Dispositivo sensible a la posición

Un sensor fotoeléctrico tetralateral bidimensional (PSD) permite la medición continua de la posición del punto de luz incidente en dos dimensiones. Consta de un diodo PIN cuadrado con una capa resistiva. Cuando la luz incide sobre el área activa del sensor, se generan fotocorrientes que se recogen en cuatro electrodos situados a lo largo de cada lado del cuadrado, cerca del borde. La posición de la luz incidente se puede estimar a partir de las corrientes recogidas por los electrodos.

${\displaystyle x=k_{x}\cdot {\frac {I_{4}-I_{3}}{I_{4}+I_{3}}}}$

y

${\displaystyle y=k_{y}\cdot {\frac {I_{2}-I_{1}}{I_{2}+I_{1}}}}$

El detector de posición tetralateral bidimensional (2D PSD) ofrece las ventajas de una respuesta rápida, una corriente oscura mucho menor, una fácil aplicación de polarización y un menor coste de fabricación. Su precisión y resolución de medición son independientes de la forma y el tamaño del punto, a diferencia del detector de cuadrante, que puede verse fácilmente afectado por la turbulencia del aire. Sin embargo, presenta el problema de la no linealidad. Si bien la estimación de la posición es aproximadamente lineal con respecto a la posición real cuando el punto se encuentra en el centro del PSD, la relación se vuelve no lineal cuando el punto de luz se aleja del centro. Esto limita seriamente sus aplicaciones y existe una necesidad urgente de mejorar la linealidad en muchas de ellas.

Para reducir la no linealidad del PSD 2-D, se ha propuesto un nuevo conjunto de fórmulas para estimar la posición de la luz incidente (Song Cui, Yeng Chai Soh: Índices de linealidad y mejora de la linealidad del detector sensible a la posición tetralateral 2-D. IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 57, n.º 9, págs. 2310-2316, 2010):

${\displaystyle x=k_{x1}\cdot {\frac {I_{4}-I_{3}}{I_{0}-1.02(I_{2}-I_{1})}}\cdot {\frac {0.7(I_{2}+I_{1})+I_{0}}{I_{0}+1.02(I_{2}-I_{1})}}}$

y

${\displaystyle y=k_{y1}\cdot {\frac {I_{2}-I_{1}}{I_{0}-1.02(I_{4}-I_{3})}}\cdot {\frac {0.7(I_{4}+I_{3})+I_{0}}{I_{0}+1.02(I_{4}-I_{3})}}}$

dónde  :${\displaystyle I_{0}=I_{1}+I_{2}+I_{3}+I_{4}}$, y  :${\displaystyle k_{x1},k_{y1}}$son nuevos factores de escala.

A continuación se simulan los resultados de la estimación de posición obtenidos con este conjunto de fórmulas. Suponemos que el punto de luz se mueve a pasos en ambas direcciones y representamos las estimaciones de posición en un plano bidimensional. Por lo tanto, se debería obtener un patrón de cuadrícula regular si la posición estimada es perfectamente lineal con la posición real. El rendimiento es mucho mejor que el de las fórmulas anteriores. Las simulaciones detalladas y los resultados experimentales se pueden encontrar en el artículo de S. Cui.

Las aplicaciones más comunes de sensores con una frecuencia de muestreo inferior a 1000  Hz son las cámaras CCD o CMOS . El sensor se divide en píxeles individuales cuyo valor de exposición se puede leer secuencialmente. La posición del punto de luz se puede calcular mediante fotogrametría directamente a partir de la distribución de brillo.

Para aplicaciones más rápidas, se desarrollaron sensores matriciales con procesamiento paralelo. Tanto línea por línea como por columnas, la densidad de luz de cada píxel se compara con un valor umbral global. Los resultados de la comparación se convierten en líneas y columnas con enlaces lógicos OR. De todas las columnas y todas las líneas, el elemento más brillante que un valor umbral dado es el valor promedio de las coordenadas calculadas del punto de luz.