DE2359143A1 - METHOD OF LINEARIZING THE SIGNALS OF A PHOTODETECTOR - Google Patents
METHOD OF LINEARIZING THE SIGNALS OF A PHOTODETECTORInfo
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Beschreibung zu Patentanmeldung 'Description of patent application '
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Linearisieren der Signale eines I'otodetektors, der die Lage eines beleuchteten Punktes einer in den !Fotodetektor eingebauten Halbleiterplatte angibt, wobei die Signale dadurch gebildet werden, daß ein von der Lichtenergie in der Halbleiterplatte erzeugter Lateralstron] durch eine Widerstandsschicht auf der einen Seite der .Halbleiterplatte aufgeteilt und zwei Paaren von länglichen einander in einem rechtwinkligen Viereck gegenüberliegenden Elektroden zu- \- geleitet wird und die Ströme von den Elektroden über Strom-(Spannungs-) Meßeinrichtungen sowie eine fünfte die Halbleiterplatte auf der der Widerstandsschicht gegenüberliegenden Seite abdeckende lichtdurchlässige Elektrode ,der Widerstandsschicht wieder zugeführt werden, wobei die Differenz zwischen den gemessenen Strömen (Spannungen) der beiden Elektroden eines Elektrodenpaares zur Gewinnung der Ausgangssignale gebildet wird und ein Maß für die Lage des beleuchteten Punktes längs einer rechtwinklig zu der betreffenden Elektrode verlaufenden Achse darstellt. The invention relates to a method for linearizing the signals a I'otodetektor, which the position of an illuminated point a semiconductor plate built into the photodetector indicates the signals being formed by one of the light energy generated in the semiconductor plate] through a resistive layer on one side of the semiconductor plate divided and two pairs of elongated electrodes facing each other in a right-angled square. \ - is conducted and the currents from the electrodes via current (voltage) Measuring devices and a fifth, the semiconductor plate on the side opposite the resistance layer covering translucent electrode, fed back to the resistive layer, with the difference between the measured Currents (voltages) of the two electrodes of an electrode pair to obtain the output signals is formed and a measure for the position of the illuminated point along a right angle represents the axis extending to the electrode in question.
Fach der Entdeckung des Lateral-I1Oto-Effekts und der Erläuterung der Theorie dieses Effekts durch Professor J.T,- Wallmark, Ohalmers-Institute of Technology, Göteborg, Schweden, und durch G. Lueovsky sind die iOtodetektoren dieser Art weiterentwickelt worden, und es ist zu praktischen Anwendungen gekommen, z.B. bei Servosystemen und für"den Zweck der Bestimmung der Lage eines Objekts, eines Punktes, in einem zweidimensionalen und recht winkligen Koordinatensystem in der Fotozelle,Subject to the discovery of the lateral I 1 Oto effect and the explanation of the theory of this effect by Professor JT, - Wallmark, Ohalmers Institute of Technology, Gothenburg, Sweden, and by G. Lueovsky, the iOtodetectors of this type have been further developed, and es has come to practical applications, eg in servo systems and for "the purpose of determining the position of an object, a point, in a two-dimensional and right-angled coordinate system in the photocell,
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" 2 " 2359H3 ." 2 " 2359H3.
Lateral-Fotozellen dieser Art weisen jedoch den Nachteil auf, . daß die Beziehung zwischen den Ausgangssignalen und den die Lage angebenden Koordinaten nicht linear ist, so daß es häufig nur möglich ist, lediglich einen kleinen Bereich im Zentrum der Fotozelle zu verwenden, in dem die Nicbtlinearität nicht allzu störend ist. Ausgenommen sind hter allerdings Anwendungen in Servosystemen, bei denen die Steuerung in dichtung auf einen bestimmten Fixpunkt erfolgt, und die nichtlinearen Abhängigkeiten meistens ohne Bedeutung sind. Es sind Versuche gemacht worden, die Fotozelle mit Hilfe von verschiedenen Korrekturrastern zu linearisieren. Die Ergebnisse waren allerdings nicht ermutigend. Unter anderem wird die Empfindlichkeit der Zelle durch diese Art der Korrektur abgesenkt. Es wird in diesem Zusammenhang auf Veröffentlichungen von D. Allen, I. Weimar und J. Winslow (Transactions on instruments IRE 1-9, Seite 336 ff (I960) ) hingewiesen, welche in iDiagraramforai die Nichtlinearität einer Fotozelle der hier betroffenen Art mit und ohne Korrekturraster zeigen.However, lateral photocells of this type have the disadvantage. that the relationship between the output signals and the location indicating coordinates is not linear, so that it is often only possible to have only a small area in the center of the To use photocell in which the nicbtlinearity is not too is disturbing. Exceptions are, however, applications in servo systems, where the control is in seal on a particular one Fixed point takes place, and the non-linear dependencies are mostly irrelevant. Attempts have been made linearize the photocell with the help of various correction grids. However, the results were not encouraging. Among other things, this type of correction lowers the sensitivity of the cell. It will refer to publications in this regard by D. Allen, I. Weimar and J. Winslow (Transactions on instruments IRE 1-9, page 336 ff (I960)), which in iDiagraramforai the non-linearity of a photocell of the type affected here with and without a correction grid.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, die Ausgangssignale eines Fotodetektors der hier betroffenen Art im wesentlichen linear zu gestalten.The object of the present invention is now to provide a Specify a method with which it is possible to essentially determine the output signals of a photodetector of the type in question here design linear.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß jede einem Elektrodenpaar entsprechende Strom- (Spannungs-) Differenz durch die Summe der gleichen Strömendividiert wird und der Quotient das Iineariaierte Ausgangssignal ergibt.According to the invention, this object is achieved in a method as described at the outset mentioned type solved in that each electrode pair corresponding current (voltage) difference by the sum the same stream is divided and the quotient the linearized Output signal results.
