DE3709614A1 - Method and device for determining position - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines von einer Lichtquelle auf einem eindimensionalen positionsempfindlichen Detektor erzeugten Lichtpunktes, insbesondere für ein optisches Potentiometer, wobei die Position des Lichtpunktes durch den Quotienten zwischen der Differenz und der Summe zweier Ströme gegeben ist, welche an zwei auf der photoempfindlichen Fläche des Detektors gegenüberliegenden Elektroden abgeführt werden sowie Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for determining the position of one of a light source on a one-dimensional position sensitive detector generated light spot, especially for an optical potentiometer, where the position of the light point by the quotient between the difference and the sum of two currents is given, which on two electrodes on the photosensitive surface of the detector are dissipated and devices for performing this method.
Die Erfassung der Position von Lichtpunkten ist bei optoelektrischen Instrumenten, die in Meß- und Regelungssystemen eingesetzt werden, bedeutsam. Eine dazu geeignete Einrichtung ist der als PSD bekannte positionsempfindliche Detektor, der sich "laterale Photoeffekte" auf der Oberfläche eines Halbleiter-Lichtdetektors zunutze macht. Ein derartiger PSD ist prinzipiell aufgebaut wie eine großflächige PIN-Diode, deren P- und/oder N-Schicht als dünne Schicht sehr konstanten Flächenwiderstandes ausgeführt ist, die in eindimensionaler Ausführung an zwei Kanten mit einem Paar von Elektroden versehen ist. Diese dünne Schicht bildet die PN-Schicht, die den inneren Photoeffekt zeigt. In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines derartigen PSD gezeigt. Die Entfernung zwischen den Elektroden A und B ist L und der Widerstand ist R L . Die Entfernung der Elektrode A zur Position eines auftreffenden Lichtpunktes ist x und der Widerstand R x . Der Photostrom der am Punkt des Lichteinfalls entsteht, wird von den zwei Elektroden A und B abgeführt. Diese Ausgangsströme sind proportional zur Eingangsenergie und umgekehrt proportional zum Widerstand der Schicht. Ist der Photostrom, der vom einfallenden Licht produziert wird I O , so sind die Ströme I A und I B zu den Elektroden A und B durch folgende Gleichungen bestimmt:The detection of the position of light points is important in optoelectric instruments which are used in measurement and control systems. A suitable device for this is the position-sensitive detector known as a PSD, which uses "lateral photo effects" on the surface of a semiconductor light detector. In principle, such a PSD is constructed like a large-area PIN diode whose P and / or N layer is designed as a thin layer of very constant surface resistance, which is provided in a one-dimensional design on two edges with a pair of electrodes. This thin layer forms the PN layer, which shows the inner photo effect. In Fig. 1, the basic structure is shown of such a PSD. The distance between electrodes A and B is L and the resistance is R L. The distance of the electrode A to the position of an incident light spot is x and the resistance R x . The photocurrent that occurs at the point of incidence of light is dissipated by the two electrodes A and B. These output currents are proportional to the input energy and inversely proportional to the resistance of the layer. If the photocurrent produced by the incident light is I O , the currents I A and I B to the electrodes A and B are determined by the following equations:
Da die Widerstandsschicht einheitlich und der Flächenwiderstand konstant ist, sind die jeweiligen Entfernungen zu den Elektroden und der entsprechende Widerstand zueinander proportional. Aus diesem Grund kann in den Gleichungen (1) R L durch L und R x durch x ersetzt werden. Durch Zusammenfassung der so umgeschriebenen Gleichungen (1) ergibt sich:Since the resistance layer is uniform and the sheet resistance is constant, the respective distances to the electrodes and the corresponding resistance are proportional to one another. For this reason, R L by L and R x by x can be replaced in equations (1). By summarizing the equations (1) rewritten in this way, the following results:
Die Position des Lichtpunktes ist damit, unabhängig von seiner Energie, durch den Quotienten aus der Differenz und der Summe der Ströme I A und I B gegeben.The position of the light point is given, regardless of its energy, by the quotient of the difference and the sum of the currents I A and I B.
Das Verfahren zur Positionsbestimmung mit einem derartigen Detektor besteht demzufolge darin, daß die beiden Ströme I A und I B zum einen einer Addierstufe und zum anderen einer Subtrahierstufe zugeführt werden, deren Ausgänge jeweils mit einem elektronischen Dividierer verbunden werden. Das Ausgangssignal dieses Dividierers ist dann dem Wert x proportional. Eine derartige Einrichtung ist bei entsprechender Lichtführung auch zur Winkelerfassung verwendbar; eine Anwendung für ein optisches Potentiometer ist jedoch nicht bekannt.The method for determining the position with such a detector therefore consists in that the two currents I A and I B are supplied to an adder and to a subtractor, the outputs of which are each connected to an electronic divider. The output signal of this divider is then proportional to the value x . Such a device can also be used for angle detection with appropriate light guidance; however, an application for an optical potentiometer is not known.
