ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА, ОСНОВАННЫЕ НА ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИЕМНИКАХ
88 О. А. Абакшина, Г. В. Егоров, С. М. Латыев, С. С. Митрофанов
УДК 621.383:531.71
О. А. АБАКШИНА, Г. В. ЕГОРОВ, С. М. ЛАТЫЕВ, С. С. МИТРОФАНОВ
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА, ОСНОВАННЫЕ НА ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИЕМНИКАХ
Исследованы фотоэлектрические приборы и устройства для измерения линейных и угловых размеров, в которых использованы позиционно-чувствительные приемники типа „мультискан“.
Ключевые слова: фотоэлектрические приборы, позиционно-чувствительные приемники.
Введение. В течение длительного времени в оптическом приборостроении предпринимаются попытки создания простых и надежных фотоэлектрических устройств, способных автоматически измерять линейные и угловые размеры [1]. Работы в данном направлении не привели пока к созданию достаточно простых и дешевых приборов, которые удовлетворяли бы требованиям машиностроителей при работе в условиях как лаборатории, так и цеха. Большинство таких устройств построено на приборах с зарядовой связью [2] и оптических растрах, которые требуют применения довольно сложной электронной аппаратуры для обработки измерительного сигнала и имеют ограниченный динамический диапазон.
Значительная часть проблем, возникающих при разработке аппаратуры такого класса может быть решена при использовании разработанного в РАН позиционно-чувствительного фотоприемника „мультискан“, позволяющего непосредственно регистрировать положение светового пятна. Данный фотоприемник обладает теми же возможностями, что и ПЗС-строка, при большем быстродействии.
„Мультискан“ является многофункциональным фотоприемным устройством. Опрос его фоточувствительных элементов — кремниевых фотодиодов — производится при помощи пар встречновключенных коммутационных диодов меньшей площади за счет перемещения вдоль структуры эквипотенциальной линии электрического поля. В процессе сканирования токи со всех приемных элементов постоянно поступают во внешнюю цепь, а информация о пространственном распределении освещенности формируется с учетом весовых коэффициентов, с которыми суммируются фототоки отдельных элементов. Режим коммутации, исключающий накопление заряда на элементных емкостях, обеспечивает регистрацию мгновенного распределения освещенности [3], при этом выходной сигнал мультискана Uвых связан с линейным перемещением измеряемого объекта у выражением
U вых
= Uo
y L
,
(1)
где L — длина светочувствительной площадки „мультискана“, Uо — опорное напряжение, подаваемое на „мультискан“.
На кафедре компьютеризации и проектирования оптических приборов НИУ ИТМО в течение последних лет исследовались характеристики „мультискана“ с целью определения возможности использовать его в фотоэлектрических приборах для контроля геометрических параметров.
Авторами настоящей статьи была предложена функциональная схема фотоэлектрического индикатора на базе позиционно-чувствительного приемника „мультискан“ (рис. 1).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
Фотоэлектрические приборы, основанные на позиционно-чувствительных приемниках 89
При перемещении измерительного штока 1 происходит смещение центра светового пятна, создаваемого светодиодом 2, на светочувствительной площадке „мультискана“ 3, с которого с помощью электронного блока 4 снимается аналоговый электрический сигнал U, выводимый на цифровой дисплей 5.
Искомое перемещение y и величина электрического сигнала связаны выражением
y
=
L0 Uo
U
,
(2)
3 45
где U — измеряемое напряжение.
2
На основе предложенной схемы спроектирован и изготовлен макет индикатора (рис. 2, 1 — фотоэлектрический индикатор, 2 — измеряемая концевая мера). С целью определения точностных характеристик были проведены исследования индикатора.
Измерялась предельная величина погрешности индикатора методом сравнения с концевыми мерами
L0 Uo U y
2,003
1
длины кл. 1 (ГОСТ 9083-73). Погрешность составила ∆y = 0,02 мм, а среднее
y
квадратическое отклонение σ = 0,007 мм.
Предложенный индикатор может быть применен
Рис. 1
в устройстве для контроля радиуса сферических поверхностей, внешний вид сферометра на
основе „мультискана“ приведен на рис. 3 (1 — индикатор, 2 — сферическая опора).
