Измеритель положения одиночного светового пятна

 

ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОЛОЖЕНИЯ ОДИНОЧНОГО СВЕТОВОГО ПЯТНА, содержащий сканистор с фоточувствительным общим слоем, ссединенньм с источником смещения с двумя делительными слоями , -контакты каждого из которых соединены через два последовательно и согласно включенных источника питания , при этом одноименные контакты делительных слоев подключены к разным полюсам источников питания, и два усилителя, отличаю- . щ и и с я тем, что, с целью обеспечения непосредственного измерения положения одиночного светового пятна при одновременном повьш ении точности , введены последовательно соединенные сумматор и интегратор, два выхода которого соответственно соединены с входами двух введенных развязывающих элементов, каждый из которых включен между общей точкой источников питания каждого из делительных слоев и входом соответствующего усилителя, выходы которых соединены с инвертирующим и неинве ртирующнм входами сумматора соот (Л ветственно .

425 А

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) (5D4 Н 04 N 5/30

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2 1) 3445057 /1 8-09 (22) 28.05.82 (46) 23.11.85. Бюл. У 43 (71) Ордена Ленина физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе (72) К.Ф.Берковская, Н.В.Кириллова, Б.Г.Подласкин и В.M.Ñòoëoâèöêèé (53) 621.397(088,8) (54)(57) ИЭИЕРИТЕЛБ ПОЛОЖЕНИЯ ОДИНОЧНОГО СВЕТОВОГО ПЯТНА, содержащий сканистор с фоточувствительным общим слоем, соединенным с источником смещения с двумя делительными слоями контакты каждого из которых со единены через два последовательно и согласно включенных источника питания, при этом одноименные контакты делительных слоев подключены к разным полюсам источников питания, и два усилителя, о т л и ч а ю— шийся тем, что,.с целью обеспечения непосредственного измерения положения одиночного светового пятна при одновременном повьппении точности, введены последовательно соединенные сумматор и интегратор, два выхода которого соответственно соединены с входами двух введенных развязывающих элементов, каждый из которых включен между общей точкой источников питания каждого из делительных слоев и входом соответствующего усилителя, выходы которых соединены с инвертирующим и неинвертирующим входами сумматора соответственно.

1106425

Изобретение относится к устройст-1, вам, осуществляющим преобразование световой информации в электрическую.

Известно устройство для измерения положения одиночного светового пятна, содержащее сканистор с фоточувствительным общим слоем и фоточувствительным делительным слоем, источник питания, подключенный к контактам делительного слоя и усилитель.

Напряжение на усилителе изменяется до тех пор, пока фототок от одной половины пятна не скомпенсируется фототоком от другой половины.

Стационарное значение напряжения на усилителе пропорционально отклонению светового пятна от фиксированного положения на фотоприемной площадке.

Однако известное устройство обладает низкой точностью в реальных условиях измерения, когда форма, внутренняя структура, яркость и положение пятна на фотоприемной пло, щадке в направлении, перпендикулярном оси измерения, меняются в процессе отслеживания объекта.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является измеритель положения одиночного светового пятна, содержащий сканистор с двумя делительиыми слоями и фоточувствительным общим слоем, соединенным с источником запирающего смещения. Делительные слои снабжены контактами, которые соединены через г по два последовательно и согласно включенных источника питания, при этом одноименные контакты делительных слоев подключены к разным полюсам источников питания, а общая точка источников соединена с усилителем и оба усилителя — с сумматором.

В известном устройстве сигнал формируется общим фоточувствительным слоем, пространственное распределение освещенности преобразуется во временную последовательность электри ческих сигналов, отражающую измерения формы светового пятна.

Однако информация о положении энергетического. центра светового пятна не может быть получена непосредст. венным измерением, а. только в резуль- тате последующей обработки видеосигнала. Кроме того, точность определения положения одиночного светового

1О

40 пятна лимитируется разрешающей способностью фоточувствительного слоя.

Бель изобретения — обеспечение непосредственного измерения положения одиночного светового пятна при одновременном повьппении точности.

