Устройство для измерения отклонения светового пучка

 

Изобретение может быть использовано для измерения отклонения светового пучка от начального положения. Цель изобретения - упрощение устройства при измерении модуля отклонения светового пучка от оптической оси устройства, Устройство обеспечивает получение путем преобразования сигналов с катодов и анодов четырехэлементного фотодиода 1 сигнала, пропорционального квадрату отклонений светового пучка. Это достигается путем поочередного подключения переключателями 11-14 и коммутатором 4 электродов фотодиода 1 к операционным усилителям 2 и 3, охваченным логарифмической обратной связью и вычитанием их выходных сигналов в сумматоре 10. Последующее прохождение сигнала через разделительный элемент 8 и синхронный детектор 17 устраняет погрешность от изменения температуры и светового потока. 1 ил. СО С о 00 о VI о 4

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 J 1/44

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4750898/25 (22) 16.10.89 (46) 07.11.91. Бюл. М 41 (71) Научно-производственное обьединение

"Плазма" (72) Е.И.Чернов (53) 621.383(088.8) (56) 1. Алякишев С.А. и др, Лазерные опорные системы, Электронные и газоразрядные приборы, вып.7(498), ЦНИИ, М,:

Электроника, 1977, с.51.

2. Там же, с.56.

3. Авторское свидетельство СССР

hL 1323864, кл. G 01 J 1/44, 1986. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОТКЛОНЕНИЯ СВЕТОВОГО ПУЧКА (57) Изобретение может быть использовано для измерения отклонения светового пучка

„„. Ж „„1689764 А1 от начального положения. Цель изобретения — упрощение устройства при измерении модуля отклонения светового пучка от оптической оси устройства, Устройство обеспечивает получение путем преобразования сигналов с катодов и анодов четырехэлементного фотодиода 1 сигнала, пропорционального квадрату отклонений светового пучка. Это достигается путем поочередного подключения переключателями 11-14 и коммутатором 4 электродов фотодиода 1 к операционным усилителям 2 и 3, охваченным логарифмической обратной связью и вычитанием их выходных сигналов в сумматоре

10. Последующее прохождение сигнала через разделительный элемент 8 и синхронный детектор 17 устраняет погрешность от изменения температуры и светового потока.

1 ил. )O

14 »

Изобретение 01 носится к измерительноЙ техн IKB и может бьгть использовано для

РегистРзЦи11 ОтклОнения 836T(IBb х Г1Учков QT

H ачальн<Ръго положения, Известно устройств(2 для Определения

ОТКЛОН614ИЯ, С»)дерЖЗ1щее "-!BI »IpBKÇËBÌBI-I) нь1Й координатнь1й фотодиод . Общим анодом, подкл11»Ч1енным к 11сточнику напряжения, а катоды элементов фотодиода через резистор подключены к общей шине устройства, между катодами 1)(;тодиОда BKJIIoчены аналого-цифровые Г1реоб1 Рззозатели, Выходы которьи; подклк)чены к арифметическому блоку (1).

Недостатком этого ус ГРОЙ1ства являются знзч11тельнь18 погрешности В ОГIРеделении

См81щ61411Я Све» ОВ010 !29 11;;:1 падающего Одно БРемен но нз четы г»8 BJ! BMB!!2 з фОТОДиодз

Обусловл6нные темГ!Ирзгу1»ным Д()ей(1)ом токов, утечки элементов 4»отодиодз и измРнением светов1,1Х потоког, Кроме того, устРО lстВО им662 большуlо посто!1нну10 ВГ)емеНИ. КОТОРЗЯ ОГ1РедеЛЯется ГIРОИЗВ8Д8НИВМ нагрузочных резисторов и со )с"Гвенных емКзстей ЭЛЕМен)OB ф(1ГОДИОДЗ!, Извест14О также ус i" ройство ДлЯ ОП06ДBления Отклонения cB ТОВОГО 1»учкз, содBР)1(зщее чет1 рехэлеме -:. Г!- I»1 jj к()оодинзтный фотОДиод, с ОЬЩим анодом Г11»дкл10ч8нным

K G6iI eA шине ус)-Оойствз» !(а Годы =,лементов фо.-одиода под1»лючен i.!K Р (г дзм ql фференоиал1,ных 1гсилитпл81 !, 1)ыхрг ы KQTQpblx аере3 аналого-цифрОВые:-1Г - пбра30взтели подключены к а1)ифме)ич(скому gicTройству (.).

