Position Sensitive Device

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 eine an zwei gegenüberliegenden Seiten kontaktierte Deckelektrode einer großflächigen Photodiode (meist eine pin-Diode) benutzt. Hierfür ist die weitere Interpretation der Abkürzung PSD (position sensitive diode) gebräuchlich.

Die Deckelektrode besitzt einen vergleichsweise hohen, einheitlichen Flächenwiderstand^[1]. Die Diode wird punktförmig belichtet. Im Bereich der Belichtung entsteht ein Fotostrom, der je nach Lichtposition in einem bestimmten Verhältnis über die an den Rändern liegenden Kontaktierungen abfließt. Aus den Strömen I_a, I_b, I_c und I_d 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. Die Positionsmessung ist weitgehend unabhängig von der Größe des Lichtpunktes^[2].

Nachteilig ist die Abhängigkeit der Ortsmessung von der Form 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, ISBN 951-42-5780-4 8(Abstract und PDF).
• Nicola Massari, Lorenzo Gonzo, Massimo Gottardi, Andrea Simoni: High Speed Digital CMOS 2D Optical Position Sensitive Detector. In: Proceedings of the 28th European Solid-State Circuits Conference. ESSCIRC 2002. 2002, S. 723–726 (PDF).
• J. T. Wallmark: A New Semiconductor Photocell Using Lateral Photoeffect. In: Proceedings of the IRE. 45, Nr. 4, 1957, S. 474–483, doi:10.1109/JRPROC.1957.278435.

Siehe auch

• Photodiode
• pin-Diode
• Photoeffekt

Weblinks / Einzelnachweise / Fußnoten

• Methoden der Positionsmessung - PSD und CCD im Vergleich (PDF-Datei; 152 kB)

1. ↑ Anm.: Solarzellen und andere Fotodioden sollen dagegen einen möglichst niedrigen Flächenwiderstand der transparenten Deckelektrode besitzen
2. ↑ http://sales.hamamatsu.com/de/produkte/solid-state-division/position-sensitive-detectors.php Kurzbeschreibung PSD