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-
0н
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)
1т
аф мп
фмп (1, т, 8ф) 5т 1 5тмп(1, т, 8т)
тмп (1, т, 8т) 5т
56,мп( 1, т, 8б)
и абмп = —
1т
атмп
1
бмп( 1, т. 86)
5т
— 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.