Разработка и исследование методов и средств измерения на основе позиционно-чувствительных фотоприёмников тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат наук Абакшина, Ольга Александровна

• Абакшина, Ольга Александровна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Абакшина, Ольга Александровна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ФОТОПРИЁМНИКОВ

1.1 ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ФОТОПРИЁМНИКИ - КАК СРЕДСТВО ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ УСТРОЙСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ВЕЛИЧИН

1.1.1 Приборы с зарядовой связью (ПЗС - фотоприёмники)

1.1.2 Фотоприёмники с координатной адресацией

1.1.3 Позиционно-чувствительный фотоприёмник (РБО-фотоприёмник)

1.1.4 Фотоприёмник мультискан

1.1.5 Фотодиод как позиционно-чувствительный фотоприёмник

1.2 СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ, ПОСТРОЕННЫЕ НА ШКАЛАХ

1.24 Измерительные устройства на основе оптических шкал

1.2.2 Устройства для измерения радиусов кривизны, построенные на различных шкалах

1.2.3 Устройства для измерения угловых величин, построенные на оптических шкалах

1.3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ВЫБОР ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

1.4 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯНА ОСНОВЕ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ФОТОПРИЁМНИКА

2.1 УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

2.2 СРЕДСТВО ИЗМЕРЕНИЯ РАДИУСОВ КРИВИЗНЫ

2.2.1 Расчёт погрешности сферометра в случае несовпадения оси измерительного штока с осью выпуклой линзы

2.2.2 Расчёт погрешности сферометра в случае несовпадения оси измерительного штока с осью вогнутой линзы

2.3 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА АВТОКОЛЛИМАТОРА

2.4 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ, ВЛИЯЮЩИХ НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ С ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ФОТОПРИЁМНИКАМИ

3.1 АНАЛИЗ И ВЫБОР МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ С ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ

ФОТОПРИЁМНИКАМИ

3.2 ОСОБЕННОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО АППАРАТА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ФОТОПРИЁМНИКОВ

3.3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ФОТОПРИЁМНИКОВ

3.4 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 4. ЭСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МАКЕТОВ ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ФОТОПРИЁМНИКА МУЛЬТИСКАН

4.1 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАКЕТА ИНДИКАТОРА

4.2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАКЕТА СФЕРОМЕТРА

4.3 ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АВТОКОЛЛИМАТОРА

4.4 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование методов и средств измерения на основе позиционно-чувствительных фотоприёмников»

ВВЕДЕНИЕ

Уже в течение длительного времени в приборостроении предпринимаются попытки создания простых средств измерения, способных автоматически измерять величины перемещения объекта и контролировать его геометрические размеры. На сегодняшний день работы в данном направлении пока не привели к созданию достаточно дешёвых и простых средств измерения, которые удовлетворяли бы требованиям машиностроителей и приборостроителей как при работе в условиях различных лабораторий, так и в цеховых условиях.

Значительная часть проблем, возникающих при разработке упомянутых средств измерения, может быть решена при использовании следующих типов фотоприёмников: приборов с зарядовой связью (ПЗС); позиционно-чувствительных фотоприёмников; фотодиодов.

Данная работа посвящена разработке и исследованию устройств для измерения линейных и угловых величин построенных на основе позиционно-чувствительных фотоприёмников.

Актуальность темы определяется тем, что в различных областях промышленности, а также науки и техники необходимо контролировать геометрические параметры различных элементов (деталей, сборочных единиц и конструкций), а также величину линейных и угловых перемещений, при этом основной парк средств измерения состоит из приборов для измерения линейных и угловых величин. Поэтому необходимы достаточно простые быстродействующие, надёжные и недорогие приборы, обеспечивающие решение поставленных задач.

Большая часть технических средств, используемых для линейных и угловых измерений, построена на основе линейных шкал или оптических растров. Ввиду этого, в данной работе предложено построить измерительные устройства на основе позиционно-чувствительного фотоприёмника, в этом случае можно

а

получить простые, унифицированные и достаточно быстродействующие устройства, обладающие в ряде случаев расширенным диапазоном измерения.

Целью работы является исследование существующих и разработка новых средств измерения линейных и угловых размеров на основе позиционно-чувствительного фотоприёмника, обеспечивающих повышение качества оперативного контроля размеров в производственных условиях.

Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:

- разработка функциональных схем устройств измерения линейных и угловых величин на основе позиционно-чувствительного фотоприёмника;

- определение нормированных метрологических характеристик для оценки точности устройств и установления их принадлежности к тому или иному классу точности;

- разработка методики оценки погрешностей разрабатываемых устройств;

- определение погрешностей, оказывающих наибольшее влияние, и оценка возможности их компенсации;

экспериментальное исследование макетов устройств с позиционно-чувствительным приёмником.

Для решения поставленных задач необходимо проанализировать особенности различных позиционно-чувствительных фотоприёмников, а также разработать критерии оценки точностных характеристик создаваемых устройств.

Объектом исследования являются устройства для измерения линейных и угловых величин на основе позиционно-чувствительных фотоприёмников; в качестве предмета исследования выступают особенности построения этих устройств и их точностные характеристики.

Научная новизна работы

Построены функциональные схемы средств измерения линейных и угловых величин с применением позиционно-чувствительного фотоприёмника, позволяющие .создавать измерительные устройства с улучшенными показателями качества. Определены метрологические характеристики этих устройств с целью оценки точности. Также предложена методика оценки погрешностей разработанных устройств. Проведены исследования точностных характеристик макетов, созданных на основе предложенных функциональных схем.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Функциональные схемы устройств измерения линейных и угловых величин, на основе позиционно-чувствительного фотоприёмника.

2. Совокупность метрологических характеристик, выбранных для оценки точности устройств на основе позиционно-чувствительных фотоприёмников.

3. Методика оценки анализа точности устройств с позиционно-чувствительными фотоприёмниками.

4. Результаты экспериментального исследования макетов устройств на основе позиционно-чувствительного фотоприёмника.

Практическая значимость работы

Предложенные функциональные схемы устройств для измерения линейных и угловых величин на основе позиционно-чувствительного фотоприёмника позволяют упростить конструкцию устройств, повысить быстродействие приборов, увеличить диапазон измерений, а так же упростить обработку выходных данных. Разработанные устройства предназначены для использования в цеховых условиях производства при оперативном контроле размеров.

Результаты диссертационной работы реализованы в макетах цифрового индикатора, сферометра, автоколлиматора, которые использованы в лабораторном практикуме по дисциплинам «Оптические и оптико-электронные системы и приборы», «Информационно-измерительные преобразователи»,

«Оптико-электронные преобразователи движения и электротехнические устройства ОЭП».

Основные исследования, проведённые в рамках диссертационной работы, получены, в том числе, при выполнении грантов 2010, 2013 и 2014 года для студентов и аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга.

Внедрение результатов работы

Созданные макеты измерительных устройств с позиционно-чувствительным фотоприёмником на основе предложенных схем используются в реализации учебного процесса на кафедре Компьютерной фотоники и видеоинформатики по дисциплинам «Оптические и оптико-электронные системы и приборы», «Информационно-измерительные преобразователи», «Оптико-электронные преобразователи движения и электротехнические устройства ОЭП».

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были представлены автором на следующих научных конференциях:

• XXXVIII Неделя науки СПб ГПУ, 2009 г.

• II и III Всероссийский конгресс молодых ученых. (2013 - 2014 гг.)

• ХЫ1 и ХЫН научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО. Конференция профессорско-преподавательского состава.(2013 - 2014 гг.)

• IX международная научно-практическая конференция «Восточное партнерство - 2013». 07 - 15.09.2013 г.

Работа отмечена на конкурсах грантов 2010, 2013 и 2014 года для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга.

Публикации

Соискатель имеет 7 опубликованных работ; из них по теме диссертации опубликовано 7, включая 2 научные статьи, которые опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, в том числе 1 работа опубликована в материалах международной конференции в Польше.

В работах представлены описания функциональных схем устройств для измерения линейных и угловых величин на основе позиционно-чувствительных фотоприёмников. Также описаны результаты экспериментальных исследований макетов приборов, разработанных на основе позиционно-чувствительных фотоприёмников. Рассмотрен метод выявления скрытых периодичностей в погрешности измерительных приборов на примере совместного применения гармонического и периодограммного анализа суммарной погрешности, полученной экспериментальным путём.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений.

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, сформулирована цель работы, её научная новизна и практическая значимость, а так же приведены сведения об апробации, публикациях автора и основных положениях, выносимых на защиту.

В первой главе диссертации представлен краткий обзор основных типов фотоприёмников, подходящих под задачу использования их для создания средств измерения линейных и угловых величин, проанализированы принципы их работы, основные достоинства и недостатки в рамках задачи решаемой в диссертации.

Также в главе проанализированы устройства измерения линейных и угловых величин, построенные на оптических растровых и растрово-кодовых шкалах, определены возможности, способы упрощения конструкции устройств; выполнена постановка задачи и выбран объект исследования.

Во второй главе предложены функциональные схемы устройств для

измерения линейных и угловых величин на основе выбранного позиционно-чувствительного фотоприёмника, указаны их основные особенности, в частности, погрешности, влияющие на точность измерения.

В третьей главе рассмотрены и подобраны метрологические характеристики для разработанных устройств. Предложена методика исследования точности рассматриваемых устройств.

А также метод оценки влияния погрешностей, разработанных устройств.

В четвёртой главе описаны результаты исследования макетов устройств для измерения линейных и угловых величин, разработанных по предложенным в главе 2 схемам.

В заключении приведены итоги проделанной работы и рассмотрены направления дальнейших исследований.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ФОТОПРИЁМНИКОВ

1.1 ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ФОТОПРИЁМНИКИ-КАК СРЕДСТВО ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ УСТРОЙСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ И

УГЛОВЫХ ВЕЛИЧИН

Для полного представления позиционно-чувствительных фотоприёмников как средств для построения средств измерений линейных и угловых величин, рассмотрим различные типы фотоприёмников. И постараемся определить их основные достоинства и недостатки, позволяющие использовать эти фотоприёмники как основу для построения устройств измерения линейных и угловых величин.

Основными, интересующими нас, характеристиками являются нелинейность, стабильность, быстродействие, простота обработки выходного сигнала, влияние посторонних засветок.

1.1.1 Приборы с зарядовой связью (ПЗС - фотоприёмники)

ПЗС-фотоприёмники являются наиболее распространенными и широко используются в различных областях техники.

Рассмотрим основные характеристики ПЗС, позволяющие использовать его для создания средств измерения линейных и угловых величин.

С физической точки зрения, ПЗС интересны тем, что электрический сигнал в них представлен не током или напряжением, как в большинстве других твердотельных фотоприёмниках, а зарядом. Подробнее принцип работы и основные характеристики ПЗС достаточно подробно рассмотрены в литературе [1 -12,15].

Отметим то, что генерирование зарядов в ПЗС происходит не только под воздействием света, но и вследствие воздействия температуры. Темновой ток в полупроводниковых фотоприёмниках экспоненциально зависит от температуры и при большом времени накопления для его подавления требуется понижение температуры кристалла. Современный уровень технологии ПЗС позволяет реализовать время накопления до секунды (без охлаждения). Наличие темнового тока может существенно влиять на точность определения координаты светового пятна.

Ниже рассмотрим особенности различных видов матриц ПЗС:

- с кадровым переносом (КП);

- со строчным переносом (СП);

- со строчно-кадровым переносом (СКП).

Первыми были созданы матричные ПЗС с кадровым переносом [3, 4, 6]. Эти приемники содержат светочувствительную секцию накопления, состоящую из вертикальных ПЗС-регистров, отделенных друг от друга областями стоп-каналов.

Достоинства матричных ПЗС с кадровым переносом — это возможность реализации освещения со стороны подложки и полное использование светочувствительной секции. Благодаря непосредственному облучению светом поверхности кремния эти матрицы обладают высокой чувствительностью в ближней ИК-области спектра.

Существенным недостатком этих матриц ПЗС является вертикальный смаз от ярких деталей изображения. Во время переноса массива зарядовых пакетов из секции накопления в секцию памяти поток оптического излучения продолжает

генерировать фотоэлектроны. Так как каждая потенциальная яма проходит весь столбец светочувствительной секции (частично до начала накопления, частично после), она определенно накопит некоторое количество зарядов от всех точек изображения, лежащих на данном столбце (рис. 1.1). Эффект вертикального смаза в этих матрицах может быть устранен за счет перекрытия потока оптического излучения на время переноса при помощи механического затвора.

Рисунок 1.1. Изображение на экране монитора при наличии смаза

Наличие вертикального смаза будет вносить ошибку в определение координаты пятна при использовании, рассмотренных выше, ПЗС в приборах измерения для линейных перемещений.

Ещё одним фактором, ограничивающим сферу применения ПЗС с кадровым переносом, является значительная площадь матрицы, обусловленная наличием секции памяти. Так как стоимость микросхем пропорциональна четвёртой степени диагонали кристалла, то цена этих ПЗС достаточно высока. Увеличение габаритов матрицы повлияет на габариты разрабатываемых устройств в сторону их увеличения, что не желательно при разработке портативных и компактных конструкций.

Более широко распространены матричные ПЗС со строчным переносом [3, 4, 5]. Для накопления зарядовых пакетов в них используются столбцы обратносмещенных фотодиодов /?-типа {Hole-accumulation diode, HAD). В непосредственной близости от каждого столбца фотодиодов находится нечувствительный к свету вертикальный ПЗС-регистр, отделенный от фотодиодов фотозатвором. Вначале в матрицах ПЗС со сточным переносом роль фотозатвора

выполнял отдельный поликремниевый электрод. В настоящее время его роль выполняет часть затвора вертикального ПЗС-регистра, выступающая за край скрытого канала переноса зарядов. В конце вертикальных ПЗС-регистров расположен горизонтальный ПЗС-регистр с выходным устройством (рис. 1.2). Все регистры ПЗС - вертикальные и горизонтальный - выполняются экранированными от падающего света.

Вертикальные

Фотозатвор регистры ПЗС

Рисунок 1.2. Матричный ПЗС со строчным переносом

Достоинство ПЗС-матриц со строчным переносом - это малый уровень смаза, связанный с тем, что перенос всех зарядовых пакетов в защищенные от света вертикальные ПЗС-регистры, происходит в течение короткого промежутка времени. Основной же недостаток матричных ПЗС со строчным переносом -неполное использование потока оптического излучения из-за наличия нечувствительных вертикальных регистров.

Для преодоления этого недостатка была разработана технология нанесения на поверхность кристалла микролинз.

