УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ СВЕТОВОГО ПЯТНА

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а более конкретно к устройствам, осуществляющим преобразование световой информации в электрическую, и может быть использована для измерения положения одиночного светового пятна в устройствах, предназначенных для определения координат различных объектов, смещения объектов в пространстве, измерения их размеров и т.п.при наличии мощных фоновых засветок.
В настоящее время в бесконтактных методах измерения положения объектов используют устройства на основе фотоэлектрических полупроводниковых позиционно-чувствительные приборов, таких как приборы с зарядовой связью (ПЗС), обладающие пиксельной структурой, и приборы с непрерывным полем чувствительности - так называемые позиционно-чувствительные датчики (ПЧД). Принцип работы ПЗС предполагает поэлементное (попиксельное) сканирование изображения. При этом для определения положения оптического сигнала необходимо получить информацию о распределении сигнала по всему полю (см. Во Hou Z. Y. Wu J. L. de Bougrenet de la Tocnaye P. Grosso.- Charge-coupled devices combined with centroid algorithm for laser beam deviation measurements compared to position sensitive device. -Optical Engineering 50(3), March 2011, Chapter 16). В задачах, в которых требуется непрерывная регистрация координаты оптического сигнала по всему полю изображения, его полное сканирование становится избыточным и невыгодным, как с точки зрения временных затрат, так и с точки зрения объема необходимых вычислений. Для решения таких задач широко используют датчики с непрерывным полем чувствительности, принцип действия которых основан на непрерывном сравнении фототоков. Наиболее известными приборами такого типа являются латеральные ПЧД (см. I. Edwards. - Using Photodetectors for Position Sensing. - Sensors Magazine, Dec. 1988; Sylvain Feruglio, Guo-Neng Lu, Patrick Garda and Gabriel Vasilescu. - A Review of the CMOS Buried Double Junction (BDJ) Photodetector and its Applications. - Sensors, 2008, 8, 6566-6594), которые широко применяют для бесконтактного определения смещения положения оптического сигнала и непрерывного слежения за ним.
Известно устройство для определения положения объекта (см.  A.,Kostamovaara J.,  R. - Positioning Resolution of the Position-Sensitive Detectors in High Background Illumination. - IEEE Trans. Instrum. Meas., 1996, V. 45, P. 324-325), включающее источник модулированного оптического сигнала, четырехквадрантный ПЧД и аналоговую схему, с помощью которой производят определение координаты оптического сигнала. Однако четырехквадрантные ПЧД имеют ряд принципиальных недостатков. К основным из них относятся узкое поле зрения и нелинейность координатной характеристики этих датчиков. Им необходимо работать с расфокусированным световым пятном большого диаметра, присутствующем на всех сегментах в любой момент времени, при условии, что ширина пятна превышает разделительные промежутки между сегментами. Для высокой точности измерений они требуют высокой однородности распределения освещения внутри пятна. Все эти недостатки резко снижают область применения устройств на базе четырехквадрантных ПЧД.
Известно устройство для определения положения объекта ( А., Kostamovaara J.,  R. - Positioning Resolution of the Position-Sensitive Detectors in High Background Illumination. - IEEE Trans. Instrum. Meas., 1996, V. 45, P. 324-325), включающее источник модулированного оптического сигнала, латеральный позиционно-чувствительный датчик и аналоговую схему, с помощью которой производят определение координаты оптического сигнала.
Латеральные ПЧД отличаются хорошей линейностью и точностью. Однако принцип действия этих ПЧД принципиально ограничивает возможность получения на них высокого разрешения.
Известно устройство для определения положения светового пятна [ A, Ruotsalainen Т, Rahkonen Т & Kostamovaara J "High performance CMOS position-sensitive photodetectors (PSDs)". Proc. IEEE International Symposium on Circuits and Systems, Monterey, California, USA, 6:610-616, 1998], включающее источник модулированного оптического сигнала, КМОП позиционно-чувствительный датчик на основе дискретных матриц, сформированных из латеральных фотодиодов, и аналоговую схему, с помощью которой производится определение координаты оптического сигнала. Оно позволяет улучшить точность и разрешение датчика. Однако принцип действия этих ПЧД, основанный на вычислении и нормировке разности фототоков в схеме обработки сигнала, свойственный латеральным ПЧД, остается неизменным, что приводит к тому, что разрешающая способность латеральных ПЧД на основе дискретных матриц линейно зависит от длины датчика - чем больше длина датчика, тем хуже его разрешение. Так величина разрешающей способности позиционно-чувствительных датчиков фирмы Hamamatsu S3931 (длина 6 мм), S3932 (длина 12 мм) и S3933 (длина 37 мм) составляют соответственно 0,2 мкм, 0,3 мкм и 2,8 мкм в абсолютном измерении.
