RU2591302C1 - Устройство для определения положения объекта - Google Patents

Abstract

Использование: для определения положения объекта с помощью источника модулированного оптического сигнала. Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит источник модулированного оптического сигнала, фотодетектор, оптически связанный с ним через устройство формирования сигнала, имеющий, по меньшей мере, первую и вторую базовые области, изолированные друг от друга и от подложки, по меньшей мере, первый набор встречно включенных дискретных диодов, сформированных в первой и второй базовых областях вдоль внутреннего края каждой базовой области у линии их раздела, по меньшей мере, первую делительную шину, сигнальную шину, по меньшей мере, первый и второй источники питания, а также преобразователь ток-напряжение, фильтр высоких частот, синхронный детектор, интегратор, генератор и регистрирующее устройство, положительный выход первого источника питания соединен с отрицательным выходом второго источника питания, образуя первый общий контакт, другими выходами первый и второй источники питания соединены с первой делительной шиной, вход преобразователя ток-напряжение соединен с сигнальной шиной, выход преобразователя ток-напряжение соединен с входом фильтра высоких частот, выход фильтра высоких частот соединен с первым входом синхронного детектора, выход синхронного детектора соединен с входом интегратора, выход интегратора соединен с общим контактом первого и второго источников питания и регистрирующим устройством, выход генератора соединен со вторым входом синхронного детектора и источником модулированного оптического сигнала, дополнительно введены третья базовая область, второй набор встречно включенных дискретных диодов, сформированных во второй и третьей базовых областях вдоль линии их раздела, вторая делительная шина, созданная вдоль внешнего края второй базовой области, третий и четвертый источники питания, сигнальная шина сформирована посередине третьей базовой области, положительный выход третьего источника соединен с отрицательным выходом четвертого источника, образуя второй общий контакт, другими выходами третий и четвертый источники питания соединены со второй делительной шиной, а выход интегратора соединен с первым и вторым общими контактами и регистрирующим устройством. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности определения положения объекта. 2 ил.

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, конкретно - к устройствам для определения положения объекта с помощью источника модулированного оптического сигнала. Техническим результатом использования изобретения является повышение точности измерения положения объекта в условиях неравномерной фоновой засветки.

Для определения положения объекта на него помещают источник модулированного оптического сигнала, тем самым, определив положение источника, находят положение объекта. Модуляция оптического сигнала всегда используется при определении положения сигнала в присутствии фоновой засветки для разделения полезного сигнала и постоянного фона. В условиях неравномерной фоновой засветки это разделение оказывается неполным, что приводит к дополнительным ошибкам определения положения оптического сигнала.

Известно устройство для определения положения объекта [Mäkynen А., Kostamovaara J., Myllylä R. // IEEE Trans. Instrum. Meas., 1996, V. 45, P. 324-325], включающее источник модулированного оптического сигнала, латеральный позиционно-чувствительный фотодетектор и аналоговую схему, с помощью которой производится вычисление разности и суммы фототоков, снимаемых с 2-х концов прибора, а также отношения полученных значений разности фототоков к их сумме. При положении оптического сигнала вдали от центра светочувствительного поля датчика отношение величин измеряемых фототоков может превышать три порядка, что приводит к недопустимо большому влиянию шума большего из двух токов на точность измерения координаты источника сигнала [Mäkynen A., Kostamovaara J. // Opt. Eng., 1997, V. 36, P. 3119-3126]. В результате для латеральных позиционно-чувствительных датчиков известных фирм, таких как Hamamtsu, UDT Sensors Inc., OSI Optoelectronics и др., точность определения координаты сигнала составляет 10^-3 от поля зрения фоточувствительной области датчика. В случае длинных позиционно-чувствительных детекторов (≥10 мм) ошибка определения положения модулированного оптического сигнала достигает десятков микрон.

Присутствие мощного постороннего фона приводит к появлению дополнительной ошибки, обусловленной шумом фототока фоновой засветки сравнимым по величине с величиной малого фототока сигнала, что значительно снижает точность определения положения объекта, особенно на краях измеряемого диапазона, где происходит сравнение разновеликих фототоков. Неравномерность фоновой засветки дополнительно увеличивает ошибку.

