Устройство для определения положения объекта



Устройство для определения положения объекта
Устройство для определения положения объекта
Устройство для определения положения объекта
Устройство для определения положения объекта
Устройство для определения положения объекта

Владельцы патента RU 2591302:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук (RU)

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.

 

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 IВ3 и IB4 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 Ufb в пределах напряжения, приложенного к делительной шине фотодетектора. При этом положение медианы оптического сигнала определяется как величина Ufb, при которой суммарное значение фототока на выходе датчика равно нулю:

где:

IS - 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;

Ufb - 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 IВ3 и IB4 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 Ufb воздействует на две взаимосвязанные фотодиодные структуры 3 и 4 со стороны схемы и устанавливает баланс токов. Поскольку формирование управляющего напряжения Ufb 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;

Ufb - 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 IB3 и IB4. Величины и направления фототоков IВ3 и IB4 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 Iout, представляющего собой сумму фототока модулированного сигнала Is и фототока фоновой засветки IB. Ток Iout 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 Iout. С преобразователя ток-напряжение 10 сформированное в нем напряжение Uout 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 Us 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 Ufb. 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 Ufb 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 Is не станет равным нулю. При этом величина также становится равной нулю, и зарядка емкости интегратора 13 прекратится, в результате чего величина Ufb стабилизируется. Таким образом, согласно уравнению (2), величина Ufb устанавливается в соответствии с положением медианы модулированного оптического сигнала в пространстве напряжений. Установившееся значение Ufb 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 Iout. С сигнальной шины 7 этот ток подавался на преобразователь ток-напряжение 10, в котором формировалось выходное напряжение Uout, 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 Us 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 Ufb. 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 Ufb, 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 Is не стал равным нулю. При этом величина также стала равной нулю, и зарядка емкости интегратора 13 прекратилась, в результате чего величина Ufb стабилизировалась и установилась в соответствии с положением медианы модулированного оптического сигнала в пространстве напряжений. Установившееся значение Ufb подавалось на регистрирующее устройство 15.

Оценка ошибки определения положения объекта в присутствии неравномерной фоновой засветки заключалась в сравнении значений Ufb на выходе регистрирующего устройства при включенной и выключенной фоновой засветке. При отсутствии фоновой засветки величина Ufb составила 3,0 В, а в присутствии фоновой засветки величина Ufb 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.

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.



 

Похожие патенты:

Твердотельное устройство формирования изображения содержит первую полупроводниковую область первого типа проводимости, обеспеченную на подложке методом эпитаксиального выращивания, вторую полупроводниковую область первого типа проводимости, обеспеченную на первой полупроводниковой области, и третью полупроводниковую область второго типа проводимости, обеспеченную во второй полупроводниковой области так, чтобы образовать p-n-переход со второй полупроводниковой областью, причем первая полупроводниковая область сформирована так, что концентрация примеси уменьшается от стороны подложки к стороне третьей полупроводниковой области, и распределение концентрации примеси во второй полупроводниковой области формируется методом ионной имплантации.

Использование: для формирования изображения. Сущность изобретения заключается в том, что устройство формирования изображений содержит полевой транзистор с p-n-переходом, обеспеченный на полупроводниковой подложке, при этом полевой транзистор с p-n-переходом включает в себя область канала первого типа проводимости, истоковую область первого типа проводимости, первую область затвора второго типа проводимости, вторую область затвора второго типа проводимости, третью область затвора второго типа проводимости и четвертую область затвора второго типа проводимости, первая область затвора и вторая область затвора расположены в направлении вдоль поверхности полупроводниковой подложки, третья область затвора и четвертая область затвора расположены в направлении вдоль поверхности полупроводниковой подложки, первая область затвора и третья область затвора расположены в направлении глубины полупроводниковой подложки, первая область затвора расположена между упомянутой поверхностью и третьей областью затвора, вторая область затвора и четвертая область затвора расположены в направлении глубины, вторая область затвора расположена между упомянутой поверхностью и четвертой областью затвора, область канала включает в себя первую область, которая расположена между первой областью затвора и третьей областью затвора, и вторую область, которая расположена между второй областью затвора и четвертой областью затвора, истоковая область расположена между первой областью затвора и второй областью затвора, и полупроводниковая область второго типа проводимости, имеющая концентрацию примеси, которая ниже, чем концентрация примеси третьей области затвора, и ниже, чем концентрация примеси четвертой области затвора, расположена между третьей областью затвора и четвертой областью затвора.

