RU2399023C1 - Device for determining position of light spot - Google Patents
Device for determining position of light spot Download PDFInfo
- Publication number
- RU2399023C1 RU2399023C1 RU2009110794/28A RU2009110794A RU2399023C1 RU 2399023 C1 RU2399023 C1 RU 2399023C1 RU 2009110794/28 A RU2009110794/28 A RU 2009110794/28A RU 2009110794 A RU2009110794 A RU 2009110794A RU 2399023 C1 RU2399023 C1 RU 2399023C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- integrator
- voltage
- output
- light spot
- multiscan
- Prior art date
Links
Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам, осуществляющим преобразование световой информации в электрическую, и может быть использовано для измерения положения одиночного светового пятна в устройствах, предназначенных для определения координат различных объектов, смещения объектов в пространстве, измерения их размеров и т.п.The invention relates to devices that convert light information into electrical information, and can be used to measure the position of a single light spot in devices designed to determine the coordinates of various objects, displace objects in space, measure their size, etc.
В настоящее время в бесконтактных методах измерения положения объектов используется целый ряд фотоэлектрических полупроводниковых координатно-чувствительных приборов, таких как приборы с зарядовой связью (ПЗС), p-i-n-фотодиоды с резистивным слоем. Эти многоэлементные координатно-чувствительные приборы имеют пиксельную структуру, что ограничивает их разрешающую способность. Максимальной разрешающей способностью (до 10-5 от поля зрения) обладает координатно-чувствительный фотоприемник - мультискан.Currently, non-contact methods for measuring the position of objects use a number of photoelectric semiconductor coordinate-sensitive devices, such as charge-coupled devices (CCD), pin photodiodes with a resistive layer. These multi-element coordinate-sensitive devices have a pixel structure, which limits their resolution. The maximum resolution (up to 10 -5 from the field of view) is possessed by the coordinate-sensitive photodetector - multiscan.
Известно устройство для определения положения светового пятна [Подласкин Б.Г., Токранова Н.А., Чеботарев К.Е., Чекулаев Е.А. «Устройство для определения положения светового пятна», Патент РФ № 2097691, опубликовано 1997.11.27], содержащее источник светового излучения, оптически связанный с ним фотоприемник - мультискан, имеющий делительную и общую шины, два источника смещения и блок преобразования электрического сигнала. Одними выводами источники смещения соединены между собой, а другими - с соответствующими выводами делительной шины мультискана, вход блока преобразования электрического сигнала соединен с общей шиной. Устройство снабжено соединенными последовательно фильтром высоких частот, синхронным детектором, интегратором, модулятором. Блок преобразования электрического сигнала выполнен в виде преобразователя ток - напряжение и выходом соединен с входом фильтра высоких частот, выход интегратора связан с объединенными выводами источников смещения, а модулятор соединен с источником светового излучения.A device for determining the position of a light spot [Podlaskin B.G., Tokranova N.A., Chebotarev K.E., Chekulaev EA “Device for determining the position of a light spot”, RF Patent No. 2097691, published 1997.11.27], containing a light source, an optically coupled photodetector - a multiscan having a dividing and common bus, two bias sources and an electric signal conversion unit. With some conclusions, the bias sources are interconnected, and others with the corresponding conclusions of the dividing bus of the multiscan, the input of the electrical signal conversion unit is connected to the common bus. The device is equipped with a high-pass filter connected in series, a synchronous detector, an integrator, a modulator. The electric signal conversion unit is made in the form of a current-voltage converter and the output is connected to the input of a high-pass filter, the integrator output is connected to the combined outputs of the bias sources, and the modulator is connected to the light radiation source.
Данное устройство способно определять координату светового пятна, сформированного только с помощью модулированного светового сигнала.This device is capable of determining the coordinate of a light spot generated only by a modulated light signal.
Однако использование такого устройства исключает возможность определения координат источников немодулированного оптического излучения, таких как Солнце и другие источники естественного происхождения. Кроме того, описанное устройство представляет собой сложную радиотехническую схему, параметры которой должны поддерживаться в узких заданных пределах для обеспечения погрешности определения координаты не более 5 мкм.However, the use of such a device eliminates the possibility of determining the coordinates of unmodulated optical radiation sources, such as the Sun and other sources of natural origin. In addition, the described device is a complex radio circuit, the parameters of which must be maintained within narrow predetermined limits to provide an error in determining the coordinate of not more than 5 microns.