Известно устройство для определения положения объекта [Б.Г. Подласкин, Е.Г. Гук, «Позиционно-чувствительный фотодетектор-мультискан», Измерительная техника, №8, с. 31-34 (2005)], взятое в качестве прототипа, содержащее источник модулированного оптического сигнала, оптически связанный с ним через устройство формирования сигнала фотодетектор, имеющий две базовые области, изолированные друг от друга и от подложки, один набор встречно включенных дискретных диодов, сформированных в каждой из базовых областей вдоль внутреннего края каждой базовой области у линии их раздела, одну делительную шину, созданную вдоль внешнего края первой базовой области, и одну сигнальную шину, созданную вдоль внешнего края второй базовой области, два источника питания, один преобразователь ток-напряжение, один фильтр высоких частот, один синхронный детектор, один интегратор, один генератор и регистрирующее устройство.

Устройство-прототип обеспечивает точность определения координаты сигнала 10^-5 от поля зрения прибора, как в отсутствии фоновой засветки, так и при наличии равномерной засветки. Для этого устройства влияние шумовой составляющей фототока фоновой засветки становится несущественным, поскольку определение координаты сигнала производится в результате сравнения равных по величине фототоков.

Однако в случае неравномерной фоновой засветки возникающая в области сигнала ошибка для этого устройства резко увеличивается.

В прототипе производится сравнение путем суммирования положительного и отрицательного фототоков справа и слева от положения точки перегиба вольт-амперной характеристики фотодетектора. Эти две зоны фототоков несимметрично подвергаются воздействию неравномерной фоновой засветки, что вследствие нелинейности люкс-амперной характеристики приводит к нарушению баланса токов.

Этот эффект в большей или меньшей степени проявляется для любых позиционно-чувствительных фотодетекторов, независимо от их принципа действия вследствие неравномерного «наползания» фона на оптический сигнал, из-за чего различные участки фоточувствительного поля сенсора приобретают различное значение чувствительности.

Этой проблеме посвящен ряд работ, где приведены результаты исследования линейности люкс-амперной характеристики различных фотодиодов и позиционно-чувствительных датчиков (в основном, на примере приборов фирмы Hamamatsu) [Schaefer A.R., Salevski E.F., Geist J. // Appl. Optics., 1983, V. 22, P. 1232-1236; Fischer J., Fu L. // Appl. Optics, 1993, V. 32, P. 4187-4190; Kubarsepp Т., Haapalinna A., Karha P., Ikonen E. // Appl. Optics, 1998, V. 37, P. 2716-2722]. Показано, что при небольшой мощности падающего на прибор света (для значения фототоков до 10^-6 А) фотодиоды высокого качества демонстрируют строгую линейность этой характеристики. При средних уровнях освещенности (10^-5-10^-4)А появляется отклонение от линейности в сторону увеличения чувствительности, обусловленное наличием в кремнии рекомбинационных уровней, играющих роль ловушек (центров захвата свободных носителей тока), которые при повышении мощности освещения вносят дополнительный вклад в формирование фототока за счет процессов перезарядки ловушек. При высоких уровнях мощности освещения зависимость чувствительности от мощности отклоняется от линейности в противоположную сторону за счет действия процессов насыщения. Обычно это отклонение от линейности для кремниевых фотодиодов высокого качества начинается при значении фототока ≥10^-4 A, а выше 300 µА нелинейность быстро нарастает, достигая для фотодиодов малой площади 2% [Kubarsepp Т., Haapalinna A., Karha P., Ikonen Е. // Appl. Optics, 1998, V. 37, P. 2716-2722; Refaat Т.F., Jonson D. G. // Appl. Optics, 2012, V. 51, P. 4420-4429].

Т.о. резкий рост ошибки определения положения объекта в устройстве-прототипе возникает из-за сравнения фототоков, искаженных за счет воздействия неравномерной фоновой засветки вследствие нелинейности люкс-амперной характеристики.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения точности определения положения объекта.