Настоящее изобретение обеспечивает твердотельный датчик изображения, который является простым в изготовлении и имеет структуру, эффективную в отношении увеличения количественного показателя насыщенности зарядов, и камеру, включающую в себя такой датчик.

Изобретение относится к изготовлению фокальных матричных приемников. Способ изготовления фокального матричного приемника, содержащего один или более пикселей, включает подготовку первой пластины с находящимся на ее поверхности чувствительным материалом, покрытым первым жертвенным слоем, подготовку второй пластины, снабженной считывающей интегральной схемой (ROIC) и контактной площадкой, покрытой вторым жертвенным слоем, в котором сформированы опорные ножки, находящиеся в контакте с контактными площадками и покрытые дополнительным жертвенным слоем, сращивание жертвенных слоев первой и второй пластин таким образом, что после удаления с первой пластины объемного жертвенного слоя чувствительный материал переносится с первой пластины на вторую пластину, формирование пикселя в чувствительном материале над каждой опорной ножкой или каждой группой опорных ножек и образование в каждом формируемом пикселе сквозной перемычки для обеспечения электрического соединения между верхней поверхностью пикселя и его опорной ножкой или опорными ножками и удаление жертвенных слоев с открыванием одного или более пикселей, причем единственный или каждый пиксель формируют таким образом, что его опорные ножки находятся полностью под чувствительным материалом пикселя.

Изобретение относится к изготовлению фокальных матричных приемников. Способ изготовления фокального матричного приемника, содержащего по меньшей мере один пиксель, включает следующие этапы: формирование первой пластины с находящимся на ее поверхности чувствительным материалом, покрытым первым жертвенным слоем, при этом чувствительный материал формирует на первой пластине один или более пикселей, выполнение опорных ножек для по меньшей мере одного пикселя внутри первого жертвенного слоя и формирование в поверхности первого жертвенного слоя первых проводящих участков, которые находятся в контакте с опорными ножками, формирование второй пластины, снабженной считывающей интегральной схемой (ROIC), при этом вторая пластина покрыта вторым жертвенным слоем, в котором сформированы вторые проводящие участки, находящиеся в контакте с ROIC, приведение жертвенных оксидных слоев первой и второй пластин в контакт друг с другом таким образом, чтобы первые и вторые контактные участки совместились между собой и вместе образовали проводящую перемычку, и сращивание указанных первой и второй пластин друг с другом так, что после удаления объемного жертвенного слоя с первой пластины чувствительный материал переносится с первой пластины на вторую, и удаление жертвенных оксидных слоев с открыванием по меньшей мере одного пикселя, причем опорные ножки находятся полностью между чувствительным материалом своего пикселя и второй пластиной.

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения и регистрации инфракрасного (ИК) излучения в нескольких спектральных поддиапазонах инфракрасной области спектра от 3,5 до 12,7 мкм.

Изобретение относится к мультиспектральному считывающему устройству для считывания инфракрасных, монохромных и цветных изображений. Мультиспектральное фоточувствительное устройство содержит базовый слой со множеством макроблоков из составных считывающих пикселов, по меньшей мере, один составной считывающий пиксел содержит, по меньшей мере, два базовых считывающих пиксела, размещенных в слоях вдоль направления испускания света, причем каждый слой имеет один базовый считывающий пиксел, и базовые считывающие пикселы распределены на верхней стороне или нижней стороне, либо на верхней стороне и нижней стороне базового слоя, и каждая сторона содержит самое большее два слоя, причем полосы спектра, считываемые посредством базовых считывающих пикселов в одних и тех же составных считывающих пикселах, соответственно, являются ортогональными друг другу.

Обеспечено твердотельное устройство захвата изображения, способное на подавление генерирования темнового тока и/или тока утечки. Твердотельное устройство захвата изображения имеет первую подложку, снабженную фотоэлектрическим преобразователем на ее первичной поверхности, первую структуру разводки, имеющую первый контактный участок, который содержит проводящий материал, вторую подложку, снабженную частью периферийной схемы на ее первичной поверхности, и вторую структуру разводки, имеющую второй контактный участок, который содержит проводящий материал.

Изобретение относится к мультиспектральному светочувствительному устройству и способу его изготовления. Мультиспектральное светочувствительное устройство содержит по меньшей мере один непрозрачный слой основы; причем каждый слой основы имеет по меньшей мере две стороны, причем по меньшей мере две из сторон снабжены группами светочувствительных пикселей, каждая группа светочувствительных пикселей используется для восприятия света любого спектра, излучаемого с фронтального направления расположенной стороны.

Изобретение относится к устройству отображения, оснащенному оптическим датчиком в области пикселей. Техническим результатом является повышение чувствительности и высокое отношение сигнал/шум в светочувствительном датчике.