Известно устройство для определения положения светового пятна (см. RU 2399022, МПК G01B 11/00, опубликован 10.09.2010), включающее ПЧД с набором встречно включенных р-n переходов, делительной и сигнальной шинами, земляную шину, оптическую систему для формирования на поверхности ПЧД 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 ПЧД, а выходом с регистрирующим устройством. Устройство также содержит внешний источник импульсного напряжения и электронный ключ, входной электрод электронного ключа подключен к общей шине ПЧД, выходной электрод электронного ключа подключен к земляной шине, а управляющий электрод электронного ключа подключен к упомянутому источнику импульсного напряжения.
Известное устройство с ПЧД свободно от перечисленных выше принципиальных недостатков латеральных ПЧД, так как определение положения оптического сигнала не основано на величине отношения фототоков. Оно демонстрирует высокую разрешающую способность, не зависящую от длины датчика, (разрешающая способность ПЧД длиной 6 мм и 20 мм одинакова и равна 0,2-0,3 мкм), что обусловлено конструкцией датчика и принципом его действия. Однако известное устройство представляет собой сложную радиотехническую схему, параметры которой должны поддерживаться в узких заданных пределах для обеспечения погрешности определения координаты не более 0,2 мкм.
OC
инт
Известно устройство для определения положения светового пятна (см. RU 2399023, МПК G01B 11/00, G01J 1/44, опубликован 10.09.2010), состоящее из ПЧД, содержащего набор встречно включенных p-n-переходов, делительную и общую шины, оптической системы для формирования на поверхности ПЧД светового пятна от источника излучения, преобразователя электрического сигнала, соединенного с сигнальной шиной ПЧД, регистрирующего устройства и источника питания, соединенного с делительной шиной ПЧД. Источник питания выполнен имеющим среднюю точку, преобразователь электрического сигнала выполнен в виде преобразователя ток-напряжение, дополнительно введены внешний источник импульсного напряжения, интегратор, содержащий интегрирующую емкость в цепи обратной связи, соединенный своим входом с выходом преобразователя ток-напряжение, а выходом - со средней точкой источника питания и регистрирующим устройством, и электронный ключ, присоединенный входным электродом к входу интегратора, выходным электродом - к выходу интегратора, а управляющим электродом - к внешнему источнику импульсного напряжения, причем отношение К величины сопротивления R в цепи обратной связи преобразователя ток-напряжение к величине сопротивления R во входной цепи интегратора удовлетворяет соотношению 1<К≤1000.
Недостатком известного устройства является его сложная радиотехническая схема, параметры которой должны поддерживаться в узких заданных пределах для обеспечения погрешности определения координаты не более 0,2 мкм.
Известно устройство для определения положения светового пятна, совпадающее с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип.(см. патент RU 2097691, МПК G01B 21/00, опубликован 27.11.1997). Устройство-прототип содержит источник светового излучения, оптически связанный с ним позиционно-чувствительный ПЧД, имеющий две базовые области, изолированные друг от друга и от подложки, набор встречно включенных дискретных p-n-переходов, сформированных в каждой из базовых областей, делительную шину, созданную вдоль внешнего края первой базовой области, и сигнальную шину, созданную вдоль внешнего края второй базовой области, два источника питания и блок преобразования электрического сигнала. Одними выводами источники питания соединены между собой, а другими с соответствующими выводами делительной шины ПЧД, вход блока преобразования электрического сигнала соединен с сигнальной шиной ПЧД. Устройство снабжено последовательно соединенными с фильтром низких частот, синхронным детектором и интегратором, а также модулятором. Блок преобразования электрического сигнала выполнен в виде преобразователя ток -напряжение и выходом соединен с входом фильтра низких частот. Выход интегратора связан с объединенным выводом источников питания, а модулятор соединен с источником светового излучения.