Известно устройство для определения положения светового пятна [Б.Г.Подласкин, Е.Г.Гук. «Позиционно-чувствительный фотодетектор мультискан», Измерительная техника, № 8, с.31-34, 2005 г.], взятое в качестве прототипа предлагаемого изобретения, состоящее из мультискана, содержащего набор встречно включенных р-n переходов и делительную, и общую шины, оптической системы, формирующей на поверхности фотоприемника мультискан световое пятно от источника излучения, источника питания, соединенного с делительной шиной, устройства преобразования электрического сигнала напряжение-напряжение, выполненного в виде операционного усилителя, собранного по схеме повторителя с высоким входным сопротивлением и соединенного с общей шиной мультискана, а также регистрирующего устройства. В исходном состоянии при отсутствии света потенциал общей шины равен нулю. При воздействии на мультискан оптического сигнала возникает фототок, который за счет зарядки общей емкости фотоприемника изменяет потенциал сигнальной шины так, что суммарное значение фототока всех встречно включенных диодов становится равным нулю. Возникающее на общей шине напряжение при этом соответствует координате оптического пятна.A device for determining the position of a light spot [B. G. Podlaskin, E. G. Guk. "Position-sensitive photodetector multiscan", Measuring equipment, No. 8, p.31-34, 2005], taken as a prototype of the invention, consisting of a multiscan containing a set of counter-included pn junctions and dividing, and common bus , an optical system forming a light spot on the surface of a multiscan photodetector from a radiation source, a power source connected to a dividing bus, a voltage-voltage electrical signal conversion device made in the form of an operational amplifier, with brane scheme follower with high input impedance and coupled to a common bus multiskana and recording device. In the initial state, in the absence of light, the potential of the common bus is zero. When the optical signal is applied to the multiscan, a photocurrent occurs, which, by charging the total capacitance of the photodetector, changes the signal bus potential so that the total photocurrent of all the on-board diodes becomes zero. The voltage arising on the common bus line corresponds to the coordinate of the optical spot.
Данное устройство способно определять координаты как модулированного, так и немодулированного источников света. Кроме того, как следует из описания, устройство-прототип существенно проще приведенного выше аналога.This device is capable of determining the coordinates of both modulated and unmodulated light sources. In addition, as follows from the description, the prototype device is much simpler than the above analogue.
Однако это устройство не обладает достаточными быстродействием и точностью для работы в современных системах слежения, что объясняется следующими причинами.However, this device does not have sufficient speed and accuracy for operation in modern tracking systems, which is explained by the following reasons.
Формирование выходного напряжения, соответствующего координате светового пятна, происходит в результате зарядки общей емкости мультискана за счет фототока Iф, возникающего в мультискане при попадании на него светового пятна. Зарядка общей емкости фотоприемника изменяет потенциал сигнальной шины так, что суммарное значение фототока всех встречно включенных диодов становится равным нулю. При этом величина фототока определяется из чувствительности мультискана, имеющей величину порядка 5·10-11 Дж. Величина этой чувствительности определяет время, в течение которого происходит насыщение заряда емкости мультискана при заданной величине фототока. Так, при значении фототока 10-6А, что соответствует мощности светового потока, равной 2,5·10-6 Вт, время установления координатного отсчета составляет 5·10-5 с. При значении фототока 10-8 А (мощность 2.5·10-8 Вт) время установления составит 5·10-3с. Это время как нижняя оценка принимается за значение быстродействия устройства. Однако в современных следящих системах такое быстродействие является недостаточным и требует увеличения на 1-2 порядка. Кроме того, точность определения положения светового пятна недостаточна, что обусловлено наличием длительных переходных процессов, возникающих после формирования напряжения, соответствующего координате оптического пятна, и связанных с перезарядкой емкостей встречно включенных р-n переходов, составляющих структуру мультискана. Перезарядка емкостей происходит за счет протекания в них темновых токов. Длительность этих процессов составляет несколько минут, в течение которых происходит смещение выходного напряжения, сформированного в момент попадания светового пятна на поверхность мультискана, что приводит к ошибкам в определении координаты светового пятна вплоть до нескольких десятков микрон.The formation of the output voltage corresponding to the coordinate of the light spot occurs as a result of charging the total capacity of the multiscan due to the photocurrent I f that occurs in the multiscan when a light spot hits it. Charging the total capacitance of the photodetector changes the potential of the signal bus so that the total value of the photocurrent of all on-board diodes becomes equal to zero. The magnitude of the photocurrent is determined from the sensitivity of the multiscan, which has a value of the order of 5 · 10 -11 J. The magnitude of this sensitivity determines the time during which the charge of the multiscan capacitance saturates at a given magnitude of the photocurrent. So, at a photocurrent value of 10 -6 A, which corresponds to a light flux power equal to 2.5 · 10 -6 W, the time for establishing the coordinate reference is 5 · 10 -5 s. When the photocurrent value is 10 -8 A (power 2.5 · 10 -8 W), the settling time will be 5 · 10 -3 s. This time as the lower rating is taken as the value of the device performance. However, in modern tracking systems, such performance is insufficient and requires an increase of 1-2 orders of magnitude. In addition, the accuracy of determining the position of the light spot is insufficient, due to the presence of long transient processes that occur after the formation of a voltage corresponding to the coordinate of the optical spot, and associated with the recharging of the capacities of the on-going pn junctions that make up the multiscan structure. Recharging of containers occurs due to the flow of dark currents in them. The duration of these processes is several minutes, during which the output voltage is shifted when the light spot hits the surface of the multiscan, which leads to errors in determining the coordinates of the light spot up to several tens of microns.
Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является повышение эффективности устройства за счет увеличения быстродействия в задаваемом диапазоне и увеличение точности определения положения светового пятна.The problem solved by the claimed technical solution is to increase the efficiency of the device by increasing speed in a given range and increasing the accuracy of determining the position of the light spot.
Задача решается устройством для определения положения светового пятна, состоящим из фотоприемника мультискан, содержащего набор встречно включенных р-n переходов, делительную и общую шины, оптической системы для формирования на поверхности фотоприемника мультискан светового пятна от источника излучения, преобразователя электрического сигнала, соединенного с общей шиной мультискана, регистрирующего устройства и источника питания, соединенного с делительной шиной мультискана, при этом источник питания выполнен имеющим среднюю точку, преобразователь электрического сигнала выполнен в виде преобразователя ток-напряжение, дополнительно введены внешний источник импульсного напряжения, интегратор, содержащий интегрирующую емкость в цепи обратной связи, соединенный входом с выходом преобразователя ток-напряжение, а выходом со средней точкой источника питания и регистрирующим устройством, и электронный ключ, присоединенный входным электродом к входу интегратора, выходным электродом к выходу интегратора, а управляющим электродом к внешнему источнику импульсного напряжения, причем отношение К величины сопротивления Roc в цепи обратной связи преобразователя ток-напряжение к величине сопротивления Rинт во входной цепи интегратора удовлетворяет соотношению 1<K≤1000.The problem is solved by a device for determining the position of a light spot, consisting of a multiscan photodetector containing a set of counter-switched pn junctions, a dividing and common bus, an optical system for generating a light spot on the multiscan photodetector surface from a radiation source, an electrical signal converter connected to a common bus multiscan, recording device and a power source connected to the dividing bus of the multiscan, while the power source is made having a midpoint, the electric signal converter is made in the form of a current-voltage converter, an external pulse voltage source, an integrator containing an integrating capacitance in the feedback circuit, connected by an input to the output of the current-voltage converter, and an output with the midpoint of the power source and a recording device, and an electronic a key connected by an input electrode to an integrator input, an output electrode to an integrator output, and a control electrode to an external pulse source zheniya, wherein the resistance ratio K R oc feedback current-voltage converter to the magnitude of the resistance circuit R int in the input circuit of the integrator satisfies the relation 1 <K≤1000.
Сущность предлагаемого решения заключается в следующем.The essence of the proposed solution is as follows.
Введение средней точки в источник питания, внешнего источника импульсного напряжения, преобразователя ток-напряжение, содержащего сопротивление Roc в цепи обратной связи и соединенного с общей шиной мультискана, интегратора, содержащего интегрирующую емкость в цепи обратной связи и сопротивление Rинт во входной цепи, соединенного своим входом с выходом преобразователя ток-напряжение и выходом со средней точкой источника питания, и электронного ключа, присоединенного входным электродом к входу интегратора, выходным электродом к выходу интегратора, а управляющим электродом к внешнему источнику импульсного напряжения, причем величина К, равная отношению величины сопротивления в цепи обратной связи преобразователя ток-напряжение (Roc) к величине сопротивления во входной цепи интегратора (Rинт), выбрана в пределах 1<К≤1000, что позволяет обеспечить два последовательных во времени режима работы мультискана.The introduction of the midpoint in the power source, an external pulse voltage source, a current-voltage converter containing the resistance R oc in the feedback circuit and connected to the common multiscan bus, an integrator containing the integrating capacitance in the feedback circuit and the resistance R int in the input circuit connected its input with the output of the current-voltage converter and the output with the midpoint of the power source, and an electronic key connected by the input electrode to the input of the integrator, the output electrode to the output integrator, and the control electrode to an external source of pulse voltage, and the value of K, equal to the ratio of the resistance value in the current-voltage converter feedback circuit (R oc ) to the resistance value in the integrator input circuit (R int ), is selected within 1 <K≤ 1000, which allows for two sequential multi-scan operation modes.