Для этого в измеритель положения одиночного светового пятна, содер- . жащий сканистор с. фоточувствительным общим слоем, соединенным с источником смещения, с двумя делительными слоями, контакты каждого из которых соединены через два последовательно и согласно включенных источника питания, при этом одноименные контакты делительных слоев подключены к разным полюсам источников питания, и два усилителя, введены последовательно соединенные сумматор и интегратор, два выхода которого соответственно соединены со входами двух введенных развязывающих элементов, каждый из которых включен между общей точкой источников питания каждого из делительных слоев и входом соответствующего усилителя, выходы которых соединены с инвертирующим и неинвертирующим входами сумматора соответственно.

На чертеже изображена структурная электрическая схема измерителя.

Измеритель содержит сканистор 1, состоящий из базового слоя 2, фоточувствительного общего слоя 3, дели. тельных слоев 4 и 5, экранированные от воздействия света контакты 6-9, источники 10 и 11 питания, развязывающие элементы 12, 13 усилители

14, 15, сумматор 16, интегратор 17 и источник 18 смещения.

Устройство работает следующим образом.

В исходный момент времени фоточувствительный общий слой 3 не освещен. Источники 10 и 11 питания создают линейное падение напряжения на делительных слоях 4 и 5. Градиенты распределения напряжения направлены в разные стороны, так как одноименные контакты подключены к разным полюсам источников. Например, левый контакт одного делительного слоя подключен к "плюсу" источника, тогда левый контакт другого делительиого слоя подключен к "минусу" своего источника, Нулевая эквипотенциаль устанавливается на линии, проходящей через середины обоих девсего пятна. В интеграторе 17. этот ток заряжает емкость, на которой формируется управляющее напряжение; через развязывающие элементы 12 и 13 управляющее напряжение поступает на

35 общие точки источников 10 и 11 питания и тем самым изменяет распределение напряжения на делительных слоях.

Необходимо для функционирования устэ ройства чтобы нулевая эквипотенци- 1 аль, перемещаясь вдоль структуры, оставалась на двух делительных слоях на одной прямой, перпендикулярной оси измерений. Поэтому управляющее напряжение с выходов интегратора 17 должно в рассматриваемом случае поступать в нижнюю цепь со знаком "+", а в верхнюю — со знаком "- . Развязывающие элементы 12 и 13 не пропус50 кают управляющее напряжение в прямые цепи, на усилители 14 и 15.

Под действием управляющего напряжения нулевая эквнпотенциаль начина.ет перемещаться из положения посередине структуры — отсчетного по55 ложения при данном включении источников 10 и 11 питания, когда все четыре источника равны,.в направлении к световому пятну. з 11064 лительных слоев 4 и 5, т.е. через середину сканистора 1. Фоточувстви1 тельный общий слой 3 находится под запирающим смещением от источника

18 и подготовлен к восприятию ин- 5 формации. Полупроводниковый базовый слой 2.имеет проводимость, противоположную по знаку слоям 3, 4 и

5, Таким образом, линейно протяженные р-и-р (и -р-n) -структуры обра-, 10 зованы слоями 4-2-3 и 3-2-5 ° Базовый слой 2 может быть выбран как высокоомным, с искусственно сниженным временем-жизни носителей и длиной диффузионного смещения, так и анизо- 15

-тропно проводящим, например разделенным на дискретные элементы.

Фоточувствительный общий слой 3 может быть выполнен широким, превосходящим по бвоим размерам в направлении, перпендикулярном оси измерений, размеры регистрируемого светового пятна. Это обеспечивает захват малого пятна в поле измерений при наличии дрейфа в направлении, пер- 25 пендикулярном оси измерений. С другой стороны, это обстоятельство позволяет повысить чувствительность измерителя к слабым световым потокам в тех случаях, когда регистри- . 30 руемое одиночное пятно имеет форму вытянутого в одном измерении прямоугольника (штрих-фокус — характерная форма пятна при однокоординатных измерениях). В этом случае ширина Фоточувствительного. общего слоя 3 согласуется с высотой "штриII ха, и используется весь световой поток, обеспечиваемый оптикой, I . Р-Р-р (ь-р-п)-структуры находятся под воздействием напряжений, поступающих с делитвльных слоев, с источника 18 запирающего смещения и с выходов интегратора 17..В результате элементарные диодные ячейки одного из делительных слоев, например ниж1 него, слева от нулевой .эквипотенциа-ли заперты, а справа открыты; диоды же второго делительного слоя, верхнего,. слева открыты, а справа зацерты.

