научная статья по теме ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ СПЕКТРАЛЬНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ СПЕКТРАЛЬНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ»

УДК 681.325 (088.8)

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ СПЕКТРАЛЬНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

С.А. Матюнин

Рассматриваются принципы спектрального взаимодействия в многокомпонентных оптоэлектронных системах, приводятся примеры их реализа ции в ряде оптоэлектронных преобразователей и элементов — в датчиках линейных и угловых перемещений, стабил ьных источниках и приемниках оптического излучения, устройствах гальванической развязки, коммутаторах опти ческих сигналов и др.

Общепризнанно, что применение оптоэлект-роники в контрольно-измерительной технике и системах управления позволяет достигать высоких метрологических характеристик и устойчивости к электромагнитным воздействиям, создавать помехоустойчивые каналы связи и элементы практически идеальной гальванической развязки измерительных, управляющих и силовых цепей и др. Оптоэлектронное устройство (ОЭУ) в каждом конкретном случае реализуется лишь частью блоков, представленных в его обобщенной структуре (рис. 1) [1]. В соответствии с этим можно выделить три основные группы ОЭУ:

• оптоэлектронные элементы [источник излучения (ИИ); оптическая система (ОС), передающая и преобразующая излучение; приемник излучения (ПИ)];

• элементарные оптроны (содержат блоки ИИ-ОС-ПИ);

• оптоэлектронные преобразователи (содержат совокупность элементарных оптронов, устройства согласования и управления). Воздействие информативных параметров в ОЭУ

осуществляется, в основном, двумя способами:

• путем пространственно-временной модуляции светового потока некогерентного излучения (к тому же, в конечном счете, сводится и изменение степени и направления поляризации излучения);

• путем интерференционного взаимодействия когерентных компонент излучения и их модуляции.

Например, в устройствах гальванической развязки аналоговых сигналов — оптронах — воздействие информативного параметра осуществляется посредством управления режимом работы ИИ, а в оптоэлектронных аналого-цифровых датчиках перемещения — посредством пространственной модуляции излучения в канале оптической связи источника и приемника излучения.

Возможен и третий способ воздействия информативных параметров — путем изменения спектральных характеристик элементов ОЭУ [2, 3]. В этом случае воздействие информативных параметров проявляется в изменении формы, положения и размера взаимного перекрытия спектральных характеристиках. Такое изменение спектральных характеристик может происходить под воздействием информативных (управляющих) параметров как естественного, так и искусственного происхождения. В общем случае необходимое взаимодействие спектральных характеристик достигается путем введения в оптический канал ОЭУ специальных спект-роформирующих элементов (СФЭ). В конструктивном отношении удобно выполнять СФЭ в виде многослойных тонкопленочных покрытий (МТП), наносимых на поверхности источников и приемников излучения или (и) элементов оптической системы. Такие оптоэлектронные элементы в дальнейшем будем называть многокомпонентными оп-тоэлектронными элементами (МОЭ).

Многокомпонентные оптоэлектронные элементы спектрального взаимодействия — это оптоэлектронные элементы, в оптическую цепь которых введены компоненты, выполняющие спект-

Информативные параметры

1 1 г 1 1 Г

Формирователь сигналов управления ИИ Источник излучения Среда распространения Оптическая система - Оптический фильтр

Внешние дестабилизирующие факторы

Выходное устройство

1

Усилитель преобразователь Приемник излучения Анализатор изображения

- - N-

Рис. 1. Обобщенная структура ОЭУ

Рис. 2. Структурная схема МОС

роформирующую и спектровзаимодействующую функции, функции пространственной и временной фильтрации и модуляции. Многокамяонентнь/е оятоалектдоннь/е системы (МОС) спектрального взаимодействия — это оптоэлекгронные устройства, содержащие хотя бы один многокомпонентный оптоэлектронный элемент, воздействие информативных параметров в которых происходит вследствие взаимодействия их спектральных характеристик.

Очевидно, что МОЭ можно рассматривать как частный случай МОС.