При использовании этой технологии над каждым элементом ПЗС-матрицы расположена микролинза, собирающая на элемент поток оптического излучения, падающий на нечувствительные к оптическому излучению регистры переноса заряда.

Существенный недостаток ПЗС - большое время накопления, оно приводит к тому, что подвижные объекты передаются с заметными искажениями. Для

преодоления этого недостатка был разработан режим накопления поля. В этом режиме зарядовые пакеты соседних фотодиодов объединяются попарно, причем по-разному в различных полях. Время накопления в этом режиме равно 20 мс -времени поля, так как в каждом поле считываются зарядовые пакеты из всех фотодиодов. Несмотря на уменьшенное в два раза время накопления по сравнению с режимом накопления кадра, чувствительность матричного ПЗС остается той же, так как в данном режиме суммируются зарядовые пакеты с двух фотодиодов. Размер светочувствительного элемента в режиме накопления поля равен размеру двух фотодиодов по вертикали - это приводит к снижению вертикальной разрешающей способности.

Такого недостатка лишен режим накопления кадра с уменьшенным временем накопления. Он полностью эквивалентен режиму накопления кадра, за исключением того, что при считывании зарядов из одной половины фотодиодов

зарядовые пакеты во второй половине сбрасываются. Благодаря этому, время

б

накопления становится равным 20 мс, а размер светочувствительного элемента по вертикали снова равным размеру одного фотодиода. Однако уничтожение половины накопленных зарядовых пакетов приводит к двукратному снижению чувствительности матричного ПЗС.

Уровень смаза в матричных ПЗС со строчным переносом существенно меньше, чем в матричных ПЗС с кадровым переносом, однако в ряде случаев он является заметным.

ПЗС-матрицы со строчно-кадровым переносом [7, 8, 9, 15] состоят из матричного ПЗС-фотоприёмника со строчным переносом, к которому добавлена секция памяти от матричного ПЗС-фотоприёмника с кадровым переносом. Количество ячеек в секции памяти равно половине количества фотодиодов. Тем самым уровень смаза по сравнению с матричным ПЗС-фотоприёмника со строчным переносом уменьшается в 20-50 раз.

Важнейшей технологической проблемой создания больших ПЗС-фотоприёмника с однослойной металлизацией является проблема получения узких зазоров между электродами.

Подведем итог. Существенными недостатками ПЗС-фотоприёмника являются: низкое быстродействие, неоднородность чувствительности элементов, достаточно большая дискретность элементов, наличие вертикального смаза что приведёт к неточности определения координаты, а так же относительно сложная обработка выходного сигнала.

Следующим этапом развития фотоприёмников стали фотоприёмники с координатной адресацией. Их так же можно использовать для построения устройств линейных и угловых величин. В следующем разделе рассмотрим такие фотоприёмники.

1.1.2 Фотоприёмники с координатной адресацией

Считывание электрического сигнала, накопленного под воздействием оптического излучения, может быть осуществлено двухмерной координатной адресацией к элементам фотодиодных или фоторезистивных матриц.

Поочерёдное подключение каждого из элементов разложения осуществляется с помощью электронных ключей, выполненных по технологии комплиментарных МОП-транзисторов (КМОП) [11,12, 15]. Эти фотоприёмники имеют ряд достоинств по сравнению с ПЗС, хотя и уступают им по качеству изображения. Можно выделить такие свойства КМОП-фотоприёмников, как низкая мощность потребления, возможность считывания произвольного фрагмента изображения, низкая стоимость. Важным преимуществом КМОП-фотоприёмников является возможность реализации функций накопления, управления считыванием, квантования и обработки сигнала на одном кристалле. Эти приемники обладают достаточно высоким быстродействием (порядка 110* 10"3 с).

Основной недостаток КМОП-фотоприёмников связан с их малой чувствительностью, её неоднородностью по массиву элементов, а также с неоднородностью темновых сигналов, что приводит к увеличению нелинейности выходного сигнала и, следовательно, увеличению погрешности определения координаты светового пятна. В настоящее время чувствительность КМОП-фотоприёмников ограничена в первую очередь структурной помехой, на порядок превышающей флуктуационный шум. При компенсации структурной помехи флуктуационный шум КМОП-фотоприёмников превышает аналогичное значение шума матричных ПЗС в 3-5 раз при одинаковой частоте считывания сигнала. Так как выходной сигнал насыщения у матричных фотоприёмников обоих типов соизмерим, то в настоящее время КМОП-фотоприёмники имеют меньший динамический диапазон, чем ПЗС-фотоприёмники.

Малая чувствительность, её неоднородность по массиву элементов, а так же высокое значение шума ограничивает использование КМОП-фотоприёмников для построения устройств для измерения линейных величин.

1.1.3 Позиционно-чувствительный фотоприёмник (PSD-фотоприёмник)

PSD-фотоприёмник (positional sensitive detector - PSD) представляет собой совокупность кремниевых или германиевых фотодиодов, аналоговые выходные сигналы которых пропорциональны положению светового пятна на чувствительной поверхности фотоприёмника. Конструкция PSD-фотоприёмника позволяет одновременно контролировать как интенсивность падающего потока оптического излучения, так и его расположение на активной поверхности [11,12].

