DE19709311C2

DE19709311C2 - Ortsauflösendes optoelektronisches Sensorsystem

Info

Publication number: DE19709311C2
Application number: DE1997109311
Authority: DE
Inventors: Hoss Hirsch; Torsten Olbrecht
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 1997-03-07
Filing date: 1997-03-07
Publication date: 2000-08-17
Anticipated expiration: 2017-03-08
Also published as: DE19709311A1

Description

Die Erfindung betrifft ein ortsauflösendes optoelektronisches Sensorsystem aus einer Mehrzahl von Photosensoren, insbesondere Photodioden, und Widerständen.

Zur ortsabhängigen Detektion von Lichteinfallsorten sind ein- oder zweidimensional ortsauflösende optoelektronische Bauelemente, position sensitive devices PSD, bekannt. Diese bestehen in der Regel aus einem Halbleiter definierter Länge und Fläche, innerhalb welcher die Position eines auf die Oberfläche treffenden Lichtstrahls in einer oder zwei Dimensionen bestimmt werden kann. Dazu werden die Kantenströme des Elements, d. h. der Stromfluß parallel zur Oberfläche, ausgewertet. Fällt kein Licht auf das Element, fließt im Idealfall trotz anliegender Vorspannung kein Strom über die Kanten. Im Falle eines Linienhalbleiters der Länge L hat ein Lichteinfall am Ort 0 ≦ x ≦ L, gemessen von einer Kante des Linienhalbleiters, einen Stromfluß 10 zur Folge, der über die Materialstücke der Länge x und L - x zur einen bzw. anderen Kante abfließt und dort als Kantenstrom I_a bzw. I_b meßbar ist. Das Material der Länge x bzw. L - x stellt für die durch den Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger zwei parallel geschaltete Widerstände R_a und R_b dar, wobei R_a proportional zu x und R_b proportional zu L - x, also jeweils zur Länge des durchflossenen Materials ist. Aus dem Verhältnis der Kantenströme wird auf das Verhältnis der Widerstände und schließlich auf den Ort x geschlossen, wobei gilt: x = LI_b/(I_a + I_b).

Nachteilig an diesen PSDs ist, daß sie stets einstückige Halbleiter mit einer begrenzten sensiblen Fläche sind, und daher großflächige ortsauflösende Lichtdetektoren nur schwer und kostspielig zu realisieren sind, da die Herstellungskosten pro Halbleiterelement überproportional mit dessen Fläche steigen. Es gibt jedoch stets die Möglichkeit, mehrere Linien- oder Flächenhalbleiter zu einem Sensorsystem mit großflächiger Anordnung zu kombinieren, allerdings ist in diesem Fall pro Bauelement eine Meß- und Auswerteeinheit nötig, wodurch ebenfalls die Kosten in die Höhe getrieben werden.

Die Auswertung von Signalen aus einer Vielzahl von Bauelementen ist ein bekanntes Problem der Hochenergiephysik, wo z. B. ein ionisierendes Teilchen in ein- bis drei Dimensionen ortsaufgelöst detektiert wird, indem es durch eine Anordnung von jeweils parallel gespannten Signaldrähten fliegt. Über jeden Signaldraht fließen die vom ionisierenden Teilchen erzeugten Ladungsträger ab.

Eine Vielzahl solcher Signale zusammen mit der Information, über welchen Draht sie gemessen wurden, erlaubt die Rekonstruktion der Flugbahn des Teilchens bzw. des Durchstoßortes der Flugbahn durch eine Ebene von Drähten. Bei Vieldrahtkammern mit hoher Ortsauflösung ist aufgrund der großen Anzahl verwendeter Drähte eine Auswertung jedes einzelnen Signaldrahts mit entsprechender Verstärker- und Auswerteelektronik aus Kostengründen nicht zu realisieren. Es daher bekannt, parallel aufgezogene, in einer Ebene liegende Drähte innerhalb einer solchen Vieldrahtkammer über eine Widerstandskette auszulesen, wodurch sich die Ortsinformation rekonstruieren läßt. Diese Methode wurde bisher nur für die Positionsanalyse ionisierender Teilchen angewendet.