Н6ДОстзтком этОГО т:- хническОГО реш8 н ия я вля lотся no! pe!&i floe I M из-за температурногоо дрейфа напря)кения смещения у1»илителей M из за измеf!BHM!! сВетовых потоков регистрируемОГ(1 лучка, Крома того, у1 Гройство имеет низ) ОР бы гролействие из-эа большой постоя ной времени каждого из элементов фотодисдз, нагруж814ных на большие Входные co!1pQT!!eлзния л"ил11теля, НЗИС!Олее Ьлизким ПО Гехнической сущности к предлагаемому являетсл устрОЙство

ДЛЯ ИЗМООЕНИЯ ОТКЛОНВНИЛ СВВТОВО! ПУЧКЗ, содержащее координатный че)ырехэлементный фотодиод, общий з..ектрод Koòîðoão соединен;, общеи шинои устр01»1ствз, з Ka)K— д»1Й из ОтдельныЙ электродов через кОммута.гор подкл10чен K Об!Дей шине и через

Операционный усилител1 " суммзтроу вы"

)(Од которого через ком паозтг1Р сораиненный с источником Опорных -Ienp3ÔBHMÉ, подключен K Генерат01)у IBKT()eûK импульСОВ, ВЫХОД КОТОРОГО ПОДКЛГОЧВН К УГ10ЗВЛЯК)ш им входам коммут-:: торов, Выход

Операционных ycMJIMTBJIBI»I ч !på3 Раздели2О

ЗО

ЗВ;

4О

4Г

5О

55 тельные элементы подключены к регистратору (3).

Недостатком устройства является то, что при работе в широком динамическом диапазоне световых потоков не обеспечивается Высокая точность устройства, Это связано с тем, что при регистрации смещения пучков с разными световыми потоками меняется частота съема информации в устройcтве, за счет этого устраняется погрешность из-эа изменения световых потоков и при слабых потоках она оказывается достаточно малой, при этом значительно увеличиваются динамические погрешности устройства, так как за время считывания информации исследуемый параметр может значительно измениться. Кроме того, при измерении мо. дуля отклонения устройство усложняется, так как требуется ввести два аналого-цифроВых преобразователя и. арифметический блок, осуществляющий операции возведения В квадрат, суммирования и извлечения квадратного корня, а так кзк часто требуется аналоговый выход, то нужно ввести цифроаналоговый преобразователь.

Цель изобретения — упрощение устройства при измерении модуля отклонения светового пучка от оптической оси устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения отклонения светового пучка, содержащее четырехэлементный фотодиод, два операционных усилителя, три коммутатора, генератор тактовых импульсов, разделительный элемент, регистратор, сумматор, ко входам которого подключены выходы операционных усилителей, введены четыре переключателя, счетчик, дешифратор и синхронный детектор, при этом катоды фотодиода подключены к входам первого, второго, третьего и четвертого переключателей, первые выходы которых Объединены и подключены к общей шине, вторые выходы переключателей подкл)очены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, анод фотодиода через первый коммутатор подключены к инВертирующему входу второго операционного усилителя, между выходом и инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей включены цепи логарифмирующих обратных связей и соответственно второй и третий коммутатоpbl, управляющие ВхОды пРРВОГО, ВторОГО и третьего коммутаторов подключены к первому, второму и третьему выходам дешифратора„четвертый, пятый, шестой и седьмой

Выходы которого подкл1очены к управляющим входам первого, второго, третьего и четвертого переключателей, восьмой выход дешифратора подключен к управляк)щему

1689764

45

50 входу синхронного детектора, выход которого подключен к регистратору, входы дешифратора подключены к выходам счетчика, подключенного к генератору тактовых импульсов, выход сумматора через разделительный элемент подключен к синхронному детектору, а неинвертирующие входы операционных усилителей подключены к общей шине.

Использование логарифмирующей обратной связи у операционных усилителей, обеспечение поочередной подачи сигнала с каждого фоточувствительного элемента фотодиода на вход операционного усилителя с помощью переключателя, генератора, счетчика и дешифратора с последующим вычи",àíèåì из него сигнала второго операционного усилителя на сумматоре позволяет формировать сигнал, постоянная составляющая которого пропорциональна сумме квадратов смещения светового пучка по двум координатам.

