High-resolution light spot localization with photodiode arrays

Beschrieben werden zwei einfache analoge Techniken zur Positionsbestimmung eines Lichtpunktes entlang einer linearen Photodioden-Anordnung, wobei entweder das Maximum des Intensitaetsverlaufes lokalisiert wird oder sein Schwerpunkt unter der Flaeche (photometric centroid). Arbeitsprinzip der ersten Schaltung, mit der durch einfache Veraenderungen auch mehr als ein Intensitaetsmaximum lokalisiert werden kann: Das von den Photodioden erhaltene Stufensignal wird zur Glaettung integriert und anschliessend differenziert. Zu Beginn jedes Abtastvorganges (Abtastfrequenz 400 Hz) wird ein linearer Spannungsanstieg gestartet, dessen jeweiliger Wert beim Nulldurchgang des differenzierten Signals (Intensitaetsmaximum) festgehalten und als Ausgangsspannung ausgegeben wird. Dieser Spannungswert gibt die Position des Lichtpunktes an. Aus der Spannungsaenderung zwischen den Abtastvorgaengen kann das Vorzeichen der Bewegungsrichtung bestimmt werden. Die zweite Technik arbeitet nach der mathematischen Definition des Schwerpunktes Xs = ∫I(x)Xdx/∫I(x)dx wobei I(x) die Ausgangsspannung der Photodiodenanordnung ist und X eine linear ansteigende Spannung. Mit einem einfachen Versuchsaufbau wurde die Verschiebung eines Spiegels ueber einem Bereich von 100 μm mit einer Empfindlichkeit von 0,05 μm gemessen. Die Genauigkeit der ersten Schaltung betrug 1 μm, die der zweiten 3,5 μm, jeweils unter Verwendung der Reticon-Anordnung (256 Elemente, jeweils in 16 μm Abstand (Zentrum zu Zentrum)).