Импульсное 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 импульсном фотоприемном устройстве, содержащем фоточувствительный элемент, схему обработки сигнала и оптический затвор, установленный перед фоточувствительным элементом, оптический затвор выполнен в виде шторки с двумя положениями, а в состав устройства введен привод шторки, включающий плоскую пружину, концы которой стянуты растяжкой так, что пружина образует дугу, один конец пружины свободен, а второй закреплен на корпусе ФПУ, хорда с дуги образована растяжкой, создающей стягивающее усилие величиной F, 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 Δс а стрелка h дуги выбрана из условия обеспечения заданного передаточного отношения , где Δh - относительное сокращение стрелки при увеличении хорды дуги на величину Δс, при этом шторка закреплена на боковой поверхности плоской пружины так, что в исходном положении шторка перекрывает фоточувствительный элемент, а в рабочем положении она выведена из апертурного угла фоточувствительного элемента, причем размер шторки в направлении ее перемещения , 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; поперечная сила упругости , действующая в направлении перемещения шторки, удовлетворяет условию , где m_э - эквивалентная масса шторки с учетом массы оправы и пружины, t_s - заданное время выведения шторки в рабочее положение, а продольная сила F связана с поперечной силой соотношением .

Между свободным концом плоской пружины и корпусом может быть введена пружина растяжения, действующая в направлении, противоположном силе F, создаваемой растяжкой.

Может быть введена вторая плоская пружина, расположенная с первой симметрично относительно растяжки, причем концы пружин связаны между собой.

Между свободным концом плоской пружины и корпусом может быть введено качающееся коромысло, расположенное по отношению к растяжке под углом 40-50°.

Шторка может быть выполнена полупрозрачной с коэффициентом пропускания τ, отвечающим условию где E_фпу - энергетическая чувствительность фотоприемного устройства; E_min - минимальная энергия высокоэнергетического сигнала поступающего на фоточувствительный элемент фотоприемного устройства; E_max - максимальная энергия высокоэнергетического сигнала; Е_пду - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на фоточувствительный элемент фотоприемного устройства.

На фиг. 1 представлена функциональная схема фотоприемного устройства. На фиг. 2 показаны варианты модели для расчета параметров привода шторки. На фиг. 3 приведены графики для двух расчетных моделей привода шторки. Фиг. 4 иллюстрирует возможные варианты конструктивного исполнения изобретения.

Импульсное 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 шторка 6 с приводом 7, 8, управляемым с выхода формирователя импульса тока 9, включенного на выходе логического модуля 10, один из входов которого связан с выходом фотоприемного устройства, а второй является его управляющим входом. ФПУ размещено в герметичном корпусе 11, через оптическое окно которого принимаемое излучение поступает на фоточувствительный элемент 1. Привод шторки состоит из плоской пружины 7 и растяжки 8 в виде токопроводящей нити, на которую подается управляющий сигнал с формирователя 9. Одним из своих концов плоская пружина 7 и растяжка прикреплены к корпусу 11. Второй конец плоской пружины жестко, но без электрического контакта связан со вторым концом растяжки, подключенный к выходу формирователя импульса тока 9. Между этим концом пружины и корпусом может быть введена пружина растяжения 12 (фиг. 4а). Может быть введена вторая плоская пружина 13, соединенная с первой симметрично растяжке и упирающаяся вершиной своей дуги в корпус (фиг. 4б). Между вторым концом пружины и корпусом может быть ведено коромысло 14 под углом 40-50° к растяжке (фиг. 14в). Ход шторки между ее двумя фиксированными положениями (фиг. 1, 4) определяется из условия полностью закрытого и полностью открытого фоточувствительного элемента в исходном и рабочем 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 под действием тока, протекающего от формирователя 9 растяжка нагревается, и ее исходная длина с увеличивается (фиг. 2 а) на величину Δс=с₂-c₁=αсΔТ, где α - коэффициент температурного расширения, ΔT -приращение температуры. В результате под действием силы , создаваемой плоской пружиной, шторка перемещается на расстояние Δh=h₁-h₂, открывая рабочую площадку фоточувствительного элемента. При отключении управляющего сигнала длина растяжки принимает первоначальное значение с, и шторка возвращается в исходное положение, закрывая рабочую площадку фоточувствительного элемента. Если шторка выполнена полупрозрачной, в ее исходном положении фотоприемное устройство может принимать высокоэнергетические сигналы, превышающие уровень номинальной чувствительности ФПУ в 1/τ раз и более без ущерба для фоточувствительного элемента.