Weiterhin sind zur ortsabhängigen Detektion von Licht CCD- (charge coupled device) Kameras bekannt, die eine sensitive Fläche bestehend aus einer rasterartigen Anordnung von Detektoren aufweisen. Die Detektoren sind in der Lage, die Information über die Stärke des Lichteinfalls kurzzeitig zu speichern, und werden nach einem Ausleseschema ausgelesen, wobei das Signal zum Aufbau eines zweidimensionalen Bildes verwendet wird. CCD-Kameras haben trotz vieler Vorteile jedoch den Nachteil, daß sie teuer, hinsichtlich ihrer sensitiven Fläche unflexibel und für manche Anwendungen von ihren Kapazitäten her überdimensioniert sind, so daß es sich vom Kosten-Nutzen- Verhältnis oft nicht lohnt, eine CCD-Kamera einzusetzen, wie z. B. zur Justage von optischen Meßanordnungen. Weiterhin können sie nicht leicht selbst aufgebaut und den aktuellen experimentellen Bedürfnissen angepaßt werden und müssen zusammen mit einer aufwendigen Auswertetechnologie betrieben werden.

Durch die DE-AS 12 66 985 ist ein photoelektrisch gesteuerter Schalter zur Anzeige der relativen Winkellage einer leuchtenden Marke bekannt, der aus einer linearen, bandförmigen lichtempfindlichen Leiterschicht besteht, auf welche eine kammartige Elektrode sowie eine Vielzahl von strichförmigen, in die Elektrode eingeschachtelten Einzelelektroden aufgebracht sind, welche über eine parallel zur Leiterschicht verlaufende ohmsche Widerstandsschicht miteinander verbunden sind. Über diese Widerstandsschicht wird eine Spannung angelegt, welche nach dem Spanungsteilerprinzip als ortsabhängiges über die Einzelelektroden abgegriffen werden kann. Bei Lichteinfall auf die lichtempfindliche Leiterschicht wird ein Kurzschluß zwischen der jeweiligen dem Einfallsort benachbarten Einzelelektrode und der Kammelektrode erzeugt, so daß die heruntergeteilte Spannung als ortsabhängiges Signal an der Kamm elektrode anliegt. Auch mit dieser Anordnung können jedoch nicht beliebig große Flächen kostengünstig realisiert werden, da auch hier photosensitive Schichten verwendet werden, die mit zunehmender Größe sehr kostenaufwendig werden. Weiterhin hängt das abgegriffene Signal bei nicht vollständigem Kurzschluß, d. h. intensitätsabhängigem Stromfluß zwischen Einzelelektrode und Kammelektrode, von der Intensität des einfallenden Lichts ab, wodurch die Ortsinformation verfäscht wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges und großflächiges ortsauflösendes Sensorsystem für optische Anwendungen zu schaffen, welches flexibel sowie einfach im Aufbau und in der Handhabung und Datenauswertung ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen gekennzeichnet.

Diese Meß- und Auswerteeinheit sind beispielsweise zwei Operationsver stärker mit nachgeschalteter Elektronik zur Durchführung mathematischer Operationen (z. B. Division) mit den verstärkten Stromsignalen.

Vorzugsweise sind die Photosensoren Photodioden, z. B. PIN-Dioden, die eine effektive elektrooptische Wandlung bei geringen Kosten gewährleisten. Damit läßt sich der erfindungsgemäße ortsauflösende Detektor kostengünstig realisieren.

