ДЕЛИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ Советский патент 1969 года по МПК G02F2/00 H03K23/78 

В вычислительной технике известны дели тели частоты световых импульсов, содержащие фотосопротивления.

Предлагаемый делитель частоты световых импульсов отличается от известных тем, что в нем облучаемые входной последовательностью световых импульсов и соединенные электрически параллельно фотосопротивление и электрооптический затвор подключены последовательно к источнику постоянного тока через диод, а последовательно соединенные ограничиваюш;ее сопротивление и фотодиэлектрический конденсатор подключены параллельно к электрооптическому затвору, выход которого оптически связан с фотодиэлектрическим конденсатором.

Это позволяет упростить устройство, повысить его надежность и долговечность, а также уменьшить его габариты.

На фиг. 1 дана принципиальная схема прибора, элементом электрооптического затвора которого является ячейка Керра; на фиг. 2 - конструктивная схема прибора с применением в нем ячейки Поккельса; на фиг. 3 - временные диаграммы процессов, происходящих в различных участках схемы.

Устройство, показанное на фиг. 1, содержит фотосопротивление 1, электрооптический затвор, состоящий из поляризатора 2, электрооптической ячейки 3 Керра (или Поккельса)

и анализатора 4; фотодиэлектрический конденсатор 5, включенный последовательно с гасящим сопротивлением 6, и диод 7. На фиг. 3,а показана периодическая последовательность световых импульсов с постоянными периодом следован 1я, длительностью световых импульсов и интенсивностью света V в импульсе. Воздействие импульсного светового потока на фотосопротивление / приводит

к периодическому изменению величины Rф (t) последнего, как показано на фиг. 3,6. Прибор подключен к источнику постоянного тока с напряжением L/o, так что в исходном состоянии напряжение на конденсаторе 5 равно (для

стационарного режима оно несколько больще)

напряжению LQ. Напряжепие на электродах

ячейки 3 такл-:е равно этому напряжению

(точнее несколько больще его).

Как известно, прозрачность электрооптического затвора является функцией приложенного к ячейке напряжения и изменяется по закону

( -В1 jj,

- а sin

(1)

