DE3342147A1 - Method and circuit arrangement for optoelectronic determination of the position of a light spot - Google Patents
Method and circuit arrangement for optoelectronic determination of the position of a light spotInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungs-The invention relates to a method and a circuit
anordnung zur Feststellung der Position eines entlang' einer Linie oder einer Fläche bewegbaren Lichtfleckes mit kleinflächigen Einzeldetektoren, die mit Abstand voneinander über die Linie bzw. Fläche verteilt angeordnet und an eine elektrische Auswerteschaltung angeschlossen sind welche von der Lichtbeaufschlagung der'Einzeldetektoren abhängige Positionssignale abgibt.arrangement for determining the position of a along 'a line or an area of movable light spot with small-area individual detectors that arranged at a distance from one another distributed over the line or area and attached to a electrical evaluation circuit are connected which from the exposure to light the individual detectors emit position signals that are dependent on the individual detectors.
Bekannte großflächige Positionssensoren dieser Art sind relativ kostspielig, arbeiten langsam und der mit ihnen zu erreichende Störabstand ist gering. Außerdem ist die maximal zur Verfügung stehende Detektorfläche auf wenige Quadratzentimeter beschränkt.Known large-area position sensors of this type are relatively expensive, work slowly and the signal-to-noise ratio that can be achieved with them is low. aside from that is the maximum available detector area within a few square centimeters limited.
Mit einem Feld aus einer großen Zahl einzelner Lichtdetektoren, insbesondere Photodioden läßt sich die Position eines Lichtflecks nur in groben Stufen ermitteln. Derartige Positionsbestimmungen sind z.B. bei der Materialprüfung mittels eines den zu überwachenden Gegenstand periodisch abtastenden Lichtfleckes erforderlich. Bei bestimmten Anwendungen ist die Positionsbestimmung in zu groben Stufen unzureichend. Häufig müssen noch kleine Schwankungen festgestellt werden, die großen langsam veränderlichen Auslenkungen überlagert sind. Hierzu ist eine kontinuierliche, in der Regel lineare Umwandlung der Ortsposition in ein elektronisches Signal erforderlich.With an array of a large number of individual light detectors, in particular Photodiodes, the position of a light spot can only be determined in rough steps. Such position determinations are e.g. during material testing by means of a The object to be monitored is required to periodically scan the light spot. In certain applications, the position determination is insufficient in too coarse steps. Often small fluctuations still have to be determined, the large ones slowly changing Displacements are superimposed. This is a continuous, usually linear one Conversion of the local position into an electronic signal is required.
Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit denen auch bei Verwendung eines relativ großen Lichtfleckes und einer diskontinuierlichen Anordnung von photoempfindlichen Einzeldetektoren eine genaue und kontinuierliche Anzeige des Schwerpunktes des Lichtfleckes erzielt werden kann, so daß der momentane Ort des Lichtfleckes für Meßzwecke in jedem Augenblick genau bekannt ist.The aim of the invention is thus to provide a method and a To create circuit arrangement of the type mentioned, with which also in Use of a relatively large light spot and a discontinuous arrangement an accurate and continuous display of photosensitive single detectors the center of gravity of the light spot can be achieved, so that the current location of the light spot is exactly known for measurement purposes at every moment.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die Ausgangs signale der Einzeldetektoren entsprechend ihrem Abstand von einer Bezugsposition unterschiedlich gewichtet werden und dann zur Bildung des Positionssignals die gewichteten Signale linear kombiniert werden.To solve this problem, the invention provides that the output signals from the individual detectors according to their distance from a reference position are weighted differently and then weighted to form the position signal Signals can be combined linearly.