Im Dunkelfall ist der Stromfluß durch die Photosensoren mit geringer Amplitude entsprechend dem Dunkelstrom der verwendeten Photosensoren konstant. Damit sind auch die über die Widerstandskette gemessenen Kantenströme I_a und I_b konstant und etwa gleich groß. Bei Lichteinfall auf das Array verändern sich die einzelnen Ströme I_m, die durch den m-ten Photosensor D_m, der zwischen den Widerständen R_m und R_m+1 angeschlossen ist, der Widerstandskette aufgegeben werden entsprechend dem Lichteinfall auf das jeweilige Element D_m. Wurden nur einige Photodioden selektiv bestrahlt, kann aus den somit veränderten Kantenströmen durch geeignete mathematische Operationen eine Information über die Position bzw. die Ordnungsnummer m der zugehörigen Dioden innerhalb der Widerstandskette extrahiert werden. Zusammen mit der Information über die räumliche Anordnung der Photosensoren D_m kann daraus eine Information über den Ort des Lichteinfalls gewonnen werden.

Die von dem erfindungsgemäßen Sensorsystem abgedeckte Fläche bzw. Länge richtet sich nach dem maximalen, in der jeweiligen Dimension über das gesamte System gemessenen Abstand zweier beliebiger Photosensoren und damit nach deren räumlichen Anordnung. Die an einem Ort der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbare Ortsauflösung hängt vom dortigen Abstand zweier benachbarter Photosensoren ab. Der erfindungsgemäße Detektor ist damit sehr flexibel und kann durch den modularen Aufbau aus Photosensoren und zugehörigem Widerstand in der Widerstandskette leicht den Bedürfnissen angepaßt werden, z. B. indem ein Photosensor mit Widerstand hinzugefügt oder die räumliche Anordnung geändert wird.

In vorteilhafter Weise werden die Photosensoren räumlich in einer Ebene angeordnet, da ein planarer Positionssensor der in Meßaufbauten gebräuch lichsten Anordnung entspricht, da meist in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts detektiert wird.

Für viele Anwendungen ist eine Positionsbestimmung entlang einer Geraden ausreichend. Dazu ist es von Vorteil, wenn die Photosensoren räumlich in einer Geraden angeordnet sind. Die erzielbare Ortsauflösung richtet sich dann - im Falle eines beliebig kleinen Lichtflecks, dessen Position bestimmt werden soll - nur nach dem relativen Abstand Δx zweier benachbarter Photosensoren. Bei ausgedehnteren Lichtflecken ist eine Bestimmung des Schwerpunkts des Lichteinfalls möglich.

Zum Erzielen einer ortsunabhängigen Auflösung, z. B. wenn der Lichtpunkt mit gleicher Genauigkeit auf verschiedene Orte innerhalb des ortsauflösenden optoelektronischen Sensorsystems positioniert werden soll, ist es vorteilhaft, einen konstanten relativen Abstand Δx zu wählen. Die Gesamtlänge L des Systems aus n Photosensoren ist dann L = (n - 1)Δx. Diese Anordnung ermöglicht die einfachste Umrechnung der Information über die Ordnungsnummer(n) m der angesprochenen Sensoren D_m in eine Ortskoordinate. Je nach Aufgabenstellung sind jedoch auch andere Anordnungen denkbar und leicht zu realisieren, z. B. mit einer hohen Auflösung im Zentrum des Sensorsystems und einer geringeren in den Außenbezirken.

Die Auswertung der Kantenströme wird erheblich vereinfacht, wenn alle Widerstände R_m der Widerstandskette ohmsche Widerstände mit dem gleichen Widerstandswert R sind. Dann ist der Ort x leicht durch das Verhältnis der Kantenströme bestimmbar (proportional).

Oft ist jedoch ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Ort x und Verhältnis der Kantenströme erwünscht, welches durch geeignet gewählte, voneinander verschiedene R_m erreichbar ist.

Ein Beispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend beschrieben. Dabei zeigen

Fig. 1 eine Schaltskizze eines erfindungsgemäßen ortsauflösenden optoelektronischen Sensorsystems mit Photodioden als Photosensoren

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild zum Sensorsystem aus Fig. 1.

In Fig. 1 ist als ein Beispiel der Erfindung eine Schaltskizze eines ortsauflösenden optoelektronischen Sensorsystems mit einem Array 1 aus fünf Photodioden D₁ bis D₅- Bezugsziffern 2, 3, 4, 5, 6 - als Photosensoren dargestellt. Die Photosensoren 2, 3, 4, 5, 6 werden von einer Spannungsquelle 21 mit ihrer Betriebsspannung U versorgt.

