Фотоприемное устройство Российский патент 2019 года по МПК G01J1/04 G02B26/02 H01L31/232 

Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и других светолокационных устройств.

Известны фотоприемные устройства [1] для систем импульсной лазерной локации, предназначенные для преобразования в электрические сигналы отраженных удаленными объектами зондирующих импульсов лазерного излучения и временной привязки электрических импульсов для определения их задержки τ относительно момента излучения лазерного зондирующего импульса. По этой задержке судят о дальности R до отражающего объекта по формуле R=сτ/2, где с - скорость света. Подобным образом построены фотоприемные устройства (ФПУ) [2-3], содержащие фоточувствительный элемент и схему обработки сигнала. Указанные устройства имеют ограниченный динамический диапазон, препятствующий применению таких приемников в измерителях дальности и другой аппаратуре с повышенными требованиями к точности. Существует ряд технических решений, имеющих целью расширение динамического диапазона и повышение точности временной фиксации принятых сигналов [4-5]. Однако эти решения не обеспечивают работоспособность ФПУ, если энергия входного излучения превышает уровень лучевой прочности фоточувствительного элемента.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является фотоприемное устройство, содержащее фоточувствительный элемент, схему обработки сигнала, светоделитель, фотодатчик, устройство задержки и оптический затвор, установленный перед фоточувствительным элементом [6]. В данном приемнике оптический затвор не открывается, если сигнал с фотодатчика превышает пороговое значение, соответствующее уровню входного излучения, превышающего порог лучевой прочности фоточувствительного элемента. В противном случае затвор открывается, и входное излучение поступает на фоточувствительный элемент. Время задержки сигнала в линии задержки должно превышать время реакции затвора на управляющий импульс от фотодатчика. Таким образом, обеспечивается функционирование устройства не только в рабочем динамическом диапазоне отраженных сигналов, но и за его пределами - в условиях активного или пассивного противодействия.

Недостаток приемника [6] - потери излучения в светоделителе, устройстве задержки и оптическом затворе, а также ограничения по быстродействию затвора, вынуждающие увеличивать задержку сигнала в устройстве задержки. Это, в свою очередь, приводит к потерям в приемном тракте, искажению формы принимаемого сигнала, увеличению габаритов устройства, особенно за счет светоделителя, устройства задержки и оптического затвора.

Задачей изобретения является обеспечение работоспособности устройства в условиях активного и пассивного лазерного противодействия при минимальных габаритах и максимальной чувствительности фотоприемного устройства для слабых входных сигналов.

Эта задача решается за счет того, что в известном фотоприемном устройстве, содержащем фоточувствительный элемент, схему обработки сигнала и оптический затвор, установленный перед фоточувствительным элементом, оптический затвор выполнен в виде шторки с двумя рабочими положениями, а в состав устройства введен привод шторки, включающий коромысло, упругий элемент и растяжку, шторка закреплена на одном плече коромысла, а упругий элемент и растяжка - между двумя другими плечами и корпусом так, чтобы привод удерживал шторку в одном из рабочих положений в зависимости от величины управляющего сигнала, причем, упругий элемент находится в напряженном состоянии, создавая в точке крепления усилие величиной F, а растяжка представляет собой токопроводящую нить, к концам которой подведен внешний источник управляющего электрического сигнала, при подаче которого температурное расширение растяжки от ее нагрева протекающим электрическим током составляет величину ΔL_p, а смещение шторки где L_p - расстояние от центра качания коромысла до точки крепления растяжки, a L_ш - расстояние от центра качания коромысла до центра шторки.

Точки крепления шторки, упругого элемента и растяжки могут быть совмещены, при этом радиус качания равен бесконечности, а ΔL_ш=ΔL_p.

Точки крепления упругого элемента и растяжки могут располагаться в одной плоскости с центром качания коромысла, причем, соответствующие плечи коромысла могут быть ориентированы произвольно.