Auf diese Weise wird erreicht, daß die Ausgangssignale der Einzeldetektoren bei gleicher Lichtbeaufschlagung umso prominenter werden, je weiter der beaufschlagte Einzeldetektor von der den Nullpunkt darstellenden Bezugsposition entfernt ist. Aufgrund der erfindungsgemäßen Linearkombination wird die Lage des Schwerpunktes des Lichtfleckes auch dann exakt bestimmt, wenn dieser gerade im Bereich zwischen zwei Einzeldetektoren oder z.B. am Rande eines Einzeldetektors liegt.In this way it is achieved that the output signals of the individual detectors with the same exposure to light, the more prominent, the further the exposed Single detector is removed from the reference position representing the zero point. Due to the linear combination according to the invention, the position of the center of gravity of the light spot is also determined exactly when it is in the area between two single detectors or e.g. at the edge of a single detector.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Lichtfleck in Richtung des Abstandes zweier benachbarter Einzeldetektoren eine Mindestlänge hat, die gleich dem Abstand der Einzeldetektoren ist. Zur Erzielung einer stufenfreien Kennlinie soll jedoch die Ausbildung so sein, daß die Mindestlänge des Lichtfleckes größer oder gleich dem doppelten Abstand zuzüglich der Länge des Einzeldetektors in der betreffenden Richtung ist.It when the light spot in the direction of the is particularly advantageous Distance between two adjacent individual detectors has a minimum length that is the same the distance between the individual detectors. To achieve a step-free characteristic however, the training should be such that the minimum length of the light spot is greater or equal to twice the distance plus the length of the individual detector in the direction is concerned.
Besonders einfach wird das erfindungsgemäße Verfahren, wenn alle Einzeldetektoren gleich ausgebildet sind und vorzugsweise auch gleichen Abstand haben. Die Anordnung kann nach einem kartesischen oder auch Polarkoordinatensystem vorgenommen werden.The method according to the invention is particularly simple when all individual detectors are designed the same and preferably also have the same distance. The order can be carried out according to a Cartesian or polar coordinate system.
Eine sehr einfache Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, daß die Ausgangssignale der,Einzeldetektoren unter Berücksichtigung der Kennlinien jeweils mit einem Faktor multipliziert werden, der ihrem Abstand von der Bezugsposition entspricht und daß alle so gebildeten Signale zur Bildung des Positionssignals unter Berücksichtigung ihrer Vorzeichen summiert werden.A very simple implementation of the method according to the invention is characterized in that the output signals of the, individual detectors taking into account of the characteristics are each multiplied by a factor that corresponds to their distance corresponds to the reference position and that all signals formed in this way to the formation of the position signal can be summed up taking their signs into account.
Wenn die Einzeldetektoren nach einem Koordinatensystem angeordnet werden, so sollen zumindest die Ausgangssignale der in einer Koordinatenrichtung angeordneten Einzeldetektoren gewichtet und linear kombiniert werden. Werden z.B. die Einzeldetektoren nach einem Polarkoordinatensystem angeordnet, so kann es ausreichend sein, wenn eine Wichtung der Ausgangssignale der Einzeldetektoren nur für die radiale Richtung erfolgt, während in Umfangsrichtung alle Einzeldetektoren gleich gewichtet sind. Auf diese Weise kann ohne weiteres der Abstand eines Lichtfleckes in verschiedenen Richtungen von einem Nullpunkt festgestellt werden.When the individual detectors are arranged according to a coordinate system at least the output signals should be in one coordinate direction arranged individual detectors are weighted and combined linearly. Are e.g. The individual detectors are arranged according to a polar coordinate system, so it can be sufficient be if a weighting of the output signals of the individual detectors only for the radial Direction takes place, while in the circumferential direction all individual detectors are equally weighted are. In this way, the distance between a light spot can easily be in different Directions can be determined from a zero point.
Es ist zweckmäßig, wenn zur Normierung die Absolutwerte aller gewichteten Signale addiert und die Koordinatensignale durch dieses Summensignal dividiert werden. Eine bevorzugte Schaltungsanordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit im Abstand voneinander angeordneten photoempfindlichen Einzeldetektoren kennzeichnet sich dadurch, daß die Einzeldetektoren an ein Gewichtungsnetzwerk angeschlossen sind.It is useful if the absolute values of all weighted values are used for normalization Signals are added and the coordinate signals are divided by this sum signal. A preferred circuit arrangement for carrying out the method according to the invention with spaced apart photosensitive detectors in that the individual detectors are connected to a weighting network are.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt: Figur 1 eine schematische Blockdarstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Feststellung der Position eines entlang einer Geraden bewegbaren Lichtfleckes, Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Feststellung der Position eines über eine Ebene bewegbaren Lichtfleckes, und Figur 3 eine mit einem Gewichtungsnetzwerk arbeitende Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung analog der Blockdarstellung in Figur 2.The invention is illustrated below, for example, with reference to the drawing described; FIG. 1 shows a schematic block diagram of one according to the invention Circuit arrangement for determining the position of a device that can be moved along a straight line Light spot, Figure 2 shows a further embodiment of a circuit arrangement according to the invention to determine the position of a light spot that can be moved over a plane, and FIG. 3 shows an embodiment of the invention operating with a weighting network Circuit arrangement analogous to the block diagram in FIG. 2.
