Optischer Positionssensor

Ein Position Sensitive Device bzw. Position Sensitive Detector (PSD) ist ein Optischer Positionssensor (OPS), der die ein- oder zweidimensionale Position eines Lichtpunktes messen kann.

Prinzipien

PSDs arbeiten nach verschiedenen Prinzipien. Grundsätzlich kann man diese in zwei Klassen einteilen: Zum einen die analogen Sensoren, die eine isotrope Sensoroberfläche haben und kontinuierliche Positionsinformation liefern, zum anderen diskrete Sensoren, deren Oberfläche rasterartig strukturiert ist und die daher eine diskrete Ortsinformation liefern.

Analoge Sensoren

Prinzipieller Aufbau eines PSD auf Basis einer pin-Diode

In der technischen Anwendung wird mit dem Begriff PSD meist das Konstruktionsprinzip bezeichnet, das den erstmals 1957 von J.T. Wallmark (Lit.: ) publizierten lateralen Photoeffekt für die Ortsmessung benutzt. Dabei wird ein flächiger Halbleiter, eine sogenannte pin-Diode, punktförmig belichtet. Durch die Belichtung verändert sich der lokale Widerstand und dadurch die Ströme, die über die vier an den Rändern liegenden Elektroden fließen. Aus den mittleren Strömen I_a, I_b, I_c und I_d, der Elektroden kann der Ort der Belichtung aus folgenden Formeln berechnet werden.

$x = k_x \cdot \frac{I_b - I_d}{I_b + I_d}$

und

$y = k_y \cdot \frac{I_a - I_c}{I_a + I_c}$

Dabei sind k_x und k_y einfache Skalierungsfaktoren, die eine näherungsweise Transformation in metrische Koordinaten erlauben.

Vorteil des Verfahrens ist die kontinuierliche Messung der Position mit Messraten bis über hundert Kilohertz. Nachteilig ist die Abhängigkeit der Ortsmessung von Form und Größe des Lichtpunktes sowie der nichtlineare Zusammenhang von Strömen und Ort, die durch spezielle Elektrodenformen teilweise kompensiert werden können.

Diskrete Sensoren

Serielle Auswertung

Das am weitesten verbreitete Sensorprinzip für Anwendungen mit weniger als 1 kHz Messrate ist die CCD- oder CMOS-Kamera. Der Sensor ist bei Ihnen in einzelne Felder, sogenannte Pixel, unterteilt, deren Belichtungswert sequentiell ausgelesen werden kann. Die Position des Lichtpunktes kann mit den Methoden der photogrammetrischen Bildmessung direkt aus der Helligkeitsverteilung berechnet werden.

Parallele Auswertung

Funktionsprinzip eines diskreten PSDs nach (Lit.: Massari) mit paralleler Auswertung. Der gelbe Kreis markiert die beleuchtete Fläche.

Für schnellere Anwendungen wurden Matrixsensoren mit paralleler Auswertung entwickelt. Dabei wird sowohl zeilenweise als auch spaltenweise die Beleuchtungsstärke jedes Pixels mit einem globalen Schwellwert verglichen. Die Vergleichsergebnisse werden zeilen- und spaltenweise mit einem logischen ODER verknüpft. Aus allen Spalten und allen Zeilen die ein Element enthalten das heller ist als der vorgegebene Schwellwert (im Bild rot markiert) wird jeweils der Mittelwert der Koordinaten berechnet und ausgegeben: Das ist die gesuchte Koordinate des Lichtpunktes.

Literatur

• Anssi Mäkynen: Position-Sensitive Devices and Sensor Systems for optical Tracking and Displacement Sensing Application. Dissertation, Faculty of Technology, University of Oulu, 2000, Abstract und PDF, ISBN 951-42-5780-4
• Nicola Massari, Lorenzo Gonzo, Massimo Gottardi and Andrea Simoni: High Speed Digital CMOS 2D Optical Position Sensitive Detector. ESSCIRC, Firenze, Italy , Sept. 2002, PDF
• J. T. Wallmark: A new semiconductor photocell using lateral photoeffect. Proceedings of the IRE, Band 45, S. 474-483, 1957

Siehe auch

• Photodiode
• pin-Diode
• Photoeffekt

Weblinks

• Methoden der Positionsmessung - PSD und CCD im Vergleich