Подробное описание структуры PSD и его принцип работы достаточно хорошо освещены в литературных источниках [11, 12, 13, 14, 15].

Далее рассмотрим различные варианты позиционно-чувствительных фотоприёмников.

Для использования PSD в измерительных приборах рассмотрим его характеристики такие, как нелинейность, стабильность, быстродействие, воспроизводимость, зависимость от посторонних засветок.

Позиционно-чувствительные фотоприёмники обладают такими преимуществами как высокая разрешающая способность, высокое быстродействие (порядка 1-10*10'3 с), высокая надежность, широкий диапазон спектральной чувствительности, возможность одновременно обнаруживать интенсивность света и позицию «центра тяжести» индикатора светового пятна.

Наиболее интересующий нас, в рамках данной работы, однокоординатный PSD-фотоприёмник имеет активную поверхность в форме узкой полоски. Фототок, генерируемый в месте падения светового пятна, разделяется на две токовые компоненты. Их распределение позволяет определить местоположение светового пятна на полоске фотоприёмника. На рисунке 1.3 — методика расчёта положения светового пятна.

Рисунок 1.3. Методика расчета положения светового пятна

Интенсивность тока зависит от потока оптического излучения, падающего на поверхность фотоприёмника. Одним из недостатков является то, что весь поток оптического излучения, отраженный от объекта, даёт токовый вклад в фотоприёмнике. Следовательно, любой поток оптического излучения, который попадает в плоскость фотоприёмника (в том числе и солнечный фоновый свет), будет вносить ошибку измерения [12, 14, 16].

Одним из основных производителей Р80-фотоприёмников (рис. 1.4) является фирма «НататагБи» (Япония, www.hamamatsu.com) [16].

Проведенные ранее исследования однокоординатного Р80-фотоприёмников фирмы «Натата15и» позволяют говорить о том, что нелинейность принимает свое максимальное значение на концах светочувствительного слоя и может достигать 15%. Для повышения точности функционирования Р80-фотоприёмника фирмы «Натата!^» необходимо исключить крайние участки рабочей площади, оставив центральную зону, где нелинейность не превышает 6%. Фотоприёмник обладает хорошей воспроизводимостью и стабильностью [17]. Так же недостатком этого фотоприёмника ещё является то, что из-за особенностей фотоприёмника (метод определения координаты светового пятна) величина нелинейности на одном и другом краях светочувствительной зоны могут различаться.

Рисунок 1.4. Внешний вид однокоординатных PSD-фотоприёмников фирмы

«Hamamatsu»

Так же крупными производителями PSD-фотоприёмников являются фирмы: «Sharp» (Япония, www.sharp.com); «Оп-TRAK Photonics, Inc.» (США, Калифорния, www.on-trak.com); «UDT Sensors, Inc.» (США, Калифорния, www.udt.com); «Sitek Inc.» (Швеция, www.sitek.se).

Двухкоординатные PSD-фотоприёмников классифицируются по структуре на датчик с четырёхсторонним расположением электродов и двусторонний тип. Датчик с четырёхсторонним расположением электродов показывает быстродействующий ответ и низкий темновой ток. Двусторонний тип имеет

малую ошибку обнаружения положения и высокую позиционную разрешающую способность.

Двухкоординатные PSD группируются по структуре в двухсторонние и четырехсторонние типы. К PSD четырехстороннего типа можно так же отнести /?ш-тип с улучшенной активной областью и электродами. Формулы преобразования положения немного отличаются согласно структуре PSD. Двухкоординатные PSD (рис. 1.5) имеют две пары электродов: XI, Х2 и Y1,Y2 [15, 16].

L

—

XI — Х2 L

у __у _

Х1 + Х2 2

Y1-Y2 L

у =_х -

Y1 + Y2 2

Чувствительная поверхность

Y2

Рисунок 1.5. Определение координат светового пятна для двухкоординатного

PSD-фотоприёмника

Фотоприёмник с двухсторонним расположением электродов представляет собой полупроводниковый кристалл, на верхней и нижней поверхности которого взаимно перпендикулярно расположены две пары полосковых электродов. Фотоприёмник имеет четыре вывода. Фототок, возникающий в месте падения светового пятна на поверхность PSD, разделяется на две входных и две выходных компоненты. Распределение выходных токов определяет положение координаты Y, а распределение входной — координаты X положения светового пятна. Фотоприёмники данного типа имеют резистивные слои, нанесенные с обеих сторон подложки, которые действуют как р-п переходы. Это обеспечивает наибольшую точность и разрешение таких фотоприёмников, но вместе с тем и самую высокую их стоимость.

Кроме того, при сравнении с четырехсторонним типом, двухсторонний тип предлагает превосходные характеристики обнаружения положения, потому что электроды расположены вблизи друг друга [15, 16].