Nach Fig. 1 sind entlang einer als y-Achse dargestellten Geraden in gleichen Abständen hintereinander photoempfindliche Einzeldetektoren 212, 211, 111, 112, 113 mit ihren Flächenschwerpunkten an den Orten y = -3, -1, +1, +3 bzw. +5 angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel ist der Abstand A zweier Einzeldetektoren gleich 1 und gleich groß wie die Erstreckung der Einzeldetektoren in y-Richtung.According to FIG. 1, along a straight line shown as a y-axis in equal distances behind one another photosensitive individual detectors 212, 211, 111, 112, 113 with their centroids at the locations y = -3, -1, +1, +3 and +5, respectively arranged. In the exemplary embodiment, the distance A is between two individual detectors equal to 1 and the same size as the extension of the individual detectors in the y-direction.
Die Einzeldetektoren 111, 112, 113 sind über Gewichtungsverstärker 14,15,16 mit Verstärkungsfaktoren von 1,3 bzw. 5 an eine Summenbildungsstufe 17 angeschlossen, deren Ausgang an einer Differenzbildungsstufe 18 anliegt.The individual detectors 111, 112, 113 are via weighting amplifiers 14,15,16 with gain factors of 1.3 or 5 to a summation step 17 connected, the output of which is applied to a subtraction stage 18.
Die Einzeldetektoren 211,212 sind über Gewichtungsverstärker 19,20 mit den Verstärkungsfaktoren 1 bzw. 3 an eine weitere Summenbildungsstufe 21 angelegt, deren Ausgang dem anderen Eingang der Differenzbildungsstufe 18 zugeführt ist.The individual detectors 211, 212 are via weighting amplifiers 19, 20 with the gain factors 1 or 3 applied to a further summation stage 21, the output of which is fed to the other input of the difference formation stage 18.
Die Linearanordnung von Einzeldetektoren kann in y-Richtung von einem Lichtfleck 13 in Richtung der beiden Pfeile über strichen werden. Die Ausdehnung des Lichtfleckes 13 in y-Richtung ist gleich dem doppelten Abstand A. Bevorzugt wäre jedoch eine Ausdehnung gleich 3A, weil dann eine stufenfreie Kennlinie erzielt werden könnte.The linear arrangement of individual detectors can be in the y direction of one Light spot 13 are swept over in the direction of the two arrows. The expansion of the light spot 13 in the y-direction is equal to twice the distance A. Preferably however, an expansion would be 3 A, because then a step-free characteristic curve would be achieved could be.
Am Ausgang der Differenzbildungsstufe 18 erscheint ein für den Ort des Schwerpunktes M des Lichtfleckes 13 entlang der y-Achse repräsentatives Signal, wobei eine völlig gleichmäßige Ausleuchtung des Lichtflecks 13 vorausgesetzt ist.A for the location appears at the output of the difference formation stage 18 of the center of gravity M of the light spot 13 along the y-axis representative signal, a completely uniform illumination of the light spot 13 is assumed.
Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist wie folgt: In der aus Fig. 1 ersichtlichen Position beaufschlagt der Lichtfleck 13 je zur Hälfte den Einzeldetektor 111 und den Einzeldetektor 112. Am Ausgang des Einzeldetektors 111 und am Ausgang des Einzeldetektors 112 steht somit z.B.The operation of the circuit arrangement according to FIG. 1 is as follows: In the position shown in FIG. 1, half of the light spot 13 is applied the single detector 111 and the Individual detector 112. At the output of the Individual detector 111 and at the output of the individual detector 112 is thus e.g.
das gleiche Ausgangssignal 0,5 an. Dieses wird im Gewichtungsverstärker 14 mit dem Faktor 1 im Gewichtungsverstärker 15 jedoch mit dem Faktor 3 bewertet, so daß in der Summenbildungsstufe 17 die Summe aus 0,5 und 1,5 = 2 gebildet wird. Das Ausgangssignal der Summenbildungsstufe 17 gibt also den Ort des Schwerpunktes M des Lichtfleckes 13 entlang der y-Achse in Fig. 1 wieder.the same output signal 0.5. This is done in the weighting amplifier 14 evaluated with the factor 1 in the weighting amplifier 15 but with the factor 3, so that in the summation step 17 the sum of 0.5 and 1.5 = 2 is formed. The output signal of the summation stage 17 thus gives the location of the center of gravity M of the light spot 13 along the y-axis in FIG. 1 again.