В верхнюю цепь поступают темновые токи фотодиодных элементарных ячеек слоя 3 от левой половины структуры, а в нижнюю цепь — темновые токи от правой половины структуры. Если элементарные ячейки по всей длине структуры идентичны, то с учетом инвертирования на входе сумматора 16 ток, 25 4 поступающий в интегратор 17, равен нулю, и на общие точки источников питания, смещение не подается. Положение нулевой эквипотенциали сохраняетСяе

В следующий момент времени спроецируем на фоточувствительный общий слой 3 световое пятно, координату энергетического центра которого следует измерить.

Положим, что положение центра пятна не совпадает с положением нулевой эквипотенциали, а проецируется на левую часть фотоприемной площадки, ограниченной фоточувствительным общим слоем 3. Поскольку все элементарные диоды последнего находятся под запирающим смешением, то те из диодов, которые попали в область пятна, генерируют фототок. Суммарный фототок от освещенного участка попадаЕт в ту цепь, участок делительного слоя которой находится рядом с освещенным участком и элементарные диоды которого открыты. В нашем примере это верхняя цепь, Во второй, нижней цепи добавка фототока равна нулю, В сумматоре 16 формируется сигнал, равный разности токов в двух цепях, т.е. равный по величине полному фототоку от

ВНИИИИ Заказ 7039/4 Тираж 658 Подущсщэе

Фидыаи ПОП "Ва ект", г.Ужгород, уа.Проектмая, 4

5 11064

Можно выделить следующий момент времени, когда нулевая эквипотенциаль начнет пересекать регистрируемое световое пятно. Фототок, генерируемый элементарными фотодиодами слева от эквипотенциали, попадет в верхнюю цепь, справа — в нижнюю, В цепи обратной связи будет протекать ток до тех пор, пока нулевая эквипотенциаль не совпадет с линией, раз- 10 деляющей пятно точно пополам энергетически.

При непрерывном освещении регистрируемым,пятном установится равновесное состояние, характеризуемое 15 отсутствием тока в цепях устройства, которое поддерживается напряжением на выходах интегратора 17, его величина пропорциональна расстоянию центра пятна от центра структуры, 20 а знак указывает на направление отсчета.

Таким образом, измеритель обеспечивает непосредственное измерейие положения светового пятна независимо от его конфигурации, распределения яркости внутри пятна, положения относительно оси измерений. В прототипе решение такой задачи потребовало бы записи полного видеосигнала 30 в память ЦВМ и последующей обработ25 6 ки для выявления энергетического центра.

Измеритель обеспечивает одновременное повышение точности. Сравнение токов в двух цепях измерителя производится с помощью усилителей, полоса частот которых выбрана в соответствии со временем перемещения пятна в поле зрения сканистора.

Таким образом, в отличие,от прототипа, где должна регистрироваться элементная частота, в измерителе регистрируется кадровая частота.

Это.позволяет существенно повысить отношение сигнал/шум и осуществлять сравнение в двух цепях измерителя с большей точностью, т.е. с большей точностью измерять положение светового пятна.

При наличии в поле зрения сканистора мешающих объектов регистрируемой световой сигнал модулируют. В этом случге усилители выполняют резонансными, настроенными на частоту световой несущей.

В качестве фоторегистратора использовался сканистор с фоточувствительным общим слоем и двумя делительными слоями, так называемый мультискан, в дискретно-непрерывном варианте исполнения,