Р - прозрачность электрооптичегдеского затвора; для электрооптического затвора;-постоянный коэффициент потерь на затухание света в элементах затвора, величина, близкая к единице при использовании в ячейке Керра нитробензола, а в ячейках Поккельса - кристаллов АДП или КДП (дигидрофосфатов аммония или калия); -постоянная Керра для вещества ячейки; -длина ячейки Керра; -расстояние между электродами в ячейке Керра; -напряжение, приложенное к электродам ячейки Керра. Пусть напряжение источника нитания U-j выбрано так, что электрооптическнй затвор в исходном состоянии максимально прозрачен (р а, т. е. имеет место равенство 1/:жг у 2В1 При этом первый световой импульс беспрепятствепно проходит через электрооптический затвор и воздействует на фотослой конденсатора 5, вызывая увеличение его емкости по закону , Сф (О/о./. : + ((1-1 ) (3) где Сф„ - начальное значение емкости 5 в стационарном режиме (исходном), минимальное значение; т - длительность светового импульса на входе прибора; К. - коэффициент, показывающий во сколько раз увеличивается емкость фотодиэлектрического конденсатора при его облучении за время облучения т при заданиой интенсивности облучения; TI - постоянная времени релаксации конденсатора 5, определяемая свойством фотоматериала. Известны фотодиэлектрические конденсаторы на основе монокристаллов сульфида кадмия с иеомическими контактами, изменяющие свою емкость при облучении в 10i раз. Это связано с тем, что основная масса кристалла при облучепии является фотопроводящей, и только слои вблизи границ служат изоляторами. Пзвестио также, что при уменьшении времени релаксации фотодиэлектрика относительное изменение емкости конденсатора на нем также уменьшается. В данном приборе целесообразно использовать фотодиэлектрики с величиной релаксации, существепио меньщей длительности светового импульса. Полагая (для упрощения) фотодиэлектрический конденсатор 5 неинерционным элементом по отношению к изменению интенсивности светового потока, облучающего его фоточувствительный слой, легко найти из выражения (3), что при действии на прибор первого светового импульса емкость конденсатора 5 в течение длительности этого импульса становится в К раз больше исходной величины Сф ( / т КСф. По закону сохранения энергии следует, что напряжение в первый момент времени на конденсаторе 5 должно «скачком упасть до величины , равной Cmjn - Независимо от того, что прн действии первого светового импульса на фотодиэлектрический конденсатор напряжение на его зажимах резко падает, напряжение на ячейке 3 остается равным напряжению источника питания t/o. Это нетрудно попять, так как последовательно с конденсатором 5 установлено гасящее сопротивлепие 6, на котором в первый момент возникает напряжение, равное /7о(-/(-) В течение длительности импульса т конденсатор 5 (увеличенной в К раз емкости) начинает под заряжаться до некоторой величины ., обусловленной величиной постоянной времени цепи, состоящей из последовательно включенных к источнику питания сопротивления 6 (сопротивлением диода 7 в открытом состоянии пренебрегаем) и конденсатора 5, так что напряжение ( конце действия светового импульса (первого) равно - i4-i)0-) « где Т2 - постояпная времени цепи заряда, равная Т2 кСф„,(7) где R - сопротивление 6. По окончании действия светового импульса будем полагать (для упрощения), что емкость конденсатора уменьшится «скачком до своего исходного значения Сф„. Тогда в силу закона сохранения энергии напряжение на ней увеличится (также «скачком) до величины ., равно с,„,, - 0 1 + (/С - 1) (1 -/-), (8) которая превышает напряжение источника (7оСледовательно, по мере того, как напряжение на конденсаторе 5 превосходит напряжение источника питания fVo, диод 7 становится непроводящим, и его сопротивление можно принять равным бесконечности. Таким образом, в конце первого светового импульса образуется ситуация, при которой к ячейке 3 приложено .напряжение , согласно равенству (8). Величина диэлектрических потерь в ячейке 3 исчезающе мала, поэтому разрядом конденсатора 5 через ячейку пренебрегаем. Конденсатор 5 может разряжаться практически только через большую величину фотосопротивления /, которое но окончании светового имнульса является неосвещенным, т. е. имеет большую величину сонротивления. Постоянная времени разряда конденсатора 5, равная Тз СфЛ + ф(0 обеспечивает такую скорость разряда конденсатора, при которой к моменту прихода на прибор второго светового импульса нанряжение «а конденсаторе 5, а следовательно, и на электродах ячейки 3 (так как Кф(() будет равно тому значению, при котором электрооптический затвор непрозрачен, т. е. напряжению j г - -. и,,, и, + (К-1)(-1 --)1 3 v V Bi период следования световых импульСледовательно, второй световой импульс через электрооптический затвор пропущен не будет, т. е. второй световой имнульс не воздействует на конденсатор 5. Однако поскольку величина фотосопротивления 1 уменьшается при его облучении, то конденсатор более иитенсивно разряжается через него. При вы111Jборе постоянной релаксации фотосопротивлеНИН /, равной по порядку длительности световых импульсов, легко понять, что наибольшая скорость разряда конденсатора 5 через фотосопротивление 1 достигается в коице действия . - второго светового импульса на прибор (т. е. когда частичное прохождение света через затвор уже не представляется опасным с точки зрения надежности работы прибора). Временная диаграмма напряжения на конденсаторе представлена на фиг. 3,в, а временная диаграмма напряжения на ячейке с - на фиг. 3,г. Кроме того, на фиг. 3,г слева дана характеристика прозрачности электрооптического затвора в функции от приложенного к нему напряжения (оно отложено на оси ординат). Из фиг. 3,г следует, что первый световой импульс проходит беспрепятственно через электрооптический затвор, второй - практически полностью им задерживается. В иромежуток времени между вторым и третьим световым импульсами конденсатор 5 продолжает разряжаться, причем основная часть его заряда стекает через фотосопротивление / по окончании действия светового (второго) импульса на прибор. При этом к началу действия третьего светового импульса на прибор напряжение на конденсаторе 5 лишь слегка превосходит напряжение источника нитания бо. При этом, как видно из графика прозрачности электрооптического затвора, расположенного слева на фиг. 3,г, последний снова прозрачен для световых импульсов. Таким образом, устройство является делителем частоты входной последовательности световых импульсов на два. Электрооптический затвор пропускает каждый нечетный световой импульс входной иоследовательности и не пронускает каждый четный. На фиг. 3,d представлена временная диаграмма для тока диода 7. Потребление энергии от источника постоянного тока происходит в течение каждого нечетного импульса света. Величина тока i(t) через диод 7 равна (--F Петрудно найти величину мощности, потребляемой прибором от источ11ика питания Р. р f:i(i)dt or (К-1)1 причем наличие двойки в знаменателе выражения (12) вытекает из наличия в ириборе режима деления на два. На фиг. 3,е представлена времеиная диаграмма световых имиульсов па выходе электрооптического затвора, т. е. на выходе прибора. Приведенные аналитические выражеиия позволяют с достаточной степенью точности рассчитать предлагаемый делитель. Так, при использовании ячейки Керра с параметрами d 0,l см, см, .6 2,2- 10-3 сл-еа (для нитробензола) нанряженпе t/o равно ,2б. Напряжение запирания электрооптнческого модулятора (затвора) равно при этом б .ап 21,3 8 согласно выражению (Ю). Задаваясь значением емкости конденсатора 5 Сф, 1000 РФ , длительностью световых импульсов т 20 мксек, иериодом мксек и полагая величину коэффициента /С 3 п сопротивление ком, находим постоянную времени та 30 мксек, согласно выражению (7), и потребляемую мощность от источника тока ,2 мет. Пз выражения (6) находим ,,,. 10 в. Следовательно, согласно выражению (8) напряжение на конденсаторе 5 после окончання нечетных световых импульсов ,.30 в. При этом, согласно выражению (10), находим величину постоянной в)емени T:i 235 мксек. Отсюда, согласно выражению (9) находим величину максимального фотосопротивления при отсутствии его облучения Фта.ч колг, отмечаем, что действительно величина фотосопротивления больше величины гасящего сопротивления 6. При этих условиях на выходе прибора выделяется последовательность световых имп льсов с частотой повторения 5 кгц