Фотоприёмник с четырёхсторонним расположением электродов имеет четыре электрода на верхней поверхности, сформированных вдоль каждой из четырёх граней.

Фототок разделен на 4 части через тот же самый резистивный слой и снимается в качестве сигналов положения с четырёх электродов. По сравнению с двухсторонним типом взаимодействие между электродами имеет тенденцию на встречи ближних углов активной области, производя большее искажение положения. Но особенности элементов четырёхстороннего типа в том, что они устойчивы к употреблению напряжения обратного смещения, имеют маленький темновой ток и высокое быстродействие [11,12].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Абакшина, Ольга Александровна, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Воронов В.В. и др. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью -современная элементная база фотонных систем // Электронные компоненты, №2, 2003.-С. 155 - 168.

2. Костюков Е. и др. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью.// Электронные компоненты, 2003. №4. - С. 83 - 88.

3. Носов Ю.Р. Приборы зарядовой связи. М.,Знание. 1989. - 64 с.

4. Willard S. Boyle.Nobel Lecture: CCD—An extension of man's view// Rev. Mod. Phys.. — 2010. — B. 3. — T. 82. — C. 2305—2306.

5. George E. Smith Nobel Lecture: The invention and early history of the CCD// Rev. Mod. Phys.. — 2010. — B. 3. — T. 82. — C. 2307—2312.

6. Неизвестный С.И. И Никулин О.Ю. Приборы с зарядовой связью. Устройство и основные принципы действия.//Электротехника, 2005. - С. 14-20.

7. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. // М.: Радио и связь, 1991. - 264 с.

8. Приборы с зарядовой связью: Пер. с англ. / Под ред. Д.Ф. Барба. М.: Мир, 1982. - 240 с.

9. Е. В. Костюков, А. М. Маклаков, А. С. Скрылёв, В. В. Чернокожий. Состояние и уровень развития фоточувствительных приборов с зарядовой связью // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы, 2007, вып. 2(219), с. 3-20.

10. Петропавловский Ю. Особенности применения ПЗС-матриц с межстрочным переносом // Компоненты и технологии, 2009,№ 5.

11. Самарин A.A. Позиционно-чувствительные фотодатчики // Электронные компоненты. - 2003. - № 7. - с. 103 - 108.

12. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.П. // Приемники излучения. - СПб.: СПб ГУИТМО, 2003. - 527 с.

i

i

13. Chien-Hung Liu, Wen-Yuh Jywe, Hau-Wei Lee. Development of a simple test device for spindle error measurement using a position sensitive detector // Meas. Sei. Technol., 2004. Vol. 15. P. 1733 1741.

14. Xunjun Qi, Bin Lin, Dongyan Chen and at. al. Design realization and characterization of a position sensitive detector for fast optical measurement // Optical engineering, 2006. Vol. 45. № 1. P. 014402-1 5.

15. Ишанин Г. Г., Козлов В.В. Приемники излучения. - С.-Петербург, СПбГУ ИТМО, 2005 .-214 с.

16. Шарапов В.М., Полищук Е.С., Кошевой Н.Д., Ишанин Г.Г., Минаев И.Г., Совлуков А.С. Датчики. Мир электроники.- СПб.: ТЕХНОСФЕРА, 2012 - 624 с.

17. Воронин А.А., Митрофанов С.С. Исследование нелинейности позиционно-чувствительного приемника фирмы «Hamamatsu» // Известие вузов. Приборостроение, 2007г, Т.50, №4. С. 47-50.

18. Позиционно-чувствительный приёмник «Мультискан» (ЗАО «ТЕХНОЭКСАН») [Электронный ресурс] - http://www.technoexan.ru. - (дата обращения: 15.12.2012 г.)

^ V

19. Берковская К.Ф., Кириллова Н.В., Подласкин Б.Г., Столовицкий В.М., Суханов B.JL, Тучкевия В.В. Многофункциональный приемник - Мультискан.// Журнал технической физики. - 1983. Т 53. №10. - С. 2015-2024.

20. Берковская К. Ф., Кириллова Н.В., Подласкин Б.Г., Столовицкий В.М., Токранова Н. А. Позиционно-чувствительный фотоприемник мультискан с высоким координатным разрешением // Сб. Научно-технические достижения. -М.: ВИМИ, 1992, вып.2.- С.22-25.

21. Подласкин Б.Г. Многоэлементные фотоприемники с интегральным принципом формирования сигнала для систем оптической обработки информации. Автореф. дис. док. физ.-мат. наук / СПб, 1999. - 36 с.

22. Подласкин Б.Г., Гук Е.Г. Анализ компенсации искажений оптических сигналов с помощью позиционно-чувствительного фотоприемника мультискан методом формирования квазимедианы // Журнал технической физики, 2007. Т. 77. Вып. 2.- С. 95- 98.

23. Подласкин Б.Г., Токранова H.A., Чеботарев К.Е., Чекулаев Е.А. Фильтрация медианы оптического сигнала на фоне мощных посторонних засветок с помощью фотоприемника мультискан //Журнал технической физики, 1995, т.65 ,в.9.-С.104-110.

