DE3709614A1

DE3709614A1 - Verfahren und vorrichtung zur positionsbestimmung

Info

Publication number: DE3709614A1
Application number: DE19873709614
Authority: DE
Inventors: Walter Pfeiffer; Roland Pudelko
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1987-03-24
Filing date: 1987-03-24
Publication date: 1988-10-20
Also published as: DE3709614C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines von einer Lichtquelle auf einem eindimensionalen positionsempfindlichen Detektor erzeugten Lichtpunktes, insbesondere für ein optisches Potentiometer, wobei die Position des Lichtpunktes durch den Quotienten zwischen der Differenz und der Summe zweier Ströme gegeben ist, welche an zwei auf der photoempfindlichen Fläche des Detektors gegenüberliegenden Elektroden abgeführt werden sowie Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Erfassung der Position von Lichtpunkten ist bei optoelektrischen Instrumenten, die in Meß- und Regelungssystemen eingesetzt werden, bedeutsam. Eine dazu geeignete Einrichtung ist der als PSD bekannte positionsempfindliche Detektor, der sich "laterale Photoeffekte" auf der Oberfläche eines Halbleiter-Lichtdetektors zunutze macht. Ein derartiger PSD ist prinzipiell aufgebaut wie eine großflächige PIN-Diode, deren P- und/oder N-Schicht als dünne Schicht sehr konstanten Flächenwiderstandes ausgeführt ist, die in eindimensionaler Ausführung an zwei Kanten mit einem Paar von Elektroden versehen ist. Diese dünne Schicht bildet die PN-Schicht, die den inneren Photoeffekt zeigt. In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines derartigen PSD gezeigt. Die Entfernung zwischen den Elektroden A und B ist L und der Widerstand ist R _L. Die Entfernung der Elektrode A zur Position eines auftreffenden Lichtpunktes ist x und der Widerstand R _x. Der Photostrom der am Punkt des Lichteinfalls entsteht, wird von den zwei Elektroden A und B abgeführt. Diese Ausgangsströme sind proportional zur Eingangsenergie und umgekehrt proportional zum Widerstand der Schicht. Ist der Photostrom, der vom einfallenden Licht produziert wird I _O, so sind die Ströme I _A und I _B zu den Elektroden A und B durch folgende Gleichungen bestimmt:

Da die Widerstandsschicht einheitlich und der Flächenwiderstand konstant ist, sind die jeweiligen Entfernungen zu den Elektroden und der entsprechende Widerstand zueinander proportional. Aus diesem Grund kann in den Gleichungen (1) R _L durch L und R _x durch x ersetzt werden. Durch Zusammenfassung der so umgeschriebenen Gleichungen (1) ergibt sich:

Die Position des Lichtpunktes ist damit, unabhängig von seiner Energie, durch den Quotienten aus der Differenz und der Summe der Ströme I _A und I _B gegeben.

Das Verfahren zur Positionsbestimmung mit einem derartigen Detektor besteht demzufolge darin, daß die beiden Ströme I _A und I _B zum einen einer Addierstufe und zum anderen einer Subtrahierstufe zugeführt werden, deren Ausgänge jeweils mit einem elektronischen Dividierer verbunden werden. Das Ausgangssignal dieses Dividierers ist dann dem Wert x proportional. Eine derartige Einrichtung ist bei entsprechender Lichtführung auch zur Winkelerfassung verwendbar; eine Anwendung für ein optisches Potentiometer ist jedoch nicht bekannt.

Ein spezielles optisches Potentiometer ist z. B. aus der DE-OS 33 07 639 bekannt, bei dem entlang einer Kreisbahn eine zwischen 0° und 360° in ihren optischen Eigenschaften kontinuierlich variierende Abtastschicht vorgesehen ist, die mit Hilfe einer Lichtquelle beleuchtet ist und das zu einem Lichtempfänger gelangende Licht entsprechend der Drehstellung eines speziell ausgebildeten Steuerteils in seiner Intensität moduliert.

