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Photoelektrisch arbeitende Einrichtung zur Feststellung der Lage eines
sich in einer Ebene bewegenden Lichtpunktes Die Erfindung betrifft eine photoelektrisch
arbeitende Einrichtung zur Feststellung der Lage eines sich in einer Ebene bewegenden
Lichtpunktes.
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Es ist bekannt, für eine eindimensionale Feststellung der Lage eines
Lichtpunktes einen eine Korngrenze aufweisenden Halbleiterkörper zu verwenden, da
sich bekanntlich die transversale photoelektrische Spannung ändert, wenn ein Lichtpunkt
die Korngrenze überquert (vgl. hierzu z. B. den Aufsatz von G. L. P e a r s o n
in Physical Review, Vol. 76, S. 459, 1949, sowie die amerikanische Patentschrift
Nr. 2740901). Der Anwendungsbereich solcher eindimensionaler Feststellungssysteme
ist indessen naturgemäß beschränkt.
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Mit der Erfindung soll daher eine zweidimensional arbeitende photoelektrische
Einrichtung zur Feststellung der Lage eines sich in einer Ebene bewegenden Lichtpunktes
geschaffen werden; der Gegenstand der Erfindung ist eine aus einem Bikristall bestehende
dünne Halbleiterplatte, die nur eine einzige geradlinig ausgebildete, die Oberfläche
der Halbleiterplatte teilende Korngrenze aufweist, die ferner mit zwei Kontaktpaaren
ausgestattet ist, von denen die Kontakte des ersten Paares sperrschichtfrei an den
der Korngrenze parallelen Kanten und die Kontakte des zweiten Paares an den zu der
Korngrenze senkrechten Kanten der Halbleiterplatte angeordnet und so ausgebildet
sind, daß an beiden Kontaktierungsflächen dieses zweiten Paares Sperrschichten gleichen
Charakters und entgegengesetzter Sperrichtung entstehen, wobei jedes Kontaktpaar
mit einem elektrischen Stromkreis verbunden ist, welcher mit Anzeigemitteln für
die in ihm auftretende lichtelektrische Spannung bzw. Stromstärke ausgestattet ist,
und deren Oberfläche schließlich von dem Licht des Lichtpunktes durch übliche optische
Mittel praktisch punktförmig beleuchtet wird.
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Vorzugsweise besteht der Halbleiterkörper aus Germanium und sind die
Sperrschichten des zweiten Kontaktpaares durch anlegierte Indiumkontakte gebildet.
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Als Anzeigemittel für die beiden photoelektrischen Spannungen bzw.
Ströme lassen sich die beiden Ablenksysteme eines in einem rechtwinkligen Koordinatensystem
anzeigenden Kathodenstrahloszillographen verwenden. Auch Voltmeter u. dgl. sind
anwendbar.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind als optische Mittel zur
Abbildung des Lichtpunktes auf die Halbleiteroberfläche eine Abbildungslinse und
ein Planspiegel oder statt beider ein Abbildungsspiegel verwendet, wobei der Spiegel
in -beiden Fällen kardanisch gelagert ist. . Die beiden Drehachsen des Spiegels
können durch auf Stromrichtung in entgegengesetztem Sinne ansprechende Servomotoren
verstellt werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung dienen als Anzeigemittel
für die beiden Ausgangsspannungen bzw. -ströme der Halbleiterplatte die beiden Servomotoren
der kardanischen Lagerung des Spiegels, von denen der eine in den ersten Kontaktkreis,
der andere in den zweiten Kontaktkreis geschaltet ist. Hierbei sind zweckmäßigerweise
Verstärker vorgesehen, welche dann die beiden Ausgangsspannungen der Halbleiterplatte
den Servomotoren verstärkt zuführen.
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Die Laufrichtungen der Servomotoren sind vorzugsweise so gewählt,
daß die durch sie bewirkte Drehung des Spiegels um beide Drehachsen derart mit einer
Verringerung der Ausgangsspannungen bzw. -ströme beider Kontaktpaare verbunden ist,
daß durch die Spiegeldrehung der Lichtpunkt auf der Halbleiterfläche dem als Nullpunkt
eines Koordinatensystems wirkenden Mittelpunkt der Oberfläche nähergeführt wird.
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Der Halbleiterplatte kann ein Koordinatensystem zugeordnet werden,
dessen eine Achse durch die Korngrenzengeradeund dessen andere, darauf senkrecht
stehende Koordinate durch die auf der Korngrenzengeraden senkrechte Mittelgerade
der Halbleiterplatte definiert ist.
In weiterer Ausgestaltung der
Erfindung können Registriermittel vorgesehen sein, welche die Winkelstellungen des
Spiegels in beiden Drehrichtungen in Abhängigkeit von der Zeit aufzeichnen.