Das Sensorsystem weist außerdem eine Widerstandskette 13, bestehend aus sechs in Reihe geschalteten Widerständen R₁ bis R₆ - Bezugsziffern 7, 8, 9, 10, 11, 12 - auf. Je ein Photosensor 2, 3, 4, 5, 6 ist über eine Verbindungsleitung 22 mit dem oder den jeweils benachbarten Photosensor(en) und mit der Spannungsquelle 21 verbunden, so z. B. der Sensor D₂mit den Sensoren D₁ und D₃, Bezugsziffern 3, 2 bzw. 4, oder der Sensor D₁ mit dem Sensor D₂. Je ein Photosensor ist mit zwei Widerständen verbunden, die in der Widerstandskette benachbart sind. Beispielsweise ist der Sensor D₁ mit den Widerständen R₁ und R₂ verbunden, der Sensor D₂ mit den Widerständen R₂ und R₃ und so weiter.

Die Widerstände R₁ bis R₆ können prinzipiell beliebige Werte haben, jedoch ist es vorteilhaft, ihnen jeweils den gleichen Widerstandswert R zuzuweisen, da dies die Auswertung des Meßsignals erheblich vereinfacht.

Die Enden der Widerstandskette 13 sind mit Leitungen 14, 15 verbunden, die zu einer hier nicht dargestellten Meß- und Auswerteeinheit führen. Diese Meß- und Auswerteeinheit ist beispielsweise eine Anordnung von Operations verstärkern zur Verstärkung der über die Widerstandskette abgeführten Kantenströme und zu deren weiterer Signalverarbeitung.

Die Funktionsweise des in Fig. 1 gezeigten ortsauflösenden Sensorsystems wird zweckmäßiger anhand des Ersatzschaltbilds in Fig. 2 veranschaulicht.

Fig. 2 zeigt das Ersatzschaltbild des in Fig. 1 dargestellten Sensorsystems. Die aus den Widerständen 7', 8', 9', 10', 11', 12' bestehende Widerstandskette 13' entspricht der Widerstandskette 13 aus Fig. 1 mit den Widerständen 7, 8, 9, 10, 11, 12.

Die Widerstände 7', 8', 9', 10', 11', 12' haben in diesem Fall alle den gleichen Wert R, da dies die Auswertung der Ortsinformation vereinfacht. Grundsätzlich sind jedoch beliebige Widerstandswerte möglich.

Die Photosensoren bzw. Photodioden D₁ bis D₅ mit den Bezugsziffern 2, 3, 4, 5, 6 aus Fig. 1 sind hier im Ersatzschaltbild durch Stromquellen 16, 17, 18, 19, 20 ersetzt, welche der Widerstandskette 13' je einen Strom I₁ bis I₅ aufgeben. Die Verschaltung der Elemente ist jedoch mit Fig. 1 identisch.

Dieser Strom I_m durch die m-te Photodiode D_m (m = 1. .5) ist u. a. abhängig vom Lichteinfall auf die jeweilige Photodiode, und zwar im Idealfall möglichst proportional zur Beleuchtungsstärke, und von der Versorgungsspannung. Zwar fließt in der Regel durch Photodioden auch ohne Lichteinfall ein geringer Dunkelstrom; er trägt jedoch keine Ortsinformation und soll hier vernachlässigt werden.