Указанная задача решается устройством для определения положения объекта, содержащим источник модулированного оптического сигнала, фотодетектор, оптически связанный с ним через устройство формирования сигнала, имеющий, по меньшей мере, первую и вторую базовые области, изолированные друг от друга и от подложки, по меньшей мере, первый набор встречно включенных дискретных диодов, сформированных в первой и второй базовых областях вдоль внутреннего края каждой базовой области у линии их раздела, по меньшей мере, первую делительную шину, сигнальную шину, по меньшей мере, первый и второй источники питания, а также преобразователь ток-напряжение, фильтр высоких частот, синхронный детектор, интегратор, генератор и регистрирующее устройство, положительный выход первого источника питания соединен с отрицательным выходом второго источника питания, образуя первый общий контакт, другими выходами первый и второй источники питания соединены с первой делительной шиной, вход преобразователя ток-напряжение соединен с сигнальной шиной, выход преобразователя ток-напряжение соединен с входом фильтра высоких частот, выход фильтра высоких частот соединен с первым входом синхронного детектора, выход синхронного детектора соединен с входом интегратора, выход интегратора соединен с первым общим контактом и регистрирующим устройством, выход генератора соединен со вторым входом синхронного детектора и источником модулированного оптического сигнала, в котором, согласно формуле изобретения, дополнительно введены третья базовая область, второй набор встречно включенных дискретных диодов, сформированных во второй и третьей базовых областях вдоль линии их раздела, вторая делительная шина, созданная вдоль внешнего края второй базовой области, третий и четвертый источники питания, сигнальная шина сформирована посередине третьей базовой области, положительный выход третьего источника соединен с отрицательным выходом четвертого источника, образуя второй общий контакт, другими выходами третий и четвертый источники питания соединены со второй делительной шиной, а выход интегратора соединен со вторым общим контактом.

Предлагаемое устройство поясняется Фиг. 1, где:

1 - источник модулированного оптического сигнала;

2 - фотодетектор;

3 - первая базовая область;

4 - вторая базовая область;

5 - первый набор встречно включенных дискретных диодов;

6 - первая делительная шина;

7 - сигнальная шина;

8 - первый источник питания;

9 - второй источник питания;

10 - преобразователь ток-напряжение;

11 - фильтр высоких частот;

12 - синхронный детектор;

13 - интегратор;

14 - генератор;

15 - регистрирующее устройство;

16 - первый общий контакт;

17 - третья базовая область;

18 - второй набор дискретных диодов;

19 - вторая делительная шина;

20 - третий источник питания;

21 - четвертый источник питания

22 - второй общий контакт.

Сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Задача решается за счет изменения структуры фотодетектора и схемы его включения, обеспечивающих снижение асимметрии воздействия неравномерной фоновой засветки на величину фототоков, в результате сравнения которых устанавливается значение координаты сигнала (положения объекта). Авторы предложили создать устройство, включающее фотодетектор, представляющий собой две взаимосвязанные фотодиодные структуры и обладающий свойством формирования независимых сигнальных фототоков I_В3 и I_B4 каждой из фотодиодных структур, при этом в операции сравнения участвуют фототоки, воздействие на которые неравномерного фона одинаково, и величина ошибки существенно снижается.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) позиционно-чувствительного фотодетектора, описанного в прототипе, представлена гиперболическим тангенсом [Б.Г. Подласкин, Е.Г. Гук, «Позиционно-чувствительный фотодетектор - мультискан», Измерительная техника, №8, с. 31-34 (2005)]. Положение точки перегиба ВАХ устанавливается с помощью напряжения обратной связи U_fb в пределах напряжения, приложенного к делительной шине фотодетектора. При этом положение медианы оптического сигнала определяется как величина U_fb, при которой суммарное значение фототока на выходе датчика равно нулю:

где:

I_S - величина суммарного фототока;

±Е - напряжение, приложенное к делительной шине;

f(u) - функция распределения мощности оптического сигнала;

- функция, описывающая ВАХ фотодетектора;

Δ - ширина переходной зоны ВАХ встречно включенных фотодиодов, называемая апертурой;

U_fb - напряжение обратной связи.