Твердотельное устройство формирования изображений согласно настоящему варианту осуществления включает в себя второй датчик изображений, имеющий органическую пленку фотоэлектрического преобразования, пропускающую конкретный свет, и первый датчик изображений, который уложен в слои на той же полупроводниковой подложке, что и подложка второго датчика изображений, и который принимает конкретный свет, пропущенный вторым датчиком изображений, в котором пиксель для обнаружения фокуса обеспечивается во втором датчике изображений или первом датчике изображений. Технический результат - реализация способа автофокусировки независимо от пикселя для формирования изображений без использования усложненной обработки интерполяции пикселей и усложненной оптической системы. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к твердотельному датчику изображения и системе восприятия изображения. Датчик содержит блок восприятия изображения, включающий в себя блоки пикселов, и блок считывания для считывания сигнала из блока восприятия изображения. Блок пикселов включает в себя фотоэлектрический преобразователь, первый и второй транзисторы и источник тока. Первые основные электроды первого и второго транзисторов соединены с общим узлом, а источник тока обеспечен между общим узлом и предварительно заданным напряжением. Операция считывания сигнала включает в себя операцию, в которой напряжение, соответствующее зарядам в фотоэлектрическом преобразователе, подается на управляющий электрод первого транзистора, а изменяющееся во времени опорное напряжение подается на управляющий электрод второго транзистора. Блок считывания считывает сигнал из блока восприятия изображения через второй основной электрод первого транзистора. Изобретение обеспечивает увеличение точности считывания сигнала пиксела. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 24 ил.

Изобретение может быть использовано в медицине, кристаллографии, ядерной физике и т.д. Гибридный пиксельный фотоприемник согласно изобретению содержит первую - кремниевую подложку, на верхней (нижней) поверхности которой расположена интегральная СБИС - микросхема, включающая матрицу пикселей с КМОП электронными схемами считывания и обработки электрических сигналов, при этом на поверхности пикселей расположены контактные электроды и она содержит вторую полупроводниковую подложку n-(p-) типа проводимости, содержащую на своей верхней (нижней) поверхности сильно легированный n+(p+) слой с расположенным на нем металлическим общим катодным (анодным) электродом, а на ее нижней (верхней) поверхности расположена матрица пикселей p-i-n-диодов, которые через контактные электроды соединены с соответствующими пикселями матрицы первой кремниевой подложки, расположенной на нижней (верхней) поверхности второй подложки, при этом вторая подложка одного n-(p-) типа проводимости является общей - анодной (катодной) областью и она образует с полупроводниковыми контактными электродами p+(n+) типа проводимости, являющимися одновременно катодными (анодными) электродами, матрицу p-i-n-диодов. Изобретение обеспечивает повышение координатной разрешающей способности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 7 ил.

Изобретение относится к устройству фотоэлектрического преобразования и системе регистрации изображения. Устройство фотоэлектрического преобразования включает в себя фотоэлектрический преобразователь, транзистор, на затвор которого подается напряжение, соответствующее зарядам, генерируемым фотоэлектрическим преобразователем, линию управления, подключенную к первому главному электроду транзистора, и блок считывания, выполненный с возможностью считывания сигнала, соответствующего напряжению затвора, и регулятор напряжения, выполненный с возможностью изменения напряжения линии управления. Блок считывания генерирует цифровой сигнал, соответствующий напряжению затвора, на основании тока, текущего через второй главный электрод транзистора в течение периода, когда регулятор напряжения изменяет напряжение линии управления. Изобретение обеспечивает устройство фотоэлектрического преобразования, пригодное для упрощения конфигурации схемы каждого пикселя и получения многопиксельной конфигурации. 2 н. и 27 з.п. ф-лы, 20 ил.

Устройство фотоэлектрического преобразования имеет светопринимающие элементы, расположенные на плоскости формирования изображения. Светопринимающий элемент включает в себя множество участков фотоэлектрического преобразования, выстроенных в первом направлении, параллельном плоскости формирования изображения, через изоляционный участок, и световодный участок, простирающийся по множеству участков фотоэлектрического преобразования. В первой плоскости, которая параллельна плоскости формирования изображения и которая пересекает световодный участок, наибольшая ширина световодного участка в первом направлении больше, чем наибольшая ширина световодного участка во втором направлении, параллельном плоскости формирования изображения и ортогональном первому направлению. В соответствии с настоящим изобретением может быть улучшена точность разделения света на множественные участки фотоэлектрического преобразования. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 10 ил.

