IT8948505A1 - Sensore ottico. - Google Patents

Description

"SENSORE OTTICO"

Un sensore ottico per direzione di arrivo comprende un cubo (4) avente le sue quattro facce erette (6) rifinite a specchio a guisa di riflettori. Il cubo poggia su un sostrato semiconduttivo (2) avente quattro fotorivelatori quadrati (8) estendentisi dal bordo di base di ciascuna superficie spe culare (6). Viene misurata la proporzione della quan tit? di luce che incide su ciascuna delle due coppie opposte di fotorivelatori a partire da una sorgente di luce (la proporzione delle fotocorrenti).Questa misurazione pu? venire impiegata per calcolare la direzione della sorgente di luce rispetto al sensore.

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un sensore ottico capace di determinare la direzione di arrivo di un fascio di luce. Tali dispositivi sono noti come sensori di direzione di arrivo (DOAS). DOAS sono noti. Un noto dispositivo viene chiamato rivelatore a quadranti e consiste in quattro fotorivelatori, ciascuno disposto in uno dei quattro quadranti di un piano intorno ad assi immaginari X-Y. Ciascun fascio di luce che incide sui rivelatori viene dapprima focalizzato tramite una lente. La direzione reale di arrivo del fascio di luce determina precisamente dove,sui quattro quadranti, incide il fascio di luce. La conduzione relativa dei quattro fotorivelatori pu? allora venire trasformata in una direzione geometrica di arrivo. Un ulteriore noto dispositivo sostituisce i quattro fotorivelatori di quadrante con una matrice di CCD. Inoltre, a seconda dove il fascio focalizzato incide sulla matrice, il segnale ricevuto pu? venire trasformato in una direzione di arrivo. DOAS sono stati usati in obiettivi ottici di inseguimento o per agire come indicatore per avvertire quando un fascio di luce collimato (per esempio un fascio laser) sta illuminando il rivelatore, e da quale direzione arriva il fascio.

La presente invenzione fornisce un DOAS migliorato il quale non solo ha una elevata precisione in termini di risoluzione angolare , ina pu? anche venire fabbricato sotto forma miniaturizzata. Esso ? cos? capace di fornire una elevata risoluzione in corrispondenza di brevi distanze di lavoro.

Secondo l'invenzione viene fornito un sensore ottico di direzione di arrivo,il quale comprende una base piana ed un corpo tridimensionale estendentesi da essa, il detto corpo tridimensionale essendo costituiti da almeno quattro superfici piane contigue riflettenti, disposte in modo che le linee di giunzione di superfici adiacenti si trovino parallele tra loro e perpendicolari alla base, almeno quattro sensori ottici essendo disposti sulla superficie della detta base, uno per ciascuna superficie riflettente, ciascun sensore estendendosi verso l'esterno su detta superficie di base a partire dal bordo dove la sua superficie riflettente tocca la superficie di base.

Le quattro superfici riflettenti formano un corpo tridimensionale cuboidale. Per semplicit? di elaborazione dei segnali, sono desiderabili quattro superfici riflettenti formanti un parallelepipedo rettangolare (preferibilmente un cubo).

Una realizzazione preferita dell'invenzione verr? ora descritta a titolo di esempio con riferimento ai disegni annessi, nei quali:

la figura 1 ? una vista prospettica di un DOAS secondo l'invenzione;

la figura 2 ? una vista laterale ridotta a due dimensioni del DOAS della figura 1; e

la figura 3 ? una vista in pianta del DOAS della figura 1 per spiegare come viene calcolata la direzione di un fascio di luce.

La figura 4 viene usata per scopi di spiegazione nell?appendice.