Как следует из уравнения (1), направление и величина фототоков определяются ВАХ детектора, т.е. вольт-амперная характеристика фотодетектора делит фототок сигнала на положительную и отрицательную части, сложение которых и формирует положение медианы сигнала.

Неравномерное воздействие фона на область задания модулированного сигнала искажает соотношение фототоков I⁺ и I^-, формируемых с помощью положительного и отрицательного участков ВАХ.

Как выявили авторы, дополнительное введение в фотодетектор третьей базовой области 17, второго набора встречно включенных дискретных диодов 18 и второй делительной шины 19 приводит к формированию фотодетектора, представляющего собой две взаимосвязанные фотодиодные структуры 3 и 4, объединенные общей сигнальной шиной 7 и имеющие индивидуальные делительные шины 6 и 19. Введение в состав устройства третьего 20 и четвертого 21 источников питания обеспечивает формирование распределенного напряжения питания на второй делительной шине 19. В результате такой фотодетектор обладает свойством независимого формирования сигнальных фототоков I_В3 и I_B4 в каждой из фотодиодных структур 3 и 4, соответственно. Суммирование этих фототоков производится на общей сигнальной шине 7.

Использование в устройстве фотодетектора, представляющего собой две взаимосвязанные фотодиодные структуры 3 и 4, четырех источников питания 8, 9, 20 и 21, выполненных с возможностью подачи на второй 9 и четвертый 21 источники питания потенциалов, отличающихся по величине от потенциалов, поданных на первый 8 и третий 20 источники питания, на величину смещения 2ε из интервала (0.1-0.4)В, формирование дополнительного второго общего контакта 22 и соединение выхода интегратора 13 с первым 16 и вторым 22 общими контактами приводит к тому, что при пространственной идентичности зон засветки базовых областей 3, 4 и 17 модулированным оптическим сигналом и неравномерной фоновой засветкой в пространстве напряжений, приложенных к двум делительным шинам 6 и 19, эти зоны сдвинуты друг относительно друга на некоторую величину ±ε В. При этом на каждой фотодиодной структуре 3 и 4 образуется своя ось напряжений - ось В3 для первой фотодиодной структуры 3 и ось В4 - для второй фотодиодной структуры 4. Положения потенциала сигнала на этих осях связаны между собой как B3+ε=B4-ε. В этом случае напряжение обратной связи U_fb воздействует на две взаимосвязанные фотодиодные структуры 3 и 4 со стороны схемы и устанавливает баланс токов. Поскольку формирование управляющего напряжения U_fb производится при значении тока сигнальной шины равном нулю, уравнение баланса токов двух фотодиодных структур 3 и 4 имеет следующий вид:

где:

f(u±ε) - функция распределения мощности оптического сигнала;

- функция, описывающая ВАХ фотодиодной структуры В3;

- функция, описывающая ВАХ фотодиодной структуры В4;

Δ - ширина переходной зоны ВАХ;

U_fb - напряжение обратной связи.

Из уравнения (2) следует, что интегрирование оптического сигнала в структурах 3 и 4 производится в соответствии со смещенными на +ε и -ε осями напряжения, где абсолютная величина ε определяет сдвиг точек перегиба ВАХ относительно нуля в пространстве напряжений. Поскольку пространственные координаты сигналов, спроецированных на области 3 и 4, совпадают, их расположение в пространстве напряжений относительно вольт-амперных характеристик в каждой из областей будет сдвинуто на ±ε.

В результате точки перегибов вольт-амперных характеристик фотодиодных структур сдвинуты относительно медиан падающих на фотодетектор модулированных оптических сигналов так, что фототок первой фотодиодной структуры 3 формируется с помощью только положительной ветви ее вольт-амперной характеристики, а второй фотодиодной структуры 4 - с помощью отрицательной ветви ее вольт-амперной характеристики. Поэтому при любом положении фоновой засветки, изменения симметричности распределения фототоков происходят как в положительной, так и в отрицательной составляющей фототоков, входящих в уравнение токового баланса (2), и эти изменения компенсируют друг друга.

