ИМПУЛЬСНЫЙ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК H01J31/50 

Предлагаемое устройство относится к области оптоэлектротехники и может быть использовано в комплексе с другими устройствами для получения возможности обнаружения объектов и обеспечения технологических операций с использованием электронно-оптических преобразователей (ЭОП) 3-го поколения в широком диапазоне освещенности.

Известно устройство, содержащее блок вакуумный с экраном, микроканальной пластиной и фотокатодом, умножители экрана, микроканальной пластины, фотокатода, формирователь импульсов напряжения фотокатода, устройство регулирования скважности импульсов, устройство автоматического регулирования яркости экрана и защиты от ярких засветок, трансформатор, генератор импульсов с устройствами регулировки, устройство обратной связи, последовательный элемент в цепи напряжения микроканальной пластины (патент США №5949063).

Недостатком известного устройства является низкая нагрузочная способность источника импульсного напряжения фотокатода, что не позволяет обеспечить требуемую скважность и амплитуду высоковольтных импульсов фотокатодного напряжения для ЭОП 3-го поколения с номинальной амплитудой 800 В.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является импульсный электронно-оптический преобразователь, который содержит блок ключевой, включающий преобразователь напряжения, микроконтроллер, формирователь импульсов; блок питания, включающий микроконтроллер, аналого-цифровой преобразователь, два цифроаналоговых преобразователя, усилитель, усилители микроканальной пластины и экрана, умножители микроканальной пластины, экрана, фотокатода; блок вакуумный, включающий экран, микроканальную пластину и фотокатод (заявка №2011115998, дата приоритета 22.04.2011 г.)

Недостатком наиболее близкого технического решения является низкая нагрузочная способность источника импульсного напряжения фотокатода, что не позволяет обеспечить требуемую скважность и амплитуду высоковольтных импульсов фотокатодного напряжения для ЭОП 3-го поколения с номинальной амплитудой 800 В. Указанный недостаток связан с применением общего источника питания для формирования напряжения экрана и импульсного напряжения фотокотода. Кроме того, устройство не имеет функции электронного запирания фотокатодного промежутка ЭОП обратным напряжением, что не позволяет обеспечить требуемую разрешающую способность ЭОП 3-го поколения в импульсном режиме.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение требуемой скважности и амплитуды высоковольтных импульсов фотокатодного напряжения для работы ЭОП 3-го поколения в импульсном режиме и повышение стабильности яркости свечения экрана и разрешающей способности ЭОП 3-го поколения в широком диапазоне значений освещенности фотокатода, характеристик блока вакуумного и температуры окружающей среды путем введения отдельного источника питания с электронным запиранием для формирования импульсного напряжения фотокатода ЭОП 3-го поколения.

Поставленная задача решается тем, что в устройство, включающее блок вакуумный, содержащий микроканальную пластину, экран, фотокатод, блок ключевой, содержащий первый преобразователь напряжения, первый микроконтроллер, формирователь импульсов, блок питания, содержащий второй микроконтроллер, аналого-цифровой преобразователь, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, усилитель, усилители микроканальной пластины и экрана, умножители микроканальной пластины, экрана, фотокатода, при этом выход первого преобразователя напряжения соединен с первыми входами первого микроконтроллера, формирователя импульсов, второго микроконтроллера, первого и второго цифроаналоговых преобразователей, усилителя, усилителей микроканальной пластины и экрана, второй вход первого микроконтроллера соединен с первым выходом второго микроконтроллера, первый выход первого микроконтроллера соединен со вторым входом формирователя импульсов, первый выход которого соединен со входом фотокатода, второй вход второго микроконтроллера соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй и третий выходы второго микроконтроллера соединены со вторыми входами первого и второго цифроаналоговых преобразователей, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом усилителя, вторые входы усилителей микроканальной пластины и экрана соединены с выходами первого и второго цифроаналоговых преобразователей, выход усилителя микроканальной пластины соединен со входом умножителя микроканальной пластины, выход усилителя экрана соединен со входами умножителей экрана и фотокатода, первый выход умножителя микроканальной пластины соединен с первым входом микроканальной пластины, второй выход умножителя микроканальной пластины соединен со вторым входом микроканальной пластины, первый выход умножителя экрана соединен со входом экрана, второй выход умножителя экрана соединен со вторым входом усилителя, выход умножителя фотокатода соединен со входом фотокатода, вход первого преобразователя напряжения соединен с источником питания, третий вход первого микроконтроллера соединен с шиной данных, введен в блок ключевой второй преобразователь напряжения, при этом первый вход второго преобразователя напряжения соединен с выходом первого преобразователя напряжения, второй вход второго преобразователя напряжения соединен со вторым выходом первого микроконтроллера, третий вход второго преобразователя напряжения соединен со вторым выходом умножителя микроканальной пластины, выход второго преобразователя напряжения соединен с третьим входом формирователя импульсов, четвертый вход формирователя импульсов соединен с третьим выходом умножителя микроканальной пластины, третий вход второго микроконтроллера соединен с шиной данных.