Шторка может быть выполнена полупрозрачной с коэффициентом пропускания τ, отвечающим условию где Е_фпу - энергетическая чувствительность фотоприемного устройства; Е_ц - энергия сигнала, отраженного от ретрорефлектора, установленного на максимальной заданной дальности до цели; Е_max - максимальная энергия сигнала, отраженного ретрорефлектором; Е_пду - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на фоточувствительный элемент фотоприемного устройства.

Рабочий диаметр шторки где d_фчэ - диаметр рабочей площадки фоточувствительного элемента; а - расстояние от шторки до поверхности фоточувствительного элемента; α - угол зрения фоточувствительного элемента; Δ - погрешность фиксации поперечного положения шторки при отсутствии управляющего сигнала на входе привода.

На чертеже фиг. 1 представлена функциональная схема фотоприемного устройства. Фиг. 2 иллюстрирует варианты взаимного положения шторки, растяжки и упругого элемента.

Фотоприемное устройство (фиг. 1) состоит из фоточувствительного элемента 1 (например, фотодиода) и схемы обработки сигнала 2, включающей предусилитель 3, усилитель 4 и формирователь выходного сигнала 5, выход которого является выходом устройства. Перед фоточувствительным элементом расположена полупрозрачная шторка 6 с приводом 7, управляемым с выхода логического модуля 8, один из входов которого связан с выходом фотоприемного устройства, а второй является его управляющим входом. ФПУ размещено в герметичном корпусе 9 с оптическим окном 10, через которое принимаемое излучение поступает на фоточувствительный элемент 1. Привод шторки (фиг. 2) состоит из упругого элемента 11 и растяжки 12 в виде токопроводящей нити, на которую подается управляющий сигнал U_упр (фиг. 2а). Упругий элемент, растяжка и шторка могут быть сопряжены с помощью коромысла 13 (фиг. 2в) -2е). Ход шторки между ее двумя фиксированными положениями (фиг. 1) определяется из условия полностью закрытого и полностью открытого фоточувствительного элемента в двух рабочих положениях шторки.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии шторка 6 находится перед рабочей площадкой фоточувствительного элемента 1, ослабляя поступающие на нее сигналы в 1/τ раз. При подаче на растяжку управляющего сигнала U_упр под действием протекающего тока растяжка нагревается и ее исходная длина L₁ увеличивается на величину ΔL=αL₁ΔT, где α - коэффициент температурного расширения, ΔT - приращение температуры. В результате под действием силы F, создаваемой упругим элементом, шторка перемещается на расстояние ΔL (фиг. 2б) или на расстояние (фиг. 2в), где S_ш - расстояние от центра качания коромысла 13 до центра шторки 6 (плечо шторки); S_p - расстояние от точки крепления растяжки 12 до центра качания коромысла 13 (плечо растяжки). При отключении сигнала U_упр длина растяжки принимает первоначальное значение L₁, и шторка возвращается в исходное положение, закрывая рабочую площадку фоточувствительного элемента. Если шторка выполнена полупрозрачной, в ее исходном положении фотоприемное устройство может принимать сигналы, превышающие уровень номинальной чувствительности ФПУ в 1/τ раз и более без ущерба для фоточувствительного элемента.

Из обозначений на фиг. 1 видно, что для перекрытия шторкой рабочей площадки фоточувствительного элемента должно выполняться условие где d_шт - рабочий диаметр полупрозрачного участка шторки; d_фчэ - диаметр рабочей площадки фоточувствительного элемента; а - расстояние от шторки до поверхности фоточувствительного элемента; α - угол зрения фоточувствительного элемента; Δ - погрешность фиксации поперечного положения шторки при отсутствии управляющего сигнала на входе привода. В величину Δ входят как погрешности юстировки, так и температурный уход в диапазоне окружающих температур.

Коэффициент ослабления шторки τ определяется ожидаемым уровнем лазерной засветки от внешнего источника, представляющего опасность для фоточувствительного элемента в заданных условиях эксплуатации приемника импульсных оптических сигналов в составе аппаратуры, для которой предназначен данный приемник. При этом конструкция полупрозрачной шторки остается унифицированной для всех применений при ее исполнении в виде прозрачной плоскопараллельной пластины с полупрозрачным покрытием, нанесенным, например, путем металлизации. Толщина этого покрытия определяет величину τ при сохранении габаритно-присоединительных параметров.