Bei Lichteinfall auf das Sensorsystem wirken demnach die Photosensoren bzw. Photodioden als Stromquellen 16, 17, 18, 19, 20 mit in der Regel unterschiedlicher Stromstärke I_m. Je nach räumlicher Anordnung der Photosensoren und nach der Lichtverteilung über das Sensorsystem bzw. über die Photosensoren D_m sind auch die Stromstärken I_m für die verschiedenen Ordnungsnummern m verschieden groß. Würden die einzelnen I_m separat gemessen werden, ließe sich aufgrund der bekannten Kennlinie - bzw. des Licht- Stromfluß-Zusammenhangs - der Photodioden direkt ein Profil der Lichtverteilung über das Sensorsystem in Abhängigkeit von der Ordnungsnummer m als ein Spektrum diskreter Beleuchtungswerte erstellen. Damit wäre die Ortsinformation über die Beleuchtungsstärke am m-ten Photosensor und damit beispielsweise die Lokalisation eines Lichtflecks einfach zu erhalten, wenn die räumliche Anordnung der Sensoren bekannt ist. Die Einzelsensorauslese führt jedoch bei einem Sensorsystem aus einer Vielzahl von Photosensoren zu großem Elektronikaufwand.

Die Stromquellen sind über je einen Widerstand 7', 8', 9', 10', 11', 12' mit ihren Nachbarn querverbunden, wobei die Widerstände eine Widerstandskette aus in Reihe geschalteten Widerständen bilden. Anstelle der Einzelsignale I_m werden die über die Widerstandskette abfließenden Kantenströme I_a und I_b von einer allen Photosensoren gemeinsamen Meß- und Auswerteeinheit gemessen.

In den Kantenströmen I_a und I_b ist weiterhin eine Ortsinformation enthalten.

Im folgenden wird der allgemeine Fall von m Photosensoren D_m diskutiert. (In Fig. 2 gilt m = 5.)

Als Spezialfall wird zunächst der Fall betrachtet, daß eine punktförmige Beleuchtung eines Sensorsystems aus n Photodioden und n + 1 Widerständen vorliegt, bei der nur der m-te Photosensor angesprochen wird. Damit weist nur die m-te Stromquelle einen Stromfluß I_m auf, d. h. alle anderen I_n = 0 für n ≠ m. Stromfluß I_m an der m-ten Stelle im Sensorsystem bedeutet, daß ein Strom I_a über m Einzelwiderstände R bzw. den Gesamtwiderstand mR und ein Strom I_b über n + 1 - m Einzelwiderstände R bzw. den Gesamtwiderstand (n + 1 - m)R als Kantenstrom abfließt. Dabei gilt Stromerhaltung I_a + I_b = I_m.

Für den Stromfluß I_b folgt in diesem Fall

und für die Ordnungsnummer m des angesprochenen Photosensors folgt

Dies beinhaltet die Ortsinformation über den Lichtfleck, wenn bekannt ist, wo sich der Sensor m befindet.

Da der Strom I_m durch den m-ten Sensor, also I_a + I_b, unabhängig von m und nur von der Beleuchtungsstärke abhängig ist, ist der Kantenstrom I_a bzw. I_b selbst bereits proportional zur Ordnungsnummer m und damit ein Maß für die Position des getroffenen Sensors, falls I_m = const. Der Kantenstrom I_a bzw. I_b kann daher auch direkt ohne Bildung des Quotienten

zur Positionsanalyse verwendet werden.

Die Anwendung der Erfindung für Ortsanalyse bei punktförmiger Beleuchtung kann vorteilhaft breite Anwendung finden, z. B. wenn Laser strahlen positioniert werden sollen. Die Auswertemethoden der Kantenströme direkt oder zur Bildung des Quotienten

sind durch die herkömmlichen PSDs bekannt, bei denen ebenfalls ein derartiger Quotient aus Kantenströmen gebildet werden muß, um die gewünschte Ortsinformation zu erhalten.

Durch den modularen Aufbau des Sensorsystems aus einzelnen Widerständen und Photosensoren und die Signalauslese über eine Widerstandskette kann ein meterlanges System zur optischen Positionsanalyse aufgebaut werden, bei dem sich die Auswertung der Kantenströme bei punktförmiger Beleuchtung durch Erweiterung des Systems nicht verkompliziert.