Известное устройство-прототип обладает более простой радиотехнической схемой при той же величине разрешения 0,2 мкм. Однако в ряде задач, например, в системах совмещения современной фотолитографии, в системах слежения за удаленными движущимися объектами, в медицинских приборах для получения микронных срезов биологической ткани требуется разрешающая способность ПЧД до 0,1 мкм и менее.
Задачей настоящего технического решения является повышение разрешающей способности устройства для определения положения светового пятна.
Поставленная задача решается тем, что устройство для определения положения светового пятна содержит источник светового излучения, модулятор, позиционно-чувствительный датчик (ПЧД), имеющий две базовые области, изолированные друг от друга и от подложки, набор встречно включенных дискретных p-n-переходов, сформированных в каждой из базовых областей, делительную шину, созданную вдоль внешнего края первой базовой области, и сигнальную шину, созданную вдоль внешнего края второй базовой области, два источника питания и блок преобразования электрического сигнала, фильтр низких частот, синхронный детектор и интегратор. При этом источник светового излучения через модулятор оптически соединен с ПЧД, источники питания одними выводами соединены между собой, а другими выводами подключены к соответствующим выводам делительной шины ПЧД, сигнальная шина ПЧД соединена с входом блока преобразования электрического сигнала. Фильтр низких частот, синхронный детектор и интегратор соединены последовательно, а выход интегратора подключен к объединенному выводу источников питания. Новым в устройстве является снабжение его логарифмическим усилителем, вход которого соединен с выходом блока преобразования электрического сигнала, а выход логарифмического усилителя соединен с входом фильтра низких частот.
Введение логарифмического усилителя, выходное напряжение которого пропорционально логарифму входного напряжения, позволяет за счет того, что логарифмическая функция имеет максимальную крутизну в области малых значений аргумента и выходит на насыщение при больших его значениях, обеспечить повышение коэффициента усиления в области малых фототоков, сохранив его низкое значение в области больших значений фототоков.
Конструкция и технология изготовления современных ПЧД хорошо оптимизированы. Практически единственным путем улучшения разрешения ПЧД сегодня остается повышение позиционной чувствительности датчика. Позиционная чувствительность ПЧД определяется величиной производной фототока по координате (dI/dx), которая, в свою очередь зависит от принципа формирования координатного отсчета ПЧД. ПЧД описанной выше конструкции, в отличие от других датчиков, открывает возможность увеличения производной dI/dx. Эта возможность обусловлена его конструкцией и принципом работы. Конструктивно ПЧД представляет собой кремниевый датчик, содержащий набор встречно включенных p-n-переходов, одни концы которых подсоединены к делительной шине, а другие - к сигнальной шине. Принцип работы такого ПЧД основан на свойствах его вольтамперной характеристики (ВАХ), которая соответствует ВАХ встречно включенных р-n переходов и описывается гиперболическим тангенсом. При приложении к делительной шине постоянного напряжения пары встречно включенных p-n-переходов оказываются под воздействием линейно распределенного напряжения. Наличие у ПЧД вольтамперной характеристики с положительной и отрицательной ветвями, разделенными точкой перегиба, обуславливает при воздействии светового сигнала формирование положительного и отрицательного фототоков.
0
0
1
2
При протекании фототоков через ПЧД напряжение на выходе интегратора U будет изменяться до тех пор, пока суммарная величина тока не станет равна нулю, что соответствует такому значению U, при котором величина фототоков h, 1 справа и слева от точки перегиба равны между собой.
где f{u) - функция распределения оптического сигнала вдоль напряжения, распределенного вдоль датчика, А/В;
Е- напряжение, приложенное к резистивному слою, В;
u
А - ширина апертуры в масштабе напряжений, то есть расстояние между точками насыщения функции гиперболического тангенса, В;
α - чувствительность датчика (А/Вт),
0
U - напряжение на выходе интегратора, В.
0
0
M
При этом величина U формируется в виде напряжения на выходной емкости С интегратора за время t', равное времени формирования отсчета, и соответствует координате оптического сигнала х (то есть положению его медианы U):
где L - длина светочувствительной области датчика, см.