Ein derartiges, auf Veränderungen der Lichtintensität basierendes Potentiometer ist ebenso wie der obengenannte positionsempfindliche Detektor relativ stark temperaturabhängig und zeigt zudem Alterungserscheinungen, die zu Meßfehlern führen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Positonsbestimmung eines von einer Lichtquelle auf einem eindimensionalen positionsempfindlichen Detektor erzeugten Lichtpunktes, insbesondere für ein optisches Potentiometer zu schaffen, bei welchem Temperatur- und Alterungsabhängigkeiten vermieden werden und welches sich bei der Ausführung miniaturisieren und mit relativ geringem elektronischen Aufwand durchführen läßt. Diese Aufgabe erfüllt ein nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 2 und ein optisches Potentiometer nach den Patentansprüchen 3, 4 und 5.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Summe der Ströme I _A und I _B eines positionsempfindlichen Detektors, wie er oben beschrieben wurde, durch eine spezielle Regelung der Lichtstärke der Lichtquelle konstant gehalten, so daß der Summenstrom I _A+I _B für alle Positonen des Lichtpunktes auf dem Detektor gleich und konstant ist. Wie sich aus der obengenannten Gleichung (2) leicht erkennen läßt, ist dann die Position des Lichtfleckes nur noch von der Differenz der Ströme I _A und I _B abhängig. Dies bedeutet, daß zum einen Alterungs- und Temperaturabhängigkeiten des Detektors ständig kompensiert werden und zum anderen der elektronische Aufwand deutlich verringert wird, da an Stelle eines Summiergliedes und eines Quotientenbildners lediglich ein einfacher integrierender Regler (I-Regler) erforderlich wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Fig. 2 bis 5 teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 2 ein Blockschaltbild zum Betrieb eines positionsempfindlichen Detektors;

Fig. 3 eine Schaltung gemäß dem Blockschaltbild aus Fig. 2;

Fig. 4 den optomechanischen Aufbau eines optischen Potentiometers und

Fig. 5 eine Aufsicht auf den Sensor eines optischen Potentiometers gemäß Fig. 4.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Blockschaltbild wird mittels eines Differenzbildners aus einem positionsempfindlichen Detektor PSD ein Differenzstromsignal I _A-I _B gebildet. Die die Kathode bildende Gegenelektrode PSD ist mit einem I-Regler verbunden, der seinerseits die Lichtstärke einer den PSD punktförmigen beleuchtenden Lichtquelle in Form einer LED derart steuert, daß das Summenstromsignal I _A+I _B, unabhängig von der Position des Lichtpunktes, konstant ist. Aufgrund dieser Regelung kann eine Quotientenbildung aus Differenz- und Summenstrom entfallen, da gemäß Gleichung (2) für I _A+I _B = konstant gilt:

x∼I _A-I _B.

Fig. 3 zeigt nun eine konkrete Schaltung entsprechend dem Blockschaltbild gemäß Fig. 2. Hierbei ist die Elektrode A des PSD direkt mit dem Minuseingang eines Operationsverstärkers Op₁ verbunden, dessen Pluseingang auf Masse liegt, ebenso wie die Elektrode B des PSD. Der Operationsverstärker Op₁ wird durch einen Widerstand R₁ gegengekoppelt. Die, die Kathode bildende Gegenelektrode (G) des PSD führt an den Mittelpunkt einer aus den Widerständen R₂ und R₃ bestehenden Spannungs-/ Stromteilerschaltung, deren eine Seite (R₂) mit der Elektrode A und deren andere Seite (R₃) mit dem Minuseingang eines, einen Integrationsregler darstellenden Operationsverstärkers Op₂ verbunden ist. Der Minuseingang des Operationsverstärkers Op₂ ist weiterhin über Widerstände R₄ und R₅ mit einer Spannungsquelle V verbunden, wobei zwischen R₄ und R₅ eine Zenerdiode ZD zur Spannungsstabilisierung gegen Masse geschaltet ist. Der Pluseingang des Operationsverstärkers Op₂ liegt auf Masse und der Ausgang des Operationsverstärkers Op₂ direkt, oder indirekt über eine Verstärkerschaltung, steuert die Leuchtdiode LED. Die Differenzeingangsspannungen U₁ und U₂ an den gegengekoppelten Operationsverstärkern ist Null so daß die Ausgangsspannung U _a am Operationsverstärker Op₁ sich wie folgt berechnet:

Der Einfluß des mittels der Kapazität C rückgekoppelten Operationsverstärkers Op₂ auf die Leuchtdiode und damit auf die Stärke der Ströme I _a und I _B läßt sich wie folgt erklären:

Der Ausgang von Op₂ stellt sich stets so ein, daß der Strom durch R₃ gleich dem Strom durch R₄ ist, der sich zu

berechnet, wobei U _ref die an der Zenerdiode ZD anliegende Spannung ist. Erst wenn die Bedingung

erfüllt ist, ist die Differenzeingangsspannung vom Op₂ gleich Null, d. h. der in bekannter Weise als I-Regler beschaltete Op₂ befindet sich im Beharrungspunkt.

Auf diese Weise wird erreicht, daß die Summe der Ströme I _A+I _B stets konstant bleibt. Aufgrund der obengenannten Gleichung (2) ist damit die Ausgangsspannung U _a direkt proportional zur Position x des Lichtpunktes auf dem PSD.