Auch bei nicht punktförmiger Beleuchtung eines einzelnen Photosensors sondern bei Lichteinstrahlung über das Sensorsystem tragen die Kantenströme I_a und I_b eine Ortsinformation. Man kann zeigen, daß für den Quotienten

allgemein folgendes gilt:

Der Quotient ist damit - bis auf den Faktor n + 1 - die mit den Sensorströmen I_m gewichtete mittlere Ordnungszahl m, entspricht also der Nummer des Sensors mit dem Schwerpunkt der Lichteinstrahlung. Diese Information ist für die Anwendungen ausreichend, in denen es nicht darum geht, ein Linien- oder zweidimensionales Profil bzw. ein Bild der Lichtverteilung zu erzeugen, sondern den Ort des Schwerpunkts der Lichteinstrahlung in ein oder zwei Dimensionen festzulegen. Zur Umrechnung der mittleren Ordnungszahl m in die tatsächliche räumliche Position muß nur die räumliche Anordnung der Sensoren bekannt sein.

Nimmt man wiederum an, daß die Gesamteinstrahlung auf das Sensorsystem und damit die Summe aller Sensorströme I_m konstant ist, ist somit auch I_a + I_b konstant und die mittlere Ordnungszahl m proportional zu I_b bzw. (n - m) proportional zu I_a. Schon durch Messen der Kantenströme I_a und I_b erhält man somit eine relative Ortsinformation.

Die Sensoren sind vorzugsweise räumlich in einer Ebene angeordnet, insbesondere entlang einer geraden Linie. Jeder Ordnungsnummer m eines Photosensors wird damit eindeutig ein Ort zugewiesen, so daß sich aus der Information über die (mittlere) Ordnungsnummer dieser Ort innerhalb des Sensorsystems rekonstruieren läßt.

Eine Erweiterung des Systems um einen oder mehrere Sensoren erfordert keine Anpassung der Auswerteelektronik, da diese in jedem Fall höchstens nur den Quotienten

berechnet.

Liste der Bezugszeichen:

1

Photosensoren-Array

2

,

3

,

4

,

5

,

6

Photosensor bzw. -diode

7

,

8

,

9

,

10

,

11

,

12

,

7

',

8

',

9

',

10

',

11

',

12

' Widerstand

13

,

13

' Widerstandskette

14

,

15

Leitungen zur Meß- und Auswerteeinheit

16

,

17

,

18

,

19

,

20

Stromquelle

21

Spannungsquelle

22

Verbindungsleitung

Claims

1. Ortsauflösendes optoelektronisches Sensorsystem, bestehend aus wenigstens einem Array aus n < 1 jeweils zwei Anschlüsse aufweisenden Photosensoren (2, 3, 4, 5, 6), insbesondere Photodioden, die jeweils mit einem ihrer Anschlüsse parallel an einer Spannungsquelle (21) liegen, und n + 1 in Reihe geschalteten Widerständen (7, 8, 9, 10, 11, 12, 7', 8', 9', 10', 11', 12'), die eine zwei Enden aufweisende Widerstandskette (13) bilden, wobei die Photosensoren mit ihren anderen Anschlüssen jeweils zwischen zwei jeweils benachbarten Gliedern der Widerstandskette (13) liegen und die beiden durch die Enden der Widerstandskette (13) fließenden Kantenströme I_a bzw. I_b einer Meß- und Auswerteeinheit zugeführt sind, die bei Lichteinfall auf das Array eine Änderung des Stromflusses I_m durch wenigstens einen der Photosensoren D_m (2, 3, 4, 5, 6) aufgrund einer Änderung der Kantenströme I_a und I_b erfasst und in eine Ortsinformation wandelt.

2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photosensoren (2, 3, 4, 5, 6) räumlich in einer Ebene angeordnet sind.

3. Sensorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Photosensoren (2, 3, 4, 5, 6) räumlich in einer Geraden angeordnet sind.

4. Sensorsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Photosensoren (2, 3, 4, 5, 6) räumlich in äquidistanten Abständen mit dem Abstand Δx voneinander angeordnet sind.

5. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände R₁ bis R_n+1 ohmsche Widerstände (7, 8, 9, 10, 11, 12, 7', 8', 9', 10', 11', 12) mit dem gleichen Widerstandswert R sind.

6. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis
im der Meß- und Auswerteeinheit ausgewertet wird.