Первый режим является режимом формирования координатного отсчета. В этом режиме электронный ключ находится в разомкнутом состоянии. Фототок Iф, возникающий в мультискане при попадании на него светового пятна, поступает на вход преобразователя ток-напряжение. Напряжение с выхода этого преобразователя поступает через сопротивление Rинт на вход интегратора, на интегрирующей емкости которого происходит накопление потенциала. На выходе интегратора формируется напряжение, которое управляет источником питания через его среднюю точку, смещая потенциалы делительной шины мультискана до тех пор, пока фототок, поступающий на преобразователь ток-напряжение и, тем самым на интегратор, не станет равным нулю. В данной схеме, в отличие от прототипа, потенциал общей шины мультискана поддерживается равным нулю, формирование выходного напряжения, соответствующего координате светового пятна, производится в результате зарядки емкости интегратора, и управление потенциалами делительной шины мультискана производится с помощью выходного напряжения интегратора, приложенного к средней точке источника питания. Поскольку напряжение на выходе преобразователя ток-напряжение равно U=Iф,Roc, где Roc - сопротивление в цепи обратной связи преобразователя ток-напряжение, а величина тока l3, заряжающего интегрирующую емкость, равна I3=U/Rинт, где Rинт - сопротивление во входной цепи интегратора, то величина тока I3 изменяется в K=Roc/Rинт раз по сравнению с IФ, и, соответственно, время формирования выходного напряжения изменяется в К раз. Выбирая соотношение Roc и Rинт, можно регулировать время формирования выходного напряжения. Однако максимальное значение К ограничивается физическим пределом скорости установления распределения потенциалов на делительной шине мультискана. Этот процесс определяется емкостными характеристиками мультискана, задаваемыми его топологией, в результате чего минимальное значение времени формирования выходного напряжения составляет величину порядка (5÷3)·10-6 с. В устройстве-прототипе время формирования выходного напряжения, соответствующее нижней оценке быстродействия (т.е при значении фототока, равном 108 А), составляет 5-10-3 с. В результате максимально возможное увеличение быстродействия не может превышать 5·10-3/5·10-6=103, что соответствует значению K≤Roc/Rинт=10-3. В случае, когда Roc=Rинт, К=1, заявляемое устройство сохраняет быстродействие прототипа, поэтому увеличение быстродействия устройства начинается со значения К>1. Таким образом, в заявляемом устройстве величина К должна находиться в пределах 1<К≤1000. В результате время формирования выходного напряжения может быть снижено по сравнению с прототипом в К раз, где К варьируется в интервале 1<К≤1000 и, тем самым, повышается быстродействие устройства.The first mode is the mode of formation of the coordinate reference. In this mode, the electronic key is in the open state. The photocurrent I f that arises in the multiscan when a light spot hits it arrives at the input of the current-voltage converter. The voltage from the output of this converter is supplied through the resistance R int to the input of the integrator, on the integrating capacity of which the potential accumulates. A voltage is generated at the output of the integrator, which controls the power source through its midpoint, shifting the potentials of the dividing bus of the multiscan until the current flowing to the current-voltage converter and, thus, to the integrator, becomes zero. In this scheme, unlike the prototype, the potential of the common multiscan bus is maintained equal to zero, the output voltage corresponding to the coordinate of the light spot is generated as a result of charging the capacitor of the integrator, and the potentials of the dividing bus of the multiscan are controlled by the output voltage of the integrator applied to the midpoint power source. Since the voltage at the output of the current-voltage converter is U = I f , R oc , where R oc is the resistance in the feedback circuit of the current-voltage converter, and the current value l 3 charging the integrating capacitance is I 3 = U / R int , where R int is the resistance in the input circuit of the integrator, then the current value I 3 changes by K = R oc / R int times compared to I Ф , and, accordingly, the time of formation of the output voltage changes by K times. Choosing the ratio of R oc and R int , you can adjust the time of formation of the output voltage. However, the maximum value of K is limited by the physical limit of the rate of establishment of the potential distribution on the dividing bus of the multiscan. This process is determined by the capacitive characteristics of the multiscan, defined by its topology, as a result of which the minimum value of the output voltage generation time is of the order of (5 ÷ 3) · 10 -6 s. In the prototype device, the time of formation of the output voltage corresponding to the lower performance rating (i.e., with a photocurrent value of 10 8 A) is 5-10 -3 s. As a result, the maximum possible increase in speed cannot exceed 5 · 10 -3 / 5 · 10 -6 = 10 3 , which corresponds to the value K≤R oc / R int = 10 -3 . In the case when R oc = R int , K = 1, the inventive device maintains the speed of the prototype, so the increase in speed of the device begins with a value of K> 1. Thus, in the inventive device, the value of K must be within 1 <K≤1000. As a result, the time of formation of the output voltage can be reduced in comparison with the prototype by a factor of K, where K varies in the range of 1 <K≤1000 and, thereby, increases the speed of the device.
В конце интервала времени t1, достаточного для установления выходного напряжения, соответствующего координате светового пятна, производится снятие отсчета. Затем в течение времени t2≥t1 реализуется второй режим - режим между координатными отсчетами. В этом режиме ключ замыкается, и входной, и выходной электроды преобразователя ток-напряжение соединяются между собой. В результате, вне зависимости от координаты светового сигнала, на выходе преобразователя ток-напряжение фиксируется потенциал равный нулю, который возвращает потенциал делительной шины мультискана в исходное состояние, сохраняющееся в течение всего времени между интервалами, в которые происходит формирование координатных отсчетов. Таким образом, после снятия отсчета перезарядка емкостей встречно включенных р-n переходов, составляющих структуру мультискана, прекращается, что предотвращает развитие переходных процессов их перезарядки за счет темновых токов. В результате устраняется смещение выходного напряжения, сформированного в момент попадания светового пятна на поверхность мультискана, что повышает точность определения положения светового пятна.At the end of the time interval t 1 sufficient to establish the output voltage corresponding to the coordinate of the light spot, a reference is taken. Then, during the time t 2 ≥t 1 , the second regime is realized — the regime between coordinate samples. In this mode, the key is closed, and the input and output electrodes of the current-voltage converter are interconnected. As a result, regardless of the coordinate of the light signal, a potential equal to zero is fixed at the output of the current-voltage converter, which returns the potential of the dividing bus of the multiscan to its original state, which remains unchanged for the entire time between the intervals at which coordinate readings are formed. Thus, after taking the count, the recharging of the capacities of the on-on p-n junctions that make up the multiscan structure is stopped, which prevents the development of transient processes of their recharging due to dark currents. As a result, the bias of the output voltage generated when the light spot hits the surface of the multiscan is eliminated, which increases the accuracy of determining the position of the light spot.