12
1 2
Рис. 2
Рис. 3
Радиус поверхности вычисляется по следующему закону:
R
=
D2 8y
+
l 2
±
r
=
D2 8nA
+
nA 2
±
r,
(1)
где D — диаметр опорного кольца, r — радиус сферической опоры-шара (для вогнутой поверхности знак плюс, для выпуклой — минус), l — стрелка прогиба измеряемой линзы, n —
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
90 О. А. Абакшина, Г. В. Егоров, С. М. Латыев, С. С. Митрофанов
число электрических счетных импульсов, вырабатываемых индикатором линейных перемещений, A — цена импульса.
Индикаторы на основе „мультискана“ могут быть использованы для контроля линейных размеров с возможностью алгоритмической коррекции [4]. Предварительный анализ погрешностей показал, что точность этого устройства не ниже точности аналогов.
На собранном макете устройства были произведены измерения поверхностей образцовой выпуклой линзы радиуса Rвып = 80,17 мм (σ = 0,0013 мм) и образцовой вогнутой линзы Rвог = 131,83 мм (σ = 0,0007 мм).
Предложенные устройства на основе „мультискана“ целесообразно использовать в качестве сферометров для контроля радиуса деталей оптических приборов и радиуса сферических поверхностей деталей газодинамических опор гироскопических приборов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бернштейн А. С. Фотоэлектрические измерительные микроскопы. М.: Машиностроение, 1976.
2. Онегин Е. Е. Точное машиностроение для микроэлектроники. М.: Радио и связь, 1986.
3. Берковская К. Ф. и др. // ЖТФ. 1983. Т. 53, № 10. С. 2015—2045.
4. Латыев С. М. Конструирование точных (оптических) приборов: Учеб. пособие. СПб: Политехника, 2007.
Ольга Алексеевна Абакшина Геннадий Васильевич Егоров Святослав Михайлович Латыев
Сергей Сергеевич Митрофанов
Сведения об авторах — студентка; Санкт-Петербургский национальный исследовательский
университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов — Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; доцент — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; заведующий кафедрой; E-mail: latyev@grv.ifmo.ru — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; E-mail: m1990s@mail.ru
Рекомендована факультетом ОИСТ
Поступила в редакцию 25.11.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
УДК 621.383:531.71
О. А. АБАКШИНА, Г. В. ЕГОРОВ, С. М. ЛАТЫЕВ, С. С. МИТРОФАНОВ
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА, ОСНОВАННЫЕ НА ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИЕМНИКАХ
Исследованы фотоэлектрические приборы и устройства для измерения линейных и угловых размеров, в которых использованы позиционно-чувствительные приемники типа „мультискан“.
Ключевые слова: фотоэлектрические приборы, позиционно-чувствительные приемники.
Введение. В течение длительного времени в оптическом приборостроении предпринимаются попытки создания простых и надежных фотоэлектрических устройств, способных автоматически измерять линейные и угловые размеры [1]. Работы в данном направлении не привели пока к созданию достаточно простых и дешевых приборов, которые удовлетворяли бы требованиям машиностроителей при работе в условиях как лаборатории, так и цеха. Большинство таких устройств построено на приборах с зарядовой связью [2] и оптических растрах, которые требуют применения довольно сложной электронной аппаратуры для обработки измерительного сигнала и имеют ограниченный динамический диапазон.
Значительная часть проблем, возникающих при разработке аппаратуры такого класса может быть решена при использовании разработанного в РАН позиционно-чувствительного фотоприемника „мультискан“, позволяющего непосредственно регистрировать положение светового пятна. Данный фотоприемник обладает теми же возможностями, что и ПЗС-строка, при большем быстродействии.
„Мультискан“ является многофункциональным фотоприемным устройством. Опрос его фоточувствительных элементов — кремниевых фотодиодов — производится при помощи пар встречновключенных коммутационных диодов меньшей площади за счет перемещения вдоль структуры эквипотенциальной линии электрического поля. В процессе сканирования токи со всех приемных элементов постоянно поступают во внешнюю цепь, а информация о пространственном распределении освещенности формируется с учетом весовых коэффициентов, с которыми суммируются фототоки отдельных элементов. Режим коммутации, исключающий накопление заряда на элементных емкостях, обеспечивает регистрацию мгновенного распределения освещенности [3], при этом выходной сигнал мультискана Uвых связан с линейным перемещением измеряемого объекта у выражением
U вых
= Uo
y L
,
(1)
где L — длина светочувствительной площадки „мультискана“, Uо — опорное напряжение, подаваемое на „мультискан“.