24. Подласкин Б.Г., Гук Е.Г. К вопросу влияния методов формирования защитного окисла при создании многоэлементной структуры фотоприемника мультискан на стабильность темнового тока // Журнал технической физики, 2002. Т. 72. Вып. 6.- С. 73-78.

25. Богатырева В.В. Позиционно-чувствительный фотоприемник мультискан в измерителе угловой скорости вращения // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2008. Т. 49. -С. 118 - 122.

26. Осипов Н.И. Разработка и исследование оптико-электронных измерительных устройств на основе многоэлементного фотоприемника мультискана: Автореф.: Ижевск: ИМ УрО РАН. - 2003. - 20 с.

27. KirikovS., Nönnig R. Untersuchungenam FotosensorMultiskan// Postervortrag, TU Ilmenau, IWK, 1996.

28. Преобразователи линейных перемещений (каталог фирмы SKBIS) [Электронный ресурс]. - http://www.skbis.ru. - (дата обращения: 15.12.2012 г.)

29. Фотоэлектрические преобразователи информации / Под общ. ред. JI.H. Преснухина и др. - М.: Машиностроение, 1974. - 376 с.

30. Лысенко О. Фотоэлектрические датчики компании SICK AG //Электронные компоненты, 2005, №№ 5,6.

31. Высотский A.B. Пневматические средства измерений линейных величин в машиностроении/ A.B. Высотский, А.П. Курочкин. - М.: Машиностроение, 1979. -89 с.

32. Гаврилов А., Гаврилов Е., Ишанин Г.Г. //Оптические измерения. Учебное пособие. - Москва. Логос, 2008 г. - 416 с.

33. Латыев С.М. Конструирование точных (оптических) приборов: учебное пособие. - СПб.: Политехника, 2007.— 450 с.

34. Высокоточные угловые измерения. / Под ред. Якушенкова Ю.Г., - М., Машиностроение, 1987. - 480 с.

35. В.В. Коротаев, A.B. Прокофьев, А.Н. Тимофеев Оптико-электронные преобразователи линейных и угловых перемещений. Часть I. Оптико-электронные преобразователи линейных перемещений / Учебное пособие. - СПб,: НИУ ИТМО, 2012.-117 с.

36. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. Учебник. - Москва, Логос, 2011 г. - 567 с.

37. Марков H.H., Ганевский Г.М. // Конструкция, расчет и эксплуатация контрольно-измерительных инструментов и приборов. - 2-е изд. // М.: Машиностроение, 1993. - 416 с.

38. Королев А.Н., Гарцуев А.И., Полищук Г.С., Трегуб В.П. Цифровой автоколлиматор // Оптический журнал. - 2009. Т 76. №10. - с. 42 - 47.

39. Латыев С.М. Компенсация погрешностей в оптических приборах. - Л.: Машиностроение, 1985. - 248 с.

40. Латыев С.М., Дич Л.З., Кириков С.О. Применение фотоприёмника «мультискан» в приборах для измерения геометрических параметров//Оптический журнал, №8,1995.

41. Абакшина O.A. Модернизация фотоэлектрического индикатора //XXXVIII Неделя науки СПбГПУ. Материалы международной научно-практическойконференции. СПб.: Издательство Политехнического университета, 2009.-4.9. - С. 156-158.

42. Абакшина O.A., Егоров Г.В., Латыев С.М., Митрофанов С.С. Модернизация конструкций фотоэлектрических индикаторов линейных перемещений // Известия высших учебных заведений. Приборостроение, №11/54, 2011,- С. 65-69.

43. Абакшина O.A., Егоров Г.В., Латыев С.М., Митрофанов С.С. Фотоэлектрические приборы и устройства, основанные на позиционно-чувствительных приемниках // Известия высших учебных заведений. Приборостроение, №4/55,2012.-С. 88-97.

44. Дич JI.3., Латыев С.М. О погрешности Аббе в преобразователях линейных перемещений на дифракционных решетках. - В сб.: Оптико-электронные методы и средства в контрольно-измерительной технике. - М.: МДНТП, 1991. - С. 24 - 30.

45. Чудов В.А., Цидулко Ф.В., Фрейдгейм Н.И. Размерный контроль в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1982. - 328 с.

46. Справочник конструктора точного приборостроения/ Под ред. К.Н. Явленского, Б.П. Тимофеева, Е.Е. Чаадаевой. Л.: Машиностроение, 1989.- С. 461463.

47. Абакшина О.А., Митрофанов С.С. Фотоэлектрический автоколлиматор на базе приемника мультискан // Материалы IX международной научно-практической конференции «Восточное партнерство - 2013». - Przemysl, Nauka i studia, 2013. - Vol. 35. - С. 55 - 59.

48. Дич Л. 3. Автоматическая коррекция погрешностей в оптических приборах для линейных измерений: Автореф. - Л.: ЛИТМО, 1989. - 20 с.

