DE19709311C2 - Ortsauflösendes optoelektronisches Sensorsystem - Google Patents
Ortsauflösendes optoelektronisches SensorsystemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein ortsauflösendes optoelektronisches Sensorsystem aus
einer Mehrzahl von Photosensoren, insbesondere Photodioden, und
Widerständen.
Zur ortsabhängigen Detektion von Lichteinfallsorten sind ein- oder
zweidimensional ortsauflösende optoelektronische Bauelemente, position
sensitive devices PSD, bekannt. Diese bestehen in der Regel aus einem
Halbleiter definierter Länge und Fläche, innerhalb welcher die Position eines auf
die Oberfläche treffenden Lichtstrahls in einer oder zwei Dimensionen bestimmt
werden kann. Dazu werden die Kantenströme des Elements, d. h. der Stromfluß
parallel zur Oberfläche, ausgewertet. Fällt kein Licht auf das Element, fließt im
Idealfall trotz anliegender Vorspannung kein Strom über die Kanten. Im Falle
eines Linienhalbleiters der Länge L hat ein Lichteinfall am Ort 0 ≦ x ≦ L, gemessen
von einer Kante des Linienhalbleiters, einen Stromfluß 10 zur Folge, der über die
Materialstücke der Länge x und L - x zur einen bzw. anderen Kante abfließt und
dort als Kantenstrom Ia bzw. Ib meßbar ist. Das Material der Länge x bzw. L - x
stellt für die durch den Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger zwei parallel
geschaltete Widerstände Ra und Rb dar, wobei Ra proportional zu x und Rb
proportional zu L - x, also jeweils zur Länge des durchflossenen Materials ist. Aus
dem Verhältnis der Kantenströme wird auf das Verhältnis der Widerstände und
schließlich auf den Ort x geschlossen, wobei gilt: x = LIb/(Ia + Ib).
Nachteilig an diesen PSDs ist, daß sie stets einstückige Halbleiter mit einer
begrenzten sensiblen Fläche sind, und daher großflächige ortsauflösende
Lichtdetektoren nur schwer und kostspielig zu realisieren sind, da die
Herstellungskosten pro Halbleiterelement überproportional mit dessen Fläche
steigen. Es gibt jedoch stets die Möglichkeit, mehrere Linien- oder
Flächenhalbleiter zu einem Sensorsystem mit großflächiger Anordnung zu
kombinieren, allerdings ist in diesem Fall pro Bauelement eine Meß- und
Auswerteeinheit nötig, wodurch ebenfalls die Kosten in die Höhe getrieben
werden.
Die Auswertung von Signalen aus einer Vielzahl von Bauelementen ist ein
bekanntes Problem der Hochenergiephysik, wo z. B. ein ionisierendes Teilchen in
ein- bis drei Dimensionen ortsaufgelöst detektiert wird, indem es durch eine
Anordnung von jeweils parallel gespannten Signaldrähten fliegt. Über jeden
Signaldraht fließen die vom ionisierenden Teilchen erzeugten Ladungsträger ab.
Eine Vielzahl solcher Signale zusammen mit der Information, über welchen
Draht sie gemessen wurden, erlaubt die Rekonstruktion der Flugbahn des
Teilchens bzw. des Durchstoßortes der Flugbahn durch eine Ebene von Drähten.
Bei Vieldrahtkammern mit hoher Ortsauflösung ist aufgrund der großen Anzahl
verwendeter Drähte eine Auswertung jedes einzelnen Signaldrahts mit
entsprechender Verstärker- und Auswerteelektronik aus Kostengründen nicht
zu realisieren. Es daher bekannt, parallel aufgezogene, in einer Ebene liegende
Drähte innerhalb einer solchen Vieldrahtkammer über eine Widerstandskette
auszulesen, wodurch sich die Ortsinformation rekonstruieren läßt. Diese
Methode wurde bisher nur für die Positionsanalyse ionisierender Teilchen
angewendet.
