Lars Stenberg

Некоторые аспекты и исторические, факты связанные с оптоэлектроникой

Под оптоэлектроникой мы понимаем область науки и техники, которая занимается изучением вопросов совместного использования оптики и электроники. Так как оптические элементы, такие как линзы и призмы должны всегда быть зафиксированы в пространстве при помощи механических частей, часто с высокой степенью точности, оптические приборы обычно состоят из изготовленных и собранных с высокой точностью элементов. Оптические приборы также часто имеют встроенный компьютер. Если мы хотим разрабатывать, конструировать и производить оптические приборы, нам необходимы знания в области оптики, электроники и высокоточной механической обработки, а также в области компьютерных технологий и программирования.
Для того чтобы перевести световые сигналы в электронные, существуют светочувствительные детекторы, которые генерируют электрический сигнал когда на них попадает свет. До начала 1970-х годов в качестве светочувствительных детекторов использовались: болометры, селеновые фотоэлементы, фотоэлементы, фотодиоды. Однако в 1971 году были изобретены так называемые матрицы ПЗС (CCD) в AT&T Bell Telephone Lab в США. Примерно в то же время были изобретены позиционно-чувствительные датчики (PSD), инженерами L.E. Lindholm и G. Petterson. Интересной особенностью этих датчиков является возможность определения положения светового пятна. Данная особенность будет рассмотрена в следующих главах. Первый микрокомпьютер Intel 4004 был также сконструирован в 1971 году. Выше представленные изобретения достаточно значимы сами по себе, но вместе они дают отличные возможности для создания оптоэлектронных приборов, таким образом 1971 год является годом рождения оптоэлектроники как самостоятельной науки.

Принцип триангуляционного метода измерений.
Существенная роль датчика положений в этих измерениях

Позвольте мне привести Вам пример простого измерительного устройства, которое используется во всем индустриальном мире, для решения различных задач в области автоматических измерений и производственного контроля.
Рассмотрим чертеж представленный на рисунке 1. A это источник света, который излучает небольшой пучок света B, который пересекает поверхность C в точке D. Если поверхность C не является зеркалом, то свет будет рассеяно отражаться, что означает, что свет будет отражаться во всех направлениях в виде полусферы вокруг точки D. Интенсивность отраженного света от поверхности C по различным направлениям будет неодинакова и будет зависеть от качества ее обработки и свойств материала поверхности. Если мы расположим линзу или объектив E, так чтобы оптическая ось линзы пересекала поверхность C в точке D, все лучи проходящие через линзу E будут в той или иной степени сфокусированы в точке F в зависимости от типа и свойств приемной оптики . Расстояние EF зависит от расстояния DE и фокусного расстояния линзы. Если поверхность C переместить вверх на новую позицию C’, то пучок света B будет рассеяно отражаться вокруг точки D’. Так как линза E остается на прежнем месте, отраженный свет будет сфокусирован где-то в направлении продолжения линии D’E. Используя формулу линзы, положение этой точки может быть рассчитано с высокой степенью точности. На рисунке 1 новое положение изображения обозначено буквой F’. Если переместить поверхность C вниз на новую позицию C’’(расстояние CC’=CC’’), мы получим новое положение изображения в точке F’’. Внимательный читатель догадается, что когда поверхность перемещается из положения C’ в положение C’’, отраженный и сфокусированный свет переместится из точки F’ в точку F’’. Для того, чтобы измерить перемещение поверхности при помощи измерения перемещения точки F необходимы позиционно-чувствительные датчики, которые размещаются вдоль прямой F’F’’. Это означает, что до 1971 года было невозможно создание измерительных приборов, основанных на так называемом триангуляционном принципе измерений. Как мы увидим в следующих главах, по аналогичной причине не было возможности производить другие типы измерительных устройств без позиционно-чувствительных датчиков. Следовательно эти датчики очень важны в области разработки оптоэлектронных измерительных систем.

:
рис. 1

Принципы функционирования позиционно-чувствительных датчиков PSD

Рассмотрим общий принцип действия позиционно-чувствительных датчиков. PSD (position sensing detectors) - аббревиатура для позиционно-чувствительных датчиков. PSD - это по существу фотодиод который трансформирует попадающий на него свет в электрический ток. Устройство имеет 2 контакта (электрода), расположенных параллельно друг другу на активной поверхности (см. рисунок 2). Для двух сторонних (координатных) PSD мы также имеем пару электродов выполненных на противоположной стороне под углом 90? относительно пары электродов на лицевой стороне. Фототок будет разделяться между двумя контактами на каждой стороне (в одном случае это зависит от электронов, в другом от дырок). Активная поверхность функционирует как очень однородное сопротивление таким образом, что ток в электроде линейно зависит от положения светового пятна. Положение в направлении Y рассчитывается по элементарной формуле (Y1-Y2)/(Y1+Y2), где Y1 иY2 токи в соответствующем электроде. Подобным образом позиция рассчитывается в направлении X. Другими словами мы можем точно определить положение светового пятна в направлении X и Y.
Принцип измерения, описанный выше может применяться для создания линейных PSD детекторов. В таком случае достаточно использовать один электрод на обратной стороне кремниевого чипа. Существует возможность создания почти круглого PSD детектора из линейного путем создания активной верхней поверхности в виде почти замкнутой окружности.

Рис. 2.

Принципы функционирования матрицы ПЗС (CCD)

ПЗС это прибор зарядовой связи. Для того чтобы понять как функционирует ПЗС, начнем с изучения линейных ПЗС детекторов, светочувствительные элементы или фотодиоды в которых расположены в линию, как показано на рисунке 3. Когда различные фотодиоды освещаются светом, происходит преобразование света электрический заряд, величина которого пропорциональна интенсивности падающего света на данный фотодиод. Сгенерированные заряды накапливаются конденсатором, который подключен к каждому светочувствительному элементу. На каждом из “выстроенных в линейку” фотодиодов, количество которых называется “числом активных элементов”, в течение некоторого времени интегрирования t и под воздействием света накапливается заряд, пропорциональный освещенности этого фотодиода.
По окончании времени интегрирования по специальному управляющему импульсу fROG накопленные заряды передаются из фотодиодов в находящиеся рядом ячейки аналогового регистра сдвига, а затем начинается опрос регистра – под воздействием тактовых импульсов f1 и f2 заряды начинают продвигаться по его ячейкам, как по конвейеру, поочередно “вываливаясь” на выход, к которому присоединен преобразователь “заряд-напряжение” и усилитель. В результате на выходе линейки Vout последовательно появляются уровни напряжения, пропорциональные освещенности каждого из фотодиодов линейки.

Когда возникает необходимость снять показания с ПЗС линейки заряды считываются из конденсаторов.
Когда заряд удаляется в момент регистрации, он преобразуется в электрическое напряжение, значение которого прямо пропорционально величине заряда и таким образом прямо пропорционально интенсивности света попавшего на детектор. Другими словами ПЗС можно определить как “черный ящик”, который преобразует свет в пространстве в электрическое напряжение во времени.

Сравнение PSD и ПЗС

Примеры использования позиционно-чувствительных датчиков

В следующих главах мы рассмотрим различные прикладные задачи, для решения которых могут использоваться позиционно-чувствительные датчики. Первая глава данного раздела посвящена вопросам проработки компоновки оптической схемы триангуляционного датчика и определения геометрии взаимного расположения элементов схемы.