DE1763132C

DE1763132C - Photoelectronic detector

Info

Publication number: DE1763132C
Application number: DE19681763132
Authority: DE
Inventors: Burt Plainview Wollman Herbert Hollis Chrouch Robert C Bayport NY Walker (V St A)
Original assignee: Kollsman Instrument Corp
Current assignee: Kollsman Instrument Corp
Priority date: 1967-04-06
Filing date: 1968-04-06
Publication date: 1973-07-19

Description

4040

Die Erfindung betrifft einen photoelektrischen Detektor für ein Gerät zum Bestimmen und Korrigieren der Lageabweichung eines beweglichen Körpers gegenüber einer festen Strahlquelle, insbesondere für ein Sternnachführungsgerät, wobei der Detektor mehrere elektrisch voneinander getrennte Photowidcrstands-Flächen symmetrisch zur optischen Achse aufweist, auf denen das in Schwingungen versetzte Bild der Strahlquelle abgebildet wird.The invention relates to a photoelectric detector for a device for determining and correcting the positional deviation of a movable body in relation to a fixed beam source, in particular for a star tracking device, the detector having a plurality of electrically separated photoresist surfaces has symmetrical to the optical axis, on which the vibrated Image of the beam source is mapped.

Bei einem bekannten Detektor dieser Bauart (deutsche Auslegeschrift 1 164 686) wird der das Bild der Strahlquelle bildende Lichtpunkt in rotierende Bewegung versetzt und es sind Mittel vorgesehen, um die Sichtbarkeitsdauer des rotierenden Lichtpunktes in den Photowiderstands-Flächen zu registrieren, die in vier Sektoren angeordnet sind. Durch Vergleich der Sichtbarkeitsdauer in gegenüberliegendem Sektoren, z. B. durch Subtraktion der beiden Werte, wird dann entweder kein Signal als Anzeige für die zentrische Lage oder ein Signal erhalten, das das Ausmaß der Exzentrizität angibt. Dieses Signal wird über einen Einstellmechanismus zur Zentrierung der Platte benützt.In a known detector of this type (German Auslegeschrift 1 164 686) the The point of light forming the image of the beam source is set in rotating motion and means are provided in order to increase the visibility of the rotating point of light in the photoresist surfaces register, which are arranged in four sectors. By comparing the visibility time in opposite Sectors, e.g. B. by subtracting the two values, then either no signal is considered Receive a display for the centric position or a signal indicating the extent of the eccentricity. This signal is used via an adjustment mechanism to center the plate.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Detektor dadurch zu verbessern, daß bei einfachem Aufbau ein schnelles und zuverlässiges richtungsabhängiges Ansprechen erzielt wird.The invention has for its object to improve such a detector in that at A quick and reliable direction-dependent response is achieved with a simple structure.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß benachbarte Bereiche verschiedener Photowiderstands-Flächen in einem gegenseitigen Abstand zueinander liegen, der kleiner ist als die Gesamtschwingungsweite des Bildes, und daß jede Photowiderstands-Fläche aus mehreren, im Abstand zueinander liegenden, elektrisch miteinander verbundenen Streifen besteht, wobei Streifenbreite plus Abstand etwa der Schwingungsweite des Bildes entspricht.According to the invention, this object is achieved in that adjacent areas of different Photoresist surfaces are at a mutual distance from each other, which is smaller than that Total oscillation amplitude of the image, and that each photoresist surface consists of several, at a distance there is mutually lying, electrically interconnected strips, where the strip width is plus Distance roughly corresponds to the oscillation amplitude of the image.

Das Wesen der Erfindung besteht also darin, daß das in Schwingungen versetzte Bud des zu verfolgenden Sterns oder einer anderen Lichtquelle eine vorbestimmte Beziehung zum Detektor aufweist, dessen benachbarte Flächenbereiche Abstände besitzen, die kleiner sind als die Gesamtauslenkung der Schwingungsbewegung des Bildes. Hierdurch wird ein moduliertes Fernsignal erhalten, das als Wechselstromsignal innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbandes abgenommen werden kann. Die Modulation der Frequenz ist dabei eine Funktion der Schwingungsbewegung, die dem empfangenen Bild aufgeprägt wild.The essence of the invention consists in the fact that the vibrated Bud of the to be pursued Sterns or other light source has a predetermined relationship to the detector whose Adjacent surface areas have distances that are smaller than the total deflection of the Vibrational movement of the image. In this way a modulated remote signal is obtained, which is used as an alternating current signal can be picked up within a predetermined frequency band. The modulation the frequency is a function of the vibrational movement that is impressed on the received image wild.

