CH667742A5

CH667742A5 - Verfahren zur analogen elektrooptischen detektion und vorrichtung zur bestimmung der position eines strahlungsflecks.

Info

Publication number: CH667742A5
Application number: CH203684A
Authority: CH
Inventors: Berhard F Dr Gaechter
Original assignee: Wild Heerbrugg Ag
Priority date: 1984-04-25
Filing date: 1984-04-25
Publication date: 1988-10-31
Also published as: DE3424789C1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.

Strahlungsdetektoren des sogenannten unterteilten oder Sektoren-Typs sind beispielsweise aus dem Patent DE-2 409 563 bekannt. Sie sind in Detektionsbereiche unterteilt, die paarweise durch eine schmale bandförmige Zwischenzone getrennt sind; ferner sind sie mit Detektionselektroden versehen, die je einem Detektionsbereich zugeordnet sind, und mit einer Basiselektrode versehen, die allen Detektionsbereichen gemeinsam zugeordnet ist.

Strahlungsdetektoren des sogenannten lateralen oder Wallmark-Typs sind bekannt und beispielsweise in der Abhandlung von Fieret, Kwakernaak und Middlehoek in Electronic Letters Vol. 13 (1977) Heft 14 Seiten 422-424 beschrieben. Sie sind so beschaffen, dass eine örtliche Bestrahlung ihrer Detektionsebene in dieser Ebene eine entsprechende Verteilung eines elektrischen Feldes erzeugt, die mit in der Detektionsebene angeordneten Elektroden und einer geeigneten Schaltung erfasst werden kann, um die bestrahlte Stelle zu orten. Sie weisen keine zu ihrem Betrieb erforderliche Basiselektrode auf.

In der Distanzmessung sind elektrooptische Methoden weit verbreitet, für die Richtungsbestimmung wurden sie bis heute selten verwendet. Die meisten Methoden zur elektrooptischen Richtungsbestimmung beruhen auf der Bestimmung der Position eines Strahlungsflecks in einer Detektionsebene eines Strahlungsdetektors.

Bei einer beispielsweise aus dem Patent DE-2 409 563 bekannten Methode zur Bestimmung der Position des Strahlungs-flecks in der Detektionsebene benutzt man einen Strahlungsdetektor mit mindestens zwei Detektionsbereichen, die, durch eine schmale bandförmige Zwischenzone getrennt, nahe beieinander auf einem Substrat angeordnet sind. Der Strahlungsfleck muss dabei mindestens zwei Detektionsbereiche erfassen. Diese erzeugen je einen Photostrom, der dem auf den betreffenden Detektionsbereich fallenden Teil der Strahlung proportional ist. Bildet man die Differenz der Photoströme zweier Detektionsbereiche, auf die die Strahlung fällt, und dividiert man diese Differenz durch die Summe der Photoströme, so erhält man einen Wert, der die Position des Strahlungsflecks in bezug auf die Mittellinie der Zwischenzone darstellt. Dieser Wert kann im übrigen als Signal benutzt werden, um den Strahlungsdetektor gegenüber den Strahlungsfleck so zu verschieben, dass die Differenz der Photoströme gleich Null wird. Aus der Position des Strahlungsdetektors kann auf die Position des Strahlungsflecks geschlossen werden.

Ein Nachteil dieser Methode und der dazu verwendeten Vorrichtung ist, dass der Strahlungsfleck viel grösser als die Breite der Zwischenzone sein muss, wenn die Positionsregelung eindeutig und ohne Totstrecke sein soll. Ein weiterer Nachteil ist, dass der Dynamikbereich der Auslenkung des Strahlungsflecks etwa gleich dem Durchmesser des Strahlungsflecks ist. Wird der Strahlungsfleck um mehr als einen halben Durchmesser von der Mittellinie der Zwischenzone ausgelenkt, so tritt Sättigung ein und das die Auslenkung darstellende Signal bleibt bei jeder weiteren Auslenkung konstant. Zudem variiert das Signal auch über den Dynamikbereich nicht linear mit der Auslenkung des Strahlungsflecks, so dass eine solche Vorrichtung zwar zum Nullabgleich und zur Positionsregelung, jedoch nicht zur direkten Messung der Position des Strahlungsflecks geeignet ist.