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; α -расстояние от шторки до поверхности фоточувствительного элемента; а - 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 высокоэнергетической лазерной засветки от внешнего источника. Шторка может быть выполнена в виде прозрачной плоскопараллельной пластины с полупрозрачным покрытием, нанесенным, например, путем металлизации. Толщина этого покрытия определяет величину τ при сохранении габаритно-присоединительных параметров.

Плоская пружина, стянутая растяжкой, представляет собой упругую балку с продольной нагрузкой, такая балка синусоиды [7, 8]. С достаточной точностью можно представить ее в виде параболы (фиг. 2а) или ломаной прямой (фиг. 2б). Длина дуги параболы 1 связана с хордой с и стрелкой h (фиг. 2а) соотношением [9]

При фиксированной длине 1 можно вычислить зависимость h(c) и коэффициент передачи привода шторки ξ=Δh/Δc при заданных с и h.

Для кусочно-линейного приближения аналогичные зависимости могут быть получены в простом виде

где λ - поправочный коэффициент.

Пример 1.

l=20 мм; λ=0,6.

Результаты вычислений ξ(h) для двух указанных приближений приведены на фиг. 3.

Из построения фиг. 2б) видно, что в указанных обозначениях

, где . Отсюда

При малых углах α

Сила определяется требованиями по быстродействию привода, то есть, из условия

где m_э - эквивалентная масса шторки с оправой;

Δh - требуемый ход шторки из исходного положения в рабочее;

t_s - время приведения шторки в рабочее положение.

Пример 2.

m_э=2⋅10^-4 кг; Δh=300 мкм = 3⋅10^-4 м; ξ=2; t_s=5⋅10^-4 с; c=20 мм. Тогда из формулы (6) а из формулы (3) h=1,5 мм. Согласно (5), F=1,6 Н.

К растяжке предъявляются требования высокой механической прочности, высокой температурной устойчивости и большого коэффициента линейного расширения. Этим требованиям удовлетворяет ряд материалов, например, нихром.

Пример 3. Нихром Х20Н80 ГОСТ 8803-89 сплав твердый.

Предел прочности α_пред = 0,77 ГПа. Принимаем максимальную удельную нагрузку σ_max = 0,25 ГПа.

Проволока диаметр 0,1 мм, длина 20 мм. Площадь сечения S_нихр = 0,00785 мм² = 7,85⋅10^-9 м². Предел прочности Р_пред = σ_пред ⋅ S_нихр=6 Н.

Рабочая нагрузка Р = σ_max ⋅ S_нихр = 0,25⋅7,85=2 Н.

Р_пред>Р>F.

Рабочая температура растяжки должна существенно превышать эксплуатационный температурный диапазон, чтобы температурные условия внешней среды не оказывали заметного влияния на положение шторки. С другой стороны, температура растяжки не должна быть слишком высокой, чтобы не подвергать растяжку пластическим деформациям при рабочей нагрузке.

Пример 4. Растяжка - нихромовая проволока длиной с=20 мм. α=18⋅10^-6 1/град. Эксплуатационный температурный диапазон Т_эксп = 0 ± ΔТ_эксп - ΔТ_эксп = 40°С.

Δс=Δh/ξ=0,3/2=0,15 мм (см. Пример 2).

Температурное приращение растяжки

ΔТ=Δс/αс = 0,15/(18⋅10^-6⋅20) ~ 420° >> ΔТ_эксп.

Температура плавления сплава Х20Н80 - Т_пл = 1200°С >> ΔT.

Энергия, необходимая для повышения температуры растяжки, Е_ΔT = βmΔТ, где β -теплоемкость материала растяжки; m - масса прогреваемого объема.

Пример 5. Габариты токопроводящей нити 0,01×0,01×2 см. Объем V_T = 2⋅10^-4 см³. Плотность сплава Х20Н80 ρ_T = 7,94 г/см³; m=ρ_T V_T = 1,6⋅10^-6 кг; теплоемкость нихрома β=0,57 Дж/кгК.

E_T = βmΔТ = 0,57⋅1,6⋅10^-6⋅420 = 0,00038 Дж = 0,38 мДж.

Пример конструктивного исполнения.