В устройстве обеспечивается формирование простыми средствами выходного сигнала, величина которого пропорциональна отклонению светового пучка от начала координат (от точки пересечения линий раздела чувствительных элементов фотодиода). Время преобразования в устройстве не зависит от величины регистрируемого светового потока, а поэтому высокое быстродействие может быть обеспечено во всем диапазоне световых потоков (6-8 порядков) регистрируемых световых пучков. Благодаря этому заявляемое устройство имеет незначительные динамические погрешности по сравнению с прототипом.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит четырехэлементный фотодиод 1, два операционных усилителя 2 и 3, три коммутатора 4-6, генератор 7 тактовых импульсов, разделительный элемент 8, регистратор 9, сумматор 10, к входам которого подключены выходы операционных усилителей 2 и 3. Устройство также содержит четыре переключателя 1114, счетчик 15, дешифратор 16 и синхронный детектор 17. При этом катоды фотодиода 1 подключены к входным выводам переключателей 11-14, одни выводы которых подключены к общей шине, другие — к инвертирующему входу первого операционного усилителя 2. Анод фотодиода 1 через первый коммутатор 4 соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя 3, между выходом и инвертирующим входом операционных усилителей 2 и

3 включены соответствующие цепи 18 и 19 логарифмирующей обратной связи и коммутаторы 5 и 6. Управляющие входы коммутаторов 5 и 6, переключателей 11-14 и синхронного детектора 17 подключены к соответствующим выходам дешифратора

16, входы которого соединены с выходами счетчика 15, подключенного к генератору 7 тактовых импульсов. Выход сумматора 10 через разделительный элемент 8 подключен к синхронному детектору 17, соединенному с регистратором 9. Неинвертирующие входы операционных усилителей соеДинены с общей шиной. Регистратор 9 может представлять собой последовательное соединение первого (20) и второго (21) интеграторов, компаратора 22 и формирователя 23 импульсов, выход которого подключен к входам "обнуления" интеграторов и является выходом регистратора 9, второй вход компаратора 23 подключен к источнику 24 опорного напряжения. В качестве разделительного элемента 8 могут быть использованы конденсатор, трансформатор и т.д. Логарифмические обратные связи 18 и 19 могут быть осуществлены на транзисторах или диодах.

Устройство работает следующим образом.

Световой пучок, попадающий одновременно на четыре чувствительных элемента фотодиода 1, генерирует в них фототоки, величина каждого из которых пропорциональна величине светового потока, падающего на соответствующий элемент фотодиода 1, и зависит от смещения центра светового пучка относительно точки пересечения линий раздела элементов фотодиода 1.

Если сориентировать оси координат так, что ось ОУ будет проходить через центр (О), фотодиоды и точку К1 фотодиода 1, а ось OX через центр О и точку Кг фотодиода, то при малых смещениях светового пучка фототоки катодов К1,Kz,Кз,К4 будут соответственно равны, 1« = g Ф(1+ К.Y) (1)

1к2 = g Ф (1 + К.х) (2)

1кз = g Ф(1 — К.Y) (3)

1ка = g Ф(1 — К.X) (4) где g — чувствительность элементов фотодиода, приведенная к. спектру регистрируемоro излучения;

Ф вЂ” световой поток, падающий на один элемент фотодиода 1 при совпадении центра светового пучка с центром чувствительной поверхности фотодиода (0):

К вЂ” коэффициент пропорциональности, определяющий связь между смещением ХУ центра светового пучка относительно центра фотодиода 1, 1689764

Генератор 7, счетчик 15 и дешифратор

16 упраВляют состОЯнием переключателей

11-14, коммутаторов 4-6 и работой синхронного детектора 17.

Устройство работает в восемь тактов.

В первом такте переключатель 11 подключает катод К1фотодиода 1 к входу усилителя 2„переключатели "l2-14 подключают катоды К, Кз, К к общей шине, коммутаторов 4 замкнут, а коммутаторы 5 и 6 разомКнуты.

При этом на выходе усилителя 2 формируется напряжение.

О4 = о, in (g Фl!и!)+(рт 1п (1+ К У)+ Ос2, (5) где р, — температурнь;й потенциал р-и-перехода цепи логарифмирующей обратной связи 18(19);

М вЂ” обратный ток р-и-перехода логарифмируюьцего элемента 18;

Ucz — постоянное Выходное напряжение смещения усилителя 2.

Выходное напряжение yt;:илителя 3 оказывается раВным

М1 = фт In (4 " g Иttitg) + - сз1 (6) где М вЂ” обратный ток р-п-перехода элемента цепи логарифмир1/ющеЙ Обратной сВЯзи

19;

Осз — выходное напРяжение смещениЯ усилителя 3, Для обеспечения точности измерения требуется выполнение условия Itig = 4 1щ.