Weiterhin sind zur ortsabhängigen Detektion von Licht CCD- (charge coupled
device) Kameras bekannt, die eine sensitive Fläche bestehend aus einer
rasterartigen Anordnung von Detektoren aufweisen. Die Detektoren sind in der
Lage, die Information über die Stärke des Lichteinfalls kurzzeitig zu speichern,
und werden nach einem Ausleseschema ausgelesen, wobei das Signal zum
Aufbau eines zweidimensionalen Bildes verwendet wird. CCD-Kameras haben
trotz vieler Vorteile jedoch den Nachteil, daß sie teuer, hinsichtlich ihrer
sensitiven Fläche unflexibel und für manche Anwendungen von ihren
Kapazitäten her überdimensioniert sind, so daß es sich vom Kosten-Nutzen-
Verhältnis oft nicht lohnt, eine CCD-Kamera einzusetzen, wie z. B. zur Justage
von optischen Meßanordnungen. Weiterhin können sie nicht leicht selbst
aufgebaut und den aktuellen experimentellen Bedürfnissen angepaßt werden
und müssen zusammen mit einer aufwendigen Auswertetechnologie betrieben
werden.
Durch die DE-AS 12 66 985 ist ein photoelektrisch gesteuerter Schalter zur
Anzeige der relativen Winkellage einer leuchtenden Marke bekannt, der aus
einer linearen, bandförmigen lichtempfindlichen Leiterschicht besteht, auf
welche eine kammartige Elektrode sowie eine Vielzahl von strichförmigen, in die
Elektrode eingeschachtelten Einzelelektroden aufgebracht sind, welche über
eine parallel zur Leiterschicht verlaufende ohmsche Widerstandsschicht
miteinander verbunden sind. Über diese Widerstandsschicht wird eine Spannung
angelegt, welche nach dem Spanungsteilerprinzip als ortsabhängiges über die
Einzelelektroden abgegriffen werden kann. Bei Lichteinfall auf die
lichtempfindliche Leiterschicht wird ein Kurzschluß zwischen der jeweiligen dem
Einfallsort benachbarten Einzelelektrode und der Kammelektrode erzeugt, so
daß die heruntergeteilte Spannung als ortsabhängiges Signal an der Kamm
elektrode anliegt. Auch mit dieser Anordnung können jedoch nicht beliebig
große Flächen kostengünstig realisiert werden, da auch hier photosensitive
Schichten verwendet werden, die mit zunehmender Größe sehr
kostenaufwendig werden. Weiterhin hängt das abgegriffene Signal bei nicht
vollständigem Kurzschluß, d. h. intensitätsabhängigem Stromfluß zwischen
Einzelelektrode und Kammelektrode, von der Intensität des einfallenden
Lichts ab, wodurch die Ortsinformation verfäscht wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges und
großflächiges ortsauflösendes Sensorsystem für optische Anwendungen zu
schaffen, welches flexibel sowie einfach im Aufbau und in der Handhabung
und Datenauswertung ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs
1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran
sprüchen gekennzeichnet.
Diese Meß- und Auswerteeinheit sind beispielsweise zwei Operationsver
stärker mit nachgeschalteter Elektronik zur Durchführung mathematischer
Operationen (z. B. Division) mit den verstärkten Stromsignalen.
Vorzugsweise sind die Photosensoren Photodioden, z. B. PIN-Dioden, die eine
effektive elektrooptische Wandlung bei geringen Kosten gewährleisten. Damit
läßt sich der erfindungsgemäße ortsauflösende Detektor kostengünstig
realisieren.
Im Dunkelfall ist der Stromfluß durch die Photosensoren mit geringer
Amplitude entsprechend dem Dunkelstrom der verwendeten Photosensoren
konstant. Damit sind auch die über die Widerstandskette gemessenen
Kantenströme Ia und Ib konstant und etwa gleich groß. Bei Lichteinfall auf das
Array verändern sich die einzelnen Ströme Im, die durch den m-ten
Photosensor Dm, der zwischen den Widerständen Rm und Rm+1 angeschlossen
ist, der Widerstandskette aufgegeben werden entsprechend dem Lichteinfall
auf das jeweilige Element Dm. Wurden nur einige Photodioden selektiv
bestrahlt, kann aus den somit veränderten Kantenströmen durch geeignete
mathematische Operationen eine Information über die Position bzw. die
Ordnungsnummer m der zugehörigen Dioden innerhalb der Widerstandskette
extrahiert werden. Zusammen mit der Information über die räumliche
Anordnung der Photosensoren Dm kann daraus eine Information über den Ort
des Lichteinfalls gewonnen werden.