Riferendosi alla figura 1, ? mostrato un DOAS secondo l'invenzione il quale comprende un sostrato semiconduttivo 2 da cui si estende un cubo 4 avente quattro superfici erette 6 a specchio in modo da fornire riflettori perfetti quanto possibile per la luce incidente la cui direzione di arrivo si desidera rivelare.

tali

Dal bordo di base di ciascuna di/quattro superfici rifletenti, supportate dal sostrato 2, vi ? un fotorivelatore 8 avente un'area attiva quadrata. Fili conduttori a partire dai quattro fotorivelatori si estendono fino ad un dispositivo elettronico rivelatore (mostrato schematicamente in 10). Quest'ultimo determina, per mezzo di rapporti tra tensioni, la proporzione di conduzione e quindi di luce incidente che incide sulle due coppie opposte di fotorivelatori. Elaborando questi rapporti, come spiegato in appresso, ? possibile determinare l'angolo di incidenza di un fascio di luce che bat te sul DOAS. Non ? richiesta una lente focalizzatrice tra cubo e fotorivelatori#da un canto, e la sorgente di luce dall'altro canto. Tuttavia pu? venire disposta una finestra protettiva piatta.

Verr? ora spiegata la maniera in cui viene determinato l'angolo di incidenza. Per scopi di spiegazione si presumer? che la dimensione del DOAS rispetto alla distanza della sorgente di luce sia tale che le onde luminose che incidono sul DOAS siano piane.

Riferendosi alla figura 2, ? mostrata una versione ridotta bidimensionale del DOAS. In sostanza, questa consiste in una sola coppia delle coppie opposte di fotorivelatori 8 e associati specchi 6.

La luce incidente che colpisce la disposizione a partire da una sorgente S, ? mostrata con un angolo ? di incidenza,dove

?= tan?l h/w

dove h ? 1*altezza di specchi 6,e w ? la lunghezza dell'area attiva dei fotorivelatori.

E? anche mostrato il campo utile h di rivelazione. Questo ? definito dall'angolo limite ?cttD al quale la luce incidente sugli specchi/cessa di venire riflessa all'indietro sui fotorivelatori 8 e viene riflessa indietro nello spazio. In tale circostanza/il campo utile teorico ? ( 90 - ? ). Per h=w, ? =45? e il campo utile ? 90?. In pratica, ? possibile un campo utile minore di questo in quanto, in corrispondenza dei limiti, l'uno o l'altro dei fotorivelatori verrebbe scarsamente illuminato e il dispositivo sarebbe meno preciso.Un campo utile pi? pratico ? probabilmente intorno a 80?. Si consideri ora la versione tridimensionale della figura 3, come rappresentata dal DOAS dell?invenzione. La sorgente di luce, il cui angolo di incidenza viene rivelato, pu? venire considerata trovarsi in una porzione di semisfera,raggio R, direttamente al di sopra del DOAS. La proiezione di questa semisfera sul piano di fondo dei fotorivelatori 8 (cio? sul sostrato 2) ? mostrata nella figura 3 in P come pure ? mostrato il contorno di una sezione di unasemisfera (PS) in corrispondenza della quale l'angolo del fascio di luce rispetto alla perpendicolare al piano di fondo ? (90-? ). E' anche mostrato un asse immaginario x-y nel piano di fondo, la cui origine ? al centro del cubo 4 e i cui assi sono paralleli alle due coppie di fotorivelatori.

Poich? la proiezione della sezione di semisfera ? simmetrica intorno alla perpendicolare, occorre che venga considerato soltanto un quadrante della sezione di semisfera come illustrato. La soluzione per la posizione della proiezione della sorgente di luce su questa sezione di quadrante ? identica per gli altri tre quadranti. E' entro uno di questi quattro quadranti che la proiezione della sorgente luminosa S deve trovarsiyse essa deve venire rivelata in posizione tramite il DOAS.

Il problema di rivelare la posizione di S entro il quadrante, e quindi la sua direzione di arrivo, pu? venire risolto dai rapporti delle tensioni sulle due coppie opposte dei fotorivelatori. La soluzione comprensiva per questo problema ? data nell'appendice 1 annessa, insieme con una ripartizione di esattezza del dispositivo. La soluzione verr? ? qui riassunta. Per mettere in pratica l'invenzione ? necessario indicare soltanto i risultati finali. La soluzione fornita nella Appendice 1 ? data semplicemente per una guida aggiuntiva.