Упругий элемент - стандартная пружина растяжения 2×10.

D_t - Диаметр проволоки: 0,20 мм.

D_y - Наружный диаметр: 2,00 мм.

L_o - Свободная длина: 10,00 мм.

n_v - 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 ΔL=0,3 мм=3⋅10^-7 м.

При исходной длине L₁=15 мм сила натяжения F=c(L₁-L₀)=0,09(15-10)=0,45Н.

Масса пружины М_п=0,005 г.

Масса шторки ~ 0,1 г; с оправой m ~ 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 с=500 мкс.

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

L=30 мм; ΔL=0,3 мм.

ΔT=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.

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

Характеристики источника питания.

Потребляемая токопроводящей нитью мощность

P_T=E_T/t.

Для рассматриваемого примера

P_T=Е_т/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=0,03 м - длина токопроводящей нити; S_T - поперечное сечение нити.

Мощность, выделяемая в проводнике сопротивлением R_T

P_T = It²⋅R_T, откуда потребляемый ток

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

Напряжение источника

U_T = P_T/I_T = 1,5/0,71 ~ 2,1 В.

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. - с. 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 №2506547.

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.

7. A.M. Лукьянов, M.A. Лукьянов, А.И. Марасанов. Расчет стержней на устойчивость и продольно-поперечный изгиб. Методические указания. - М.: МИИТ, 2012.-48 с.

8. Савченко А.В., Иоскевич А.В., Хазиева Л.Ф., Нестеров А.А., Иоскевич В.В. Продольно-поперечный изгиб балки. Решение в различных программных комплексах/Строительство уникальных зданий и сооружений, 2015, №11 (38), - С. 89-104

9. В.И.Смирнов Курс высшей математики, Т. 1.: Изд-во "Наука". 1974. - 479 с.

Изобретение относится к области приема оптического излучения и касается импульсного фотоприемного устройства. 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 плоскую пружину, концы которой стянуты растяжкой так, что пружина образует дугу. Один конец пружины свободен, а второй закреплен на корпусе ФПУ. Хорда дуги образована растяжкой, создающей стягивающее усилие. 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 Δс, а стрелка h дуги выбрана из условия обеспечения заданного передаточного отношения. Технический результат заключается в обеспечении работоспособности устройства в условиях активного и пассивного лазерного противодействия при минимальных габаритах и максимальной чувствительности для слабых входных сигналов. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Импульсное 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 положениями, а в состав устройства введен привод шторки, включающий плоскую пружину, концы которой стянуты растяжкой так, что пружина образует дугу, один конец пружины свободен, а второй закреплен на корпусе ФПУ, хорда с дуги образована растяжкой, создающей стягивающее усилие величиной F, 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 Δс, а стрелка h дуги выбрана из условия обеспечения заданного передаточного отношения где Δh - относительное сокращение стрелки при увеличении хорды дуги на величину Δс, при этом шторка закреплена на боковой поверхности плоской пружины так, что в исходном положении шторка перекрывает фоточувствительный элемент, а в рабочем положении она выведена из апертурного угла фоточувствительного элемента, причем размер шторки в направлении ее перемещения 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; поперечная сила упругости , действующая в направлении перемещения шторки, удовлетворяет условию где m_э - эквивалентная масса шторки с учетом массы оправы и пружины, t_s - заданное время выведения шторки в рабочее положение, а продольная сила F связана с поперечной силой соотношением

2. Импульсное фотоприемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что между свободным концом плоской пружины и корпусом введена пружина растяжения, действующая в направлении, противоположном силе F, создаваемой растяжкой.

3. Импульсное фотоприемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что введена вторая плоская пружина, расположенная с первой симметрично относительно растяжки, причем концы пружин связаны между собой.

4. Импульсное фотоприемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что между свободным концом плоской пружины и корпусом введено качающееся коромысло, расположенное по отношению к растяжке под углом 40-50°.

5. Импульсное фотоприемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что шторка выполнена полупрозрачной с коэффициентом пропускания τ, отвечающим условию где E_фпу - энергетическая чувствительность фотоприемного устройства; E_min - минимальная энергия высокоэнергетического сигнала, поступающего на фоточувствительный элемент фотоприемного устройства; Е_mах - максимальная энергия высокоэнергетического сигнала; Е_пду - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на фоточувствительный элемент фотоприемного устройства.