На рис. 2 изображена структурная схема МОС. Здесь на поверхност ь оптоэлектронных элементов ИИ 7, ОС 4 и ПИ 7, нанесен дополнительный ряд компонентов (2, 5, <5) в виде МТП, выполняющих спектроформирующую функцию, функции временной и пространственной фильтрации, модуляции и коммутации.

На эти компоненты воздействуют информативные параметры 8ф, 87, . Обозначим: Ф *(0, ?, т), 7*(0, ?, т), 6*(0, ?) — абсолютные спектральные характеристики излучения ИИ, пропускания

ОС и чувствительности ПИ; Фпг (0, t, т), 7пу (0, ?, т),

* N

6п (0, ^ т) — абсолютные спектральные характеристики пропускания г, у, *-го МТП, нанесенных на поверхность ИИ, ОС и ПИ соответственно; 0 — длина волны; t — температура, т — время.

Для последовательно соединенных МОЭ, спектральный состав излучения 1*(0, ^ т), падающего на фоточувствительную площадку ПИ, определяется выражением:

1*(0, t, т) = | Ф*(0, t, т) — Ф^ (0, t, т) | X

х | 7*(0, и т) — (0, и т) 11 6*(0, t) — (0, t, т) |, I у е / ] I N е К ]

где I / К — множество индексов компонентов МТП, нанесенных на ИИ, элементы ОС и ПИ соответственно. Выходной сигнал ПИ/(^ т) =

= )| 1I*(0, ^ т) й01, где 0н, 0в — нижняя и верх-

няя границы спектрального диапазона излучения, а оператор ) определяется функцией преобразования МОС (например, люкс-амперной характеристикой ПИ).

Поскольку для МОС характерно изменение положения (сдвиг) спектральных характеристик элементов, аппроксимируем их абсолютные спектральные характеристики разностными функциями вида

Ф*(0, ^ т) = Фм(^ т)Ф[0 — 0фм(^ т)], 7*(0, t, т) = 7м(/, т)7[0 — т)],

6*(0, t, т) = ад т)6[0 — 0бм(*, т)],

где Ф [0 — 0фм(t, т)], 7[0 — 07мО, т)], 6[0 — м(t, т)] — относительные спектральные характеристики мощности излучения ИИ, пропускания ОС и чувствительности ПИ соответственно; Фм(^ т), 7м(^ т), 6м(t, т) — температурно-временные зависимости изменения максимумов их абсолютных спектральных характеристик; 0фм(^ т), 07м(^ т), А,6м(^ т) — температурно-временные зависимости длин волн максимумов соответствующих спектральных характеристик. В этом случае спектральные характеристики МОЭ запишутся в виде:

Ф*(0, t, т) = Фм(г, т)Ф [0 — 0фм(/, т)] х

х П (Ф^пС, т) фп[0 — 0гФМп(;, т)])

г е I

7* (0, ^ т) = 7м(/, т)7[0 — 0тм(', т)] х

х П ( 7ммп('> т) 7пЛ [° — ^мп^ т)])

г е /

6*(0, t, т) = 6м(', т)6[0 — 06м(/, т)] х

х П ( 6мпС, т) 6п* [0 — 06мп(/, т)]).

г е К

Учитывая, что в общем случае возможны координатная зависимость спектральных характеристик МОЭ (по их поверхности), а также воздействия на них соответствующих управляющих сигналов, запишем абсолютные спектральные характеристики МОЭ (обозначены знаком «**») в виде:

Ф **([ 0, t, т) = = )ф{Ф*(0, t, т)*ф([, 8ф([, т)},

7**([, 0, ^ т) = = )г{7*(0, t, т)С7([, 8Г([, т)}, (1)

6 **([, 0, t, т) = = {6*(0, ^ т)*6([, 86([, т)},

где *ф([, *7([, и *6 ([ — весовые функции, учитывающие координатные зависимости со-

ответствующих спектральных характеристик; )ф, )т и — функции, учитывающие влияние управляющих (или внешних) воздействий 8ф(х, у, т), ит (х, у, т) и и5 (х, у, т) на характеристики ИИ, ОС и ПИ соответственно. С учетом полученного в работе [4] для освещенности чувствительной площадки ПИ 3п от смещенного относительно него на величину (хо, Уо, ]о) ИИ с излучающей площадкой И можно найти обобщенное выражение для выходного сигнала ПИ:

-(1, т, иф, ит, Щ) = I

П

ф * * ( х, у, 0, 1, т ) т ** ( х, у, 0, 1, т ) 6* * ( х, у, 0, 1, т ) ёхо ёу о ^у I ё 0

[(х - Хо)2 + (у - уо)2 + ]0@

(2)

!(() = Фм(1 )Тм(/)бм(г) | ф [0 — Оф м(/)]т [о — Хтм(1)]

X 6 [0 — Об м(/)]ё о,

(3)

значения: афм

1

фм(1, т, 8ф) 5т Збм( 1, т, Щ)

а6 м

бм( 1, т, и5) 5т

5ТМ ( 1, т , 8т) 5т

и атм =

1

тм( 1, т, 8т) — коэффициенты, характеризую-

щие инерционность ИИ, ОС, ПИ соответственно; 1 5фмп(1,т, 8ф)

аф мп

фмп (1, т, 8ф) 5т 1 5тмп(1, т, 8т)

тмп (1, т, 8т) 5т

56,мп( 1, т, 8б)

и абмп = —

атмп

1

бмп( 1, т. 86)

— коэффициенты, характеризующие

инерционность ИИ, ОС, ПИ по цепям управления соответствующих МТП; афм = —-1—-— х

фм(^ т, 8ф)

х 5фм ( 1, т, 8ф) а = 1 5тм ( 1, т , 8т) и х -, атм = —-— -г- и

51

тм(1, т, 8т) 51

Выражение (2) позволяет учесть как влияние информативных (управляющих) воздействий на МОЭ, так и влияние внешних дестабилизирующих факторов (ВДФ). В частности, принимая, что управляющие воздействия на МОЭ постоянны и отсутствует координатная зависимость спектральных характеристик элементов, а воздействие ВДФ проявляются только в температурных изменениях характеристик, запишем температурную зависимость сигнала ПИ в виде

1 1 5бм( 1, т, 8б)

абм = ^тт-ттт м 51—- — температурные

6м(1,т, 8б) 51

коэффициенты изменения максимумов спектральных характеристик ИИ, ОС и ПИ;

1 5ф1мп(1, т, 8ф)

11

аф мп

у'1 _

атмп

Ш абмп

фмп(1, т, 8ф) 51

1 5тмп ( 1, т, 8т)

тмп(1, т, 8т) 51

1 56мШп( 1, т, 8б)

и

температурные

6мШп (1, т, 8б) 51 коэффициенты изменения максимумов спектральных характеристик тонкопленочных покрытий

= 1 50ф(1, т)

ИИ, ОС и ПИ; а0ф =

0ф( 1, т) 5т

а0 т

' и0т

Отсюда следует, что температурная зависимость выходного сигнала ПИ определяется температурными зависимостями спектральных характеристик МОЭ и их взаимодействием [2, 5]. Из выражений (2) и (3) видно, что информативное воздействие в МОС может проявляться в виде изменения значений максимумов спектральных характеристик элементов, длин волн максимумов, взаимного положения спектральных характеристик, их крутизны и формы. В табл. 1 приведены выражения для определения наиболее значимых коэффициентов чувствительности МОС к различным видам воздействий.

В табл. 1 приняты следующие условные обо-1 5фм( 1, т, 8ф)

= 1 50т( 1, т) т = 1 50б( 1, т)

=--и а V =--ко-

0т( 1, т) 5т 06 06( 1, т) 5т

эффициенты, характеризующие инерционность изменения длин волн максимумов спектральных характеристик ИИ, ОС и ПИ;

°в

А = | А 0; А* = ф [0 — 0ф(1, т)] х

0

н

х п фп[0 — 0фп (', т, 8п0

ф )]т [0 0т(1, т)]

1 е I

х — тпЛ [0 — 0Утп(1, т, ^ 0т )]б [0 — 0б(1)] х

1 е -

х П бпШ [0 — 0бп(

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком