Введение к работе
-3-
Актуальность темы диссертационной работы определяется тем, что исследование и разработка позиционно-чувствительных фотоприемников связаны с решением многих задач бесконтактных измерений и дистанционного контроля с точностью, достигающей 10" -10" от измеряемого диапазона. Кроме того, исследование интегральных методов формирования сигнала актуально с точки зрения выделения информативных признаков изображений непосредственно на входных слоях систем технического зрения.
Известные позиционно-чувствительные фотоприемники, такие
как ФПЗС-приборы, четырех-квадг антные фотодиоды,
фотопотенциометры, при&зры на основе МДП- и р-і-п-структур, по принципу своего действия требуют усиления ' и обработки электрического сигнала во внешних цепях, что не позволяет производить измерения положения оптического сигнала с точностью выше 10" от диапазона перемещений.
Значительные преимущества, с точки зрения обеспечения высокой точности таких измерений, имеют фотоприемники, использующие интегральный принцип формирования сигнала. Однако, известный фотоприемник сканистор, реализующий этот принцип, не обеспечивает потенциальные возможности метода из-за большой величины темповых токов (10" А) и принципиально различной чувствительности р-п-переходов.
Предложенный в работе дискретный вариант структуры, реализованной в фотоприемнике мультискан, требует исследования ;войств координатной характеристики позиционно-чувствительного фотоприемника, с точки зрения ее монотонности, зависимости этой характеристики от свойств материала, геометрических параметров прибора, эффективности преобразования светового сигнала в фототок.
Целью диссертационной работы является исследование физических процессов формирования интегрального сигнала в тозшшонно-чувствителыюм фотоприемнике с дискретной структурой л влияния электрофизических и конструктивных параметров ііультискана на его точностные характеристики.
Задачи исследования:
-развитие теоретической модели формирования выходного сигнала в позиционно-чувствигельном фотоприемнике мультискан в режиме координатоуказания положения одиночного светового пятна с учетом, диффузионных и дрейфовых процессов;
-анализ влияния дискретности структуры мультискана на равномерность координатной характеристики, а также влияния электрофизических и конструктивных параметров мультискана на величину случайной и систематической погрешностей измерения координат;
-исследование зависимости точности координатоуказания от апертурной характеристики и размеров светового пятна;
-экспериментальные исследования линейности координатной характеристики мультискана, а также случайной погрешности измерений координаты в зависимости от величины сигнала и других внешних факторов.
Представляемые к зашите научные положения:
Положение 1. Непрерывность координатной характеристики фотоприемника мультискан, имеющего дискретную структуру р-п-перехедов, обеспечивается линейным распределением потенциала вдоль фоточутзетвительного поля прибора в сочетании с подвижной апертурой, образованной переходной областью вольт-амперной характеристики встречно-вклгоченных р-п-переходов.
Положение 2. В режиме координатоуказания одиночного светового пятна центр подвижной апертуры устанавливается в области оптического сигнала, при этом наличие переходной области вольт-амперной характеристики приводит к снижению эффективности преобразования энергии падающего светового потока в электрический ток. Дги сохранения эффективности этого преобразования на уровне не менее 0,7 по сравнению с диодным режимом необходимо, чтобы между шириной апертуры Ах и размером светового пятна с соблюдалось следующее соотношение Ах<2о\
Положение 3. Наличие электрического поля в одном из двух изолированных слоев мультискана приводит к искажению симметрии
распределения фототоков по p-n-переходам и образованию систематической ошибки в оценке координаты светового пятна. Величина этой ошибки при выбранных параметрах 'мультискана и напряжении питания 10В не превышает 3 мкм.
Положение 4, Монотонность (отсутствие неоднозначности показаний) координатной характеристики мультискана при дискретной структуре р-п-переходов обеспечивается механизмом диффузионного растекания а сочетании с определенным соотношением между размером светового пятна а и шагом дискретности структуры /. Монотонность соблюдается при /
Положение 5. величина систематической ошибки координатоуказания, обусловленной наличием темпового тока прибора, пропорциональна соотношению между темповым и фототоками структуры, а также расстоянию между координатами центра светового пятна и "темпового центра прибора", параметром, характеризующим равномерность распределения темновых токов и определяемым как величина выходного сигнала при отсутствии света.
Положение б. Работа мультискана в режиме прямого детектирования обеспечивает большой динамический диапазон фотоприемника, что позволяет производить фильтрацию пульсирующего сигнала и определять его координату на фоне посторонних засветок, превышающих по мощности сигнал в 10 раз.
Приоритет результатов: представляемые к защите результаты исследований особенностей формирования интегрального сигнала в дискретных структурах имеют приоритетный характер, что подтверждается материалами - публикаций и докладами на конференциях.
Значение результатов:
Полученные результаты позволяют оптимизировать
электрофизические и геометрические параметры многоэлементных фотоприемников с интегральным преобразованием сигнала.
предназначенных для выделения информативных признаков оптических сигналов во входных слоях систем технического зрения. Проведенные исследования явились основой разработки нового позиционно-чувствительного фотоприемника, сочетающего в себе малые темповые токи, монотонность координатной характеристики и высокую точность позиционирования центра оптического сигнала.
Доклады и публикации: материалы диссертационной работы докладывались на Международном совещании "Оптоэлектроника -89" Баку. 1989;
на Всесоюзной конференции "Разработка систем технического зрения и их применение в промышленности" Уфа, 1992; на конференции "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" Пенза, 1994; на 2-ой Всероссийской конференции РОАИ-2-95, Ульяновск.
По результатам исследований опубликовано 10 работ и подано 2 заявки на патент.
Структура диссертации: диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы из 77 работ. Объем диссертации составляет 132 страницы, включая 78 страниц основного текста и 53 рисунка.