Формирование выходного напряжения, соответствующего координате светового пятна, с помощью тока, превышающего величину фототока в К раз, за счет которого происходит формирование выходного напряжения в прототипе, обеспечивает возможность значительного повышения быстродействия заявляемого устройства. Исключение развития переходных процессов в течение интервала времени t2 между координатными отсчетами устраняет отклонение координаты светового пятна от координаты, зарегистрированной в момент его попадания на поверхность мультискана, что обеспечивает повышение точности определения положения светового пятна. Таким образом обеспечивается повышение эффективности предлагаемого устройстваThe formation of the output voltage corresponding to the coordinate of the light spot, using a current exceeding the photocurrent by K times, due to which the formation of the output voltage in the prototype, provides the opportunity to significantly increase the speed of the claimed device. The exclusion of the development of transients during the time interval t 2 between coordinate readings eliminates the deviation of the light spot coordinate from the coordinate recorded when it hit the multiscan surface, which improves the accuracy of determining the position of the light spot. This ensures increased efficiency of the proposed device
На чертеже представлена схема устройства, где:The drawing shows a diagram of a device where:
1 - фотоприемник - мультискан;1 - photodetector - multiscan;
2 - делительная шина мультискана;2 - dividing bus multiscan;
3 - общая шина мультискана;3 - common bus multiscan;
4 - оптическая система для формирования на поверхности фотоприемника мультискан светового пятна от источника излучения;4 - an optical system for forming on the surface of the photodetector a multiscan light spot from a radiation source;
5 - источник питания;5 - power source;
6 - средняя точка источника питания;6 - the middle point of the power source;
7 - преобразователь электрического сигнала ток-напряжение;7 - converter of an electric signal current-voltage;
8 - интегратор;8 - integrator;
9 - электронный ключ;9 - electronic key;
10 - внешний источник импульсного напряжения;10 - external source of pulse voltage;
11 - регистрирующее устройство.11 - recording device.
В предлагаемом устройстве источник питания 5, содержащий среднюю точку 6, подсоединен к двум концам делительной шины 2 мультискана (М) 1, вход преобразователя электрического сигнала ток-напряжение (ПЭС) 7 соединен с общей шиной 3 мультискана 1, выход блока преобразователя ток-напряжение 7 соединен с входом интегратора (И) 8, содержащего интегрирующую емкость в цепи обратной связи, и с входным электродом электронного ключа 9, выход интегратора 8 соединен с выходным электродом электронного ключа 9, регистрирующим устройством (РУ) 11, и со средней точкой 6 источника питания 5, управляющий электрод электронного ключа 9 соединен с внешним источником импульсного напряжения (ИИН) 10, оптическая система (ОС) 4 формирует на поверхности фотоприемника мультискан 1 световое пятно от источника излучения.In the proposed device, a power source 5 containing a midpoint 6 is connected to the two ends of the dividing bus 2 of the multiscan (M) 1, the input of the current-voltage converter (PES) 7 is connected to a common bus 3 of the multiscan 1, the output of the current-voltage converter unit 7 is connected to the input of the integrator (I) 8, containing the integrating capacitance in the feedback circuit, and to the input electrode of the electronic key 9, the output of the integrator 8 is connected to the output electrode of the electronic key 9, the recording device (RU) 11, and from the middle point 6 th power source 5, a control electrode of the electronic switch 9 is connected to an external source of pulse voltage (IIN) 10, an optical system (OS) 4 formed on the surface of the photodetector 1 multiskan light spot on the radiation source.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Сформированное от источника излучения оптической системой 4 на поверхности фотоприемника мультискан 1 световое пятно, попадая на фоточувствительную площадку мультискана 1, вызывает фототок, который через общую шину 3 мультискана 1 попадает на вход блока преобразователя ток-напряжение 7. В течение интервала времени t1 электронный ключ 9 в результате воздействия на него внешнего источника 10 импульсного напряжения разомкнут, и на выходе преобразователя ток-напряжение 7 с резистором Roc в цепи обратной связи формируется напряжение, которое подается на вход интегратора 8 и через сопротивление Rинт во входной цепи интегратора вызывает зарядку интегрирующей емкости в цепи обратной связи интегратора 8. С выхода интегратора 8 напряжение подается на среднюю точку 6 источника питания 5, смещая потенциалы делительной шины 2 мультискана 1 до тех пор, пока фототок, поступающий на преобразователь ток-напряжение 7, не станет равным нулю. Одновременно напряжение с выхода интегратора 8 подается на вход регистрирующего устройства 11. В конце интервала времени t1 производится регистрация выходного напряжения, соответствующего измеряемой координате светового пятна, с помощью регистрирующего устройства 11. По истечении времени t1 внешний источник импульсного напряжения 10 переводит электронный