Ein spezielles optisches Potentiometer ist z. B. aus der DE-OS 33 07 639 bekannt, bei dem entlang einer Kreisbahn eine zwischen 0° und 360° in ihren optischen Eigenschaften kontinuierlich variierende Abtastschicht vorgesehen ist, die mit Hilfe einer Lichtquelle beleuchtet ist und das zu einem Lichtempfänger gelangende Licht entsprechend der Drehstellung eines speziell ausgebildeten Steuerteils in seiner Intensität moduliert. A special optical potentiometer is e.g. B. from DE-OS 33 07 639 known, in which a circular path between 0 ° and 360 ° in their optical properties continuously varying scanning layer is provided, which is illuminated with the aid of a light source and that light reaching a light receiver according to the rotary position of a specially trained control module modulated in intensity.
Ein derartiges, auf Veränderungen der Lichtintensität basierendes Potentiometer ist ebenso wie der obengenannte positionsempfindliche Detektor relativ stark temperaturabhängig und zeigt zudem Alterungserscheinungen, die zu Meßfehlern führen.Such a potentiometer based on changes in light intensity is just like the position sensitive detector mentioned above relatively strongly temperature-dependent and also shows signs of aging, which lead to measurement errors.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Positonsbestimmung eines von einer Lichtquelle auf einem eindimensionalen positionsempfindlichen Detektor erzeugten Lichtpunktes, insbesondere für ein optisches Potentiometer zu schaffen, bei welchem Temperatur- und Alterungsabhängigkeiten vermieden werden und welches sich bei der Ausführung miniaturisieren und mit relativ geringem elektronischen Aufwand durchführen läßt. Diese Aufgabe erfüllt ein nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 2 und ein optisches Potentiometer nach den Patentansprüchen 3, 4 und 5.It is an object of the invention to provide a method for determining the position one from a light source on a one-dimensional position sensitive Detector generated light point, especially for an optical Potentiometer to create at what temperature and aging dependencies can be avoided and which miniaturize in the execution and perform with relatively little electronic effort leaves. This task is accomplished according to the characteristic features of the Claim 1 trained method and an apparatus for Implementation of the method according to claim 2 and an optical Potentiometer according to claims 3, 4 and 5.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Summe der Ströme I A und I B eines positionsempfindlichen Detektors, wie er oben beschrieben wurde, durch eine spezielle Regelung der Lichtstärke der Lichtquelle konstant gehalten, so daß der Summenstrom I A +I B für alle Positonen des Lichtpunktes auf dem Detektor gleich und konstant ist. Wie sich aus der obengenannten Gleichung (2) leicht erkennen läßt, ist dann die Position des Lichtfleckes nur noch von der Differenz der Ströme I A und I B abhängig. Dies bedeutet, daß zum einen Alterungs- und Temperaturabhängigkeiten des Detektors ständig kompensiert werden und zum anderen der elektronische Aufwand deutlich verringert wird, da an Stelle eines Summiergliedes und eines Quotientenbildners lediglich ein einfacher integrierender Regler (I-Regler) erforderlich wird.In the method according to the invention, the sum of the currents I A and I B of a position-sensitive detector, as described above, is kept constant by a special regulation of the light intensity of the light source, so that the sum current I A + I B for all positions of the light point is the same and constant as the detector. As can easily be seen from equation (2) above, the position of the light spot is then only dependent on the difference between the currents I A and I B. This means that on the one hand aging and temperature dependencies of the detector are constantly compensated for and on the other hand the electronic effort is significantly reduced, since instead of a summing element and a quotient generator, only a simple integrating controller (I controller) is required.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Fig. 2 bis 5 teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigtThe invention is described below with reference to an embodiment shown partially schematically in FIGS. 2 to 5. It shows
Fig. 2 ein Blockschaltbild zum Betrieb eines positionsempfindlichen Detektors; Fig. 2 is a block diagram for operating a position-sensitive detector;
Fig. 3 eine Schaltung gemäß dem Blockschaltbild aus Fig. 2; FIG. 3 shows a circuit according to the block diagram of Fig. 2;
Fig. 4 den optomechanischen Aufbau eines optischen Potentiometers und Fig. 4 shows the optomechanical structure of an optical potentiometer and