Значение координатного отсчета в ПЧД формируется на основе не отношения, а разности абсолютных величин текущих значений фототоков, что обуславливает в этом случае рост производной dI/dx на выходе усилителя в k раз:
где k - коэффициент усиления линейного канала,
f(x) - функция распределения оптического сигнала вдоль продольной координаты датчика, А/см;
x
A- ширина апертуры в масштабе длины датчика, см.
-7
0
Но просто использовать большое усиление для увеличения позиционной чувствительности ПЧД невозможно, что обусловлено его принципом работы. В процессе формирования координатного отсчета с помощью ПЧД на его выходе образуется фототок, величина которого зависит от положения оптического пятна на светочувствительной поверхности ПЧД. Так, в предельном случае попадания оптического сигнала в область насыщения ВАХ прибора фототок может составлять 10 А. Таким образом, при характерном динамическом диапазоне усилительного тракта ±10 В коэффициент усиления такого фототока не может превышать k=100. В процессе формирования координатного отсчета происходит заряд выходной емкости интегратора, приводящий к смещению точки перегиба ВАХ прибора в область положения медианы оптического сигнала. При этом величина фототока падает, стремясь к нулю. Поддержание устойчивого напряжения U на выходе интегратора при этом требует существенно большего коэффициента усиления, который не может быть реализован во всем диапазоне величины сигналов во избежание насыщения линейного усилительного тракта. Введение логарифмического усилителя, выходное напряжение которого пропорционально логарифму входного напряжения, позволяет за счет того, что логарифмическая функция имеет максимальную крутизну в области малых значений аргумента и выходит на насыщение при больших его значениях, обеспечить повышение коэффициента усиления к в области малых фототоков, сохранив его низкое значение в области больших значений фототоков.
В результате введения дополнительного логарифмического усилителя удается сформировать эффективный нелинейный коэффициент усиления канала k(I), что позволяет избежать насыщения усилительного тракта и обеспечить при этом большую величину производной dI/dx
Увеличение производной приводит к повышению позиционной чувствительности ПЧД и тем самым повышает разрешающую способность устройства для определения положения светового пятна. Таким образом, удается формировать эффективный коэффициент усиления и при этом избежать насыщения усилительного тракта, что обеспечивает большую величину производной dI/dx и тем самым повышает позиционную чувствительность ПЧД мультискан и разрешающую способность устройства для определения положения светового пятна.
Настоящее устройство для определения положения светового пятна поясняется чертежом.
На чертеже представлена схема настоящего устройства для определения положения светового пятна, где 1 - ПЧД, 2 - делительная шина ПЧД, 3 -сигнальная шина ПЧД 1, 4 -первый источник питания (ИП1), 5 - второй источник питания (ИП2), 6 - блок преобразования электрического сигнала (БП), 7 -логарифмический усилитель (ЛУ), 8 - фильтр низких частот (ФНЧ), 9 - синхронный детектор (СД), 10 - интегратор (ИНТ), 11 - источник светового излучения (ИСИ), 12 - модулятор светового излучения (МОД).
В предлагаемом устройстве ИП1 4 и ИП2 5 последовательно соединены между собой и подсоединены к делительной шине 2 ПЧД 1, вход БП 6 соединен с сигнальной шиной 3 ПЧД 1, выход БП 6 соединен с входом ЛУ 7, выход которого подключен к ФНЧ 8, выход которого соединен с входом СД 9, выход которого подключен к входу ИНТ 10, выход которого соединен с объединенным выводом ИП 4 и ИП 5, а МОД 12 подключен к ИСИ 11. ИСИ 11 через МОД 12 оптически соединен с ПЧД 1.