На Фиг. 2 показаны вольт-амперные характеристики диодных структур В3 и В4, входящих в состав фотодетектора. Одна из этих ВАХ сдвинута по оси напряжений относительно нулевой точки на величину +ε, а другая - на величину -ε. Т.о. образом друг относительно друга эти ВАХ сдвинуты на 2ε.

Положение модулированного оптического сигнала, имеющее единственную пространственную координату, на оси напряжений сдвинуто для диодных структур В3 и В4 на ε. Как показано на Фиг. 2, в пространстве напряжений положение сигнала в диодной структуре В3 соответствует положительной ветви

ее ВАХ, а положение сигнала в диодной структуре В4 соответствует отрицательной ветви

ее ВАХ. В результате в предлагаемом устройстве определение положения медианы оптического сигнала производится не на основе суммирования фототоков I⁺ и I^- от правой и левой частей оптического сигнала, разделенных вольт-амперной характеристикой фотодетектора, представленного в прототипе (уравнение 1), а на основе суммирования величин фототоков

и

, сформированных с помощью положительного участка ВАХ на структуре 3 и отрицательного участка ВАХ на фотодиодной структуре 4 (уравнение 2). Таким образом, в операции сравнения участвуют фототоки, воздействие на которые неравномерного фона одинаково.

В случае если величина сдвига 8 сопоставима с шириной переходной зоны ВАХ (Δ=0.1 В-0.4 В) из уравнения (2), преобразование оптического сигнала в фототок происходит вблизи зоны насыщения ВАХ при большом значении напряжения смещения на р-n переходах. В результате при любом положении фоновой засветки неравномерное воздействие фона симметрично воздействует на фототоки

и

, и величина ошибки снижается.

Эксперименты показали, что при значении величины ε<0.1 В, т.е ε<<Δ, оптический сигнал остается разделенным на правую и левую части, и симметризации воздействия неравномерного фона не происходит. При значении величины ε>0.4 В, т.е. ε>Δ, преобразование модулированного оптического сигнала производится плоской частью ВАХ, что приводит к возрастанию ошибок за счет снижения зависимости фототока от положения сигнала.

Новым в предлагаемом устройстве является использование фотодетектора 2 с расположенными определенным образом дополнительной третьей базовой областью 17, дополнительным набором встречно включенных фотодиодов 18 и дополнительной второй делительной шиной 19, а также использование дополнительных третьего 20 и четвертого 21 источников питания в сочетании с тем, что дополнительно третий 20 и четвертый 21 источники питания соединены между собой так, что положительный выход источника 20 соединен с отрицательным выходом источника 21, образуя общий контакт 22, другими выходами третий 20 и четвертый 21 источники питания соединены со второй делительной шиной 19, а выход интегратора 13 соединен с объединенными первым 16 и вторым 22 общими контактами и регистрирующим устройством 15.

Устройство работает следующим образом.