Si presuma che i fotorivelatori siano identificati con Dxp, Dxn; Dyp, Dyn e il rapporto tra le tensioni di queste coppie sia espresso da

Il problema di determinare la posizione di S viene risolto considerando che la sezione di quadrante sia divisa in tre aree:

Area 1

La proiezione di S ? in Sl/dove le coordinate di SI sono x w/2, y ^ w/2 (w essendo la lunghezza del lato del cubo).

Si si trova ad una fase direttamente sopra il cubo e non vi sar? alcuna luce incidente sugli specchi 6, e pertanto nessuna luce riflessa cadr? sui fotorivelatori. Ciascuno ricever? approssimativamente la medesima quantit? di luce incidente. Pertanto, in prima approssimazione, se S ? in SI:

Se le coordinate cartesiane tridimensionali di S sono allora Xg=Yg=0; Zg=l.

Area 2

La proiezione di S si trova entro una di due strette fasce in corrispondenza dei bordi del quadrante, le quali si estendono parallele agli assi x e rispettivamente y. Esse sono mostrate in S2a e S2b.

Per

E? necessario considerare soltanto una di queste fasce poich? la soluzione per l'altra ? identica ? (ma ortogonale).

Se la proiezione si trova entro S2a, vi saranno una illuminazione diretta di ciascuno dei quattro fotorivelatori e addizionalmente una riflessione fuori dallo specchio per Dyp. Vi sar? anche un'area in ombra su almeno uno tra Dxn e Dxp, ma in prima approssimazione ci? pu? venire ignorato (vedere Appendice 1).

Pertanto, se S ? entro S2a:

(Se allora S ? entro S2b).

Se le coordinate cartesiane di S sulla sua semisfera sono di nuovo Xg, Ys> ZS? allora:

YS = tan jia, dove ^a ?.l'angolo della linea

OS, dall?origine a S, rispetto all'asse Z nel piano Y.

pu? venire dimostrato (Appendice 1) che

Area 3

La proiezione di S ? mostrata in S3, dove le coordinate di S3 sono ;

x > w/2 y > w/2.

Si pu? vedere facilmente che:

Di nuovo, si ponga che le coordinate di S siano Xs, YS, ZS.

Si ponga

Si pu? allora dimostrate (Appendice 1) che

dando Xg e Yg^e quindi la posizione di S.

z z

s s

E' pi? utile convertire A e B in coseni di direzione per il vettore unitario U, nella direzione di S.

Di nuovo si pu? dimostrare che ;

Pertanto,la direzione di S nell'Area 3 ? data da:

In una realizzazione di lavoro dell'invenzione, un cubo a specchi di 1 cm3 ? stato formato da metallo elettroplaccato con oro in modo da fornire una superficie altamente riflettente per una sorgente di luce laser a He/Ne a 633 mti. Il cubo era attaccato ad un sostrato portante quattro rivelatori al silicio di 1 cm2 di area. Questa disposizione dimostrava avere una ripetibilit? e sensibilit? esatta, migliore di 0,2? ed una esattezza assoluta di 1? in corrispondenza degli estremi di un cono da 30? entro il quale era posizionata la sorgente di luce.

APPENDICE 1

Si continuer? ad impiegare i medesimi simboli e riferimenti come usati nella descrizione precedente.

In un esempio di lavoro si presuma che

w = h = 250 pm

e

Rmin = 12 cm (dove Rmin ? ladistanza minima di lavoro della sorgente S dal DOAS).

S emette onde sferiche, ma in Rmin queste saranno localmente piane su una dimensione ~w. Si presuma che l'esattezza richiesta sia - 0,2? (ci? ? 1 parte in 450 su un campo di 90?). Poich? il problema ? simmetrico, ? richiesta un'esattezza di 0,2? entro un campo di 0 < 0 < 45?. Pertanto, una parte in 225 ? una richiesta ampia per la misurazione di rapporti delle potenze che cadono sui fotorivelatori, presumendo che essi abbiano sensibilit? ragionevolmente piatte. Pertanto, se un fattore nel calcolo di posizione ha un valore sostanzialmente minore di 1/225, esso pu? venire trascurato.

1. POTENZA INCIDENTE SU UNA SUPERFICIE PIANA

Si consideri la potenza incidente che cade su una superficie piana a partire dalla sorgente S.