Damit kann die Hicbtlinearität über die gesamte Fläche des Detektors abgesenkt werden bis auf etwa 0,1 fa, wobei zu beachten ist, daß in den Randbereichen eines Detektors ohne' Korrektur die ITichtlinearität, etwa 80 % beträgt. Frühere Versuche zur Erreichung der Linearität haben nioht annähernd so gute Ergebnisse gehabt.In this way, the high linearity can be reduced over the entire surface of the detector down to about 0.1 fa, whereby it should be noted that in the edge areas of a detector without correction the non-linearity is about 80%. Previous attempts to achieve linearity have nowhere near as good results.
Im folgenden Teil der Beschreibung wird eine Ausführungsform desIn the following part of the description, an embodiment of the
* (Spannungen)* (Voltages)
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Erfindungsgegeinstandes anhand von-Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:· ·:;Subject of the invention described with reference to drawings. It shows:· ·:;
!'ig. 1 einen lateralen Fotodetektor der Art, auf die das er- ' " findungsgemäße linearisierungsverfahren angewendet werden soll, und! 'ig. 1 a lateral photodetector of the type in which the "inventive linearization method applied should be, and
Pig. 2 ein stark vereinfachtes Modell der erfindungsgemäßen Stromauf teilung in einem Fotodetektor gemäß Fig. 1.Pig. 2 is a greatly simplified model of the invention Current distribution in a photodetector according to Fig. 1.
Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung sollen zu nächst der Aufbau und die Wirkungsweise eines lateralen Foto detektors beschrieben werden. Wie Fig. 1 zeigt,' ist ein late —. raler Fotodetektor um eine rechteckige Platte 1 herum gebaut, die aus einem halbleitenden Dotierungsmaterial besteht. Die Platte 1 ist auf ihrer Oberseite von einer lichtdurchlässigen (oxidschicht 2, welche eine fünfte Elektrode bildet, und auf ihrer Unterseite von einer dünnen homogenen ¥iderstandsschicht 3 aus einem Widerstandsmaterial abgedeckt. Längs dem Rand der WiderstandsschicBt 3 sind nahe den Ecken der Platte -1 zwei Paare einander gegenüberliegend er Diverterelektroden 4 angeordnet.To facilitate understanding of the invention should be next the structure and mode of operation of a lateral photo detector to be discribed. As Fig. 1 shows, 'is a late -. real photodetector built around a rectangular plate 1, which consists of a semiconducting doping material. The plate 1 is transparent on its upper side (oxide layer 2, which forms a fifth electrode, and on its The underside of a thin, homogeneous resistance layer 3 covered by a resistor material. Along the edge of the resistance layer 3 near the corners of the plate -1 are two pairs of each other opposite he diverter electrodes 4 arranged.
