SE504365C2 - Infallsriktningsbestämmande strålningssensor - Google Patents

Description

'S04 ses 10 15 20 25 30 35 PSD-detektorer är dock inte avsedda för så korta pulser som är aktuella i laser- vamingssammanhang och dessutom är deras dynamikområde begränsat, varför kommersiellt tillgängliga sådana inte kan användas för avsett ändamål.

Föreliggande uppfinning innebär en lösning på det uppställda problemet genom att den får den utformning som framgår av det efterföljande självständiga patentkravet. Övriga krav avser lämpliga utföringsformer av uppfinningen.

I det följande kommer uppfinningen att beskrivas närmare under hänvisning till bifo- gade ritningar, där fig. 1 visar en principskiss över en sensor enligt uppfinningen, fig. 2 visar en utföringsform av en sensor enligt uppfinningen, fig. 3 visar ett diagram över mätvärden för olika infallsvinklar för en sensor enligt uppfinningen, där en rät linje, representerande det ideala utfallet, är inlagd, fig. 4 visar ett diagram över uppmätta vinkelfel vid olika infallsvinklar i kurvan enligt ovan, fig. 5 visar en första utföringsforrn av en sensorkonstruktion enligt uppfin- ningen med ett linselement, fig. 6 visar en andra utföringsforrn av en sensorkonstruktion enligt uppfin- ningen med ett linselement och fig. 7 visar en tredje utföringsform av en sensorkonstruktion enligt uppfin- ningen med en spalt.

Den grundläggande idén vid uppfinningen är att med diskreta element skapa en PSD-lik sensorkonstruktion, se fig. 1, där fotodioder betecknas D och motstånd R och Ra. Med en sådan konstruktion är det inte något problem att tillfredsställa kravet på snabb respons. Ett antal fotodioder D är kopplade mellan förbindelse- punktema mellan ett antal lika stora motstånd R i en motståndskedja och en för- spänningskälla (bias) som är vald så att fotodiodema backspänns. Fotodiodema fördelas fysiskt med lika avstånd längs en linje i ett plan inom vilket man avser mäta infallsvinkeln . Precis som i fallet med den kända PSD-detektom kan infallande strålning fås att belysa olika delar av denna detektorrad 2 i beroende av strålning- ens infallsriktning. l motståndskedjans båda ändar kan man då ta ut signaler, vars förhållande till varandra kan fås att utgöra ett mått på var längs detektorraden av fotodioder strålningens tyngdpunkt är belägen. Man kan tänka sig att mäta ström- mama i motståndskedjans ändar. len lämplig koppling, som visas i figuren, mäter 10 15 20 25 30 35 504 365 man i stället, med hjälp av en fast referenspotential V1 och avtappningsmotstånd Ra, spänningen över de båda avtappningsmotstånden vid avtappningspunktema A1 och A2. Dessa spänningars relation bestämmer läget av belysningspunkten.

I detta grundutförande har sensom flera svagheter. Kapacitansen i fotodiodema D kombinerad med motstånden R kommer att fungera som ett RC-filter av lågpasstyp.

Detta i sin tur medför att den angivna bäringen mot belysningskällan kommer att bero av källans pulslängd och på ett felaktigt sätt av belysningens läge längs linjen av fotodioder. Detta är en nackdel. Vidare minskar förspänningen hos fotodiodema med avståndet från avtappningspunktema A1,A2, vilket inte är önskvärt, eftersom förspänningen bör vara så stor som möjligt, för att man skall erhålla en snabb respons hos fotodiodema på den infallande strålningen.

För att undanröja dessa nackdelar måste signalen enbart ledas från en aktiv foto- diod D via resistanskedjan ut till avtappningspunktema utan att ledas in i icke aktiva fotodioder. Man måste därför införa någon typ av spärr för signalutbredningen i icke önskade riktningar.

Figur 2 visar en lösning på problemet. Lösningen presenteras här realiserad med NPN-transistorer, men kan naturligtvis också realiseras med hjälp av PNP-transisto- rer. Nödvändiga ändringar i kopplingsschemat, såsom komponentplaceringar och bias, är självklara för fackmannen på området.