ключ 9 в замкнутое состояние, вызывая разряд емкости интегратора 8, в результате чего напряжение на выходе интегратора 8 и, тем самым, на средней точке 6 источника питания 5 становится равным нулю, что переводит распределение потенциалов на делительной шине 2 мультискана 1 в исходное состояние и препятствует развитию переходных процессов, происходящих в результате перезаряда емкостей встречно включенных р-n переходов в неосвещенной области мультискана 1. Через время t2>t1 источник импульсного напряжения 10 снова переводит электронный ключ 9 в разомкнутое состояние, и процесс формирования координатного отсчета и его регистрации повторяется.The light spot formed from the radiation source by the optical system 4 on the surface of the multiscan 1 photodetector hits the photosensitive area of multiscan 1 and causes a photocurrent which, through the common bus 3 of multiscan 1, enters the input of the current-voltage converter unit 7. During the time interval t1, the electronic key 9 as a result of exposure to an external source of pulse voltage 10 is opened, and the output current-voltage converter 7 to the resistor R oc in the feedback circuit produces a voltage that is under etsya input to the integrator 8 and through the resistance R int in the input circuit of the integrator is integrating the charging capacity in the feedback circuit of integrator 8. The output of the integrator 8 voltage is applied to the midpoint of 6 supply 5, shifting potentials pitch tire 2 multiskana 1 until until the photocurrent entering the current-voltage converter 7 becomes equal to zero. At the same time, the voltage from the output of the integrator 8 is supplied to the input of the recording device 11. At the end of the time interval t1, the output voltage corresponding to the measured coordinate of the light spot is recorded using the recording device 11. After time t 1, the external pulse voltage source 10 transfers the electronic switch 9 to a closed state, causing a discharge of the capacitance of the integrator 8, as a result of which the voltage at the output of the integrator 8 and, thus, at the midpoint 6 of the power supply 5 becomes equal m zero, which translates the potential distribution on dividing bus 2 of multiscan 1 to its initial state and prevents the development of transients occurring as a result of overcharging of capacities of pn junctions switched on in the unlit region of multiscan 1. After a time t 2 > t 1, the pulse voltage source 10 again puts the electronic key 9 in the open state, and the process of forming the coordinate reference and its registration is repeated.
Пример.Example.
Для подтверждения возможности повышения быстродействия и точности определения положения светового пятна при работе с источником света было собрано устройство, блок-схема которого представлена на чертеже. В данном устройстве использовался фотоприемник мультискан 1 длиной 2·10-2 м. Оптическая система 4 была выполнена на основе щелевой оптики (ширина щели 0.5·10-3 м, длина щели 1·10-2 м, расстояние от поверхности мультискана 2·102 м), формирующей на поверхности фотоприемника мультискан 1 световое пятно от удаленного источника света. В качестве источника немодулированного света использовалась лампа накаливания. Для сравнения с прототипом мощность источника света устанавливалась так, чтобы обеспечивалось значение фототока на общей шине мультискана, равное 10-8 А. Величина фототока измерялась с помощью электрометрического усилителя У1-7. В качестве источника питания 5 использовался высокостабильный источник постоянного напряжения В5-47, на котором с помощью резистивного делителя была сформирована средняя точка 6. Напряжение источника питания 5 было установлено равным 10 В. Источник питания был подключен к делительной шине 2 фотоприемника мультискан. Преобразователь электрического сигнала 7 был выполнен по стандартной схеме преобразователя ток-напряжение на операционном усилителе типа 544УД2, с резистором в цепи обратной связи. В качестве электронного ключа 9 использовалась интегральная микросхема ADG453, входной электрод которой был подсоединен к входу интегратора 8, собранного по стандартной схеме на операционном усилителе типа 544УД2 с резистором во входной цепи и с интегрирующей емкостью 1000 пФ в цепи обратной связи. В соответствии с формулой изобретения значение К было взято K=Roc/Rинт=500, и величины сопротивлений резисторов Roc и Rинт были выбраны ROC=5 мОм и Rинт=10 кОм, соответственно. Выходной электрод электронного ключа 9 был подсоединен к выходу интегратора 8, а управляющий электрод электронного ключа был подсоединен к внешнему источнику импульсного напряжения 10. В качестве внешнего источника импульсного напряжения 10 был использован генератор импульсов Г5-60. Выход интегратора 8 был одновременно подсоединен к средней точке 6 источника питания 5 и к входу регистрирующего устройства 11. В качестве регистрирующего устройства 11 был использован цифровой вольтметр В7-34 с 6-ю десятичными разрядами. Поскольку выбран коэффициент K=Roc/Rинт=500, величина тока, заряжающего интегральную емкость, увеличилась в 500 раз, и время формирования выходного напряжения снизилось от 5·10-3с до 10-5 с. Для реализации работы устройства длительность импульсов, подаваемых от генератора импульсного напряжения 10 на электронный ключ 9, должна быть равной или большей максимального времени формирования выходного напряжения (т.