Wenn das Bild aus der Achse auswandert und die gesamte Schwingungsbahn auf einer einzigen der Photowiderstands-Flächen liegt, ergibt sich zwar kein quantitativer Wert, der die Größe der Versetzung anzeigt. Dies spielt jedoch für die einwandfreie Funktion des Detektors keine Rolle, weil das System die Richtung des Fehlers anzeigt und eine Korrektureinstellung vorgenommen wird, bis die Ausrichtung wieder erhalten ist. Dieser Zustand wird mit hoher Genauigkeit eingehalten, weil bereits zu Beginn einer Auswanderung eine Gegenbewegung eingeleitet wird.When the image drifts off the axis and the entire oscillation path is on a single one of the Photoresist areas, there is no quantitative value of the size of the dislocation indicates. However, this does not play a role in the proper functioning of the detector because the system indicates the direction of the error and a corrective adjustment is made until the alignment is received again. This condition is maintained with a high degree of accuracy because at the beginning of a Emigration a countermovement is initiated.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind vier kammartig ausgebildete Photowiderstands-Flächenquadranten symmetrisch zur optischen Achse angeordnet, wobei die Streifen sämtlicher Flächen parallel zueinander angeordnet, sind und die freien Enden der Streifen benachbarter Flächen mit Abstand einander gegenüberstehen. Dabei sind zweckmäßigerweise die getrennten Photowiderstands-Flächen auf einer gemeinsamen Halbleiterschicht ausgebildet.According to a further embodiment of the invention, there are four comb-like photoresist surface quadrants arranged symmetrically to the optical axis, the strips of all surfaces being arranged parallel to one another and the free ends of the strips of adjacent surfaces face each other at a distance. Included are expediently the separate photoresist surfaces on a common semiconductor layer educated.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigtAn exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the drawing. It shows

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Nachführeinrichtung in Verbindung mit der der erfindungsgemäße Detektor verwendbar ist,F i g. 1 is a schematic representation of a tracking device in connection with that of the invention Detector is usable,

Fig. 2 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Detektors,2 shows a view of the detector according to the invention,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 gemäß Fig. 2,Fig. 3 shows a section along the line 3-3 according to Fig. 2,

Fig. 4 ein Schaltschema für die Verknüpfung der Ausgangsgröße des Detektors nach den F i g. 2 und 3 mit den Servoeinrichtungen für die Teleskopeinstellung nach Fig. 1.Fig. 4 is a circuit diagram for linking the Output variable of the detector according to FIGS. 2 and 3 with the servo devices for the telescope adjustment according to Fig. 1.

In F i g. 1 ist schematisch ein Nachführsystem angegeben, das zur Nachführung bei Sternen und anderen Strahlungsquellen benutzt werden kann und das aus einem Teleskopgehäuse 10 mit einem geeigneten Objektiv 11 besteht, das das Bild des im allgemeinen auf der optischen Achse 12 des Teleskops liegenden Gegenstands auf einer Detektoreinrichtung 13 erzeugt. In dem Lichtweg zwischen dem ObjektivIn Fig. 1 a tracking system is shown schematically, that can be used for tracking stars and other radiation sources and which consists of a telescope housing 10 with a suitable lens 11, which the image of the im general object lying on the optical axis 12 of the telescope on a detector device 13 generated. In the light path between the lens

11 und dem Detektor 13 befindet sich ein optischer Keil 14 bekannter Bauart, der durch einen hierfür geeigneten Antriebsmotor 15 um die optische Achse11 and the detector 13 is an optical wedge 14 of known type, which is by a for this purpose suitable drive motor 15 around the optical axis

12 in Drehung versetzt wird. Wegen der Drehung des Keils 13 führt das auf dem Detektor 13 entworfene Bild eine Nutationsbewegung in Kreisform bestimmten Durchmessers aus, wobei darn der Ausgangsstrom des Detektors 13 in passender Weise weiterverarbeitet und einem Servosystem 16 zugeführt wird, das die optische Achse zurückführt, damit sie auf einen bestimmten Gegenstand gerichtet bleibt, dem das Gerät nachgeführt werden soll.12 is set in rotation. Because of the rotation of the wedge 13, the one drawn on the detector 13 leads Image a nutation movement in a circular shape of a certain diameter, with the output current of the detector 13 is further processed in a suitable manner and fed to a servo system 16 that returns the optical axis so that it is aimed at a specific object remains to which the device is to be tracked.