при той же длительности световых импульсов (20 мксек), т. е. прибор является делителем частоты световых импульсов на два.

Рассмотренный вариант, конечно, не является оптимальным с точки зрения возможного быстродействия элемента. При выборе соответствующих материалов для фотодиэлектрического конденсатора 5 (с малым временем релаксации) и фотосопротивления (с временем релаксации, сравнимым с длительностью световых импульсов), можно значительно повысить быстродействие делителя, т. е. увеличить частоту следования входных световых импульсов.

Устройство может быть рассчитано так же, как делитель частоты световых импульсов на три. При этом необходимо, чтобы электрооптический затвор был непрозрачным как для второго, так и для третьего световых импульсов, согласно выражению (1). Однако при этом усложняется расчет делителя и уменьшается надежность его работы.

При использовании в предлагаемом устройстве ячейки Поккельса (на кристаллах АДП или КДП при линейном электрооптическом эффекте, при котором электрическое поле прикладывается вдоль направления распространения света в ячейке), прибор весьма компактен, а технология его изготовления проста. На фиг. 2 в разрезе показана конструктивная схема прибора с электрооптическим затвором на ячейке Поккельса (дана крупной штриховкой) .

Па боковые грани ячейки нанесены полупрозрачные проводящие слои (например, серебра испарением в вакууме), являющиеся электродами ячейки. Кольцевые электроды ячейки являются одновременно электродами для фотосопротивления / и сопротивления 6, расположенных соответственно с входной и выходной сторон ячейки (фотослой и пленочное сопротивление 6 представлены двойной штриховкой). Фотосопротивление / имеет центральное отверстие для пропуска части входного светового потока на электрооптический затвор. Спереди и сзади ячейки Поккельса установлены скрещенные Николи или дихроические пленки (поляризатор 2 и анализатор света 4). Второй электрод пленочного сопротивления 6 (дисково-кольцевой формы) является одновременно и электродом конденсатора 5. Другим электродом, конденсатора 5 является проводящая металлическая подложка, «а которую нанесен фотослой (фотодиэлектрик). Один из электродов конденсатора 5, как и у ячейки 3, полупрозрачный и проводящий. Этот электрод связан с кольцевым контактом сопротивления 6. В центре конденсатора 5 сделано отверстие для пропуска части падающих иа него лучей света на выход

прибора. Конструкция устройства в целом жесткая, компактная. Прибор заключен в стеклянный баллон, из которого откачен воздух, что способствует сохранению полупрозрачных покрытий и обеспечивает длительный

срок службы (практически неограниченный). Диод 7 также может быть размещен в общем баллоие прибора, так как точечный диод практически не занимает места в приборе.

Предложенный вариант выполнения прибора, конечно, не претендует на полную законченность, хотя в таком выполнении прибор является перспективным при создании иа его основе «матриц из идентичных приборов, освещаемых от общего источника световых

и.мпульсов. Пастройка прибора может состоять в частичном закрытии рабочей поверхности фотосопротивления /, например, чернением внешней части баллона прибора со стороны фотосопротивления 1. При этом изменяется

характер кривой разряда конденсатора 5, данной на фиг. 3,в, а следовательно, обеспечивается необходимая четкость работы делителя. Кроме того, варьироваться могут напряжение источника и интенсивность светового облучения.

Предмет изобретен и я

Делитель частоты световых импульсов, содержащий фотосопротивление, отличающийся

тем, что, с целью упрощения конструкции, повышения надежности и долговечности и уменьшения габаритов, в нем облучаемые входной последовательностью световых импульсов и соединенные электрически параллельно фотосопротивление и электрооптический затвор подключены последовательно к источнику постоянного тока через диод, а последовательно соединенные ограничивающее сопротивление и фотодиэлектрический конденсатор подключены

параллельно к электрооптическому затвору, выход которого оптически связан с фотодиэлектрическим конденсатором.

2 J

щ.

LD

)

Фие.За

.3S

Рие.Зб

иг.3е