При изменении светового потока на фотокатоде импульсного ЭОП сигнал, пропорциональный току экрана, поступает на усилитель блока питания, а с усилителя - на аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера блока питания. Код аналого-цифрового преобразователя используется микроконтроллером блока питания для анализа режима работы импульсного ЭОП и передачи данных в блок ключевой. Стабилизация тока экрана осуществляется микроконтроллером блока питания за счет изменения напряжения микроканальной пластины как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Импульсный режим обеспечивает расширение динамического диапазона освещенности ЭОП за счет снижения среднего значения тока экрана, которое при фиксированном значении освещенности обратно пропорционально скважности импульсов фотокатодного напряжения. Микроконтроллер блока питания дает команду на включение соответствующего режима блоку управления при выполнении совокупности условий переключения. В случае увеличения освещенности ключевым условием перехода из непрерывного режима в импульсный является достижение нижнего предельного значения напряжения микроканальной пластины в процессе стабилизации тока экрана. В случае уменьшения освещенности ключевым условием перехода из импульсного режима в непрерывный является достижение нижнего предельного значения тока экрана при номинальном значении напряжения микроканальной пластины. В соответствии с полученными данными блок управления изменяет длительность и период следования управляющих сигналов, поступающих на формирователь импульсов, обеспечивая непрерывный или импульсный режим работы фотокатода.

Для формирования напряжения фотокатода в непрерывном режиме достаточно маломощного источника питания, общего для умножителя экрана и умножителя микроканальной пластины. Для обеспечения высокой разрешающей способности ЭОП в импульсном режиме требуется формирование высоковольтных импульсов с амплитудой, равной номинальному значению напряжения фотокатода, и минимально возможной длительностью фронтов. Для решения этой задачи используется дополнительный мощный источник питания, способный обеспечить быстрый заряд и разряд фотокатодного промежутка ЭОП 3-го поколения при работе в импульсном режиме. В непрерывном режиме дополнительный источник питания выключен для экономии потребляемой мощности.

Таким образом обеспечивается стабильность яркости свечения экрана, защита импульсного ЭОП от протекания чрезмерных токов при ярких световых вспышках и достигается сохранение разрешающей способности импульсного ЭОП за счет сохранения номинального значения напряжения фотокатода во всем рабочем диапазоне освещенности. При этом экономия потребляемой мощности в непрерывном режиме обеспечивается за счет отключения дополнительного источника питания фотокатода.

Настройка параметров и программирование микроконтроллера импульсного ЭОП осуществляется посредством последовательной шины данных.

Заявителем не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками предлагаемого изобретения. Импульсный электронно-оптический преобразователь с заявляемой совокупностью существенных признаков в известных источниках информации также не обнаружен.

На рисунке представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Импульсный электронно-оптический преобразователь содержит блок ключевой, включающий первый преобразователь напряжения 1, первый микроконтроллер 2, второй преобразователь напряжения 3, формирователь импульсов 4; блок питания, включающий второй микроконтроллер 5, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, первый и второй цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) 7 и 8, усилитель 9, усилитель микроканальной пластины (усилитель МКП) 10, усилитель экрана 11, умножитель микроканальной пластины (умножитель МКП) 12, умножитель экрана 13, умножитель фотокатода 14; блок вакуумный, включающий экран 15, микроканальную пластину (МКП) 16 и фотокатод 17.