Die Fig. 4 zeigt in schematischer Weise einen Querschnitt durch ein optisches Potentiometer, welches nach dem vorher beschriebenen Verfahren unter Verwendung eines PSD funktioniert. Der eigentliche PSD ist in Fig. 5 dargestellt und besteht aus einer kreisringförmigen aktiven Fläche 1, die an einer Stelle unterbrochen ist und dort mit den Elektroden A und B versehen ist. Die aktive Fläche 1 ist auf einem kreisringförmigen Träger 2 angeordnet, der gleichzeitig die integrierte Schaltung gemäß Fig. 3 beinhaltet. Im Zentrum des ringförmigen PSD ist eine Leuchtdiode 3 angeordnet, die ihr Licht koaxial zu der Seite des PSD abstrahlt, auf der sich die aktive Fläche 1 befindet. Über dem PSD und der Leuchtdiode ist ein Winkelspiegel 5 derart angeordnet, daß das Licht der Leuchtdiode möglichst punktförmig, zumindest jedoch in einem relativ schmalen Sektor auf die aktive Fläche des PSD fällt. Der Winkelspiegel 3 ist exzentrisch an einer Achse 4 befestigt, welche koaxial zur zentralen Achse des PSD verläuft und um welche der Winkelspiegel 5 drehbar ist. Bei Drehung dieser Achse 4 wandert daher der auf der aktiven Fläche des PSD erzeugte Lichtfleck 6 mit. Die so durch Photoeffekt in der aktiven Fläche des PSD erzeugten Ströme I _A und I _B definieren entsprechend den obigen Ausführungen die Position des Lichtfleckes auf der aktiven Fläche 1 und geben daher auch den Drehwinkel ϕ des Winkelspiegels in bezug auf die Position der Elektrode A bzw. B wieder. Durch die komplanare Anordnung der Lichtquelle 3 und des Sensorchips 2 ist eine besonders kompakte Bauweise dieses optischen Potentiometers möglich.

Claims

1. Verfahren zur Positionsbestimmung eines von einer Lichtquelle auf einem eindimensionalen positionsempfindlichen Detektor erzeugten Lichtpunktes, insbesondere für ein optisches Potentiometer, wobei die Position des Lichtpunktes durch den Quotienten zwischen der Differenz und der Summe zweier Ströme gegeben ist, welche an zwei auf der photoempfindlichen Fläche des Detektors gegenüberliegenden Elektroden abgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Ströme durch eine Regelung der Lichtstärke konstant gehalten wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, insbesondere ein optisches Potentiometer, mit einem eindimensionalen positionsempfindlichen Detektor, der zwei Elektroden auf der photoempfindlichen Fläche sowie eine Gegenelektrode aufweist und dessen Elektroden zur Bildung eines Differenzstromsignals mit einem Differenzverstärker verbunden sind sowie einer elektrischen Lichtquelle, welche einen über die photoempfindliche Fläche des Detektors bewegbaren Lichtpunkt erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (G) des Detektors (PSD) mit einem Regler (Op₂) verbunden ist, dessen Ausgang die Lichtstärke der elektrischen Lichtquelle (LED) derart steuert, daß der durch die Gegenelektrode (G) fließende Summenstrom (I _A+I _B ), unabhängig von der Position (x) des Lichtpunktes (6), konstant ist.

3. Optisches Potentiometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eindimensionale photoempfindliche Detektor eine kreisförmige, an einer Stelle unterbrochene, photoempfindliche Ringfläche (1) aufweist, die an beiden Rändern der Unterbrechungsstelle mit je einer Elektrode (A, B) versehen ist sowie eine Gegenelektrode besitzt und, daß eine Lichtquelle (3) sowie ein um eine konzentrisch zur Ringfläche (1) verlaufende Achse (4) drehbarer Reflektor (5) vorgesehen ist, wobei das Licht der Lichtquelle (3) in Abhängigkeit vom Drehwinkel (ϕ ) des Reflektors (5) auf einen Vergleichsweise schmalen Sektor der Ringfläche (1) gerichtet wird.

4. Optisches Potentiometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3) konzentrisch zur Ringfläche (1) des Detektors angeordnet ist und der Reflektor (5) als exzentrisch zur Drehachse (4) angeordneter Winkelspiegel ausgebildet ist, dessen Öffnung dem Radius der Ringfläche (1) entspricht.

5. Optischer Potentiometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eindimensionale photoempfindliche Detektor eine geschlossene kreisförmige, photoempfindliche Ringfläche aufweist, die am Umfang mit mindestens drei Elektroden versehen ist sowie eine gemeinsame Gegenelektrode besitzt und, daß eine Lichtquelle sowie ein um eine konzentrisch zur Ringfläche verlaufende Achse drehbarer Reflektor vorgesehen ist, wobei das Licht der Lichtquelle in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Reflektors auf einen vergleichsweise schmalen Sektor der Ringfläche gerichtet wird.