Si presuma che l'intensit? sulla superficie piana,posizionata ad una distanza R dalla sorgente S e con la perpendicolare al piano diretta in corrispondenza della sorgente, sia La potenza incidente di questa area ? ILR-^W^. Se il piano viene inclinato rispetto alla sorgente per un angolo ?,allora la potenza incidente viene ridotta di cos ?. La potenza P ? allora:

P = ?LR~2W2 COS ?

Se la sorgente S non ? direttamente sopra il DOAS (x=0, y=0), allora per ogni due fotorivelatori opposti (cio? Dxp, Dxn; Dyp, Dyn) la distanza R non sar? la stessa. Si presuma che la distanza fino ad un fotorivelatore (per esempio Dxp) sia R/e la distanza

fino al rivelatore opposto (Dxn) sia R+S.

Allora

e il rapporto tra queste due potenze ?:

Poich?

La conclusione di ci? ? che la piccola differenza di distanza della sorgente S da qualsiasi due coppie opposte di fotorivelatori pu? venire ignorata quanso di considerano rapporti di potenza.

2. CALCOLO DI OMBRA

Per vari calcoli dati in appresso ? necessario determinare la posizione di ombre qualsiasi proiettate dal cubo 4 sui fotorivelatori.

Una tale ombra ? mostrata nella figura 4 in relazione a Dxn. La figura 4 ? una vista in pianta guardando in basso verso i DOAS. Si ponga che gli angoli di sommit? del cubo siano A,BfC,D. Il bordo dell'ombra su Dxn ? la intersezione del piano contenente S e borico CD del cubo con il piano diDxn (piano x,y). Questa intersezione ? mostrata sotto forma di linea Li e la reale estensione della linea d?ombra ? RQ. Tali linee di ombra sono sempre parallele ai lati del cubo e quindi ? necessario determinare solo un punto della linea d'ombra per definire la posizione di essa. Per Dxn (oppure Dxp) ? solo necessario calcolare la coordinata x della linea d'ombra sul piano x,y.

Si presuma che S sia indicato da S(Xs, Ys, Zs).

Si ponga che qualsiasi punto P del piano SCD sia P(Xp, Yp, Zp). S? ? date da (Xp-Xs, Yp-Ysf Zp-Zs).

Si ponga

allora la linea contenente S e P ? data da

e il vettore unitario

identico a

Quando z = 0,

allora

(1)

(2) Xi, Yi sono le coordinate della intersezione della linea SP con il piano xy e definiscono la posizione della linea d'ombra.

Ad esempio, quando P ? supposto essere l'angolo C del cubo, allora il punto Xi, Yi ? il punto R sulla linea d'ombra.

3. AREA 1

Quando la sorgente S ? direttamente sopra il centro del cubo (Xs=G, Ys=0) tutti i quattro rivelatori vengono illuminati simmetricamente, e chiaramente

= esattamente 1.

L'errore peggiore che deriva da differenze nelle ombre interviene quando la sorgente ? direttamente sopra un bordo del cubo (per esempio sul bordo dell'Area!}. Riferendosi alla figura 4, si presuma che S sia direttamente sopra il bordo AB del cubo. Dxp verr? completamente illuminato, mentre il corpo di Dxn pi? vicino al cubo sar? in ombra. In tali circostanze,si pu? calcolare la posizione della linea d'ombra usando le equazioni (1) e (2) di cui sopra con

S = (w/2, w/2, R)

e punto P = punto C = (-w/2, w/2, 0).

Mediante semplice trigonometria impiegando (1) e (2) si pu? dimostrare che, mentre la larghezza del fotorivelatore Dxn ? w, la larghezza della linea d'ombra ? uguale

La larghezza frazionaria coperta dall'ombra su Dxn ? pertanto:

H-w

Impiegando gli esempi numerici per R e w sopra indicati, ci? fornisce una larghezza frazionaria di 1/479. Ci? rientra nel margine di errore indicato all'inizio di questa Appendice.

Pertanto, in prima approssimazione, entro l'Area 1, differenze d'ombra qualsiasi possono venire ignorate quando si considerino i rapporti tra fotocorrenti dei fotorivelatori.