Пример конструктивного исполнения.

Упругий элемент - стандартная пружина растяжения 2×10.

Dt - Диаметр проволоки: 0,20 мм.

Dy - Наружный диаметр: 2,00 мм.

Lo - Свободная длина: 10,00 мм.

nv - Количество рабочих витков: 30,00

Ln - Допустимая (максимально) длина расширения для динамической нагрузки: 19.00

с - Жесткость: 0.09 Н/мм.

При исходной длине L=15 мм сила натяжения F=c(L₂-L₁)=0,09(15-10)=0,45Н.

Масса пружины М_п=0,005 г.

Масса шторки ~ 0,1 г; С оправой ~0,2 г=2⋅10^-4 кг.

Ускорение а=F/m=0.45/2⋅10^-4 ~ 2000 м/с².

Смещение S=0,3 мм=3⋅10^-4 м.

Время выведения шторки

Нить - нихромовая проволока длиной 30 мм. α=18⋅10^-6 1/град (нить из нихрома);

L=30 мм; ΔL=S=0,3 мм.

ΔТ=ΔL/αL=0,3/(18⋅10^-6⋅30)=10000/18 ~ 555°.

Пусть габариты токопроводящей нити 0,01×0,01×3 см. Объем V_T=3⋅10^-4 см³.

У нихрома ρ_T=7,94 г/см³; масса 0,0024 г=2,4⋅10^-6 кг; теплоемкость β=0,57 Дж/кгК.

Е_T=βmΔТ=0,57⋅2,4⋅10^-6⋅555=0,00076 Дж=0,76 мДж.

Характеристики источника питания.

Потребляемая токопроводящей нитью мощность

Р_T=E_T/t.

Для рассматриваемого примера

Р_T=Е_T/t=0,76 мДж/0,5 мс=1,5 Вт.

Сопротивление нити R_T=ρ_RL_T/S_T ~ 10^-6⋅3⋅10^-2/(0,1⋅0,1)⋅10^-6=3 Ом,

где ρ_R ~ 1 мкОм⋅м - удельное сопротивление нихрома, L_T=0,03 м - длина токопроводящей нити; S_T - поперечное сечение нити.

Мощность, выделяемая в проводнике сопротивлением R_T

Р_T=I_T²⋅R_T, откуда потребляемый ток

I_T=(Р_T/ R_T)^0,5=(1,5/3)^0,5=0,71 А.

Напряжение источника

U_T=Р_T/I_T=1,5/0,71 ~ 2,1 В.

При соотношении плеч коромысла существует возможность манипулировать за счет этого параметра статическими и динамическими характеристиками устройства. Например, при ход шторки 0,3 мм обеспечивается при ΔL=0,1 и, соответственно, при таком же ΔТ=555° может быть в три раза укорочена растяжка. Тогда при том же усилии упругого элемента (а значит, момента вращения коромысла) - в три раза увеличивается момент инерции шторки, и время ее перемещения из первой позиции во вторую.

Погрешность фиксации шторки определяется не только конструкцией устройства, но и колебаниями ±ΔТ_o окружающей температуры, поэтому необходимо, чтобы ΔТ >> ΔТ_o.

Описанное техническое решение обеспечивает безопасное применение фотоприемного устройства в составе любой аппаратуры и в любых условиях эксплуатации. При этом габариты и масса шторки с приводом, а также объем логического модуля позволяют встраивать эти узлы в существующие миниатюрные приемники без изменения их типоразмеров. Размещение элементов защиты приемника в составе его герметизированного корпуса обеспечивает их надежность, долговечность и максимальный ресурс работы.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает работоспособность устройства в условиях активного и пассивного лазерного противодействия при минимальных габаритах и максимальной чувствительности приемника импульсных оптических сигналов при малом уровне сигналов.