Wenn ein Punkt 5 auf der Platte beleuchtet wird, dann ,erzeugt der Iricütstrom zu der. Platte eine Spannungs-/Strom-wuelle 6 an der p-n-Verbindungsfläche der Platte 1. Die Spannun"gs-/Strom-•^uelle 6 kann über die G-oldschicbt 2 und die · Widerstand sschicht mit den Diverterelektroden 4 einen geschlossenen Stromkreis mit' nicht gezeigten äußeren Meßeinrichtungen schließen, wobei vier Teilströme, jeweils.einer für jede Elektrode 4, registriert werd en können .-■-."-If a point 5 on the plate is illuminated, then, generated the Iricütstrom to the. Plate a voltage / current wave 6 on the p-n junction of the plate 1. The voltage / current source 6 can over the G-oldschicbt 2 and the · resistance s layer with the diverter electrodes 4 a closed circuit with ' Close external measuring devices, not shown, whereby four partial currents, one for each electrode 4, are registered en can .- ■ -. "-
Ein bedeutsames und in dem vorliegenden Fall ausnutzbares Merkmal liegt darin, daß der Strom in Abhängigkeit von der Stellung des beleuchteten Punktes" 5 bezüglich der vier Elektroden 4- sich ungleichmäßig über die Elektroden verteilt. Die an jeder Elektrode 4 gemessenen Ströme ergeben somit eine Information über dieAn important feature that can be used in the present case is that the current depends on the position of the illuminated point "5 with respect to the four electrodes 4- themselves unevenly distributed over the electrodes. The one on each electrode 4 measured currents thus provide information about the
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Stellung des beleuchteten Punktes 5. Gemäß bereits bekannten Verfahrensweisen hat man die Differenz zwischen den in jedem Paar von Elektroden gemessenen Strömen gebildet und diese Differenz im wesentlichen als proportional zur lage des Punktes 5 innerhalb eines begrenzten ausnutzbaren Bereichs im Zentrum des Detektors betrachtet.Position of the illuminated point 5. According to previously known procedures, the difference between the currents measured in each pair of electrodes has been calculated and this difference has been regarded as essentially proportional to the position of the point 5 within a limited usable area in the center of the detector.
Eine vollständige Analyse über die Art der Stromverteilung in der aus halbleitendem Dotierungsmaterial bestehenden Platte 1 und in der Widerstandssohioht 3 ist sehr komplizeirt. Es ist jedoch klar, daß beide Ausgangssignale sich auch dann verändern, wenn sich der Lichtpunkt 5 nur in einer Koordinatenrichtung bewegt, wodurch die bereits erwähnte beträchtliche Niohtiinearitat begründet wird.A full analysis of the type of power distribution in the plate 1 made of semiconducting doping material and in the resistance tube 3 is very complicated. However, it is it is clear that both output signals also change when the light point 5 moves only in one coordinate direction, whereby the already mentioned considerable non-linearity is justified.
Unter Bezugnahme auf das in Pig. 2 dargestellte stark vereinfachte Modell wird nun versucht, das erfindungsgemäße Linearisierungsverfahren zu beschreiben. Über der Widerstandsschicht 3 ist ein Koordinantensystem x-y angeordnet, dessen Achsrichtungen normal zu den Längsrichtungen der Elektroden 4 verlaufen. Die in den die Koordinatenachsen schneidenden Elektroden 4 gemessenen Ströme werden mit 1χ1 und 1χ2 tz« iy-j und i „ bezeichnet. Wenn ein Punkt (x;y) beleuchtet wird, dann kann der erzeugte Strom so betrachtet werden, daß er sioh in diese Ströme aufteilt, welche über die Widerstände Rx1 und Rx2 bzw. R1 und R 2 zu der betreffenden Elektrode 4 fließen. Diese Widerstände sind proportional dem Abstand zwischen dem beleuchteten Punkt 5 und der jeweiligen Elektrode Es ist nun ϋχ1 + R^2 = Rx und R. + R- = R . wobei Rx und R Konstanten sind, was sich ohne weiteres aus der Zeichnung ergibt. Dabei ist ix1 + ix2 = ix> iy1 + iy2 = iy und 1χ + iy = i, d.h., der Gesamtstrom in x-Ricbtung, y-Riohtung und durch die p-n-Verbindung. Referring to that in Pig. 2, an attempt is now made to describe the linearization method according to the invention, in the greatly simplified model shown. A coordinate system xy, the axial directions of which run normal to the longitudinal directions of the electrodes 4, is arranged above the resistance layer 3. The currents measured in the electrodes 4 intersecting the coordinate axes are denoted by 1 χ1 and 1 χ2 tz «i y -j and i». If a point (x; y) is illuminated, then the generated current can be viewed in such a way that it divides itself into these currents which flow via the resistors R x1 and R x2 or R 1 and R 2 to the relevant electrode 4 . These resistors are proportional to the distance between the illuminated point 5 and the respective electrode, it is now ϋ χ1 + R ^ 2 = R x and R. + R- = R. where R x and R are constants, which is easy to see from the drawing. Here i x1 + i x2 = i x> i y1 + i y2 = i y and 1 χ + i y = i, ie the total current in x-direction, y-direction and through the pn connection.