е времени при IФ=10-8 А). Поэтому от генератора импульсного напряжения 10 на электронный ключ 9 подавались импульсы длительностью t1=10-5 с. Таким образом, в течение t1=10-5 с электронный ключ 9 был разомкнут, и с помощью вольтметра В7-34 проводилась регистрация выходного напряжения, соответствующего координате светового пятна. Поскольку должно быть t2≥t1 через 10-5 с, источник импульсного напряжения 10 снова переводил электронный ключ 9 в разомкнутое состояние, и процесс формирования координатного отсчета и его регистрации повторялся.To confirm the possibility of increasing the speed and accuracy of determining the position of the light spot when working with the light source, a device was assembled, a block diagram of which is shown in the drawing. In this device, a multiscan 1 photodetector 2 × 10–2 m long was used. Optical system 4 was made on the basis of slit optics (slit width 0.5 × 10 −3 m, slit length 1 × 10 −2 m, distance from the multiscan surface 2 × 10 2 m), forming on the surface of the photodetector multiscan 1 light spot from a remote light source. An incandescent lamp was used as a source of unmodulated light. For comparison with the prototype, the power of the light source was set so that the photocurrent on the common multiscan bus was equal to 10 -8 A. The magnitude of the photocurrent was measured using an U1-7 electrometric amplifier. As a power source 5, a highly stable constant voltage source B5-47 was used, on which the midpoint 6 was formed using a resistive divider. The voltage of the power source 5 was set to 10 V. The power source was connected to the dividing bus 2 of the multiscan photodetector. The electric signal converter 7 was made according to the standard circuit of the current-voltage converter on an operational amplifier of the type 544UD2, with a resistor in the feedback circuit. As an electronic key 9, an ADG453 integrated circuit was used, the input electrode of which was connected to the input of an integrator 8, assembled according to a standard circuit on an operational amplifier of the type 544UD2 with a resistor in the input circuit and with an integrating capacitance of 1000 pF in the feedback circuit. In accordance with the claims, the value of K was taken K = R oc / R int = 500, and the resistance values of the resistors R oc and R int were chosen R OC = 5 mOhm and R int = 10 kOhm, respectively. The output electrode of the electronic switch 9 was connected to the output of the integrator 8, and the control electrode of the electronic switch was connected to an external source of pulse voltage 10. As an external source of pulse voltage 10, a pulse generator G5-60 was used. The output of the integrator 8 was simultaneously connected to the midpoint 6 of the power source 5 and to the input of the recording device 11. As a recording device 11, a digital voltmeter B7-34 with 6 decimal places was used. Since the coefficient K = R oc / R int = 500 was chosen, the magnitude of the current charging the integrated capacitance increased by 500 times, and the time of formation of the output voltage decreased from 5 · 10 -3 s to 10 -5 s. To implement the operation of the device, the duration of the pulses supplied from the pulse voltage generator 10 to the electronic switch 9 must be equal to or greater than the maximum time of formation of the output voltage (i.e., time at I Ф = 10 -8 A). Therefore, from a pulse voltage generator 10, an electronic switch 9 was supplied with pulses of duration t 1 = 10 -5 s. Thus, for t 1 = 10 -5 s, the electronic switch 9 was open, and using the voltmeter B7-34, the output voltage corresponding to the coordinate of the light spot was recorded. Since it should be t 2 ≥t 1 after 10 -5 s, the pulse voltage source 10 again transferred the electronic switch 9 to the open state, and the process of forming the coordinate reference and its registration was repeated.
Проведенные испытания устройства, созданного в соответствии с приведенным выше описанием, показали, что формирование выходного напряжения, соответствующего координате светового пятна при значении фототока, равном 10-8 А, происходит за интервал времени 105 с. По оценке авторов в случае использования устройства-прототипа при значении фототока 10-8 А время формирования выходного напряжения, соответствующего координате светового пятна, происходит за интервал времени 5·10-3 с. Таким образом, быстродействие устройства определения положения светового пятна, приведенного в примере, по сравнению с прототипом повышено в 500 раз.The tests of the device created in accordance with the above description showed that the formation of the output voltage corresponding to the coordinate of the light spot at a photocurrent value of 10 -8 A occurs over a time interval of 10 5 s. According to the authors, in the case of using the prototype device with a photocurrent value of 10 -8 A, the time of formation of the output voltage corresponding to the coordinate of the light spot occurs over a time interval of 5 · 10 -3 s. Thus, the speed of the device for determining the position of the light spot shown in the example, compared with the prototype increased by 500 times.