Zur Bestimmung der Position eines Strahlungsflecks, dessen Durchmesser kleiner ist als die Breite der Zwischenzone, wurde beispielsweise im Patent CH-608 626 vorgeschlagen, die Totstrecke mit Hilfe einer speziellen Optik zu überbrücken. Diese Lösung ist sehr aufwendig. Eine andere Lösung wurde beispielsweise im Patent DE-2 409 563 vorgeschlagen und besteht darin, den Strahlungsfleck durch Defokussierung, Vervielfachung mit seitlicher Verschiebung, Streuung oder ähnlichen Massnahmen zu vergrössern. Dadurch wird aber die Empfindlichkeit der Positionsbestimmung beeinträchtigt, weil das dem Detektorrauschen äquivalente Auslenken des Strahlungsflecks dem Durchmesser des Strahlungsflecks proportional ist.

Zur Bestimmung der Position eines Strahlungsflecks in einer Detektionsebene benutzt man in einer anderen bekannten Methode einen Strahlungsdetektor des sogenannten lateralen oder Wallmark-Typs. In diesen Zusammenhang wird beispielsweise auf die Abhandlung von Peterson IEEE Journal of Solid State Circuits SC-13 Nv3, June 1978, Seite 382 verwiesen. Bei Wall-mark-Strahlungsdetektoren ist die dem Detektorrauschen äquivalente Auslenkung des Strahlungsflecks proportional zur Länge des Strahlungsdetektors in einer zur Auslenkung parallelen Richtung, während sie vom Durchmesser des Strahlungsflecks unabhängig ist. Die Linearität eines Wallmark-Strahlungsdetektors ist sehr gut, das Signal ist als Information über die Position des Strahlungsflecks ohne Korrektur verwenbar. Allerdings muss der Durchmesser des Strahlungsflecks wesentlich kleiner sein als die genannte Länge, so dass der Dynamikbereich der Auslenkung des Strahlungsflecks etwa gleich der genannten Länge ist. Daraus ergibt sich der Nachteil, dass Wallmark-Strahlungsdetektoren im allgemeinen weniger empfindlich sind als Strahlungsdetektoren des sogenannten unterteilten oder Sek-toren-Typs.

Zur Bestimmung der Postion eines Strahlungsflecks in einer Detektionsebene benutzt man in einer noch anderen bekannten Methode das Prinzip der Modulation der Strahlung durch kontinuierlich veränderte Überlagerung zweier identischer periodischer Strukturen, beispielsweise der Strukturen eines Zielbildes und eines Rasters. Ein Beispiel einer solchen Methode wird im Patent CH-638 057 vorgeschlagen. Nachteilig ist dabei der erforderliche grosse Aufwand an mechanischen und elektronischen Vorrichtungen.

Aufgabe der Erfindung ist, bei der Bestimmung der Position eines Strahlungsflecks in einer Detektionsebene die Vorteile der Sektoren-Strahlungsdetektoren, insbesondere ihre bessere Emp5

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findlichkeit, mit den Vorteilen der Wallmark-Strahlungsdetek-toren, insbesondere ihre bessere Linearität, zu kombinieren.