Jämfört med det principiella utförandet enligt figur 1, är varje fotodiod kompletterad med ett strömbegränsningsmotstånd R$b_ ett förspänningsmotstånd Rfs och en transistor T. Transistom, som väljs med så låg kapacitans som möjligt, arbetar enligt sättet "gemensam bas" med basen på jordpotential. Fotodioden placeras på tran- sistoms emitter.

Transistorema T hindrar, p.g.a. låg kapacitans, delar av signalströmmen att på sin väg genom resistanskedjan läcka ut genom ej belysta fotodioders anslutningar.

Förspänningsmotståndet Rfs ger transistom förspänning för lämpligt arbetsområde.

Genom strömbegränsningsmotstånden Rsb begränsas den maximala strömmen genom transistom och alltså ut i resistanskedjan R. De lägesbestämmande ström- mama mäts vid motstånden Ra och kan ges lämplig storlek för att inte ens vid högsta belysningsstyrka åstadkomma mättning i eventuella efterföljande förstär- kare. Däremot kan strömmama bli mycket långa relativt ljuspulsens längd, då ju den su4 ses 10 15 20 25 30 35 4 i i fotodioden exciterade laddningen i princip är proportionell mot ljusenergin som kan variera med åtskilliga tiopotenser Den fördel man erhåller genom att använda sig av en transistor i uppkopplingen är många. De mest betydande är: o Obetydlig inverkan av puislängden på bäringsberäkningar, eftersom spärrning av oönskade signalvägar är stor. o Möjlighet till strömbegränsning med strömbegränsningsmotståndet Rsb. o Lättare Signalbehandling vid framtagning av bäring, eftersom tidsfaktom blir mindre kritisk.

- Förspänningama över fotodiodema påverkar inte varandra.

Genom denna uppfinningsenliga konstruktion kan man alltså med en enda sensor i form av en rad med önskat antal fotodioder mäta inom ett dynamikområde från fotodiodemas känslighetsgräns till långt över deras mättnadsnivå.

Som ovan framgått kan denna modell endast bestämma infallsriktning i ett plan, t.ex. i sidoriktningen, och man måste för att bestämma höjdriktningen komplettera med en likadan anordning vars optiska egenskaper riktas vinkelrätt mot den förras.

Det är ofta en fördel om en varnare kan beräkna inkommande belysnings styrka.

Man kan då uppskatta om laserbelysningen avser den vamarbärande plattformen eller något annat mål. Den uppfinningsenliga sensorkonstruktionen har eliminerat möjligheten att över hela dynamikområdet mäta en i detta avseende rättvisande amplitud. I området för mättade fotodioder återspeglas belysningsstyrkan istället i en ökad pulslängd i och med att den exciterade laddningen släpps ut efter hand.

Denna kan emellertid lätt mätas och kalibreras, varför uppfinningen även klarar detta önskemål.

En sensor enligt figur 2 har belysts och testats. Den ur uppmätta toppvärden beräk- nade signalkvoten redovisas i figur 3, där en rät linje, representerande det ideala utfallet, också är inlagd. En vidarebehandling av värdena för att redovisa vinkelfelet relativt det teoretiskt rätta värdet framgår av figur 4. Här har använts toppvärdes- mätning för beräkning av resultatet.

Ett sista steg vid uppfinningen är att få laserljuset att träffa detektorraden 2 i ett infallsriktningsberoende läge. Man kan härvid tänka sig flera arrangemang. Figur 5 visar ett arrangemang med en cylindrisk lins 1 och en krökt detektorrad av ovan 10 15 20 25 504 365 diskuterat slag. Figur 6 visari stället en en-dimensionell "fisköge"-lins 3 tillsammans med en plan detektorrad enligt uppfinningen. Dessa båda altemativ ger en viss optisk förstärkning och är ofta möjliga att använda. En nackdel med åtminstone altemativet i figur 5 är emellertid att centrala strålar och randstràlar inte har samma fokus, vilket speciellt för höga Ijusintensiteter kan leda till felsvar vid beräkning av infallsvinkeln.

