Позиционно-чувствительное устройство - Position sensitive device

А позиционно-чувствительное устройство и / или позиционно-чувствительный детектор (PSD) - это оптический датчик положения (OPS), который может измерять положение светового пятна в одном или двух измерениях на поверхности датчика.

Принципы

PSD можно разделить на два класса, которые работают по разным принципам: в первом классе датчики имеют изотропный поверхность датчика, которая предоставляет непрерывные данные о местоположении. Второй класс имеет дискретные датчики в растровой структуре на поверхности датчика, которые предоставляют локальные дискретные данные.

Изотропные датчики

Дизайн PSD с использованием PIN-диод

Технический термин PSD впервые был использован в публикации 1957 года J.T. Wallmark для боковой фотоэлектрический эффект используется для локальных измерений. На ламинарном полупроводнике так называемый PIN-диод подвергается воздействию крошечного светового пятна. Это воздействие вызывает изменение местного сопротивления и, следовательно, потока электронов в четырех электродах. Из токов ${ displaystyle I_ {a}}$ , ${ displaystyle I_ {b}}$ , ${ displaystyle I_ {c}}$ и ${ displaystyle I_ {d}}$ в электродах положение светового пятна вычисляется с использованием следующих уравнений.

{ displaystyle x = k_ {x} cdot { frac {I_ {b} -I_ {d}} {I_ {b} + I_ {d}}}}

и

{ displaystyle y = k_ {y} cdot { frac {I_ {a} -I_ {c}} {I_ {a} + I_ {c}}}}

В ${ displaystyle k_ {x}}$ и ${ displaystyle k_ {y}}$ - простые коэффициенты масштабирования, которые позволяют преобразовывать в координаты.

Преимущество этого процесса - непрерывное измерение положения светового пятна со скоростью измерения до 100 кГц. Зависимость локального измерения от формы и размера светового пятна, а также нелинейное соединение являются недостатком, который можно частично компенсировать за счет специальной формы электродов.

Двухмерное четырехугольное устройство, чувствительное к положению (PSD)

Двухмерное четырехугольное чувствительное устройство (PSD)

Двухмерный тетра-латеральный PSD может обеспечивать непрерывное измерение положения падающего светового пятна в двухмерном режиме. Он состоит из одного квадрата PIN-диод с резистивным слоем. Когда на активную область датчика попадает свет, фототоки генерируются и собираются с четырех электродов, расположенных вдоль каждой стороны квадрата рядом с границей. Положение падающего света можно оценить по токам, собранным с электродов:

{ displaystyle x = k_ {x} cdot { frac {I_ {4} -I_ {3}} {I_ {4} + I_ {3}}}}

и

{ displaystyle y = k_ {y} cdot { frac {I_ {2} -I_ {1}} {I_ {2} + I_ {1}}}}

Двухмерный четырехугольный PSD имеет преимущества быстрого отклика, гораздо более низкого темнового тока, легкости приложения смещения и более низкой стоимости изготовления. Его точность измерения и разрешение не зависят от формы и размера пятна, в отличие от квадрантного детектора, который можно легко изменить из-за турбулентности воздуха. Однако он страдает проблемой нелинейности. В то время как оценка положения приблизительно линейна по отношению к реальному положению, когда пятно находится в центральной области PSD, соотношение становится нелинейным, когда световое пятно находится далеко от центра. Это серьезно ограничивает возможности его применения, и во многих приложениях существует настоятельная потребность в улучшении линейности.

Чтобы уменьшить нелинейность 2-D PSD, был предложен новый набор формул для оценки положения падающего света (Song Cui, Yeng Chai Soh ：Показатели линейности и улучшение линейности двумерного четырехугольного позиционно-чувствительного детектора. IEEE Transactions на электронных устройствах ， Vol. 57, No. 9, pp. 2310-2316, 2010):

{ displaystyle x = k_ {x1} cdot { frac {I_ {4} -I_ {3}} {I_ {0} -1,02 (I_ {2} -I_ {1})}} cdot { frac {0,7 (I_ {2} + I_ {1}) + I_ {0}} {I_ {0} +1.02 (I_ {2} -I_ {1})}}}

и

{ displaystyle y = k_ {y1} cdot { frac {I_ {2} -I_ {1}} {I_ {0} -1,02 (I_ {4} -I_ {3})}} cdot { frac {0,7 (I_ {4} + I_ {3}) + I_ {0}} {I_ {0} +1.02 (I_ {4} -I_ {3})}}}

где : ${ displaystyle I_ {0} = I_ {1} + I_ {2} + I_ {3} + I_ {4}}$ , и : ${ displaystyle k_ {x1}, k_ {y1}}$ новые масштабные коэффициенты.

Позиционный отклик двухмерной тетра-латеральной PSD, полученной по формулам, предложенным в статье С. Куи

Результаты оценки положения, полученные с помощью этого набора формул, моделируются ниже. Мы предполагаем, что световое пятно ступенчато движется в обоих направлениях, и наносим оценки положения на двумерную плоскость. Таким образом, должна быть получена регулярная сетка, если предполагаемое положение совершенно линейно с истинным положением. Производительность намного лучше, чем у предыдущих формул. Подробное моделирование и результаты экспериментов можно найти в статье С. Цуй.

Дискретные датчики

Последовательная обработка

Наиболее распространенные применения датчиков с частотой дискретизации менее 1000 Гц: CCD или CMOS камеры. Датчик разделен на отдельные пиксели чье значение экспозиции можно считывать последовательно. Положение светового пятна можно вычислить с помощью методов фотограмметрия прямо из распределения яркости.

Параллельная обработка

Дизайн дискретного PSD от Massari с параллельной обработкой. Желтый круг - это подсвеченное пятно.

Для более быстрых приложений были разработаны матричные датчики с параллельной обработкой. Как строка за строкой, так и столбцами плотность света каждого пикселя сравнивается с глобальным пороговым значением. Результатом сравнения становятся строки и столбцы со связями логического ИЛИ. Из всех столбцов и всех строк один элемент, яркость которого превышает заданное пороговое значение, представляет собой среднее значение вычисленных координат светового пятна.