Aus den vorgenannten Beziehungen ergibt sich, daß der Ersatzwiderstand z.B. für die Parallelschaltung der Widerstände Rx-, und Rx2 sich in seinem Wert beträchtlich ändert, wenn sioh der beleuchtete Punkt 5 von einer Stelle in der Nähe einer der x-Elek-From the above-mentioned relationships it follows that the equivalent resistance, e.g. for the parallel connection of the resistors R x - and R x2, changes in value considerably if the illuminated point 5 moves from a point near one of the x -electrodes.
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troden zu einer Stelle nahe dem Zentrum des Detektors bewegt.
lOlglioh ändert sich auch i, wobei sich die Differenz i„.. - i „
nicht linear mit der Lageveränderung der Koordinaten ändert.troden moved to a location near the center of the detector.
lOlglioh i also changes, whereby the difference i ".. - i" does not change linearly with the change in position of the coordinates.
Die Widersande R1 und R_2 bzw. R^ und R„2 sind jedoch proportional dem Abstand des beleuchteten Punktes 5 von der jeweiligen Elektrode 4-· Der Ausdruok (^x-J ~ ^x2^ *"e* som^·^ proportional der χ-Koordinate des Punktes 5, wenn der Kooräinatenursprung in dem Zentrum des von den Elektroden 4 gebildeten Quadrats liegt, was in entsprechender Anwendung auch hinsichtlich der y-Koordinate gilt. Es ist daher die Aufgabe eine lineare Beziehung zwischen den zuletzt genannten Ausdrücken und den meßbaren Werten zu finden. Entsprechend bekannten Gesetzmäßigkeiten gilt,The contradictions R 1 and R_ 2 or R ^ and R " 2 , however, are proportional to the distance of the illuminated point 5 from the respective electrode 4- · The expression (^ x -J ~ ^ x2 ^ *" e * som ^ · ^ proportional to the χ-coordinate of the point 5 if the origin of the co-ordinates lies in the center of the square formed by the electrodes 4, which in a corresponding application also applies to the y-coordinate to find the measurable values. According to known laws,
Ä 1X · Ä 1 X
Bx2 B x2
XtXt
Da Rx1 + R^2 = Rx = konstant ist, erhält manSince R x1 + R ^ 2 = R x = is constant, one obtains
wobei dieser Ausdruck z.B. von der y-Koordinate unabhängig ist.where this expression is e.g. independent of the y-coordinate.
Durch Bildung der Differenz zwischen den gemessenen Strömen an
einem Elektrodenpaar und durch Teilung dieser Differenz durch die
Summe der gleichen Ströme wird somit ein Quotient erhalten, der
eine lineare Beziehung zu der gesuchten Lage des Punktes 5 hat. Die obige Ableitung ist im Hinblick auf die y-Koordinate analog
anweiidbari :By calculating the difference between the measured currents
a pair of electrodes and by dividing this difference by the sum of the same currents, a quotient is thus obtained which has a linear relationship to the desired position of the point 5. The above derivation can be applied analogously with regard to the y-coordinate:
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Es sei bier darauf hingewiesen, daß- die obige Ableitung auf der Basis eines sehr einfachen Modells der tatsächlichen Gegebenheiten gemacht worden ist. Sie allgemeine Anwendbarkeit dieses Modells kann zwar infrage gestellt werden, aber im vorliegenden Fall muß die Annäherung als sehr gut bezeichnet werden, insbesondere da tatsächlich das Ergebnis eine Genauigkeit von 0,1 $ aufweist. It should be pointed out here that the above derivation was made on the basis of a very simple model of the actual circumstances. The general applicability of this model can be questioned, but in the present case the approximation must be described as very good, especially since the result actually has an accuracy of $ 0.1.
Die Anwendbarkeit der Erfindung auf andere ähnlich geartete Stromkreise ist nicht geprüft worden; es gibt aber gute Gründe zu der Annahme, daß das linearisierungsverfabren in einem weiten Bereich von Systemen anwendbar ist, welche von einer Stromaufteilung in einer leitenden Sohiobt Gebrauch machen. Die elektronischen Bauelemente, welche zur Durchführung der mathematischen Vorgänge benötigt werden, werden von einem Ifaobmann ohne weiteres gefunden, so daß aus diesem Grunde eine Beschreibung der Elemente zur Burohfübrung des Linearisierungsverfahrens nicht als notwendig erachtet wurde.The applicability of the invention to other similar types of circuits has not been tested; but there are good reasons to believe that the linearization method is applicable in a wide range of systems which make use of current sharing in a conductive sohiobt. The electronic components, which are required to carry out the mathematical processes, are easily found by a supervisor, so that for this reason a description of the elements for office management of the linearization process was not considered necessary .
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