49. Мокров Ю. В. Метрология, стандартизация, сертификация: Учебное пособие, Дубна, 2007 г., - С. 29-41.

50. Романов В. Н. Теория измерений. Точность средств измерений: Учеб. пособие. - СПб.: СЗТУ, 2003. - 154 с.

51. Куликовский К.Л., Купер В.Я. Методы и средства измерений. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 448 с.

52. ГОСТ 8.401 - 80. Классы точности средств измерений. Общие сведения. -М.: Изд-во стандартов, 1985. - 12 с.

53. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология: Учеб. для вузов. - М.: Логос, 2000.

54. Тюрин Н.И. Введение в метрологию. М.: Изд-во стандартов, 1985. - 256 с.

55. Крылова Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: 3-е изд., - Москва: ЮНИТИ, 2005. - 671 с.

56. Лифиц И.М. Основы стандартизации, метрологии, сертификации // 8-е изд., перераб. и доп. — М.: Юрайт-Издат, 2009. - 412 с.

57. Короткое В.П., Тайц Б.А. Основы метрологии и точности механизмов приборов. - М.:МАШИНГИЗ, 1961, - 400 с.

58. ГОСТ 8.009-84 ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений, - М.: Издательство стандартов, 2003. - 76 с.

59. Милосердии Ю.В. Расчёт и конструирование механизмов приборов и установок./ Ю.В. Милосердии, Б.Д. Семёнов, Ю.А. Крючко - М.: Машиностроение, 1985.-208 с.

60. Тартаковский Д. Ф., Ястребов А. С. Метрология, стандартизация и технические средства измерений: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 2001. -205 с.

61. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. -М.: Мир, 1974.-406 с.

62. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. Т. 1. - М.: Мир, 1971.- 316 с.

63. Дж. Бендат, А. Пирсон. Измерение и анализ случайных процессов// Под редакцией И.Н. Коваленко, М.: Издательство «Мир», 1971. - 408 с.

64. Марпл-мл. C.JI. Цифровой спектральный анализ и его приложения. - М.: Мир, 1990. - 584 с.

65. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Питер, 2002. - 608 с.

66. Yitzhak Katznelson, An introduction to harmonic analysis, Third edition. Cambridge University Press, 2004. ISBN 0-521-83829-0; 0-521-54359-2.

67. Бендат Дж., Пирсон А. Применения корреляционного и спектрального анализа . - М.: Мир, 1983. - 312 с.

68. Серебренников М.Г., Первозванский A.A. Выявление скрытых периодичностей. - М.: Наука, 1965. - 244 с.

69. Абакшина O.A. Автоматизированный метод выявления скрытых периодичностей в погрешности измерительных приборов // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 2. - СПб: Университет ИТМО, 2014.-С. 3-4.

70. Дунаев В.П., Леликов О.П. Расчет допусков размеров. - М.: Машиностроение, 1981. - 190 с.

71. Венцель Е.С. Теория вероятностей. - 4-е изд., стереотип. - М. : Наука, 1969, - 576 с.

72. Новицкий А.В. Основы информационной теории измерительных устройств-Л.: Энергия, 1968.-248 с.

73. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений-Л.: Энергоатомиздат, 1985.-248 с.

74. Сергеев А.Г., Латышев М. В., Терегеря В. В. Метрология, стандартизация, сертификация: Уч. пособие. - М.: Логос, 2005 - 560 с.

75. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Расчет допусков размеров. - М.: Машиностроение, 1981. - 190 с.

76. Латыев С.М., Татаринов А.Т. Расчет допусков на первичные погрешности оптических приборов// Оптико-механическая промышленность. - 1987. - №12.

77. Расчет точности машин и приборов./ В.П. Булатов, И.Г. Фридлендер, А.Г. Баталов и др.; под общ.ред. В. П. Булатова. - СПб.: Политехника, 1993. - 495 с.

78. ГОСТ 9038 - 90 Меры длины концевые плоскопараллельные. Технические условия./ М.: ИПК Издательство стандартов, 1998. - 14 с.

79. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Издательство «Энергоатомиздат», 1991, - 248с.

80. Третьяк Л.Н. Обработка результатов наблюдений: Учебное пособие. -Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. - 171 с.

81. Долинский Е.Ф. Обработка результатов измерений. - М.: Изд-во стандартов, 1973. - 192 с.

82. Боровков А.А. Математическая статистика. - М.: Наука, 1984. - 472 с.

83. Метрологическое обеспечение и эксплуатация измерительной техники / Г. П. Богданов, В.А.Кузнецов, М.А.Лотонов и др. / Под ред. В.А.Кузнецова. - М.: Радио и связь, 1990. - 240 с.

84. Ткалич В.Л., Лабковская Р.Я. Обработка результатов технических измерений: Учебное пособие — СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. - 72 с.

85. ГОСТ 8.089-73 ГСИ. Сферометры. Методы и средства поверки./ М.: Издательство стандартов, 1975. - 15 с.