In der Differenzbildungsstufe 18 wird die Differenz zwischen dem Signal 2 und dem in diesem Fall 0 betragenden Ausgangssignal der Summenbildungsstufe 21 gebildet, so daß am Ausgang der Differenzbildungsstufe 18 schließlich das gewünschte Koordinatensignal y = 2 ansteht.In the difference formation stage 18, the difference between the signal 2 and the output signal of the summation stage 21, which in this case is 0 formed so that at the output of the difference formation stage 18 finally the desired Coordinate signal y = 2 is present.
Würde der Lichtfleck 13 mit seinem Schwerpunkt M an der Stelle y = 0 liegen, so würden die Einzeldetektoren 111, 211 jeweils zur Hälfte vom Lichtfleck 13 beaufschlagt. Dies würde zu Signalen +1 an den Ausgängen der Summenbildungsstufen 17 bzw.21 führen und damit zu einem durch die Differenzbildung erzeugten Signal y = O am Ausgang der Differenzbildungsstufe 18.If the light spot 13 would have its center of gravity M at the point y = 0, the individual detectors 111, 211 would each be halfway from the light spot 13 applied. This would result in signals +1 at the outputs of the summation stages 17 or 21 and thus lead to a signal generated by the difference formation y = O at the output of the subtraction stage 18.
Nimmt man den Lichtfleck 13 mit seinem Schwerpunkt M an der Stelle y = -3 an, so liegt am Ausgang der Summenbildungsstufe 21 das Signal +3 und am Ausgang der Differenzbildungsstufe 18 das gesuchte Positionssignal y = -3 an.If you take the light spot 13 with its center of gravity M at the point y = -3, the signal +3 is at the output of the summation stage 21 and at the output the difference formation stage 18 to the position signal y = -3 sought.
Lediglich bei Anordnung des Schwerpunktes M z.B. zwischen 3,0 und 3,5 würde das y-Signal am Ausgang der Differenz-' bildungsstufe 18 sich nicht ändern und immer den Wert y = 3 anzeigen. Dies könnte aber - wie oben gezeigt - durch Wahl der Länge des Lichtflecks 13 in y-Richtung mindestens gleich 3A vermieden werden.Only with the arrangement of the center of gravity M e.g. between 3.0 and 3.5 the y signal at the output of the difference 'formation stage 18 would not change and always display the value y = 3. However, as shown above, this could be done by choice the length of the light spot 13 in the y-direction at least equal to 3A can be avoided.
An die Differenzbildungsstufe 18 wird vorzugsweise noch eine Quotientenbildungsstufe angeschlossen, welche das Signal t y durch die Summe aller ungewichteten Signale dividiert. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn der Abstand A der Einzeldetektoren größer oder kleiner als dargestellt ist.A quotient formation stage is preferably added to the difference formation stage 18 connected, which the signal t y by the sum of all unweighted signals divided. This is particularly useful when the distance A between the individual detectors larger or smaller than shown.
Figur 2 veranschaulicht die Erweiterung der aus Fig, 1 ersichtlichen Schaltungsanordnung auf eine nach einem x-y-Koordinatensystem erfolgte 'Anordnung von insgesamt 12 Einzeldetektoren 111,211,311,411,131,231,233,213,313, 333,331,431. Der Lichtfleck 13 ist hier in einer Position angedeutet, wo er jeweils die Einzeldetektoren 211,213 zur Hälfte beaufschlagt. Der Lichtfleck 13 kann sich innerhalb des kartesischen x-y-Koordinatensystems bewegen.FIG. 2 illustrates the expansion of that shown in FIG Circuit arrangement based on an 'arrangement made according to an x-y coordinate system of a total of 12 individual detectors 111,211,311,411,131,231,233,213,313, 333,331,431. The light spot 13 is indicated here in a position where it each has the individual detectors 211,213 half-loaded. The light spot 13 can be within the Cartesian move in the x-y coordinate system.
Die Darstellung von zwei Ausgängen für jeden Einzeldetektor bedeutet, daß es sich um zwei z.B. durch Verstärker entkoppelte Ausgänge z.B. einer Photodiode handelt. Die Verstärker sind als Stromquellen anzusehen. Beide Ausgänge sind gleich empfindlich, d.h. sie haben gleiche Ubertragungsfaktoren.The representation of two outputs for each individual detector means that there are two outputs, e.g. of a photodiode, decoupled e.g. by amplifiers acts. The amplifiers are to be regarded as power sources. Both outputs are the same sensitive, i.e. they have the same transfer factors.
Vorliegend werden jeweils die zu einem y gehörenden Einzeldetektoren 131,231,233;111,211,213; 411,311,313 bzwt 431, 331,333 zusammengefaßt und über' Gewichtungsverstärker 15,14, 19,20 mit Gewichtungsfaktoren 3,1,1 bzw. 3 an Summenbildung stufen 17 bzw. 21 angelegt, deren Ausgänge wieder einer Differenzbildungsstufe 18 zugeführt sinde In analoger Weise sind die zu dem gleichen x gehörenden Einzeldetektoren 131,111,411,431;231,211,311,331 bzw.The individual detectors belonging to a y are present in each case 131,231,233; 111,211,213; 411,311,313 or 431, 331,333 combined and over ' Weighting amplifiers 15.14, 19.20 with weighting factors 3.1.1 and 3, respectively, for summation stages 17 and 21 are created, the outputs of which are again a subdivision stage 18 The individual detectors belonging to the same x are analogous 131,111,411,431; 231,211,311,331 and
233,213,313,333 über Gewichtungsverstärker 14',19' bzw.233,213,313,333 via weighting amplifiers 14 ', 19' or
20' direkt bzw. über eine Summenbildungsstufe 21' an eine weitere Differenzbildungsstufe 18' angelegt. Auf diese Weise entsteht am Ausgang der Differenzbildungsstufe 18 ein für die Lage des Lichtfleckes 13 entlang der y-Achse repräsentatives Signal, während der Ausgang der Differenzbildungsstufe 18' die Lage des Lichtfleckes 13 entlang der x-Achse wiedergibt.20 'directly or via a summation stage 21' to another Difference formation stage 18 'created. In this way, the difference formation stage occurs at the output 18 a signal representative of the position of the light spot 13 along the y-axis, while the output of the difference formation stage 18 'determines the position of the light spot 13 along the x-axis.
Die Eingänge der Gewichtungsverstärker 14,15,19,20,14',19',20' sind niederohmig, damit eine Summation der angelegten Ströme erfolgt.The inputs of the weighting amplifiers 14,15,19,20,14 ', 19', 20 'are low resistance, so that the applied currents are added up.
Zur Normierung werden in der in Fig. 2 gestrichelt dargestellten Weise z.B. die Summensignale der einzelnen Spalten in einer Summierungsstufe 22 zusammenaddiert, deren Ausgang dem einen Eingang zweier Quotientenbildungsstufen 23 bzw. 24 zugeführt ist. Die anderen Eingänge der beiden Quotientenbildungsstufen 23,24 sind an die Ausgänge der Differenzbildungs stufen 18 bzw. 18' angelegt. Indem die Ausgänge der Differenzbildungsstufen 18,18' durch,das die Summe aller ungewichteten Ausgangs signale aller Einzeldetektoren darstellende Ausgangssignal der Summierungsstufe 22 dividiert werden, entstehen an den Ausgängen der Quotientenbildungsstufen 23,24 normierte y- bzw. x-Signale, die für die Lage des Lichtfleckes 13 in dem kartesischen Koordinatensystem repräsentativ sind.For normalization, in the manner shown in dashed lines in FIG E.g. the sum signals of the individual columns are added together in a summation stage 22, the output of which is fed to one input of two quotient formation stages 23 and 24, respectively is. The other inputs of the two quotient formation stages 23,24 are to the Outputs of the difference formation stages 18 and 18 'created. By using the outputs of the Difference formation stages 18,18 'by, which is the sum of all unweighted output Output signal of the summing stage representing signals from all individual detectors 22 are divided, arise at the outputs of the quotient formation stages 23,24 normalized y or x signals for the position of the light spot 13 in the Cartesian Coordinate system are representative.