В устройстве фотоэлектрического преобразования, содержащем множество блоков фотоэлектрического преобразования, каждый из которых имеет множество элементов фотоэлектрического преобразования, на которые падает свет, сконцентрированный посредством одной микролинзы, каждый из множества элементов фотоэлектрического преобразования включает в себя первую полупроводниковую область первого типа проводимости для сбора сигнального заряда, высота потенциального барьера относительно сигнального заряда, по меньшей мере, участка области между первыми полупроводниковыми областями элементов фотоэлектрического преобразования, размещенных рядом друг с другом и включенных в один блок фотоэлектрического преобразования, ниже, чем высота потенциального барьера, расположенного между первыми полупроводниковыми областями элементов фотоэлектрического преобразования, размещенных рядом друг с другом, и каждый из которых включен в разные блоки фотоэлектрического преобразования, размещенные рядом друг с другом, и каждая микролинза расположена с наложением на множество первых полупроводниковых областей, содержащихся в одном пикселе, относительно вида сверху блока фотоэлектрического преобразования и концентрирует свет на множестве первых полупроводниковых областей. Изобретение направлено на получение требуемого сигнала, когда сигналы множества элементов фотоэлектрического преобразования используются в качестве одного сигнала посредством использования надлежащей изоляционной структуры между элементами фотоэлектрического преобразования. 12 н. и 36 з.п. ф-лы, 31 ил.

Светочувствительное устройство с множественной глубиной резкости содержит два светочувствительных пиксельных слоя. Причем различные светочувствительные пиксельные слои обнаруживают световые сигналы с различными цветами. Два указанных слоя размещены с интервалом таким образом, чтобы световые сигналы с различных расстояний и с различными цветами фокусировались на разных светочувствительных пиксельных слоях посредством линзы. Технический результат заключается в создании светочувствительного устройства с множественной глубиной резкости. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 25 ил.

Изобретение относится к устройству фотоэлектрического преобразования и к системе формирования изображений. Устройство фотоэлектрического преобразования согласно изобретению включает в себя пиксел, который включает в себя блок фотоэлектрического преобразования, транзистор сброса и усилительный транзистор, который выводит сигнал из блока фотоэлектрического преобразования. Блок фотоэлектрического преобразования включает в себя первый электрод, второй электрод, слой фотоэлектрического преобразования и изолирующий слой, расположенный между слоем фотоэлектрического преобразования и вторым электродом. Блок фотоэлектрического преобразования попеременно выполняет операцию накопления и операцию разряда в соответствии с напряжением между первым электродом и вторым электродом. В период между двумя последовательными операциями разряда из множества операций разряда, операция сброса, при которой транзистор сброса сбрасывает напряжение на втором электроде, выполняется многократно. Изобретение обеспечивает улучшение динамического диапазона. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 21 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к интегральным фотоэлектрическим преобразователям. Ячейка фотоэлектрического преобразователя приемника изображения содержит фотодиод, транзистор считывания заряда, накопленного фотодиодом, транзистор предустановки, обеспечивающий восстановление исходного потенциала на фотодиоде, входной транзистор истокового повторителя, транзистор выборки строки и малошумящий делитель заряда, обеспечивающий выделение малой части заряда, накопленного фотодиодом за время релаксации, и ее передачу на затвор входного транзистора истокового повторителя с многократным повторением данной процедуры в течение времени кадра. Технический результат - увеличение отношения сигнал/шум и, соответственно, повышение чувствительности ячейки. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Предоставлен полевой транзистор, содержащий электрод затвора, предназначенный для приложения напряжения затвора, электрод истока и электрод стока, оба из которых предназначены для вывода электрического тока, активный слой, образованный из оксидного полупроводника n-типа, предусмотренный в контакте с электродом истока и электродом стока, и изолирующий слой затвора, предусмотренный между электродом затвора и активным слоем, при этом работа выхода электрода истока и электрода стока составляет 4,90 эВ или более, а концентрация электронов - носителей заряда оксидного полупроводника n-типа составляет 4,0×1017 см-3 или более. Изобретение обеспечивает получение полевого транзистора, электроды истока и стока которого имеют высокую устойчивость к процессу термообработки и обработке в окислительной атмосфере и имеют низкое удельное электрическое сопротивление, при этом транзистор не требует наличия буферного слоя. 5 н. и 10 з.п. ф-лы, 24 ил., 19 табл.
© Патентный поиск, поиск патентов на изобретения - FindPatent.RU 2012-2024
Политика конфиденциальности 2016-07-20 2016-07-20T00:51:03
Наверх