Первый преобразователь напряжения 1 формирует стабильное напряжение, необходимое для работы элементов, входящих в состав импульсного ЭОП. Первый микроконтроллер 2 предназначен для управления режимами работы блока питания и формирования импульсов управления для преобразователя напряжения 3 и формирователя импульсов 4. Второй преобразователь напряжения 3 формирует высокое постоянное напряжение для формирователя импульсов 4. Формирователь импульсов 4 предназначен для формирования импульсного напряжения Uфk. Микроконтроллер 5 предназначен для управления режимами работы блока питания, передачи данных в блок ключевой и корректировки выходных напряжений в зависимости от внешних воздействующих факторов. АЦП 6 и усилитель 9 предназначены для преобразования и передачи сигнала, пропорционального среднему току экрана, в микроконтроллер 5. Первый 7 и второй 8 ЦАП задают режимы работы для усилителя МКП 10 и усилителя экрана И. Усилитель МКП 10 предназначен для формирования синусоидального напряжения, которое подается на умножитель МКП 12. Усилитель экрана 11 предназначен для формирования синусоидального напряжения, которое подается на умножитель экрана 13 и умножитель фотокатода 14. Умножитель МКП 12 формирует высокое постоянное напряжение Uмкп и Uзап. Умножитель экрана 13 формирует высокое постоянное напряжение Uэ. Умножитель фотокатода 14 формирует высокое постоянное напряжение Uфk. Блок вакуумный усиливает слабые оптические сигналы и преобразует входное излучение ближнего инфракрасного диапазона в излучение видимого спектра, доступное для восприятия человеком.

Импульсный ЭОП работает следующим образом. Напряжение питания Uпит подается на первый преобразователь напряжения 1, где формируется стабильное напряжение питания для функциональных элементов импульсного ЭОП. Микроконтроллер 2 управляет режимами работы преобразователя напряжения 3 и формирователя импульсов 4. Второй преобразователь напряжения 3 по команде микроконтроллера 2 и в соответствии с поступающими от него данными формирует высокое постоянное напряжение для формирователя импульсов 4. Формирователь импульсов 4 формирует импульсное напряжение Uфk в соответствии с управляющими сигналами, поступающими от микроконтроллера 2 при работе ЭОП в импульсном режиме. Микроконтроллер 5 выдает на первый ЦАП 7 и второй ЦАП 8 управляющие коды в зависимости от предустановленных параметров, температуры окружающей среды и данных, поступающих от АЦП 6. Первый ЦАП 7 управляет усилителем экрана 11, таким образом производится предустановка и регулировка значений напряжения Uэ, а также Uфk в непрерывном режиме. Второй ЦАП 8 управляет усилителем МКП 10, таким образом производится предустановка и регулировка значения напряжения Uмкп. Умножитель МКП 12 преобразует выходное напряжение усилителя МКП 10 и формирует постоянное напряжение Uзап, которое поступает на формирователь импульсов 4, и напряжение Uмкп, которое поступает на МКП 16 и второй преобразователь напряжения 3. Умножитель фотокатода 14 преобразует выходное напряжение усилителя экрана 11 и формирует постоянное напряжение Uфk. Умножитель экрана 13 преобразует выходное напряжение усилителя экрана 11 и формирует постоянное напряжение Uэ, которое поступает на экран 15. Для контроля параметров блока вакуумного используется сигнал, пропорциональный току экрана. Этот сигнал преобразуется усилителем 9 и поступает на вход АЦП 6. На выходе АЦП 6 формируется цифровой код, который считывается микроконтроллером 5 и используется для анализа и управления режимами работы импульсного ЭОП и передачи данных в микроконтроллер 2. В соответствии с полученными данными микроконтроллер 2 формирует управляющие сигналы, поступающие на преобразователь напряжения 3 и формирователь импульсов 4.