Die Erfindung ist gerichtet auf eine neuartige Konstruktion des Detektors 13 nach Fig. 1. Diese neue Konstruktion ist in den F i g. 2 und 3 dargestellt. The invention is directed to a novel construction of the detector 13 according to FIG new construction is shown in Figs. 2 and 3 shown.

Der in den Fig. 2 und 3 gezeigte Detektor ist eine aus mehreren Elementen besiehende Photozelle, die vier getrennte und isolierte Quadranten aufweist, die je Ausgangsströme erzeugen, die dem Auftreffen von Strahlung auf ihre Empfängerfläche entsprechen. The detector shown in Figs. 2 and 3 is a multi-element photocell, which has four separate and isolated quadrants each producing output currents upon impingement of radiation on their receiving surface.

Die Zelle nach den F i g. 2 und 3 besteht aus einer Silizium-Einkristallschicht, wie sie im allgemeinen für Solarzellen benutzt wird; ihre Dicke kann etwa 0,005" betragen, und die Länge einer Seite etwa 0,100".The cell according to FIGS. 2 and 3 consists of a silicon single crystal layer, as they are in general used for solar cells; its thickness can be about 0.005 "and the length of one side about 0.100 ".

Insbesondere besitzt die Halbleiterschicht anfänglich η-Leitung und hat einen spezifischen Widerstand von etwa. 10 Ohm/cm. Die Flächen der Halbleiterschicht sind in der üblichen bekannten Weise präpariert, etwa durch Anbringen einer geeigneten Maske um den Boden des Halbleiters und um einen Umfangsrand des oberen Teils und in Streifen, die über den Mittelteil des Halbleiters verlaufen. Danach wird der Halbleiter in einea Gasdiffusionsofen gesetzt und ein p-Störstoff wird auf die nicht abgedeckten Teile des Quadranten in einer Tiefe von ungefähr 2 μ diffundiert. Dadurch entstehen vier »Planar«-Übergangszonen 20,21,22,23, die nahe an der Oberseite des Halbleiters liegen, so daß sie von Photonen aktiviert werden können, die die Übergangszone erreichen. Nach der Diffusion werden die Halbleiter gereinigt, und die oberen exponierten Flächen -werden passend oxydiert, um vollständige Oberflächenpassivierung in der üblichen Weise zu erreichen. Danach werden fingerartige Aluminiumgitter 25, 26,27 bw. 28 auf den Quadrantenbereichen mit den Übergangszonen 20, 21, 22 bzw. 23 in beliebiger Weise angebracht, wobei die Quadranten gegeneinander isoliert sind und jeweils fingerartige Streifen, etwa die Streifen 30, 31, 32, 33 auf der Elektrode 26, aufweisen. Jeder Streifen 30 bis 33 hat eine Breite vno etwa 0,001" und gegenüber dem benachbarten Finger einen Abstand von etwa 0,001", damit Streifen der lichtempfindlichen Fläche der Halbleiterschicht exponiert sind, die von der auf diese Bereiche fallenden Strahlung aktiviert werden können.In particular, the semiconductor layer initially has η conductivity and has a specific resistance of approximately. 10 ohms / cm. The surfaces of the semiconductor layer are prepared in the usual known manner, for example by applying a suitable mask around the bottom of the semiconductor and around a peripheral edge of the upper part and in strips which run across the central part of the semiconductor. Thereafter, the semiconductor is set in Onea gas diffusion furnace and a p-type impurity is diffused to the non-covered parts of the quadrant μ at a depth of about. 2 This creates four "planar" transition zones 20, 21, 22, 23, which are close to the top of the semiconductor so that they can be activated by photons that reach the transition zone. After diffusion, the semiconductors are cleaned and the upper exposed areas are suitably oxidized to achieve complete surface passivation in the usual manner. Then finger-like aluminum grids 25, 26, 27 bw. 28 attached to the quadrant areas with the transition zones 20, 21, 22 and 23 in any manner, the quadrants being isolated from one another and each having finger-like strips, such as the strips 30, 31, 32, 33 on the electrode 26. Each strip 30 to 33 has a width of about 0.001 "and a distance of about 0.001" from the adjacent finger, so that strips of the photosensitive surface of the semiconductor layer are exposed which can be activated by the radiation falling on these areas.

Dann werden Elektrodendrähte an jeder Elektrode 25 bis 28 geführt, während die Bodenfläche des Halbleiters einen geeigneten Bodenkontakt 34 erhält, der aus Gold bestehen kann und als gemeinsame Elektrode mit den Elektroden 25 bis 28 der vier getrennten, innerhalb des gemeinsamen Halbleiters gebildeten Photozelle zusammenwirkt.Then, electrode wires are passed to each electrode 25 to 28, while the bottom surface of the Semiconductor receives a suitable ground contact 34, which can consist of gold and as a common Electrode with electrodes 25 to 28 of the four separate, within the common semiconductor formed photocell interacts.