Это гарантируется использованием в качестве элемента обратной связи 19 четырехэмиттерного транзистора, либо параллельным включением четырех элементов, идентичных по характеристикам элементу 18(это возможно„если элементы цепи 18 и 19 выполнены по одной технологии и желательно на одной подложке), тогда

Й1 = — pr In (g . Ф/1м1) + .«сз, (7) на выходе сумматора 10

UlOl = Pr In (1+ K. Y) - Оси+ Осэ. (8)

Во втором такте переключатели 11-14 подключают катоды фотодиода 1 к общей

lUNHe, коммутатор 4 разомкнут, а коммутаторы 5 «6- замкнуты, При этом напряжение на Выходе cjjMMGTGpa 10 раВнО

О 1о1 = 0а+ О з. (9)

В последующих тактах устройство работает аналогично: поочередно замыкаются переключатели 12-14, чередуясь с замыканием коммутатора 4, При атом сигнальные напряжения на выходе Сумматора l0 при подключении к входу усилителя 2 соответственно катодов

Й,Кз,К4 равны

Uttm=pr In(1+ K Х.", +0а+ Осз; (10) U103= pl In (" К Y)+ Uñ,2+ Lk.t; (11)

0104= (pr In (1 — К X) + 0с2 + Осз. (12)

Перепады напряжения с выхода сумматора 10 передаются через разделительный элемент 8 на синхронный детектор 17, на выходе которого формируется постоянное напряжение, пропорциональное сумме этих перепадов.

10 U> --Кп р, @(1-К (X + Y )+К х

x)t, Y ), (13) где Кп — коэффициент передачи синхронного детектора 17.

При малых смещениях пучка К Х Y «

« К (Х +У)и К (X +У)«1,Тогда напряжение на выходе синхронного детектора равно

Ut7 = — «7 - <р, r (X + Y ). («)

Если коэффициент передачи К17 обеспе20 чить обратнозависимым по температуре р, что можно выполнить использованием терморезистора в цепи обратной связи синхронного детектора 17, то тогда крутизна изменения выходного сигнала не будет зависеть от температуры, Поскольку постоянная составляющая выхоцного напряжения сумматора 10, подверженная температурному дрейфу, не передается через разделительный элемент 8 на детектор 17, то это 0 также приводит к повышению точности, Как следует из выражения (14), выходной сигнал устройства не зависит от изменения светового потока. Кроме того, благодаря использованию логарифмической обратной связи в усилителях 2 и 3 устройство может работать в широком динамическом диапазоне (не менее шесть порядков).

В регистраторе 9 выходное напряжение детектора 17 может быть подвергнуто операции извлечения квадратного корня. Если регистратор выполнен в виде последовательного соединения двух интеграторов, компаратора и формирователя импульсов, выход которого подключен к входам сброса в "О" интеграторов и является выходом регистратора 9, и второй вход компаратора подключен к источнику опорного напряжения, тогда в регистраторе 9 выходной сигнал синхронного детектора 17 подвергается не50 линейному преобразованию: извлечению квадратного корня и затем преобразуется в импульсы, частота следования которых пропорциональна величине смещения светового пучка.

55 Формула изобретения

Устройство для измерения отклонения светового пучка, содержащее четырехэлемеитный фотодиод, два операционных усилителя, три коммутатора, генератор тактовых импульсов, разделительный зле1689764

Составитель Е.Маколкин

Редактор А.Козориз Техред M.Моргентал Корректор Л.Бескид

Заказ 3805 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 мент. регистратор, сумматор, к входам которого подключены выходы операционных усилителей, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения устройства при измерении модуля отклонения светового пучка от оптической оси устройства, в него введены четыре переключателя, счетчик, дешифратор и синхронный детектор,.при этом катоды фотодиода подключены соответственно к входам первого, второго, третьего и четвертого переключателей, первые выходы которых объединены и подключены к общей шине, вторые выходы переключателей объединены и подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, анод фотодиода через первый, коммутатор подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, между выходами и инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей включены цепи логарифмирующих обратных связей и соответственно второй и третий коммутаторы, управляющие входы первого, второго и третьего коммутаторов подключе5 ны соответственно к первому, второму и третьему выходам дешифратора, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы которого подключены к управляющим входам первого, второго, третьего и четвертого переклю10 чателей, восьмой выход дешифратора подключен к управляющему входу синхронного,дешифратора, выход которого подключен к регистратору, входы дешифратора подключены к выходам счетчика импульсов, 15 вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, неинвертирующие входы операционных усилителей подключены к общей шине, а выход сумматора через разделительный элемент под20 ключен к входу синхронного детектора.