Проведенные испытания устройства также показали, что в течение 30 мин отклонение координаты неподвижного светового пятна от координаты, зарегистрированной в момент попадания светового пятна на поверхность мультискана, составило 10-4 В, что при длине мультискана 2·10-2 м и напряжении питания 10 В соответствует 0 2 мкм. По оценке авторов при использовании устройства-прототипа отклонение координаты светового пятна от координаты, зарегистрированной в момент попадания светового пятна на поверхность мультискана, составляет 40 мкм. Таким образом, точность определения положения светового пятна по сравнению с прототипом увеличена в 200 раз.Tests of the device also showed that within 30 minutes the coordinate deviation of the fixed light spot from the coordinate recorded when the light spot hit the surface of the multiscan was 10 -4 V, which with a multiscan length of 2 · 10 -2 m and a supply voltage of 10 V corresponds to 0 2 μm. According to the authors, when using the prototype device, the deviation of the light spot coordinate from the coordinate recorded at the time the light spot hit the multiscan surface is 40 μm. Thus, the accuracy of determining the position of the light spot in comparison with the prototype is increased 200 times.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009110794/28A RU2399023C1 (en) | 2009-03-24 | 2009-03-24 | Device for determining position of light spot |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009110794/28A RU2399023C1 (en) | 2009-03-24 | 2009-03-24 | Device for determining position of light spot |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2399023C1 true RU2399023C1 (en) | 2010-09-10 |
Family
ID=42800589
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009110794/28A RU2399023C1 (en) | 2009-03-24 | 2009-03-24 | Device for determining position of light spot |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2399023C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU176265U1 (en) * | 2017-08-15 | 2018-01-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | DEVICE FOR DETERMINING POSITION OF LIGHT SPOT |
| CN114046731A (en) * | 2021-10-29 | 2022-02-15 | 西安工程大学 | Submicron single photon magnitude tiny light spot measuring method based on silicon photomultiplier |
-
2009
- 2009-03-24 RU RU2009110794/28A patent/RU2399023C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ПОДЛАСКИН Б.Г. и др. Позиционно-чувствительный фотодетектор - мультискан. Измерительная техника, №8, 2005, с.31-34. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU176265U1 (en) * | 2017-08-15 | 2018-01-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | DEVICE FOR DETERMINING POSITION OF LIGHT SPOT |
| CN114046731A (en) * | 2021-10-29 | 2022-02-15 | 西安工程大学 | Submicron single photon magnitude tiny light spot measuring method based on silicon photomultiplier |
| CN114046731B (en) * | 2021-10-29 | 2023-03-14 | 西安工程大学 | Submicron single photon magnitude tiny light spot measuring method based on silicon photomultiplier |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4535287A (en) | Electronic watt/watthour meter with automatic error correction and high frequency digital output | |
| CN106501618B (en) | Capacitor's capacity measuring circuit | |
| US9116040B2 (en) | Radiation detection device with improved illumination range having a photodetector that operates in two detecting modes | |
| US9285465B2 (en) | Analog-digital conversion circuit, sensor apparatus, cellular phone, and digital camera | |
| CN110869722B (en) | Optical sensor device and method for optical sensing | |
| RU2399023C1 (en) | Device for determining position of light spot | |
| US11330216B2 (en) | Sensor arrangement and method for dark count cancellation | |
| KR101385692B1 (en) | Apparatus for maximum power point tracking in photovoltaic module and method thereof | |
| CN106374834B (en) | A kind of solar cell voltammetric characteristic measuring circuit and method | |
| TWI516032B (en) | A photoelectric conversion device capable of eliminated dark current | |
| US11418208B2 (en) | Light-to-digital converter arrangement and method for light-to-digital conversion | |
| RU2693647C1 (en) | Integrating analog-to-digital converter for measuring small electrical signals | |
| RU2399022C1 (en) | Device for determining position of light spot | |
| JP2005283248A (en) | Displacement sensor | |
| CN106130558A (en) | DA change-over circuit based on PWM and capacitor charge and discharge principle | |
| CN114556061A (en) | Optical conductor readout circuit | |
| CN105043563A (en) | Integral gating single-photon detector integral capacitor discharge circuit and method | |
| CN204631117U (en) | Photovoltaic cell sample circuit | |
| Riedijk et al. | An integrated optical position-sensitive detector with digital output and error correction | |
| RU2194252C1 (en) | Device for carrying out photometric measurements in pulsating mode | |
| CN104852685A (en) | Solar power generation system voltage limiting protection sampling circuit | |
| RU176265U1 (en) | DEVICE FOR DETERMINING POSITION OF LIGHT SPOT | |
| JPH0367134A (en) | Photoelectric converter | |
| JP2003065847A (en) | Photoreceiving circuit | |
| SU525030A1 (en) | Frequency meter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120325 |