Natürlich kann der angegebene Herstellungsprozeß für die Einrichtung nach den F i g. 2 und 3 durch eine übliche andere Herstellungsweise ersetzt werden, die dem Fachmann geläufig ist. Offensichtlich kann ferner statt der bevorzugten Ausfuhrungtform mit vier Quadranten gemäß den F i g. 2 und 3 mit je vier Fingern eine abweichende Zahl von Elementen benutzt werden, sowie eine abweichende Zahl von Kontaktstreifen innerhalb jedes Quadranten. Außerdem können die Kontaktstreifen in jedem Quadranten in nicht-parallelen oder senkrechten Richtungen angebracht werden.Of course, the specified manufacturing process for the device according to FIGS. 2 and 3 through a customary other production method, which is familiar to the person skilled in the art, can be replaced. Obviously can also be used instead of the preferred embodiment with four quadrants according to FIGS. 2 and 3 with four fingers each have a different number of elements and a different number of contact strips within each quadrant. In addition, the contact strips in each quadrant can be in non-parallel or perpendicular Directions to be attached.

ίο Beim Betrieb und wenn die Detektoren nach den Fig. 2 und 3 an die Stelle des Detektors 13 nach Fig. 1 geschaltet sind, wird das Bild des zu verfolgenden Gegenstands, wenn dieser aus der optischen Achse des Teleskops herausgelaufen ist, dasίο During operation and when the detectors after the 2 and 3 are switched in place of the detector 13 according to FIG. 1, the image of the to be followed Object, if this has run out of the optical axis of the telescope, the

durch den Keil 14 zu Nutationsbewegungen veranlaßt ist, auf irgendeine andere Stelle anstatt in das Zentrum der vier Quadranten (F i g. 2) fallen. Zum Beispiegt zeigt die F i g. 2 einen Augenblick, in dem ein Bild: in Nutationsbewegung auf einer Bahn 41 im Nutation motions caused by the wedge 14 to fall somewhere else instead of in the center of the four quadrants (Fig. 2). For example, FIG. 2 a moment in which an image: in nutation motion on a path 41 in

so Quadranten 26 sich befindet. Bei einer üblichen Anwendungsweise wird die Größe des Bildes 40 etwa geringer sein als der Absland zwischen benachbarten Kontaktstreifen (etwa zwischen den Kontaktstreifen 31 und 32) und wird sich in einer Bewegung aufso quadrant 26 is located. In a common application the size of the image 40 will be about less than the distance between neighboring ones Contact strips (approximately between the contact strips 31 and 32) and will move on

as einer Kreisbahn 41 mit einem Durchmesser von etwa 0,002" mit einer Frequenz von 100 Hz bewegen. Dadurch wird ein Ausgangsimpuls für jede Rotation des Bildes 40 zwischen den Elektroden 26 und 31 erzeugt. Die Ausgangsgröße dieses Zellenabschnittsas a circular path 41 with a diameter of approximately Move 0.002 "at a frequency of 100 Hz. This creates an output pulse for each rotation of the image 40 is generated between the electrodes 26 and 31. The output size of this cell section

enthält daher in ihrem Ausgangsstrom eine starke erste harmonische Komponente der Frequenz der Rotation des Bildes 40. Wäre das Bild 40 des Sterns auf einem der Kontaktfinger oder auf einem der Zwischenräume zwischen den Kontakten zentriert, so ergäben sich zwei Impulse im Verlauf jedes Umlaufs, so daß die Ausgangsgröße eine zweite harmonische Komponente der Rotationsfrequenz des Bildes 40 enthalten würde. In jedem Fall überbringt dieses Ausgangssignal bei gleichzeitigem Fehlen eines Aus-therefore contains a strong first harmonic component of the frequency of the in its output current Rotation of the image 40. If the image 40 of the star were on one of the contact fingers or on one of the If the spaces between the contacts are centered, there would be two impulses in the course of each revolution, so that the output is a second harmonic component of the frequency of rotation of the image 40 would contain. In any case, this output signal transmits in the absence of an output

gangssignals eines der drei anderen Teilabschnitteoutput signal of one of the three other sections

mit den Elektroden 25, 27 und 28 eine Information über die Lage des Bildes 40 relativ zu dem Zentrum des Detektors.with the electrodes 25, 27 and 28 information about the position of the image 40 relative to the center of the detector.