4. AREA 2

Si consideri un'Area 2a. Quando la proiezione di S si trova entro 2a (non in corrispondenza del suo bordo) si hanno quattro aree di illuminazione diretta (su Dxp, Dxn, Dyp, Dyn), una sola area di illuminazione riflessa (su Dyp), e tre aree in ombra (su Dxp, Dxn,Dyn).

Ombre su Dxp, Dxn

{Su.ciascuno tra Dxp, Dxn vi sono due linee di ombra. Ad esempio, per Dxn la prima linea d'ombra

? nella direzione L^ e l'estensione di questa che ricade su Dxn ? RQ1 (figura 4). La seconda linea d'ombra ? la intersezione del piano contenente S e il bordo verticale di cubo fino all'angolo C con il piano x, y. Essa ? nella direzione LQ. Queste due linee d'ombra si intersecano su Dxn in R, da*cui pu? venire dedotta l'area di ombra su esso. Ci? ? illustrato dall'area tratteggiata nella figura 4, Co (direttamente sotto C), R, Q', Do (direttamente sotto D). Un'area simile di ombra si presenta su Dxp.

La differenza peggiore nelle aree d'ombra su Dxp, Dxn si presenta quando la sorgente S ? in corrispondenza del bordo dell'area 2a, per esempio Xs--w/2. In questo caso, Dxp non ha alcuna ombra affatto ed ? totalmente illuminato.

Impiegando gli esempi numerici per R e w indicati all'inizio di questa Appendice, si pu? dimostrare che, in questa posizione, l'area frazionaria di Dxn in ombra ? un 1/456. Questa ? insignificante e pu? venire trascurata.

Pertanto, entro l'Area 2a, differenze qualsiasi delle ombre di Dxp, Dxn possono venire ignorate.

Pertanto

Ombra su Dyn

La posizione del bordo dell'ombra in Dyn pu? venire calcolata dalla proiezione della linea SA (dalla sorgente S fino all'angolo A del cubo) sul piano x, y, su Dyn.

La coordinata y della intersezione Yi ? indipendente da Xs (equazione (2) di cui sopra). In prima approssimazione,

?2 = ?2 = R2f poich? X ? piccolo,

Pertanto

L?area illuminata su Dyn, a guisa di frazione dell'area totale (w2)/?

?

(3) Dyp

Dyp riceve tutta la illuminazione diretta e una riflessione dalla faccia del suo specchio. Quando la proiezione di S ? entro l?area ristretta 2a, e pre sumendo una riflessione di 100%, e R>>w, si pu? presumere che Dyp catturi tutta la luce riflessa.

Entro l'Area 2a, la sorgente S ? con un angolo rispetto ai rivelatori e rispetto al Dyp adiacente

allo specchio (angolo ? indicato in questa Appendice, Sezione 1 di cui sopra).

In prima approssimazione, di nuovo quando R>>w, l'angolo ?" del piano Dyp (e Dyn) rispetto ad

5 ? Zs/R. L'angolo ?> per il Dyp adiacente allo specchio ? Ys/R.

Ora :

P(Dyp) = P (illuminazione diretta)+P (illuminazione riflessa)

(4 )

P(Dyn) = P(illuminazione diretta) (frazione illuminata) dove (frazione illuminata) ? espressione (3) di cui

sopra .

C5)

Dividendo (5) per (4) e trascurando i termini in w,

I

Dalla descrizione della trattazione di cui sopra,

Ys/Zs = tan 0a

allora

Questo risultato fornisce un singolo grafico valutato

pa rispetto ad Ry, il quale, in prima approssimazione, pu? venire considerato lineare.

5. AREA 3

Se S ? nella posizione illustrata nella figura 4, allora

Dxn e Dyn ricevono illuminazione diretta ma sono ciasuno parzialmente in ombra. Dyp e Dxp ricevono illuminazione diretta e luce riflessa dal rispettivo adiacente specchio di cubo.