Генератор импульсов 14, подсоединенный одним выходом к источнику оптического сигнала 1, формирует модулированный оптический сигнал на поверхности фотодетектора 2, представляющего собой две взаимосвязанные первую 3 и вторую 4 фотодиодные структуры, объединенные общей сигнальной шиной 7 и имеющие первую 6 и вторую 19 индивидуальные делительные шины, распределение напряжения на которых задается с помощью двух пар источников питания - первого 8 и второго 9, и третьего 20 и четвертого 21, соответственно. При этом к первой делительной шине 6 подсоединены по одному из разнополярных выходов последовательно соединенных первого 8 и второго 9 источников питания, ко второй делительной шине 19 подсоединены по одному из разнополярных выходов последовательно соединенных третьего 20 и четвертого 21 источников питания, что обеспечивает формирование независимого распределенного напряжения на первой 6 и второй 19 делительных шинах. При этом все четыре источника питания 8, 9, 20, 21 выполнены с возможностью подачи на второй 9 и четвертый 21 источники питания потенциалов, отличающихся по величине от потенциалов, поданных на первый 8 и третий 20 источники питания, на величину смещения 2ε из интервала (0.1-0.4) В. Оптический сигнал, попадая на первую 3, вторую 4 и третью 17 базовые области, генерирует в первом 5 и втором 18 наборах встречно включенных дискретных фотодиодов, расположенных в первой 3 и второй 4 фотодиодных структурах, соответственно, независимые фототоки I_B3 и I_B4. Величины и направления фототоков I_В3 и I_B4 определяются двумя сдвинутыми относительно друг друга в масштабе потенциалов на 2ε вольтамперными характеристиками первой 3 и второй 4 фотодиодных структур. На общей сигнальной шине 8 производится формирование выходного тока I_out, представляющего собой сумму фототока модулированного сигнала I_s и фототока фоновой засветки I_B. Ток I_out образуется путем суммирования фототоков

и

, сформированных с помощью положительного участка ВАХ на фотодиодной структуре 3 и отрицательного участка ВАХ на фотодиодной структуре 4. Сигнальная шина 7 соединена с преобразователем ток-напряжение 10, на который с нее подается модулированный выходной ток I_out. С преобразователя ток-напряжение 10 сформированное в нем напряжение U_out подается на фильтр высоких частот 11, в котором производится усиление и выделение полезного модулированного сигнала

. Усиленный сигнал

подается на вход синхронного детектора 12, второй вход которого соединен со вторым выходом генератора импульсов 14. С помощью импульсов, поступающих с генератора 14, происходит переключение ключей синхронного детектора 12, обеспечивающее детектирование переменного электрического сигнала, поступающего с фильтра высоких частот 11 на его вход. В результате синхронного детектирования переменный электрический сигнал U_s преобразуется в постоянное напряжение

, величина которого соответствует величине фототока модулированного оптического сигнала

. Постоянное напряжение

с синхронного детектора 12 подается на интегратор 13, емкость которого заряжается до величины U_fb. Это напряжение управляет напряжением, приложенным к первой 6 и второй 19 делительным шинам. Оно подается на первый 16 и второй 22 общие контакты, сформированные попарным соединением вторых разнополярных выходов первого 8 и второго 9, а также третьего 20 и четвертого 24 источников питания, соответственно. Управляющее напряжение обратной связи U_fb суммируется с напряжением источников питания и, тем самым, обеспечивает изменение положения точки перегиба каждой из ВАХ, соответствующих первой 3 и второй 4 взаимосвязанных фотодиодных структур. Это изменение положения вольтамперных характеристик происходит до тех пор, пока суммарный выходной ток I_s не станет равным нулю. При этом величина

также становится равной нулю, и зарядка емкости интегратора 13 прекратится, в результате чего величина U_fb стабилизируется. Таким образом, согласно уравнению (2), величина U_fb устанавливается в соответствии с положением медианы модулированного оптического сигнала в пространстве напряжений. Установившееся значение U_fb подается на регистрирующее устройство 15.

Пример.

Для подтверждения возможности повышения точности определения положения объекта было собрано устройство, блок-схема которого представлена на Фиг. 1. В данном устройстве использовался фотодетектор 2, представляющий собой две (первую и вторую) взаимосвязанные фотодиодные структуры, объединенные общей сигнальной шиной 7 и имеющие каждая свою (первую 6 и вторую 19) индивидуальную делительную шину. Длина фотодетектора составляла 2 см. Оптическая система была выполнена на основе щелевой оптики. Ширина щели составляла 0.5 мм, длина щели - 10 мм, расстояние от поверхности фотодетектора - 20 мм. В качестве генератора импульсов 14 с частотой 3 кГц использовалась микросхема КХО-210 фирмы GEYER, в качестве источника 1 оптического модулированного сигнала использовался светодиод ЗЛ-341 с мощностью сигнала 10^-8 Вт. В качестве источника неравномерной фоновой засветки использовалась запитанная от источника постоянного тока Б5-47 лампа накаливания с мощностью 20 Вт, что соответствовало мощности фоновой засветки после щелевой оптики 10^-5 Вт. В качестве источников питания 8, 9, 20, 21 использовались четыре источника постоянного напряжения В5-47. В качестве преобразователя ток-напряжение 10 использовался операционный усилитель AD823, в качестве фильтра высоких частот 11 использовался операционный усилитель ОР285, в качестве синхронного детектора 12 использовался операционный усилитель AD620, в качестве интегратора 13 использовался операционный усилитель AD822, в качестве регистрирующего устройства 15 использовался вольтметр В7-34.