Die Lösung dieser Aufgabe geht aus von der Beobachtung, dass bei einigen Sektoren-Strahlungsdetektoren auch die Zwischenzone strahlungsempfindlich ist. Bei der Erforschung der Eigenschaften dieser besonderen Strahlungsdetektoren wurde gefunden, dass ein Photostrom zwischen zwei Detektionselektroden fliesst, wenn der Durchmesser des Strahlungsflecks viel kleiner ist als die Breite der Zwischenzone und der Schwerpunkt des in bezug auf die Strahlungsintensität gewichteten Strahlungsflecks nicht auf der Mittellinie der Zwischenzone liegt. Es wurden Strahlungsdetektoren der genannten Art gefunden, bei denen der Photostrom sowohl der auf die Zwischenzone fallenden Strahlungsintensität als auch dem Abstand zwischen der Mittellinie der Zwischenzone und dem Schwerpunkt des in bezug auf die Strahlungsintensität gewichteten Strahlungsflecks proportional ist. Der Photostrom ist aber unabhängig vom Durchmesser des Strahlungsflecks, solange dieser Durchmesser, wie erwähnt, viel kleiner ist als die Breite der Zwischenzone. Die Linearität des Signals ist noch besser, wenn als Signal anstelle des Differenzwerts, der die Differenz von zwei durch je eine Detektionselektrode fliessenden Photoströmen darstellt, ein normiertes Ausgangssignal verwendet wird. Dazu wird die Summe aller zwischen den Detektionselektroden und der Basiselektrode fliessenden Photoströme gebildet, und als normiertes Ausgangssignal wird der Quotient der Division des Differenzwerts durch den Summenwert verwendet. Eine solche Normierung ist bekannt und beispielsweise im bereits zitierten Patent DE-2 409 563 erwähnt; entsprechende Schaltungen zur Durchführung dieser Normierung sind also bekannt und brauchen nicht näher beschrieben zu werden. Es wurden Sektoren-Strah-lungsdetektoren gefunden, bei denen das normierte Ausgangssignal über einen grossen Teil der Zwischenzone eine lineare Funktion der Auslenkung des Schwerpunktes des Strahlungsflecks ist, während der Dynamikbereich der Auslenkung die ganze Breite des Strahlungsdetektors, d.h. die beiden Detektionsbereiche und die Zwischenzone umfasst.

Erfindungsgemäss hat sich aus diesen Betrachtungen überraschenderweise ergeben, dass ein Strahlungsdetektor des sogenannten unterteilten oder Sektoren-Typs als Strahlungsdetektor des sogenannten lateralen oder Wallmark-Typs zur Analogangabe der Position eines Strahlungsflecks auf einer in einer Detektionsebene liegenden Achse verwendbar ist.

Eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Strahlungsflecks auf einer in einer Detektionsebene liegenden Achse eines positionsempfindlichen analogen Strahlungsdetektors ist gekennzeichnet durch die im Anspruch 2 angegebene Kombination von Merkmalen. Eine bevorzugte Ausbildung der Vorrichtung ergibt sich aus dem abhängigen Anspruch 3.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 bei einem für das erfindungsgemässe Verfahren geeigneten Strahlungsdetektor, eine graphische Dastellung des Differenzwerts als Funktion der Position des Strahlungsflecks,

Fig. 2 bei einem für das erfindungsgemässe Verfahren geeigneten Strahlungsdetektor, eine graphische Darstellung des Summenwerts als Funktion der Position des Strahlungsflecks,

Fig. 3 bei einem für das erfindungsgemässe Verfahren geeigneten Strahlungsdetektor, eine graphische Darstellung des normierten Ausgangssignals als Funktion der Position des Strahlungsflecks,

Fig. 4 bei einem für das erfindungsgemässe Verfahren ungeeigneten Strahlungsdetektor, eine graphische Darstellung des Differenzwerts als Funktion der Position des Strahlungsflecks,

Fig. 5 bei einem für das erfindungsgemässe Verfahren ungeeigneten Strahlungsdetektor, eine graphische Darstellung des Summenwerts als Funktion der Position des Strahlungsflecks,

Fig. 6 bei einem für das erfindungsgemässe Verfahren ungeeigneten Strahlungsdetektor, eine graphische Darstellung des normierten Ausgangssignals als Funktion der Position des Strahlungsflecks.

In allen Figuren wird die gleiche Darstellungsart verwendet. Auf der Abszisse wird der Abstand zwischen der Mittellinie der Zwischenzonen und dem im vorstehenden definierten Schwerpunkt des Strahlungsflecks aufgetragen; der Abstand Null liegt in der Mitte des Diagramms und die Auslenkung des Strahlungsflecks erfolgt nach beiden Seiten bis über die Grenze der Zwischenzone. Auf der Ordinate wird in Fig. 1 und 4 jeweils der im vorstehenden definierte Differenzwert, in Fig. 2 und 5 jeweils der im vorstehenden definierte Summenwert und in Fig. 3 und 6 jeweils das im vorstehenden definierte normierte Aus-gangssignal aufgetragen.