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Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungs- -beispieles in Verbindung
mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine schematische, perspektivische
Darstellung einer Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 eine
graphische Darstellung der transversalen photoelektrischen Spannung als Funktion
der Lichtpunktanlage für eine gegebene Lichtintensität und einen bestimmten Lichtpunktdurchmesser
und Fig.3 eine graphische Darstellung der seitlichen photoelektrischen Spannung
für zwei verschiedene Lichtpunktlagen, aber bei gleicher Lichtintensität und gleichem
Lichtpunktdurchmesser.
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In Fig. 1 ist der Halbleiterkörper allgemein mit 10 bezeichnet. Obwohl
sich andere halbleitende Materialien wie Silizium und die 111-V-Stoffe verwenden
lassen, sei für die folgenden Erörterungen angenommen, daß der Körper 10 eine kleine
Platte rechtwinkligen Querschnittes aus Germanium mit n-Leitfähigkeit ist. Die Platte
10 ist in Fig. 1 mit Bezug auf die übrige Vorrichtung stark vergrößert dargestellt;
sie kann beispielsweise 6 mm lang, 2 mm breit und 0,5 mm dick sein. Die Platte 10
hat bei 12 eine Korngrenze, die sich rechtwinklig zu ihrer Hauptachse erstreckt.
Kontakte 14, 16 eines ersten Kontaktpaares sind sperrschichtfrei an den Seitenkanten
der Platte angeordnet. Zwei Indiumkontakte 18, 20 sind an entgegengesetzten Seiten
der Korngrenze 12 anlegiert.
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Um eine praktische Awendung der Erfindung bei der Verfolgung eines
Lichtpunktes zu veranschaulichen, sei angenommen, daß das bewegliche Ziel die Form
einer kleinen Lichtquelle 22 hat. Wie mit den Pfeilen 24, 26 angedeutet, kann sich
die Zielquelle oder der Zielpunkt 22 in beiden Dimensionen einer Ebene in entgegengesetzten
Richtungen bewegen.
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Der Zielpunkt 22 kann verschiedenartigsten Ursprung haben. Beispielsweise
kann er ein Stern, ein an einem Luftfahrzeug angebrachtes Licht, eine von einem
beweglichen Maschinenwerkzeug getragene, z. B. der Beleuchtung dienende, Lichtquelle
und anderes mehr sein.
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Licht vom Zielpunkt 22 wird durch eine ortsfest angeordnete Sammellinse
28 auf einen Planspiegel 30 gerichtet. Von diesem wird das Licht in Form eines kleinen
praktisch punktförmig begrenzten Flecks 32 auf die Halbleiterplatte 10 reflektiert.
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Um der Bewegung der Quelle 22 folgen zu können, ist der Spiegel 30
kardanisch gelagert, und zwar derart, daß er um eine von einem aufrecht stehenden
Bügel 34 gebildete horizontale Achse geschwenkt werden kann, während der Bügel seinerseits
um eine vertikale Achse drehbar ist. Die Schwenk- oder Drehbewegung des Spiegels
30 um die horizontale Achse ist mittels des Pfeiles 36, diejenige um die vertikale
Achse mittels des Pfeiles 38 angedeutet.
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Die Drehung des Spiegels 30 um die vertikale Achse wird mittels eines
Servomotors 40 am Sockel des Bügels 34 bewirkt, während die Vertikaldrehung mittels
eines Servomotors 42 erfolgt, der an dem Bügel so gelagert ist, daß er zusammen
mit diesem drehbar ist. Die Servomotoren 40, 42 sind in übliche: Weise ausgeführt
und werden daher nicht im einzelnen beschrieben. Sie sprechen beide auf Spannungspolarität
und außerdem vorzugsweise auf Spannungsamplitude an. Da verhältnismäßig kleine Spannungssignale
verarbeitet werden müssen, ist ein Verstärker 44 in den Kreis des Servomotors
40 eingeschleift. Ebenso liegt ein Verstärker 46 im Kreis des Servomotors
42. Eine Seite des Verstärkers 44 ist an den Kontakt 16 angeschlossen, während der
Kontakt 14' geerdet ist, so daß dem Servomotor 40 über den Verstärker 44 jedes zwischen
den Kontakten 14, 16 auftretende photoelektrische Signal aufgedrückt wird. In ähnlicher
Weise ist eine Seite des Verstärkers 46 an den Kontakt 20 angeschlossen und wird
durch Verbinden des Kontaktes 18 mit dem Servomotor 42 jedes zwischen den Kontakten
18, 20 entwickelte photoelektrische Signal über den Verstärker 46 an den Servomotor
42 gelegt.