Eine Nullage für das Bild des zu verfolgendenA zero position for the image of the one to be tracked

Gegenstands läßt sich erkennen, weil während dieser Nullage das Sternbild 40 die Bahn 42 (F i g. 2) durchläuft, wobei es die benachbarten Ecken jeder Übergangszone 20 bis 23 schneidet und dabei in jedem Zellenabschnitt einen Ausgangsimpuls bei jedem Rotationszyklus erzeugt. Die Prozeßschaltung stellt beim Driften der Kreisbahn 42 das Fehlen einer Ausgangsgröße in einem Quadranten bzw. in mehreren Quandranten fest und betätigt die Servoeinrichtung, etwa die Servoeinrichtung 16 in Fig. 1 so, daßThe object can be recognized because during this zero position the constellation 40 follows the path 42 (FIG. 2) passes through, intersecting the adjacent corners of each transition zone 20 to 23 and thereby in each Cell section generates an output pulse every cycle of rotation. The process circuit represents when the circular path 42 drifts, the lack of an output variable in one quadrant or in several Quantum fixed and actuates the servo device, such as the servo device 16 in Fig. 1 so that

das Nutationszentrum des Bildes des Sterns in die Nullage auf der Achse 12 zurückgeführt wird.the nutation center of the image of the star is returned to the zero position on the axis 12.

In F i g. 4 ist ein Schaltschema für eine Prozeßschaltung angegeben, wie sie für einen Detektor 13 verwendet werden kann, der vier Ausgangsleitungen 50, 51, 52 bzw. 53 aufweist, die von den Elektroden 25, 26, 27 bzw. 28 ausgehen. Diese Leitungen sind mit Filtern 54, 55, 56 bzw. 57 verbunden, die entweder die ersten oder zweiten harmonischen Komponenten der Rotationsfrequenz des Bildes 40 des Sterns (F i g. 2) durchlassen. Diese Sighale werden in den Verstärkern 58, 59, 60 bzw. 61 verstärkt und dann einer geeigneten Verarbeitungsschaltung 62 zugeleitet, die anschließend eine Servo-AzimuteinstellungIn Fig. FIG. 4 shows a circuit diagram for a process circuit, as is the case for a detector 13 can be used which has four output leads 50, 51, 52 and 53, respectively, leading from the electrodes 25, 26, 27 and 28 respectively. These lines are connected to filters 54, 55, 56 and 57, respectively, which are either the first or second harmonic components of the frequency of rotation of the image 40 of the star (Fig. 2) let through. These signals are amplified in amplifiers 58, 59, 60 and 61, respectively, and then a suitable processing circuit 62 which then performs a servo azimuth adjustment

»3 und eine Servo-Höheneinstellung 64 erregt, die He Aufgabe des Servosystems 16 erfüllt und die „age der optischen Achse 12 korrigiert, um eine Mutation des Bildes 40 um die optische Achse 12 lerbeizuführen.»3 and a servo height adjustment 64 energized that He fulfills the task of the servo system 16 and corrects the position of the optical axis 12 by one Mutation of the image 40 about the optical axis 12 is necessary.

Der Fachmann vermag im Rahmen der Erfindung eine Reihe von Abänderungen und Vanationen vorzunehmen. Die Erfindung soll daher nicht durch die Beschreibung begrenzt sein; sie wird vielmehr durch die Patentansprüche definiert.The person skilled in the art is able to make a number of modifications and changes within the scope of the invention. The invention is therefore not intended to be limited by the description; rather, it is through defines the claims.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Photoelectric detector for a device for determining and correcting the positional deviation a moving body opposite a fixed beam, especially for a star tracking device, wherein the detector has a plurality of electrically isolated photoresistive surfaces has symmetrical to the optical axis, on which the vibrated Image of the beam source is imaged, characterized in that adjacent Areas of different photoresist surfaces (20, 21, 22, 23) in one mutual Distance from one another are smaller than the total oscillation amplitude of the image (40), and that each photoresist surface (20 to 23) consists of several, spaced apart, electrically interconnected strips (30, 31, 32, 33) consists, where strip width plus Distance corresponds approximately to the oscillation amplitude of the image (40).

2. Detector according to claim 1, characterized in that four comb-shaped photoresistive surface quadrants (20 to 23) are arranged symmetrically to the optical axis, the strips (30 to 33) of all surfaces are arranged parallel to each other and the free ends of the strips of adjacent surfaces face each other at a distance.

3. Detector according to claims 1 and 2, characterized in that the separate photoresist surfaces (20 to 23) are formed on a common semiconductor layer.