Die von dem erfindungsgemäßen Sensorsystem abgedeckte Fläche bzw. Länge
richtet sich nach dem maximalen, in der jeweiligen Dimension über das gesamte
System gemessenen Abstand zweier beliebiger Photosensoren und damit nach
deren räumlichen Anordnung. Die an einem Ort der erfindungsgemäßen
Vorrichtung erzielbare Ortsauflösung hängt vom dortigen Abstand zweier
benachbarter Photosensoren ab. Der erfindungsgemäße Detektor ist damit sehr
flexibel und kann durch den modularen Aufbau aus Photosensoren und
zugehörigem Widerstand in der Widerstandskette leicht den Bedürfnissen
angepaßt werden, z. B. indem ein Photosensor mit Widerstand hinzugefügt oder
die räumliche Anordnung geändert wird.
In vorteilhafter Weise werden die Photosensoren räumlich in einer Ebene
angeordnet, da ein planarer Positionssensor der in Meßaufbauten gebräuch
lichsten Anordnung entspricht, da meist in einer Ebene senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung des Lichts detektiert wird.
Für viele Anwendungen ist eine Positionsbestimmung entlang einer Geraden
ausreichend. Dazu ist es von Vorteil, wenn die Photosensoren räumlich in einer
Geraden angeordnet sind. Die erzielbare Ortsauflösung richtet sich dann - im
Falle eines beliebig kleinen Lichtflecks, dessen Position bestimmt werden soll -
nur nach dem relativen Abstand Δx zweier benachbarter Photosensoren. Bei
ausgedehnteren Lichtflecken ist eine Bestimmung des Schwerpunkts des
Lichteinfalls möglich.
Zum Erzielen einer ortsunabhängigen Auflösung, z. B. wenn der Lichtpunkt mit
gleicher Genauigkeit auf verschiedene Orte innerhalb des ortsauflösenden
optoelektronischen Sensorsystems positioniert werden soll, ist es vorteilhaft,
einen konstanten relativen Abstand Δx zu wählen. Die Gesamtlänge L des
Systems aus n Photosensoren ist dann L = (n - 1)Δx. Diese Anordnung ermöglicht
die einfachste Umrechnung der Information über die Ordnungsnummer(n) m der
angesprochenen Sensoren Dm in eine Ortskoordinate. Je nach Aufgabenstellung
sind jedoch auch andere Anordnungen denkbar und leicht zu realisieren, z. B. mit
einer hohen Auflösung im Zentrum des Sensorsystems und einer geringeren in
den Außenbezirken.
Die Auswertung der Kantenströme wird erheblich vereinfacht, wenn alle
Widerstände Rm der Widerstandskette ohmsche Widerstände mit dem gleichen
Widerstandswert R sind. Dann ist der Ort x leicht durch das Verhältnis der
Kantenströme bestimmbar (proportional).
Oft ist jedoch ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Ort x und
Verhältnis der Kantenströme erwünscht, welches durch geeignet gewählte,
voneinander verschiedene Rm erreichbar ist.
Ein Beispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend
beschrieben. Dabei zeigen
Fig. 1 eine Schaltskizze eines erfindungsgemäßen ortsauflösenden
optoelektronischen Sensorsystems mit Photodioden als
Photosensoren
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild zum Sensorsystem aus Fig. 1.
In Fig. 1 ist als ein Beispiel der Erfindung eine Schaltskizze eines
ortsauflösenden optoelektronischen Sensorsystems mit einem Array 1 aus fünf
Photodioden D1 bis D5 - Bezugsziffern 2, 3, 4, 5, 6 - als Photosensoren
dargestellt. Die Photosensoren 2, 3, 4, 5, 6 werden von einer Spannungsquelle
21 mit ihrer Betriebsspannung U versorgt.
