 20 соединен с входами блоков хранения информации 24, 25 и 26, выходы блоков хранения информации 24, 25 и 26 через ключ 21 соединены с входом источника тока 27, выход которого соединен с входом преобразователя ток-напряжение 16, выход преобразователя ток-напряжение 16 соединен с входом фильтра высоких частот 17, выход которого соединен с входом синхронного детектора 18, выход синхронного детектора 18 через ключ 22 соединен с входами интеграторов 12, 13 и 14, выходы которых через ключ 23 связаны с объединенными выводами источников смещения 10 и 11, а каждый их источников излучения 2, 3 и 4 соединен с соответствующим выходом многоканального генератора 1, его четвертый выход соединен со вторыми входами ключей 20, 22 и с четвертыми входами ключей 21, 23, пятый выход многоканального генератора 1 соединен со вторым входом ключа 19 и со вторым входом синхронного детектора 18.
Устройство работает следующим образом.
В начале работы устройства второй источник тока 28, подсоединенный через подавляющий импульсную составляющую электрического сигнала фильтр нижних частот 30 к выходу усилителя постоянного тока 29, задает величину тока, управляющего мощностью излучения светодиодов 8 и 9 для получения напряжения, обратно пропорционального общей освещенности фотоприемника «мультискан» 5 постоянным светом, включающим в себя фоновую засветку и засветку от светодиодов 8 и 9.
1
2
3
1
2
3
При работе по трем источникам цикл работы схемы разделяется на три равных временных интервала ΔТ, соответствующих формированию координатного отсчета от первого источника излучения 2 - ΔT, второго источника излучения 3 - △Т и третьего источника излучения 4 - ΔТ (ΔТ=ΔТ=ΔТ=ΔТ), причем длительность световых импульсов τ модулированного излучения при скважности равной 0,5 удовлетворяет соотношению τ≤0,1ΔТ. Импульсы длительностью ΔТ и τ синхронизованы между собой и формируются в многоканальном генераторе 1. Поскольку координаты трех источников излучений 2, 3 и 4 различны, каждому из них соответствует свое значение фототока фонового сигнала.
1
c
ф
1
1
Рассмотрим работу устройства в течение интервала ΔT, во время которого происходит формирование сигнала, пропорционального координате первого источника излучения 2. Модулированный оптический сигнал первого источника излучения 2 вместе с фоновой засветкой и засветкой от диодов 8 и 9, попадая на фоточувствительную площадку фотоприемника "мультискан" 5, вызывает электрический ток, состоящий из переменной составляющей, соответствующей модулированной части оптического сигнала I, и постоянной составляющей тока, соответствующей фоновой засветке I. Эти токи протекают через общую шину "мультискана" 7 и поступают на вход преобразователя ток-напряжение 16. С выхода преобразователя ток-напряжение 16 сигнал поступает на первый ключ 19, управляющее напряжение которого, подаваемое от генератора 1, синхронизовано с частотой модуляции оптического сигнала. Этот ключ 19 коммутирует выход преобразователя ток-напряжение 16, подключая его к входу четвертого интегратора 15 в те моменты, когда отсутствуют импульсы полезного сигнала, а присутствуют только фототоки фоновой засветки и постоянной засветки от светодиодов 8 и 9. В результате на выходе четвертого интегратора 15 формируется усредненное за время ΔT значение напряжения, соответствующее уровню суммарной освещенности фотоприемника 5 постоянным светом, который присутствует на фотоприемнике при регистрации координаты первого источника излучения 2. Четвертый интегратор 15 через второй ключ 20 в течение всего периода ΔT подключен к первому блоку хранения информации 24, на котором, сформированное на интеграторе 15,
напряжение запоминается и хранится. Выходное напряжение первого блока хранения информации 24 подается через третий ключ 21, работающий синхронно со вторым ключом 20, на вход управляемого напряжением первого источника тока 27, выход которого подсоединен к входу преобразователя ток-напряжение 16. Тем самым создается обратная связь, компенсирующая суммарный ток фоновой засветки, поступающий на преобразователь ток-напряжение 16 с общей шины 7 "мультискана" 5. В результате этого на выходе преобразователя ток-напряжения 16 формируются только импульсы переменного тока, вызванного полезным сигналом, поступающим от первого источника излучения 2.