На кафедре компьютеризации и проектирования оптических приборов НИУ ИТМО в течение последних лет исследовались характеристики „мультискана“ с целью определения возможности использовать его в фотоэлектрических приборах для контроля геометрических параметров.
Авторами настоящей статьи была предложена функциональная схема фотоэлектрического индикатора на базе позиционно-чувствительного приемника „мультискан“ (рис. 1).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
Фотоэлектрические приборы, основанные на позиционно-чувствительных приемниках 89
При перемещении измерительного штока 1 происходит смещение центра светового пятна, создаваемого светодиодом 2, на светочувствительной площадке „мультискана“ 3, с которого с помощью электронного блока 4 снимается аналоговый электрический сигнал U, выводимый на цифровой дисплей 5.
Искомое перемещение y и величина электрического сигнала связаны выражением
y
=
L0 Uo
U
,
(2)
3 45
где U — измеряемое напряжение.
2
На основе предложенной схемы спроектирован и изготовлен макет индикатора (рис. 2, 1 — фотоэлектрический индикатор, 2 — измеряемая концевая мера). С целью определения точностных характеристик были проведены исследования индикатора.
Измерялась предельная величина погрешности индикатора методом сравнения с концевыми мерами
L0 Uo U y
2,003
1
длины кл. 1 (ГОСТ 9083-73). Погрешность составила ∆y = 0,02 мм, а среднее
y
квадратическое отклонение σ = 0,007 мм.
Предложенный индикатор может быть применен
Рис. 1
в устройстве для контроля радиуса сферических поверхностей, внешний вид сферометра на
основе „мультискана“ приведен на рис. 3 (1 — индикатор, 2 — сферическая опора).
12
1 2
Рис. 2
Рис. 3
Радиус поверхности вычисляется по следующему закону:
R
=
D2 8y
+
l 2
±
r
=
D2 8nA
+
nA 2
±
r,
(1)
где D — диаметр опорного кольца, r — радиус сферической опоры-шара (для вогнутой поверхности знак плюс, для выпуклой — минус), l — стрелка прогиба измеряемой линзы, n —
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
90 О. А. Абакшина, Г. В. Егоров, С. М. Латыев, С. С. Митрофанов
число электрических счетных импульсов, вырабатываемых индикатором линейных перемещений, A — цена импульса.
Индикаторы на основе „мультискана“ могут быть использованы для контроля линейных размеров с возможностью алгоритмической коррекции [4]. Предварительный анализ погрешностей показал, что точность этого устройства не ниже точности аналогов.
На собранном макете устройства были произведены измерения поверхностей образцовой выпуклой линзы радиуса Rвып = 80,17 мм (σ = 0,0013 мм) и образцовой вогнутой линзы Rвог = 131,83 мм (σ = 0,0007 мм).
Предложенные устройства на основе „мультискана“ целесообразно использовать в качестве сферометров для контроля радиуса деталей оптических приборов и радиуса сферических поверхностей деталей газодинамических опор гироскопических приборов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бернштейн А. С. Фотоэлектрические измерительные микроскопы. М.: Машиностроение, 1976.
2. Онегин Е. Е. Точное машиностроение для микроэлектроники. М.: Радио и связь, 1986.
3. Берковская К. Ф. и др. // ЖТФ. 1983. Т. 53, № 10. С. 2015—2045.
4. Латыев С. М. Конструирование точных (оптических) приборов: Учеб. пособие. СПб: Политехника, 2007.
Ольга Алексеевна Абакшина Геннадий Васильевич Егоров Святослав Михайлович Латыев
Сергей Сергеевич Митрофанов
Сведения об авторах — студентка; Санкт-Петербургский национальный исследовательский
университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов — Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; доцент — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; заведующий кафедрой; E-mail: latyev@grv.ifmo.ru — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; E-mail: m1990s@mail.ru
Рекомендована факультетом ОИСТ
Поступила в редакцию 25.11.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4