Das Sensorsystem weist außerdem eine Widerstandskette 13, bestehend aus
sechs in Reihe geschalteten Widerständen R1 bis R6 - Bezugsziffern 7, 8, 9, 10,
11, 12 - auf. Je ein Photosensor 2, 3, 4, 5, 6 ist über eine Verbindungsleitung 22
mit dem oder den jeweils benachbarten Photosensor(en) und mit der
Spannungsquelle 21 verbunden, so z. B. der Sensor D2 mit den Sensoren D1 und
D3, Bezugsziffern 3, 2 bzw. 4, oder der Sensor D1 mit dem Sensor D2. Je ein
Photosensor ist mit zwei Widerständen verbunden, die in der Widerstandskette
benachbart sind. Beispielsweise ist der Sensor D1 mit den Widerständen R1
und R2 verbunden, der Sensor D2 mit den Widerständen R2 und R3 und so
weiter.
Die Widerstände R1 bis R6 können prinzipiell beliebige Werte haben, jedoch ist
es vorteilhaft, ihnen jeweils den gleichen Widerstandswert R zuzuweisen, da
dies die Auswertung des Meßsignals erheblich vereinfacht.
Die Enden der Widerstandskette 13 sind mit Leitungen 14, 15 verbunden, die zu
einer hier nicht dargestellten Meß- und Auswerteeinheit führen. Diese Meß-
und Auswerteeinheit ist beispielsweise eine Anordnung von Operations
verstärkern zur Verstärkung der über die Widerstandskette abgeführten
Kantenströme und zu deren weiterer Signalverarbeitung.
Die Funktionsweise des in Fig. 1 gezeigten ortsauflösenden Sensorsystems
wird zweckmäßiger anhand des Ersatzschaltbilds in Fig. 2 veranschaulicht.
Fig. 2 zeigt das Ersatzschaltbild des in Fig. 1 dargestellten Sensorsystems.
Die aus den Widerständen 7', 8', 9', 10', 11', 12' bestehende Widerstandskette 13'
entspricht der Widerstandskette 13 aus Fig. 1 mit den Widerständen 7, 8, 9,
10, 11, 12.
Die Widerstände 7', 8', 9', 10', 11', 12' haben in diesem Fall alle den gleichen Wert
R, da dies die Auswertung der Ortsinformation vereinfacht. Grundsätzlich sind
jedoch beliebige Widerstandswerte möglich.
Die Photosensoren bzw. Photodioden D1 bis D5 mit den Bezugsziffern 2, 3, 4, 5, 6
aus Fig. 1 sind hier im Ersatzschaltbild durch Stromquellen 16, 17, 18, 19, 20
ersetzt, welche der Widerstandskette 13' je einen Strom I1 bis I5 aufgeben. Die
Verschaltung der Elemente ist jedoch mit Fig. 1 identisch.
Dieser Strom Im durch die m-te Photodiode Dm (m = 1. .5) ist u. a. abhängig vom
Lichteinfall auf die jeweilige Photodiode, und zwar im Idealfall möglichst
proportional zur Beleuchtungsstärke, und von der Versorgungsspannung. Zwar
fließt in der Regel durch Photodioden auch ohne Lichteinfall ein geringer
Dunkelstrom; er trägt jedoch keine Ortsinformation und soll hier vernachlässigt
werden.
Bei Lichteinfall auf das Sensorsystem wirken demnach die Photosensoren bzw.
Photodioden als Stromquellen 16, 17, 18, 19, 20 mit in der Regel
unterschiedlicher Stromstärke Im. Je nach räumlicher Anordnung der
Photosensoren und nach der Lichtverteilung über das Sensorsystem bzw. über
die Photosensoren Dm sind auch die Stromstärken Im für die verschiedenen
Ordnungsnummern m verschieden groß. Würden die einzelnen Im separat
gemessen werden, ließe sich aufgrund der bekannten Kennlinie - bzw. des Licht-
Stromfluß-Zusammenhangs - der Photodioden direkt ein Profil der
Lichtverteilung über das Sensorsystem in Abhängigkeit von der
Ordnungsnummer m als ein Spektrum diskreter Beleuchtungswerte erstellen.