Fig. 5 eine Aufsicht auf den Sensor eines optischen Potentiometers gemäß Fig. 4. Fig. 5 is a plan view of the sensor of an optical potentiometer according to Fig. 4.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Blockschaltbild wird mittels eines Differenzbildners aus einem positionsempfindlichen Detektor PSD ein Differenzstromsignal I A -I B gebildet. Die die Kathode bildende Gegenelektrode PSD ist mit einem I-Regler verbunden, der seinerseits die Lichtstärke einer den PSD punktförmigen beleuchtenden Lichtquelle in Form einer LED derart steuert, daß das Summenstromsignal I A +I B , unabhängig von der Position des Lichtpunktes, konstant ist. Aufgrund dieser Regelung kann eine Quotientenbildung aus Differenz- und Summenstrom entfallen, da gemäß Gleichung (2) für I A +I B = konstant gilt: . In the example shown in Figure 2 is block diagram of a differential current signal I A by means of a difference former of a position-sensitive detector PSD - I B formed. The counter electrode PSD forming the cathode is connected to an I controller, which in turn controls the light intensity of a light source in the form of an LED that punctiformly illuminates the PSD in such a way that the total current signal I A + I B is constant, regardless of the position of the light point. Due to this regulation, the formation of a quotient from the differential and total current can be omitted, since according to equation (2) for I A + I B = constant:
x∼I A -I B . x ∼ I A - I B.
Fig. 3 zeigt nun eine konkrete Schaltung entsprechend dem Blockschaltbild gemäß Fig. 2. Hierbei ist die Elektrode A des PSD direkt mit dem Minuseingang eines Operationsverstärkers Op₁ verbunden, dessen Pluseingang auf Masse liegt, ebenso wie die Elektrode B des PSD. Der Operationsverstärker Op₁ wird durch einen Widerstand R₁ gegengekoppelt. Die, die Kathode bildende Gegenelektrode (G) des PSD führt an den Mittelpunkt einer aus den Widerständen R₂ und R₃ bestehenden Spannungs-/ Stromteilerschaltung, deren eine Seite (R₂) mit der Elektrode A und deren andere Seite (R₃) mit dem Minuseingang eines, einen Integrationsregler darstellenden Operationsverstärkers Op₂ verbunden ist. Der Minuseingang des Operationsverstärkers Op₂ ist weiterhin über Widerstände R₄ und R₅ mit einer Spannungsquelle V verbunden, wobei zwischen R₄ und R₅ eine Zenerdiode ZD zur Spannungsstabilisierung gegen Masse geschaltet ist. Der Pluseingang des Operationsverstärkers Op₂ liegt auf Masse und der Ausgang des Operationsverstärkers Op₂ direkt, oder indirekt über eine Verstärkerschaltung, steuert die Leuchtdiode LED. Die Differenzeingangsspannungen U₁ und U₂ an den gegengekoppelten Operationsverstärkern ist Null so daß die Ausgangsspannung U a am Operationsverstärker Op₁ sich wie folgt berechnet: Fig. 3 shows a specific circuit according to the block diagram of FIG. 2. Here, the electrode A of the PSD is connected directly to the negative input of an operational amplifier Op ₁, the positive input of which is grounded, as is the electrode B of the PSD. The operational amplifier Op ₁ is fed back through a resistor R ₁. The, the cathode forming counter electrode (G) of the PSD leads to the center of a voltage / current divider circuit consisting of the resistors R ₂ and R ₃, one side (R ₂) with the electrode A and the other side (R ₃) with the minus input of an operational amplifier representing an integration controller Op ₂ is connected. The negative input of the operational amplifier Op ₂ is also connected via resistors R ₄ and R ₅ to a voltage source V , a Zener diode ZD being connected between R ₄ and R ₅ for voltage stabilization against ground. The positive input of the operational amplifier Op ₂ is grounded and the output of the operational amplifier Op ₂ directly or indirectly via an amplifier circuit controls the LED. The differential input voltages U ₁ and U ₂ at the negative feedback operational amplifiers is zero so that the output voltage U a at the operational amplifier Op ₁ is calculated as follows:
Der Einfluß des mittels der Kapazität C rückgekoppelten Operationsverstärkers Op₂ auf die Leuchtdiode und damit auf die Stärke der Ströme I a und I B läßt sich wie folgt erklären:The influence of the operational amplifier Op ₂ fed back by means of the capacitance C on the light-emitting diode and thus on the strength of the currents I a and I B can be explained as follows:
Der Ausgang von Op₂ stellt sich stets so ein, daß der Strom durch R₃ gleich dem Strom durch R₄ ist, der sich zuThe output of Op ₂ is always adjusted so that the current through R ₃ is equal to the current through R ₄, which increases
berechnet, wobei U ref die an der Zenerdiode ZD anliegende Spannung ist. Erst wenn die Bedingungcalculated, where U ref is the voltage applied to the Zener diode ZD . Only when the condition
erfüllt ist, ist die Differenzeingangsspannung vom Op₂ gleich Null, d. h. der in bekannter Weise als I-Regler beschaltete Op₂ befindet sich im Beharrungspunkt.is satisfied, the differential input voltage from Op ₂ is zero, ie the Op ₂ connected in a known manner as an I-controller is in the steady state.