Источники информации

1. В.А. Волохатюк и др. "Вопросы оптической локации". - М.: Советское радио, М., 1971. - c. 213.

2. В.Г. Вильнер и др. Анализ входной цепи фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и противошумовой коррекцией. «Оптико-механическая промышленность». №9, 1981 г. - с. 593.

3. В.А. Афанасьев и др. Порог чувствительности приемника импульсного оптического излучения с большим входным импедансом. Электронная техника. Серия 11. «Лазерная техника и оптоэлектроника». 1988, в.3. - с. 78-83.

4. В.Г. Вильнер и др. Приемник импульсных оптических сигналов. Патент РФ №2 506 547.

5. П.М. Боровков и др. Особенности схемотехники импульсных пороговых ФПУ с малым временем восстановления чувствительности после воздействия импульса перегрузки. «Прикладная физика», №1, 2015 г. - с. 61-65.

6. Radiation receiver with active optical protection system. US patent No 6,548,807 – прототип.

Изобретение относится к области приема оптического излучения и касается фотоприемного устройства. Фотоприемное устройство включает в себя фоточувствительный элемент, схему обработки сигнала и оптический затвор, установленный перед фоточувствительным элементом. Оптический затвор выполнен в виде шторки с двумя рабочими положениями. В состав устройства введен привод шторки, включающий в себя источник тока, коромысло, упругий элемент и растяжку. Шторка закреплена на одном плече коромысла, а упругий элемент и растяжка между двумя другими плечами и корпусом так, чтобы привод удерживал шторку в одном из рабочих положений в зависимости от величины управляющего сигнала, причем упругий элемент находится в напряженном состоянии, а растяжка представляет собой токопроводящую нить, к концам которой подведен внешний источник управляющего электрического сигнала. Технический результат заключается в обеспечении работоспособности устройства в условиях активного и пассивного лазерного противодействия при минимальных габаритах и максимальной чувствительности при малом уровне сигналов. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Фотоприемное устройство, содержащее фоточувствительный элемент, схему обработки сигнала и оптический затвор, установленный перед фоточувствительным элементом, отличающееся тем, что оптический затвор выполнен в виде шторки с двумя рабочими положениями, а в состав устройства введен привод шторки, включающий коромысло, упругий элемент и растяжку, шторка закреплена на одном плече коромысла, а упругий элемент и растяжка - между двумя другими плечами и корпусом так, чтобы привод удерживал шторку в одном из рабочих положений в зависимости от величины управляющего сигнала, причем упругий элемент находится в напряженном состоянии, создавая в точке крепления усилие величиной F, а растяжка представляет собой токопроводящую нить, к концам которой подведен внешний источник управляющего электрического сигнала, при подаче которого температурное расширение растяжки от ее нагрева протекающим электрическим током составляет величину ΔL_P, а смещение шторки где L_p - расстояние от центра качания коромысла до точки крепления растяжки, а L_ш - расстояние от центра качания коромысла до центра шторки.

2. Фотоприемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что точки крепления шторки, упругого элемента и растяжки совмещены, при этом радиус качания равен бесконечности, a ΔL_ш=ΔL_p.

3. Фотоприемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что точки крепления упругого элемента и растяжки располагаются в одной плоскости с центром качания коромысла, причем соответствующие плечи коромысла ориентированы произвольно.

4. Фотоприемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что шторка выполнена полупрозрачной с коэффициентом пропускания τ, отвечающим условию где Е_фпу - энергетическая чувствительность фотоприемного устройства; Е_ц - энергия сигнала, отраженного от ретрорефлектора, установленного на максимальной заданной дальности до цели; E_max - максимальная энергия сигнала, отраженного ретрорефлектором; Е_пду - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на фоточувствительный элемент фотоприемного устройства.

5. Фотоприемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что диаметр шторки где d_фчэ - диаметр рабочей площадки фоточувствительного элемента; а - расстояние от шторки до поверхности фоточувствительного элемента; α - угол зрения фоточувствительного элемента; Δ - погрешность фиксации поперечного положения шторки при отсутствии управляющего сигнала на входе привода.