К первой делительной шине 6 подсоединялись по одному из разнополярных выходов последовательно соединенных первого 8 и второго 9 источников питания, а ко второй шине 19 - по одному из разнополярных выходов последовательно соединенных третьего 20 и четвертого 21 источников питания. Такие подключения обеспечивали формирование независимого распределенного напряжения на первой 6 и второй 19 делительных шинах. При этом на первом 8 и третьем 20 источниках питания устанавливался одинаковый потенциал, равный 4.9 В, а на втором 9 и четвертом 21 источниках питания устанавливался одинаковый потенциал, равный 5.1 В. Тем самым потенциалы на втором и четвертом источниках питания отличались по величине от потенциалов на первом и третьем источниках питания на величину смещения 0.2 В, лежащую в интервале от 0.1 В до 0.4 В.

Осуществлялось прецизионное сканирование оптической щели фоновой засветкой при неподвижном положении модулированного оптического сигнала. Оптический сигнал, попадая на базовые области 3, 4 и 17 фотодетектора 2, в результате работы фотодетектора генерировал на сигнальной шине 7 модулированный выходной ток I_out. С сигнальной шины 7 этот ток подавался на преобразователь ток-напряжение 10, в котором формировалось выходное напряжение U_out, которое подавалось на фильтр высоких частот 11. В фильтре высоких частот производилось усиление и выделение полезного модулированного сигнала

. Усиленный сигнал

подавался на вход синхронного детектора 12, второй вход которого был соединен со вторым выходом генератора импульсов 14. С помощью импульсов, поступающих с генератора 14, происходило переключение ключей синхронного детектора 12, обеспечивающее детектирование переменного электрического сигнала, поступающего с фильтра высоких частот 11 на его вход. В результате синхронного детектирования переменный электрический сигнал U_s преобразовывался в постоянное напряжение

, величина которого соответствовала величине фототока модулированного оптического сигнала

. Постоянное напряжение

с синхронного детектора 12 подавалось на интегратор 13, емкость которого заряжалась до величины напряжения обратной связи U_fb. Это напряжение подавалось на первый 16 и второй 22 общие контакты, сформированные попарным соединением вторых разнополярных выходов первого 8 и второго 9, а также третьего 20 и четвертого 21 источников питания, соответственно. Напряжение обратной связи U_fb, суммируясь с напряжением источников питания 8. 9, 20, 21, обеспечивало изменение положения точки перегиба каждой из ВАХ, соответствующих первой и второй взаимосвязанным фотодиодным структурам до тех пор, пока суммарный выходной ток I_s не стал равным нулю. При этом величина

также стала равной нулю, и зарядка емкости интегратора 13 прекратилась, в результате чего величина U_fb стабилизировалась и установилась в соответствии с положением медианы модулированного оптического сигнала в пространстве напряжений. Установившееся значение U_fb подавалось на регистрирующее устройство 15.

Оценка ошибки определения положения объекта в присутствии неравномерной фоновой засветки заключалась в сравнении значений U_fb на выходе регистрирующего устройства при включенной и выключенной фоновой засветке. При отсутствии фоновой засветки величина U_fb составила 3,0 В, а в присутствии фоновой засветки величина U_fb составила 3,0007 В. Таким образом, ошибка определения положения объекта составила 0.7 мВ, что соответствует в пространстве координат ошибке 1.4 µm (10^-5 от поля зрения фотодетектора). Как показано в [Б.Г. Подласкин, Е.Г. Гук, А.Г. Оболенсков, А.А. Сухарев. ЖТФ, 2015, принята в печать.], ошибка определения положения объекта при использовании устройства-прототипа достигала 15 µm.