Damit wäre die Ortsinformation über die Beleuchtungsstärke am m-ten
Photosensor und damit beispielsweise die Lokalisation eines Lichtflecks einfach
zu erhalten, wenn die räumliche Anordnung der Sensoren bekannt ist. Die
Einzelsensorauslese führt jedoch bei einem Sensorsystem aus einer Vielzahl von
Photosensoren zu großem Elektronikaufwand.
Die Stromquellen sind über je einen Widerstand 7', 8', 9', 10', 11', 12' mit ihren
Nachbarn querverbunden, wobei die Widerstände eine Widerstandskette aus in
Reihe geschalteten Widerständen bilden. Anstelle der Einzelsignale Im werden
die über die Widerstandskette abfließenden Kantenströme Ia und Ib von einer
allen Photosensoren gemeinsamen Meß- und Auswerteeinheit gemessen.
In den Kantenströmen Ia und Ib ist weiterhin eine Ortsinformation enthalten.
Im folgenden wird der allgemeine Fall von m Photosensoren Dm diskutiert. (In
Fig. 2 gilt m = 5.)
Als Spezialfall wird zunächst der Fall betrachtet, daß eine punktförmige
Beleuchtung eines Sensorsystems aus n Photodioden und n + 1 Widerständen
vorliegt, bei der nur der m-te Photosensor angesprochen wird. Damit weist nur
die m-te Stromquelle einen Stromfluß Im auf, d. h. alle anderen In = 0 für n ≠ m.
Stromfluß Im an der m-ten Stelle im Sensorsystem bedeutet, daß ein Strom Ia
über m Einzelwiderstände R bzw. den Gesamtwiderstand mR und ein Strom Ib
über n + 1 - m Einzelwiderstände R bzw. den Gesamtwiderstand (n + 1 - m)R als
Kantenstrom abfließt. Dabei gilt Stromerhaltung Ia + Ib = Im.
Für den Stromfluß Ib folgt in diesem Fall
und für die Ordnungsnummer m des angesprochenen Photosensors folgt
Dies beinhaltet die Ortsinformation über den Lichtfleck, wenn bekannt ist, wo
sich der Sensor m befindet.
Da der Strom Im durch den m-ten Sensor, also Ia + Ib, unabhängig von m und
nur von der Beleuchtungsstärke abhängig ist, ist der Kantenstrom Ia bzw. Ib
selbst bereits proportional zur Ordnungsnummer m und damit ein Maß für die
Position des getroffenen Sensors, falls Im = const. Der Kantenstrom Ia bzw. Ib
kann daher auch direkt ohne Bildung des Quotienten
zur
Positionsanalyse verwendet werden.
Die Anwendung der Erfindung für Ortsanalyse bei punktförmiger
Beleuchtung kann vorteilhaft breite Anwendung finden, z. B. wenn Laser
strahlen positioniert werden sollen. Die Auswertemethoden der Kantenströme
direkt oder zur Bildung des Quotienten
sind durch die herkömmlichen
PSDs bekannt, bei denen ebenfalls ein derartiger Quotient aus Kantenströmen
gebildet werden muß, um die gewünschte Ortsinformation zu erhalten.
Durch den modularen Aufbau des Sensorsystems aus einzelnen Widerständen
und Photosensoren und die Signalauslese über eine Widerstandskette kann ein
meterlanges System zur optischen Positionsanalyse aufgebaut werden, bei dem
sich die Auswertung der Kantenströme bei punktförmiger Beleuchtung durch
Erweiterung des Systems nicht verkompliziert.
Auch bei nicht punktförmiger Beleuchtung eines einzelnen Photosensors
sondern bei Lichteinstrahlung über das Sensorsystem tragen die
Kantenströme Ia und Ib eine Ortsinformation. Man kann zeigen, daß für den
Quotienten
allgemein folgendes gilt:
Der Quotient ist damit - bis auf den Faktor n + 1 - die mit den Sensorströmen Im
gewichtete mittlere Ordnungszahl m, entspricht also der Nummer des Sensors
mit dem Schwerpunkt der Lichteinstrahlung. Diese Information ist für die
Anwendungen ausreichend, in denen es nicht darum geht, ein Linien- oder
zweidimensionales Profil bzw. ein Bild der Lichtverteilung zu erzeugen,
sondern den Ort des Schwerpunkts der Lichteinstrahlung in ein oder zwei
Dimensionen festzulegen. Zur Umrechnung der mittleren Ordnungszahl m in
die tatsächliche räumliche Position muß nur die räumliche Anordnung der
Sensoren bekannt sein.