Auf diese Weise wird erreicht, daß die Summe der Ströme I A +I B stets konstant bleibt. Aufgrund der obengenannten Gleichung (2) ist damit die Ausgangsspannung U a direkt proportional zur Position x des Lichtpunktes auf dem PSD.In this way it is achieved that the sum of the currents I A + I B always remains constant. Based on equation (2) above, the output voltage U a is therefore directly proportional to the position x of the light spot on the PSD.
Die Fig. 4 zeigt in schematischer Weise einen Querschnitt durch ein optisches Potentiometer, welches nach dem vorher beschriebenen Verfahren unter Verwendung eines PSD funktioniert. Der eigentliche PSD ist in Fig. 5 dargestellt und besteht aus einer kreisringförmigen aktiven Fläche 1, die an einer Stelle unterbrochen ist und dort mit den Elektroden A und B versehen ist. Die aktive Fläche 1 ist auf einem kreisringförmigen Träger 2 angeordnet, der gleichzeitig die integrierte Schaltung gemäß Fig. 3 beinhaltet. Im Zentrum des ringförmigen PSD ist eine Leuchtdiode 3 angeordnet, die ihr Licht koaxial zu der Seite des PSD abstrahlt, auf der sich die aktive Fläche 1 befindet. Über dem PSD und der Leuchtdiode ist ein Winkelspiegel 5 derart angeordnet, daß das Licht der Leuchtdiode möglichst punktförmig, zumindest jedoch in einem relativ schmalen Sektor auf die aktive Fläche des PSD fällt. Der Winkelspiegel 3 ist exzentrisch an einer Achse 4 befestigt, welche koaxial zur zentralen Achse des PSD verläuft und um welche der Winkelspiegel 5 drehbar ist. Bei Drehung dieser Achse 4 wandert daher der auf der aktiven Fläche des PSD erzeugte Lichtfleck 6 mit. Die so durch Photoeffekt in der aktiven Fläche des PSD erzeugten Ströme I A und I B definieren entsprechend den obigen Ausführungen die Position des Lichtfleckes auf der aktiven Fläche 1 und geben daher auch den Drehwinkel ϕ des Winkelspiegels in bezug auf die Position der Elektrode A bzw. B wieder. Durch die komplanare Anordnung der Lichtquelle 3 und des Sensorchips 2 ist eine besonders kompakte Bauweise dieses optischen Potentiometers möglich. FIG. 4 schematically shows a cross section through an optical potentiometer, which functions according to the previously described method using a PSD. The actual PSD is shown in FIG. 5 and consists of an annular active surface 1, which is interrupted at one point and is provided with electrodes A and B there . The active surface 1 is arranged on an annular carrier 2 , which at the same time contains the integrated circuit according to FIG. 3. A light-emitting diode 3 is arranged in the center of the ring-shaped PSD and emits its light coaxially to the side of the PSD on which the active surface 1 is located. An angle mirror 5 is arranged above the PSD and the light-emitting diode in such a way that the light from the light-emitting diode falls as point-like as possible, but at least in a relatively narrow sector onto the active surface of the PSD. The angle mirror 3 is attached eccentrically to an axis 4 which runs coaxially to the central axis of the PSD and about which the angle mirror 5 can be rotated. When this axis 4 rotates, the light spot 6 generated on the active surface of the PSD therefore moves with it. The currents I A and I B thus generated in the active surface of the PSD by photoeffect define the position of the light spot on the active surface 1 in accordance with the above statements and therefore also give the angle of rotation ϕ of the angle mirror with respect to the position of the electrode A or B again. Due to the coplanar arrangement of the light source 3 and the sensor chip 2 , a particularly compact design of this optical potentiometer is possible.
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| DE3709614C2 (en) | 1989-01-19 |
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Legal Events
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| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DEUTSCHE AEROSPACE AG, 8000 MUENCHEN, DE |
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