Таким образом, при использовании заявляемого устройства достигнуто повышение точности измерения положения объекта в условиях неравномерной фоновой засветки практически на порядок.

Показано отсутствие заявляемого эффекта повышения точности определения положения объекта для случая, когда величина смещения меньше 0.1 В (2ε<0.1 В). При этом на первом 8 и третьем 20 источниках питания устанавливался одинаковый потенциал, равный 4.97 В, а на втором 9 и четвертом 21 источниках питания устанавливался одинаковый потенциал, равный 5.03 В. Тем самым потенциалы, поданные на второй 9 и четвертый 21 источники питания отличались по величине от потенциалов, поданных на первый 8 и третий 20 источники питания, на величину смещения 0.06 B, меньшую чем 0.1 В. Ошибка определения положения объекта составила 8 мВ, что соответствует значению в пространстве координат 16 µm, при том, что ошибка определения положения объекта при использовании устройства-прототипа составляла 15 µm.

Также показано отсутствие заявляемого эффекта повышения точности определения положения объекта для случая, когда величина смещения превышает 0.4 B (2ε>0.4 В). При этом на первом 8 и третьем 20 источниках питания устанавливался одинаковый потенциал, равный 4.7 B, а на втором 9 и четвертом 21 источниках питания устанавливался одинаковый потенциал, равный 5.3 В. Тем самым потенциалы, поданные на второй и четвертый источники питания отличались по величине от потенциалов, поданных на первый и третий источники питания, на величину смещения 0.6 В, превышающую 0.4 В. Ошибка определения положения объекта составила 7 мВ, что соответствует в пространстве координат 15 µm, при ошибке при использовании устройства-прототипа 15 µm.

Предлагаемое устройство может применяться для определения в реальном времени положения неподвижных или движущихся объектов, таких как спутники, самолеты, автомобили, детали станков и механизмов, в условиях неравномерной фоновой засветки.

Claims (1)

1. Устройство для определения положения объекта, содержащее источник модулированного оптического сигнала, фотодетектор, оптически связанный с ним через устройство формирования сигнала, имеющий, по меньшей мере, первую и вторую базовые области, изолированные друг от друга и от подложки, по меньшей мере, первый набор встречно включенных дискретных диодов, сформированных в первой и второй базовых областях вдоль внутреннего края каждой базовой области у линии их раздела, по меньшей мере, первую делительную шину, сигнальную шину, по меньшей мере, первый и второй источники питания, а также преобразователь ток-напряжение, фильтр высоких частот, синхронный детектор, интегратор, генератор и регистрирующее устройство, положительный выход первого источника питания соединен с отрицательным выходом второго источника питания, образуя первый общий контакт, другими выходами первый и второй источники питания соединены с первой делительной шиной, вход преобразователя ток-напряжение соединен с сигнальной шиной, выход преобразователя ток-напряжение соединен с входом фильтра высоких частот, выход фильтра высоких частот соединен с первым входом синхронного детектора, выход синхронного детектора соединен с входом интегратора, выход интегратора соединен с первым общим контактом первого и второго источников питания и регистрирующим устройством, выход генератора соединен со вторым входом синхронного детектора и источником модулированного оптического сигнала, отличающееся тем, что дополнительно введены третья базовая область, второй набор встречно включенных дискретных диодов, сформированных во второй и третьей базовых областях вдоль линии их раздела, вторая делительная шина, созданная вдоль внешнего края второй базовой области, третий и четвертый источники питания, сигнальная шина сформирована посередине третьей базовой области, положительный выход третьего источника соединен с отрицательным выходом четвертого источника, образуя второй общий контакт, другими выходами третий и четвертый источники питания соединены со второй делительной шиной, а выход интегратора соединен со вторым общим контактом.

Images