Nimmt man wiederum an, daß die Gesamteinstrahlung auf das Sensorsystem
und damit die Summe aller Sensorströme Im konstant ist, ist somit auch Ia + Ib
konstant und die mittlere Ordnungszahl m proportional zu Ib bzw. (n - m)
proportional zu Ia. Schon durch Messen der Kantenströme Ia und Ib erhält
man somit eine relative Ortsinformation.
Die Sensoren sind vorzugsweise räumlich in einer Ebene angeordnet,
insbesondere entlang einer geraden Linie. Jeder Ordnungsnummer m eines
Photosensors wird damit eindeutig ein Ort zugewiesen, so daß sich aus der
Information über die (mittlere) Ordnungsnummer dieser Ort innerhalb des
Sensorsystems rekonstruieren läßt.
Eine Erweiterung des Systems um einen oder mehrere Sensoren erfordert keine
Anpassung der Auswerteelektronik, da diese in jedem Fall höchstens nur den
Quotienten
berechnet.
1
Photosensoren-Array
2
,
3
,
4
,
5
,
6
Photosensor bzw. -diode
7
,
8
,
9
,
10
,
11
,
12
,
7
',
8
',
9
',
10
',
11
',
12
' Widerstand
13
,
13
' Widerstandskette
14
,
15
Leitungen zur Meß- und Auswerteeinheit
16
,
17
,
18
,
19
,
20
Stromquelle
21
Spannungsquelle
22
Verbindungsleitung
Claims (6)
1. Ortsauflösendes optoelektronisches Sensorsystem, bestehend aus wenigstens
einem Array aus n < 1 jeweils zwei Anschlüsse aufweisenden Photosensoren
(2, 3, 4, 5, 6), insbesondere Photodioden, die jeweils mit einem ihrer Anschlüsse
parallel an einer Spannungsquelle (21) liegen, und n + 1 in Reihe geschalteten
Widerständen (7, 8, 9, 10, 11, 12, 7', 8', 9', 10', 11', 12'), die eine zwei Enden
aufweisende Widerstandskette (13) bilden, wobei die Photosensoren mit ihren
anderen Anschlüssen jeweils zwischen zwei jeweils benachbarten Gliedern
der Widerstandskette (13) liegen und die beiden durch die Enden der
Widerstandskette (13) fließenden Kantenströme Ia bzw. Ib einer Meß- und
Auswerteeinheit zugeführt sind, die bei Lichteinfall auf das Array eine
Änderung des Stromflusses Im durch wenigstens einen der Photosensoren Dm
(2, 3, 4, 5, 6) aufgrund einer Änderung der Kantenströme Ia und Ib erfasst und in
eine Ortsinformation wandelt.
2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Photosensoren (2, 3, 4, 5, 6) räumlich in einer Ebene angeordnet sind.
3. Sensorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Photosensoren (2, 3, 4, 5, 6) räumlich in einer Geraden angeordnet sind.
4. Sensorsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Photosensoren (2, 3, 4, 5, 6) räumlich in äquidistanten Abständen mit
dem Abstand Δx voneinander angeordnet sind.
5. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Widerstände R1 bis Rn+1 ohmsche Widerstände (7, 8, 9, 10, 11, 12, 7', 8',
9', 10', 11', 12) mit dem gleichen Widerstandswert R sind.
6. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis
im der Meß- und Auswerteeinheit ausgewertet wird.
im der Meß- und Auswerteeinheit ausgewertet wird.
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1997
- 1997-03-07 DE DE1997109311 patent/DE19709311C2/de not_active Expired - Fee Related
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DE19709311A1 (de) | 1998-09-10 |
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