1
2
1
2
3
ф2
3
По окончании ΔT и начале интервала ΔT, когда первый источник излучения 2 выключается, а включается второй источник излучения 3, второй ключ 20, на который подаются от генератора 1 управляющие импульсы, синхронизованные с ΔT, ΔТ и ΔТ, отключает выход четвертого интегратора 15 от входа первого блока хранения информации 24 и подключает его к входу второго блока хранения информации 25, в котором формируется напряжение, пропорциональное фототоку суммарной фоновой засветки в координате второго источника излучения 3, одновременно третий ключ 21 подключает первый источник тока 27 к выходу второго блока хранения информации 25, и первый источник тока 27 вырабатывает ток, компенсирующий I. С началом ΔТ второй ключ 20 подключается к третьему блоку хранения информации 26, и процедура повторяется.
ф1
ф2
ф3
Постоянная времени четвертого интегратора 15 выбрана так, что за время ΔT на его выходе успевает установиться напряжение, соответствующее напряжению, необходимому для компенсации действующей величины фонового тока и тока от светодиодов 8 и 9, а напряжения на выходах первого 24, второго 25 и третьего 26 блоков хранения информации поддерживаются постоянными в течение времени 2ΔТ, т.е. времени, в течение которого они отключены от выхода четвертого интегратора 15. При каждом подключении к четвертому интегратору 15 величины выходных напряжений блоков хранения информации 24, 25 и 26 корректируются в соответствии с медленно меняющимися значениями I, I, I.
1
2
3
С выхода преобразователя ток-напряжение 16 сигнальные импульсы, отфильтрованные от токов фоновых засветок и токов от засветки светодиодами 8 и 9, подаются на фильтр высоких частот 17, в котором происходит усиление сигнальных импульсов и подавление низкочастотных. С выхода фильтра высоких частот 17 напряжение поступает на синхронный детектор 18, опорное напряжение которого синхронизовано генератором 1 с частотой модуляции оптического сигнала. С синхронного детектора 18 через четвертый ключ 22, работающий синхронно со вторым ключом 20, напряжение подается в соответствии с интервалами ΔT, ΔТ, ΔТ
на первый 12, второй 13 и третий 14 интеграторы, выходы которых через пятый ключ 23, работающий синхронно с четвертым ключом 22, подаются на вход источников смещения 10 и 11, управляющих смещением эквипотенциали "мультискана" 5.
1
2
3
1
2
3
При попадании на фотоприемную площадку модулированного сигнала на выходе синхронного детектора 18 в каждом интервале ΔT, ΔТ, ΔТ возникает напряжение, изменяющее выходное напряжение соответствующего интегратора (12, 13 или 14) и положение нулевой эквипотенциали "мультискана" 5 до тех пор, пока напряжение на выходе синхронного детектора 18 не станет равным 0. Равенство 0 на выходе синхронного детектора 18 в каждом интервале ΔT, ΔТ, ΔТ соответствует такому положению эквипотенциали, при котором она находится на середине изображения модулированного оптического сигнала последовательно для трех излучателей. Изменение положения оптических пятен вызывает изменение напряжения на выходе первого 12, второго 13 и третьего 14 интеграторов, обеспечивающее перемещение эквипотенциали в новое положение, соответствующее изменившейся координате светового сигнала каждого источника светового излучения 2, 3 и 4.
-4
-5
Был изготовлен опытный образец заявляемого устройства, изображенный на Фиг. Сравнение точности координатоуказания и быстродействия нового устройства с точностью координатоуказания и надежностью, указанной в описании прототипа, подтвердило улучшение этих параметров: крутизна фронтов электрического сигнала снизилась с 2·10 сек до 1,5·10 сек, что привело к увеличению быстродействия устройства более чем на порядок; при этом достигнуто увеличение точности координатоуказания за счет повышения его стабильности с 15 мкм до 3 мкм.