Die in Fig. 3 und 6 angegebenen Werte stellen also den Quotienten der Division der entsprechenden Werte der Fig. 1 und 4 durch die entsprechenden Werte der Fig. 2 und 5 dar. Es ist in Fig. 3 ersichtlich, dass bei einem für die erfindungsgemässe Verwendung geeigneten Sektoren-Strahlungsdetektor das normierte Ausgangssignal mit der Auslenkung des Strahlungsflecks über den grössten Teil der Zwischenzone linear variiert. Es ist in Fig. 6 ersichtlich, dass bei einem für die erfindungsgemässe Verwendung ungeeigneten Sektoren-Strahlungsdetektor das normierte Ausgangssignal mit der Auslenkung des Strahlungsflecks über den grössten Teil der Zwischenzone nicht linear und insbesondere mehrdeutig variiert. In beiden Fällen findet der grösste Teil der Variation des Ausgangssignals in einem Bereich der Auslenkung statt, der etwa der Breite der Zwischenzone entspricht: die Empfindlichkeit ist also in diesem Bereich sehr hoch. In Fig. 3 findet ein bedeutsamer restlicher Teil der Variation des Ausgangssignals noch statt, wenn der Strahlungsfleck auf die Detektionsbereiche trifft: es tritt also bei diesem für die erfindungsgemässe Verwendung geeigneten Strahlungsdetektor keine Sättigung ein, was in Fig. 6 und beim entsprechenden Strahlungsdetektor nicht der Fall ist.

Die Auswahl der für das erfindungsgemässe Verfahren geeigneten Sektoren-Strahlungsdetektoren erfolgt also anhand des Verlaufs des normierten Ausgangssignals, wobei eine erste Ausscheidung anhand von Mehrdeutigkeiten des Differenzwerts vorgenommen werden kann. Als Beispiel eines geeigneten Strahlungsdetektors kann die Dual-Diode LD2-5T von Centronics, als Beispiel eines ungeeigneten Strahlungsdetektors die Dual-Diode H PIN 100D von Hughes zitiert werden: die in Fig. 1 bis 3 dargestellten Messergebnisse wurden mit der erstgenannten, die in Fig. 3 bis 6 dargestellten Messergebnisse mit der letztgenannten Diode aufgenommen. Die erstgenannte Diode ist ein gutes Beispiel eines Strahlungsdetektors zur hochempfindlichen Bestimmung der Position eines Strahlungsflecks bei einer Auslenkung über einen Bereich von etwa 40 Mikrometer, wobei die Information über die Ablage des Strahlungsflecks dem normierten Ausgangssignal ohne Korrektur entnehmbar ist.

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3 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zur analogen elektrooptischen Detektion der Position eines Strahlungsflecks entlang einer Achse, die in einer Detektionsebene liegt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlungsdetektor des unterteilten oder Sektoren-Typs als lateraler oder Wallmark-Typ-Detektor betrieben wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schaltung zur Auswertung von Signalen eines Strahlungsdetektors des sogenannten lateralen oder Wallmark-Typs, an deren für den Anschluss des Strahlungsdetektors bestimmte Eingänge ein Strahlungsdetektor des sogenannten unterteilten oder Sektoren-Typs angeschlossen ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen in Detektionsbereiche unterteilten Strahlungsdetektor, der mit je einer einem Detektionsbereich zugeordneten Detektions-elektrode sowie mit einer allen Detektionsbereichen gemeinsam zugeordneten Basiselektrode versehen ist, wobei die Detektionsbereiche paarweise durch eine schmale bandförmige Zwischenzone getrennt sind, eine Schaltung zur Bildung eines Differenzwerts, der die Differenz von zwei durch je eine Detektionselek-trode fliessenden Photoströmen darstellt, eine Schaltung zur Bildung eines Summenwerts, der die Summe aller zwischen den Detektionselektroden und der Basiselektrode fliessenden Photoströme darstellt, und eine Schaltung zur Bildung eines normierten Ausgangssignals, das den Quotienten der Division des Differenzwerts durch den Summenwert darstellt.