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Die Kurve 50 der Fig. 2 gibt die transversale photoelektrische Spannung
als Funktion der Lage des Lichtpunktes 32 wieder. Interessant ist dabei, daß die
spezielle Halbleiterplatte 10, von der die Kurve gemäß Fig.2 stammt, eine um 25°
schrägliegende Grenze enthält. Die photoelektrische Spannung ist in Fig. 2 in Minivolt
gegen die Lichtpunktlage in Millimeter aufgetragen. Es ist deutlich erkennbar, daß
dort, wo der Lichtpunkt 32 die Korngrenze 12 kreuzt, eine plötzliche Polaritätsumkehr
stattfindet. Die Extremwerte der Kurve 50 treten auf, wenn sich der Umkreis des
Lichtpunktes 32 an der Korngrenze befindet.
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In jedem Falle wird von der Polaritätsumkehr der transversalen photoelektrischen
Spannung Gebrauch gemacht, um die Laufrichtung des Servomotors 40 zu steuern..
Entsteht keine Spannung, befindet sich de: Punkt 32 an der Korngrenze
12, und eine Richtigstellung des Spiegels 30 ist nicht nötig. Wenn andererseits
der Punkt 32 z. B. nach rechts verschoben wird. entsteht ein positives Signal, das
eine Drehung des Bügels 34 im Uhrzeigersinn entsprechend dem betreffenden Pfeil
38 hervorruft. Eine solche Drehung stellt den Spiegel 30 derart ein, daß der Punkt
32 in eine Nullstellung zurückgeführt wird, die sieh mit der Korngrenze 12 deckt.
Wird statt dessen der Punkt 32 von der Korngrenze aus nach links (Fig.1) verschoben,
findet, da ein negatives Signal entsteht, eine Nachführung in entgegengesetzter
Richtung statt.
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In Fig. 3 ist in zwei gesonderten Kurven 54 und 5F die seitliche photoelektrische
Spannung als Funktion der Lichtpunktlage dargestellt. Die Kurve 54 stammt von einem
Lichtpunkt 32, der sich längs der Korngrenze 12 bewegt, ganz so, wie er es in Fig.
1 zu tun scheint. Mit anderen Worten würde der mit 32 bezeichnete Lichtpunkt die
Korngrenze 12 decken und sich z. B. vom Indiumkontakt 18 zum gegenüberliegenden
Indiumkontakt 20 bewegen. Die Kurve 56 hingegen stammt von einem Lichtpunkt,
der sich parallel zur Korngrenze 12, im vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem
Abstand von 0,2 mm rechts von der Korngrenze, bewegt. Das Auftreten der seitlichen
photoelektrischen Spannung hängt im Gegensatz zu dem durch die Kurve 50 dargestellten
Transversaleffekt vom Abstand der Indiumkontakte 18 und 20 ab und nimmt mit abnehmendem
Abstand zu. Der seitliche Photoeffekt steht mit der p-leitfähigen Inversionsschicht
an der Korngrenze 12 in Zusammenhang.
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Demgemäß wird, während ein transversaler photoelektrischer Effekt
auftritt, wenn sich der Lichtpunkt 32 zwischen den sperrschichtfreien Kontakten
14 und 16 bewegt, ein seitlicher photoelektrischer Effekt
beobachtet,
wenn sich der Punkt zwischen den Indiumkontakten 18 und 20 bewegt. In beiden Fällen
ergibt sich eine Polaritätsumkehr, wenn der Lichtpunkt über die Koordinatenachsen
eines Koordinatensystems bewegt wird, dessen eine, dem transversalen photoelektrischen
Effekt zugeordnete Koordinate durch die Korngrenze 12 und dessen andere, dem seitlichen
photoelektrischen Effekt zugeordnete Koordinate durch die auf der Korngrenze senkrechte
Mittelgerade zwischen den Kontakten 18, 20 bestimmt ist. Wie ersichtlich, ist die
entwickelte seitliche photoelektrische Spannung für irgendeine gegebene Abweichung
von der Mittelgeraden am größten, wenn der Lichtpunkt auf der Korngrenze liegt (Kurve
54). Die maximale Spannung für einen gegebenen Abstand von der Korngrenze 12 tritt
auf, wenn sich der Lichtpunkt 32 nahe einem der Indiumkontakte 18, 20 befindet.
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Infolgedessen entsteht, wenn der Punkt 32 zu einer Stelle, z. B. oberhalb
der Mittelgeraden verschoben worden ist, ein positives Spannungssignal, das es erfordert,
daß der Spiegel 30 entsprechend dem Pfeil 36 im Uhrzeigersinn geschwenkt wird. Diese
Bewegung erfolgt mittels des Servomotors 42, wenn letzterer das verstärkte Signal
empfängt. Das Umgekehrte tritt selbstverständlich ein, wenn der Punkt 32 unter die
Mittelgerade gelangt, da sich dann, wie aus den Kurven 54, 56 hervorgeht, die Polarität
umkehrt und der Servomotor 42 in entgegengesetzter Richtung läuft, um den Punkt
32 anzuheben.