0
0
0
1
2
0
0
0
0
Настоящее устройство для определения положения светового пятна работает следующим образом. ИП1 4 и ИП2 5, соединенные с делительной шиной 2 ПЧД 1, формируют на ней линейно распределенное напряжение. Модулированный оптический сигнал из МОД 12 вместе с фоновой засветкой, попадая на фоточувствительную площадку ПЧД 1, генерирует фототок, состоящий из переменной составляющей, соответствующей модулированному оптическому сигналу, и постоянной составляющей тока, соответствующей фоновой засветке. Эти токи протекают через сигнальную шину 3 и поступают на вход БП 6, выполненного в виде преобразователя ток-напряжение. С выхода БП 6 напряжение поступает на ЛУ 7, в котором происходит формирование эффективного нелинейного коэффициента усиления канала k(I), позволяющее обеспечить большую величину производной dI/dx без насыщения усилительного тракта. С выхода ЛУ 7 усиленное напряжение подается на ФНЧ 8, в котором происходит подавление постоянной составляющей напряжения, вызванной протеканием через датчик токов, обусловленных фоновыми засветками. С выхода ФНЧ 8 напряжение поступает на СД 9, опорное напряжение которого синхронизовано с частотой модуляции оптического сигнала. В СД 9 производится превращение модулированного напряжения в постоянное напряжение. С СД 9 постоянное напряжение подается на ИНТ 10, в котором формируется выходное напряжение U, пропорциональное величине постоянного напряжения, поступающего на его вход в течение времени формирования координатного отсчета. Выход ИНТ 10 связан с общей точкой ИП1 4 и ИП2 5. При попадании на фотоприемную площадку ПЧД 1 модулированного оптического сигнала на ПЧД 1 формируются положительный и отрицательный фототоки. При протекании этих фототоков через ПЧД 1 напряжение на выходе ИНТ 10 U будет изменяться до тех пор, пока суммарная величина тока не станет равна нулю, что соответствует такому значению U, при котором величина фототоков I, I справа и слева от точки перегиба ВАХ равны между собой. При этом величина U формируется в виде напряжения на выходной емкости ИНТ 10 за время, равное времени установления фототока I, равного нулю, и соответствует координате оптического сигнала x. Управление нулевым положением ВАХ производят с помощью подачи выходного напряжения U на общую точку ИП1 4 и ИП2 5. Изменение положения оптического пятна вызывает изменение напряжения на выходе ИНТ 10, обеспечивающее перемещение точки перегиба ВАХ в новое положение, соответствующее изменившейся координате светового сигнала. Под разрешением ПЧД 1 понимается минимальное регистрируемое смещение светового пятна, то есть минимально обнаружимое изменение выходного сигнала ПЧД 1, которое может быть зарегистрировано электронной схемой при заданном отношении сигнал/шум. При описанном принципе действия ПЧД 1, значения фототоков справа и слева от точки Uравны между собой, и их измерение происходит при одинаковом значении отношения сигнал/шум, что значительно снижает влияние шумовых составляющих сравниваемых фототоков на разрешающую способность ПЧД 1. Поскольку значение координатного отсчета в ПЧД 1 формируется на основе сравнения абсолютных величин текущих значений фототоков, это позволяет использовать усилительное звено логарифмического типа, в котором максимум усиления происходит на малых уровнях сигнала, что приводит к увеличению стабильности удержания координатного потенциала и, тем самым, к повышению разрешающей способности ПЧД 1.
-6
Пример. Был изготовлен опытный образец настоящего устройства, в котором в качестве источника светового излучения использован светодиод BL-L101URC, модуляция которого с частотой 1 кГц осуществлялась с помощью генератора КХО-210 фирмы GEYER. Был использован ПЧД длиной 2 см, имеющий две базовые области, изолированные друг от друга и от подложки, набор встречно включенных дискретных p-n-переходов, сформированных в каждой из базовых областей, делительную шину, созданную вдоль внешнего края первой базовой области, и сигнальную шину, созданную вдоль внешнего края второй базовой области. Источники питания ПЧД собраны на операционных усилителях INA105. Блок обработки электрического сигнала был выполнен в виде преобразователя ток-напряжение, собранного на операционном усилителе AD823 по стандартной схеме источника напряжения, управляемого током. Был использован логарифмический усилитель AD8307 с цепью нелинейной обратной связи с коэффициентом усиления k от 500 до 300 на интервале входного напряжения от 0 до ±0,01 В, k от 300 до 30 на интервале от ±0,01 до ±0,1 В и k от 30 до 1 на интервале от ±0,1 до ±1,5 В. Фильтр низких частот собран на основе операционного усилителя OP285 по схеме Чебышева второго порядка. Синхронный детектор был собран на основе микросхемы AD620. Интегратор собран на основе операционного усилителя AD822. Испытания опытного образца показали, что при мощности модулированного светового сигнала 10 Вт разрешающая способность настоящего устройства составила 0,08 мкм.