Таким образом, за счет применения раздельных источников питания для формирования фотокатодного напряжения в непрерывном и импульсном режимах (в непрерывном режиме работает экономичный источник постоянного напряжения фотокатода, в импульсном режиме включается мощный источник импульсного напряжения фотокатода с функцией электронного запирания фотокатодного промежутка) обеспечиваются работа и высокая разрешающая способность ЭОП 3-го поколения в импульсном режиме при высоком уровне освещенности фотокатода, в том числе и при резком изменении освещенности, и сохраняется низкий уровень потребления мощности при работе в непрерывном режиме, что важно при использовании ЭОП в приборах с автономным батарейным питанием.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат - повышение разрешающей способности с использованием электронно-оптических преобразователей (ЭОП) 3-го поколения в широком диапазоне освещенности и снижение потребляемой мощности. Импульсный ЭОП содержит блок ключевой, включающий первый преобразователь напряжения 1, первый микроконтроллер 2, второй преобразователь напряжения 3, формирователь импульсов 4; блок питания, включающий второй микроконтроллер 5, аналого-цифровой преобразователь 6, первый и второй цифроаналоговые преобразователи 7 и 8, усилитель 9, усилитель микроканальной пластины 10, усилитель экрана 11, умножитель микроканальной пластины 12, умножитель экрана 13, умножитель фотокатода 14; блок вакуумный, включающий экран 15, микроканальную пластину 16 и фотокатод 17. Второй преобразователь напряжения 3 обеспечивает формирование высоковольтного напряжения для формирователя импульсов 4. При работе в непрерывном режиме второй преобразователь напряжения 3 выключается, обеспечивая экономию энергии внешнего источника питания. При этом постоянное напряжение фотокатода формируется с помощью умножителя фотокатода 14. Умножитель микроканальной пластины 12 формирует напряжение для формирователя импульсов 4, которое обеспечивает активное запирание фотокатодного промежутка при работе в импульсном режиме. 1 ил.

Импульсный электронно-оптический преобразователь, включающий блок вакуумный, содержащий микроканальную пластину, экран, фотокатод, блок ключевой, содержащий первый преобразователь напряжения, первый микроконтроллер, формирователь импульсов, блок питания, содержащий второй микроконтроллер, аналого-цифровой преобразователь, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, усилитель, усилители микроканальной пластины и экрана, умножители микроканальной пластины, экрана, фотокатода, при этом выход первого преобразователя напряжения соединен с первыми входами первого микроконтроллера, формирователя импульсов, второго микроконтроллера, первого и второго цифроаналоговых преобразователей, усилителя, усилителей микроканальной пластины и экрана, второй вход первого микроконтроллера соединен с первым выходом второго микроконтроллера, первый выход первого микроконтроллера соединен со вторым входом формирователя импульсов, первый выход которого соединен со входом фотокатода, второй вход второго микроконтроллера соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй и третий выходы второго микроконтроллера соединены со вторыми входами первого и второго цифроаналоговых преобразователей, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом усилителя, вторые входы усилителей микроканальной пластины и экрана соединены с выходами первого и второго цифроаналоговых преобразователей, выход усилителя микроканальной пластины соединен со входом умножителя микроканальной пластины, выход усилителя экрана соединен со входами умножителей экрана и фотокатода, первый выход умножителя микроканальной пластины соединен с первым входом микроканальной пластины, второй выход умножителя микроканальной пластины соединен со вторым входом микроканальной пластины, первый выход умножителя экрана соединен со входом экрана, второй выход умножителя экрана соединен со вторым входом усилителя, выход умножителя фотокатода соединен со входом фотокатода, вход первого преобразователя напряжения соединен с источником питания, третий вход первого микроконтроллера соединен с шиной данных, отличающийся тем, что в блок ключевой введен второй преобразователь напряжения, при этом первый вход второго преобразователя напряжения соединен с выходом первого преобразователя напряжения, второй вход второго преобразователя напряжения соединен со вторым выходом первого микроконтроллера, третий вход второго преобразователя напряжения соединен со вторым выходом умножителя микроканальной пластины, выход второго преобразователя напряжения соединен с третьим входом формирователя импульсов, четвертый вход формирователя импульсов соединен с третьим выходом умножителя микроканальной пластины, третий вход второго микроконтроллера соединен с шиной данных.