In Fig. 3 bezeichnen gleiche Bezugszahlen entsprechende Teile wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen.In Fig. 3, like reference numerals designate corresponding parts as in the previous exemplary embodiments.
Nach Fig. 3 sind die Einzeldetektoren als Photodioden in gleicher Anordnung wie nach Fig. 2 ausgebildet. Die Photodioden sind mit großem Abstand voneinander montiert. Dennoch gelingt es, die analog Fig. 2 zu denkende Position eines in Fig. 3 nicht dargestellten Lichtflecks linear und kontinuierlich zu erfassen.According to FIG. 3, the individual detectors are the same as photodiodes Arrangement designed as shown in FIG. The photodiodes are at a great distance from each other assembled. Nevertheless, it is possible to achieve the position of a position in FIG. 3 to detect light spot, not shown, linearly and continuously.
Sämtliche Dioden sind mit ihrer Anode an eine bei 25 angelegte feste Spannungsquelle angeschlossen. Mit ihrer anderen Elektrode liegen die Photodioden über je einen Widerstand an je einem Operationsverstärker 26,27,28 bzw. 29 an, welche die an ihrem (-)-Eingang ankomnender Signale +y -y, +x bzw. -x aufsummieren.All diodes are fixed with their anode to a fixed at 25 Voltage source connected. The photodiodes lie with their other electrode via a resistor to an operational amplifier 26,27,28 or 29, which which add up + y -y, + x and -x signals arriving at their (-) - input.
Die vier Widerstände werden entsprechend der Anordnung der zugeordneten Photodiode im x-y-Konrdinatensystem mit R x R+y, R+x bzw. R y bezeichnet, wie das aus Gründen der Übery sichtlichkeit der Zeichnung nur für die Photodiode 233 in Fig. 3 eingezeichnet ist. Dabei ist der Widerstand R+y mit der Signalleitung +y, der Widerstand R y mit der Signalleitung -y usw. verbunden. Entsprechend der Anordnung des Einzeldetektors 431 im x-y-Koordinatensystem wären dessen vier Widerstände mit R 1 R 3, R+1 und R+3 zu bezeichnen.The four resistors are assigned according to the arrangement of the Photodiode in the x-y constant system with R x R + y, R + x or R y, like that for the sake of clarity of the drawing only for the photodiode 233 in Fig. 3 is shown. The resistor R + y is connected to the signal line + y, the resistor R y connected to the signal line -y and so on. According to the arrangement of the individual detector 431 in the x-y coordinate system would be its four resistors with R 1 R 3, R + 1 and R + 3 to designate.
Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der Durchmesser des Lichtflecks mindestens gleich dem Abstand zwischen zwei Photodioden. Wenn eine stufenfreie Kennlinie gefordert wird, dann ist der Durchmesser d# 2L + D, (1) wobei L die Lücke zwischen den Photodioden und D die Breite der Photodioden in der betreffenden Koordinatenrichtung ist.As in the embodiment of FIG. 2, the diameter of the Light spot at least equal to the distance between two photodiodes. If a step-free Characteristic is required, then the diameter is d # 2L + D, (1) where L is the gap between the photodiodes and D is the width of the photodiodes in the relevant coordinate direction is.
Aus den Signalen +y, -y, +x bzw. -x wird mit an die Operationsverstärker 26, 27 bzw. 28,29 angeschlossenen Verstärkern 30,31 durch Subtraktion der beiden Eingangssignale ein Differenzsignal iSy bzw. x gebildet. Durch einen weiteren Verstärker 32 werden die Ausgangssignale aller zu einem Summensignal s Operationsverstärker 26,27,28,29/summiert. des Summierverstärkers 32 ist an den einen Eingang von zwei Quotientenbildungsstufen 11,12 angelegt. An die anderen beiden Eingänge der Quotientenbildungsstufen 11,12 sind die Signale t y bzw. Ax angeschlossen. Die Quotientenbildungsstufen bilden also die SignaleAy/S bzw. Ax/S.The signals + y, -y, + x and -x are sent to the operational amplifier 26, 27 and 28, 29 connected amplifiers 30, 31 by subtracting the two Input signals a difference signal iSy or x is formed. Through another amplifier 32, the output signals of all become a sum signal s operational amplifier 26,27,28,29 / totaled. of summing amplifier 32 is connected to one input of two Quotient formation stages 11,12 applied. To the other two inputs of the quotient formation stages 11, 12 the signals t y and Ax are connected. Form the quotient formation stages i.e. the signals Ay / S and Ax / S.
An den Ausgängen der Quotientenbildungsstufen 11 bzw. 12 steht somit ein Signal an, das proportional zur Auslenkung des Lichtflecks in y- bzw. x-Richtung in bezug auf den Nullpunkt ist. Dieser Nullpunkt wird in der Regel in der geometrischen Mitte des Positionssensors vorliegen. Wie sich aus den Fig. 2 und 3 ergibt, braucht am Ort des Nullpunkts keine Photodiode angeordnet zu sein. Der Nullpunkt kann sogar unsymmetrisch im Positionssensorfeld liegen; er kann sich auch außerhalb des Sensorfeldes befinden. Im letzteren Fall erfolgt die Darstellung der Koordinaten mit unterdrücktem Nullpunkt.At the outputs of the quotient formation stages 11 and 12, there is thus a signal that is proportional to the deflection of the light spot in the y or x direction with respect to the zero point. This zero point is usually in the geometric In the middle of the position sensor. As can be seen from FIGS. 2 and 3, needs no photodiode to be arranged at the location of the zero point. The zero point can even are asymmetrical in the position sensor field; it can also be outside the sensor field are located. In the latter case, the display of the coordinates takes place with suppressed Zero point.
Die Photodioden sind mit der Sperrspannung UR vorgespannt.The photodiodes are biased with the reverse voltage UR.
Grundsätzlich können die Photodioden auch als Photoelemente betrieben werden. In diesem Fall liegen die Kathoden der Photodioden auf Massepotential.In principle, the photodiodes can also be operated as photo elements will. In this case the cathodes of the photodiodes are at ground potential.
Die Gesamtheit der Widerstände R+yl R y R+x bzw. R x bilden zusammen ein Gewichtungsnetzwerk, wobei diese Widerstände für jede Diode andere Werte haben. Um eine lineare Umwandlung der Position des Lichtflecks 13 in eine elektrische Spannung zu gewährleisten, sind die Widerstände wie folgt zu dimensionieren: Dabei bedeuten: x,y die Mittelpunktkoordinaten der jeweiligen Diode, K1,K2 den Wandlungsfaktor, der die Kennliniensteilheit bestimmt und R1,R2 Konstanten, die die Impedanz am Diodenanschluß festlegen, wobei zweckmäßig R1 gleich R2 gewählt wird.The totality of the resistors R + yl R y R + x and R x together form a weighting network, these resistors having different values for each diode. In order to ensure a linear conversion of the position of the light spot 13 into an electrical voltage, the resistors must be dimensioned as follows: Here: x, y mean the center point coordinates of the respective diode, K1, K2 the conversion factor which determines the steepness of the characteristic and R1, R2 constants which define the impedance at the diode connection, where R1 is expediently chosen equal to R2.
Die Konstanten R1,R2 werden so groß wie möglich gewählt.The constants R1, R2 are chosen as large as possible.
Die maximal zulässige Größe ist durch den geforderten Frequenzgang begrenzt. Typische Werte sind R1 = R2 = 10 Kn.The maximum permissible size is due to the required frequency response limited. Typical values are R1 = R2 = 10 Kn.
Die Bewertung der Lage des Lichtflecks kann auch nach Polarkoordinaten oder beliebigen anderen Koordinaten erfolgen.The assessment of the position of the light spot can also be based on polar coordinates or any other coordinates.
Bei Polarkoordinaten gelten die Gleichungen (2) bis (5) sinngemäß, wenn statt y und x, r und + in die Gleichungen eingesetzt wird.For polar coordinates, equations (2) to (5) apply accordingly, if instead of y and x, r and + are substituted into the equations.
Statt der linearen Wandlung sind auch nichtlineare Wandlungen möglich. Hierzu werden in den obigen Gleichungen die Wandlungsfaktoren K1 K2 ortsabhängig gemacht.Instead of the linear conversion, non-linear conversions are also possible. For this purpose, the conversion factors K1 K2 are location-dependent in the above equations made.
Einfacher, aber unempfindlicher ist eine Anordnung, bei der die Verstärker 27,29 und die Widerstände R y, R x entfallen.An arrangement in which the amplifiers 27, 29 and the resistors R y, R x are omitted.
Dafür wird ein Widerstand RA von jeder Diode nach Masse oder einem anderen festen Potential gelegt.For this, a resistor RA from each diode to ground or a put another fixed potential.
Eine weitere Anordnung zum Nachweis auch schwächerer Signale, welche auch eine größere Bandbreite aufweist, kann so ausgebildet sein, daß das Signal jeder Photodiode zuerst in jeweils einem Verstärker verstärkt wird. Hinter diesen Verstärkern ist dann das erwähnte Widerstandsnetzwerk angeordnet.Another arrangement for the detection of weaker signals, which also has a larger bandwidth, can be designed so that the signal each photodiode is first amplified in an amplifier. Behind this The aforementioned resistor network is then arranged in amplifiers.
Wenn man jeder Diode einen eigenen Verstärker zuordnet und dieser Verstärker als Strom-Spannungswandler ausgeführt wird, dann werden die Widerstände R+x, R x' R+yl R y, die nach diesem Verstärker angeordnet sind, zweckmäßig nach den Gleichungen (2) bis (5) berechnet. Es gibt in diesem Fall weniger einschränkende Bedingungen. Deswegen ist es auch möglich, die Widerstände nach den folgenden Gleichungen festzulegen: Die Dioden brauchen nicht gleichmäßig im Feld verteilt zu sein. Von Bedeutung sind insbesondere Anordnunge, bei denen der Abstand der Dioden im Zentrum geringer als in den Außenbereichen ist.If each diode is assigned its own amplifier and this amplifier is designed as a current-voltage converter, then the resistors R + x, R x 'R + yl R y, which are arranged after this amplifier, are expediently according to equations (2) to (5) calculated. There are less restrictive conditions in this case. Therefore it is also possible to determine the resistances according to the following equations: The diodes do not need to be evenly distributed in the field. Arrangements in which the distance between the diodes in the center is less than in the outer areas are particularly important.
Einer der beidenin den Gleichungen (6) und (7) vorkommenden Widerstände kann nach anderen Gesichtspunkten frei gewählt werden.One of the two resistances found in equations (6) and (7) can be freely chosen according to other criteria.
Bei der Berechnung der Widerstände für die Schaltung nach Fig. 3 entsprechend den Gleichungen (2) bis (5) erhält man den besten Störabstand, wenn die größten berechneten Widerstände unendlich groß gewählt werden. Bei kartesischen Koordi-' naten ist das jeweils einer (in den Ecken zwei) der Widerstände der Randdioden. When calculating the resistances for the circuit according to FIG. 3 in accordance with equations (2) to (5), the best signal-to-noise ratio is obtained when the largest calculated resistances are chosen to be infinitely large. With Cartesian The coordinates are one (two in the corners) of the resistors of the edge diodes.
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Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19833342147 DE3342147A1 (en) | 1983-11-22 | 1983-11-22 | Method and circuit arrangement for optoelectronic determination of the position of a light spot |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE19833342147 DE3342147A1 (en) | 1983-11-22 | 1983-11-22 | Method and circuit arrangement for optoelectronic determination of the position of a light spot |
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| DE3342147A1 true DE3342147A1 (en) | 1985-05-30 |
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ID=6214925
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|---|---|---|---|
| DE19833342147 Withdrawn DE3342147A1 (en) | 1983-11-22 | 1983-11-22 | Method and circuit arrangement for optoelectronic determination of the position of a light spot |
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|---|---|
| DE (1) | DE3342147A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017530376A (en) * | 2014-09-29 | 2017-10-12 | ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピアＢａｓｆ Ｓｅ | Detector for optically determining the position of at least one object |
-
1983
- 1983-11-22 DE DE19833342147 patent/DE3342147A1/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017530376A (en) * | 2014-09-29 | 2017-10-12 | ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピアＢａｓｆ Ｓｅ | Detector for optically determining the position of at least one object |
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