Rivela-tore Dxn

L ' area illuminata Axn ?

t

Un risaltato simile per Dyn ?:

Rivelatore Dxp

L'area illuminata Axp ? costituita da tutta la

area di Dxp che riceve illuminazione diretta pi? illuminazione riflessa dallo specchio adiacente ad essa.

La illuminazione riflessa si sovrappone solo parzialmente

a Dxp.

Si pu? dimostrare che la proporzione di Dxp che riceve illuminazione riflessa, cio?

area illuminata da luce riflessa

area totale di Dxp

?

(8)

Pertanto la potenza da Dxp tramite illuminazione diretta ?

(9)

la potenza catturata dallo specchio adiacente ad esso ?

(10)

La quantit? di potenza riflessa su. Dxp ? pertanto (10) moltiplicato per (8).

Cosi:

P(Dxp) = (9) (10) -(8)

la quale,semplificando i termini, fornisce

(11)

Un risultato simile pu? venire ottenuto per Dyp

(12) Vi sono sei possibili rapporti di potenza ricavati dalle potenze dei quattro fotorivelatori,

ma poich? sono richiesti solo due pezzi di informazione, Xs e Ys ? necessario considerare sol

Zs ^

tanto uno di questi rapporti.

Si consideri

Se i termini in w vengono trascurati, allo ra

e,sostituend

Si pong

allora )

A l t

A - AB = K

(14)

dove K5, Kg sono costanti.

Da (13), (14)

? / 2

Il campo di radici valide entro una cattura di 45? per il DOAS ?

_ ( 15)

0 4 A, B, < 1

Si considerino le radici che soddisferanno alla (15):

Per B

poich?

l

consideri( 2 */2 4ac 4 positiva

e (-b) ? positivo, quindi

2

ma quando (4ac)? grande, K5 ? grande e Kg ? piccolo,quindi Ibi-?*3.

Quando (4ac) ? piccolo, K5 ? piccolo e Kg

? grande, quindi Ibi? *1.

E' ragionevole impiegare la radice negativa poich? ? positivo/viene desidera_ to <1. Un simi?e risultato compete ad A.

Pertanto

che forniscono le formule indicate nella trattazio_ ne di brevetto di cui sopra.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sensore ottico di direzione di arrivo,il quale comprende una base piana e un corpo tridi_ mensionale estendentesi da essa, il detto corpo tridimensionale essendo costituito da almeno quat_ tro superfici piane contigue riflettenti, disposte in modo che le linee di giunzione di superfici adiacenti giacciano parallele l'una all'altra e per_ pendicolari alla base, almeno quattro sensori otti_ ci essendo disposti sulla superficie della detta ba_ se, uno per ciascuna superficie riflettente; ciascun sensore estendendosi verso l'esterno della detta su perficie di base a partire dal bordo dove la sua superficie riflettente tocca la superficie di ba_ se.
2. 2. Sensore secondo la rivendicazione 1, in cui detto corpo tridimensionale ? un parallelepipe_ do rettangolare.
3. 3.Sensore secondo la rivendicawione 2, in cui il parallelepipedo ? un cubo.
4. 4. Sensore secondo qualsiasi delle rivendica_ zioni 1 fino a 3, in cui ciascun sensore ottico ? un sensore semiconduttivo.
5. 5. Sensore secondo qualsiasi delle rivendi_ cazioni 1 fino a 4, in cui ciascun sensore ha una area otticamente sensibile di sagoma rettangolare.
6. 6. Sensore secondo la rivendicazione 5, in cui ciascun rettangolo ? un quadrato.
7. 7. Sensore secondo qualsiasi delle rivendi_ cagioni ? fino a 6, in cui la detta base ? costitu? ta da un sostrato semiconduttivo.
8. 8. Sensore secondo qualsiasi delle rivendica_ zioni 1 fino a 7 il quale comprend addizionalmente mezzi perconfrontare le uscite, ricevute a partire dai detti Sensori ottici, e per calcolare da esse la direzione di arrivo di un fascio di luce inciden te .
9. 9. Sensore secondo la rivendicazione 8, in cui i detti mezzi di confronto comprendono mezzi per confrontare rapporti di tensioni di rispettive coppie dei detti sensori ottici.