Figur 7 visar ett enkelt arrangemang med en spalt 4 framför en detektorrad 2 enligt uppfinningen. Det kan i detta fall vara lämpligt att förse detektorhuset med invän- diga bafflar 5 för att dämpa reflexeri detektorhuset.

För alla de angivna altemativen gäller att den ljuskänsliga detektorraden 2 kan er- sättas med ett fiberknippe som får leda ljuset till en störskyddat placerad detektor- rad med elektronik.

När det sedan gäller det våglängdsområde inom vilket konstruktionen fungerar begränsas det på känt sätt av vilket detektormaterial man väljer. Området kan dock lätt utvidgas genom parallellmontage av flera detektorrader av material känsliga för olika våglängder. För detta förfarande lämpar sig en konstruktion med en spalt enligt figur 7 bäst, eftersom inga våglängdsberoende optiska komplikationer då tillstöter.

En sensor enligt uppfinningen kan inom ett stort dynamikområde - ca 80 dB - avse- ende ljuseffekt, med stor noggrannhet- i 1° - och via endast en signalväg bestäm- ma infallsríktningen i en dimension för infallande ljus - pulsat eller kontinuerligt- för våglängder och pulslängder inom fotodiodemas känslighetsområde.

Claims (10)

504 565 10 15 20 25 30 35 Patentkrav:

1. lnfallsriktningsbestämmande strålningssensor, k ä n n e t e c k n a d a v att den är utförd att kunna mäta inom ett dynamikområde från i sensom ingående fotodioders känslighetsgräns till långt över deras mättnadsnivå genom att innefatta ett antal lika stora motstånd (R) i en motståndskedja mellan två avtappningspunkter (A1,A2) för sensorsignaler. ett antal fotodioder (D) som är kopplade mellan förbin- delsepunktema mellan motstånden i motståndskedjan och en förspänningskälla (Bias) som ger backspänning till fotodiodema, varvid fotodiodema är placerade med lika avstånd längs en linje' (2) i ett plan, inom vilket man avser mäta infallsvinkeln, och ett optiskt element (1 ,3,4) som bringar infallande strålning att belysa olika delar av linjen av fotodioder (D), dvs. detektorraden (2), i beroende av strålningens infallsriktníng.

2. Strålningssensor enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d a v att i serie med varje fotodiod (D) är en lågkapacitiv transistor (T) placerad, vilken fungerar som spärr mot att signalström läcker från motståndskedjan.

3. Strålningssensor enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d a v att i serie med varje fotodiod (D) och transistor (T) är ett strömbegränsningsmotstånd (Rsb) placerat, vilket anpassar signalströmmen till efter motståndskedjan följande förstär- kare.

4. Strålningssensor enligt något av de tidigare patentkraven, k ä n n e t e c k n a d a v att den är utformad att i området för mättade signaler bestämma signalstyrkan för den infallande strålningen utifrån den uppmätta pulslängden.

5. Strålningssensor enligt något av de tidigare patentkraven, _ k ä n n e t e c k n a d a v att den innefattar ytterligare en sensor, vars längdaxel ligger i huvudsak vinkel- rätt mot den första sensoms.

6. Strålningssensor enligt något av patentkraven 1 - 5, k ä n n e t e c k n a d a v att det optiska elementet är en cylindrisk lins (1).

7. Strålningssensor enligt patentkravet 6, k ä n n e te c k n a d a v att fotodetek- torema (D) är fördelade efter en med linsen (1) koncentrisk cirkelbåge. 10 504 365

8. Strålningssensor enligt något av patentkraven 1 - 5, k ä n n e t e c k n a d a v att det optiska elementet är en endimensionell fisköge-lins (3).

9. Strålningssensor enligt något av patentkraven 1 - 5, k ä n n e t e c k n a d a v att det optiska elementet är en skiva med en spalt (4) som är vinkelrät mot det plan i vilket man avser mäta infallsriktningen. '

10. Strålningssensor enligt något av de tidigare patentkraven, k ä n n e t e c k n a d a v att fotodetektorema (D) inte är placerade i den av det optiska elementet (1 ,3,4) givna placeringen för fotodetektorema utan i en annan plats och att strålningssen- som innefattar optiska fibrer anordnade att leda strålning från den förstnämnda platsen till den senare platsen.