Классификация и принципы построения многокомпонентных оптронных структур Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 681.325 (088.8)

КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ОПТРОННЫХ СТРУКТУР

© 2001 С.А. Матюнин

Самарский государственный аэрокосмический университет

В статье рассматриваются принципы спектрального взаимодействия многокомпонентных оптоэлектронных структур. Приводятся примеры реализации принципа спектрального взаимодействия в ряде оптоэлектронных преобразователей и элементов - в датчиках больших и малых перемещений, стабильных источниках и приемниках оптического излучения, устройствах гальванической развязки, коммутаторах оптических сигналов.

Общепризнанно, что применение оптоэлектроники в контрольно-измерительной технике и системах управления позволяет добиться высоких метрологических характеристик, устойчивости к электромагнитным воздействиям, позволяет создавать помехоустойчивые каналы связи, элементы практически идеальной гальванической развязки измерительных, управляющих и силовых цепей и т.д. Так как обобщенная структура оптоэлектронного устройства (ОЭУ) в каждом конкретном случае реализуется лишь частью блоков (рис.1), то можно выделить следующие группы ОЭУ: 1- оптоэлектронные элементы (ОЭЭ - источники излучения (ИИ), оптическая система (ОС), передающая и преобразующая излучение, приемники излучения (ПИ)); 2 - элементарные оптроны (используют блоки ИИ-ОС-ПИ); 3 - оптоэлект-

ронные преобразователи или устройства (содержат совокупность элементарных оптронов, устройства формирования и управления).

Воздействие информационных параметров в ОЭУ происходит, в основном, двумя способами: 1 - путем пространственно-временной модуляции светового потока некогерентного излучения (к этому же, в конечном счете, сводится и изменение степени и направления поляризации излучения); 2 - путем интерференционного взаимодействия когерентных компонент излучения и их модуляции. Например, в устройствах гальванической развязки аналоговых сигналов - оптронах, воздействие информационного параметра осуществляется посредством управления интенсивностью излучения ИИ, а в оптоэлектронных аналого-цифровых датчиках

Информационные п араметры

Т ормирователь Источник Среда Оптическа Оптически

сигналов излучения распростра я система й фильтр

управления ИИ N 1/ N ✓ нения N 1/ N 1/

Внешние дестабилизирующие фа кторы

Выходное

устройство

Усилитель-

преобразов

атель

Приемник

излучения

Анализатор

изображения

Рис. 1. Обобщенная структура ОЭУ

перемещения - посредством пространственной модуляции излучения. В тоже время, использование принципа спектрального взаимодействия позволяет получить простые по конструктивному исполнению устройства с уникальными характеристиками.

В многокомпонентных оптронных структурах спектрального взаимодействия (МОС) на поверхность оптоэлектронных элементов (рис.2) ИИ (1), ОС (4) и ПИ (7), наносится дополнительный ряд компонент (2,3,5,6), выполняемых, обычно, в виде многослойных тонкопленочных покрытий (МТП). Эти компоненты, выполняя спектроформирующую функцию, функцию избирательной, временной и пространственной фильтрации, модуляции и коммутации, существенно изменяют свойства ОЭЭ. Здесь воздействие информационных параметров происходит вследствие спектрального взаимодействия многокомпонентных оптоэлектронных элементов (МОЭ). В результате такого взаимодействия становится возможным добиться инвариантности параметров ОЭУ к внешним дестабилизирующим факторам (ВДФ), реализовать функцию временной и пространственной модуляции, коммутации, спектрального уплотнения и создать прецизионные ОЭЭ и ОЭУ [1-3].

Многокомпонентные оптронные структуры (многокомпонентные оптоэлектронные элементы) спектрального взаимодействия -это оптоэлектронные устройства (элементы), в оптическую цепь которых введены (на поверхность которых нанесены) многокомпонентные оптические структуры, выполняющие спектроформирующую, спектровзаимодействующую и термокомпенсирующую функции, функции пространственной и временной модуляции и др., воздействие информационных параметров в которых происходит в результате взаимодействия их спектральных характеристик.

Если обозначить

Ф* 1 ,:,т Д ф ),Т * 1,:,тД Т ),Б* 1,ь,тД Б)

- абсолютные спектральные характеристики излучения ИИ, пропускания ОС и чувствительности ПИ, иф,ит,и8 - управляющие сигналы ИИ, ОС и ПИ, а

Ф* 1:,т),Т* 1:т), Би‘к 1:т)

- абсолютные спектральные характеристики пропускания і, ], к-го МТП, нанесенных на поверхности ИИ, ОС и ПИ соответственно, то для последовательно соединенных МОЭ (рис.2) спектральный состав излучения

I* (Я,£,т) , падающего на ПИ, определится из выражения:

/(!, *, г) = {Ф*(1, ?, т, иф) х хП^: (1, і,т))-{Ґ(1 і,т,ит) х

ІЄІ

хП* (1 *,*)}•{£* (1, ЪъЩх

<ге*к (1, *,г)},

Рис. 2. Структурная схема МОС

кєК

где І, J, К - множество индексов компонент МТП, нанесенных на ИИ, элементы ОС и ПИ соответственно. Проведенные автором теоретические и экспериментальные исследования МОЭ позволяют с достаточной степенью точности и не зависимо от физической природы процессов, происходящих в них, аппроксимировать их абсолютные спектральные характеристики разностными функциями вида:

Ф* 1,:,ТД Ф) = Фм :тД Ф)-Ф1-1ф :т)] т * г )=тм :тд т )• т 1-і :,т)і

Б* 1,:,ТД3) = Б м :,ТД8)-Б [Я-Я3 :)] где:

Ф[і-Яф :,т):, т і-іТ і,т) ;, б 1-Я3 :т) -

относительные спектральные характеристики мощности излучения ИИ, пропускания ОС и чувствительности ПИ соответственно;

Фм :тд ф), тм :тд т), Бм :тд5) -

температурно-временные зависимости изменения максимумов их абсолютных спектраль-

ных характеристик; 1т ^,т),

Я3 £:,т)- температурно-временные зависимости длин волн максимумов соответствующих спектральных характеристик. После введения в цепь оптической связи МТП спектральные характеристики МОЭ определятся из выражения:

Ф* = Фж ф )• Ф1-1ф t,т) К

кШф1 г^ф ^ф»1-1Ф _» ^тд 1 )]

*=1

т • = т„ t,rUT )• т 1-А, е,г) К

хпк. )• г; 1-1т,_. ь,ти ,1)]

іє а *

Б = Би І,ТД Б )Б Я-Я3 І) К X П{Б1 ^Д ПБ )бк Я-Я^_„ і,тд Я)]

(1)

щадки Р ПИ от смещенного относительно

него на величину х0, у0 ИИ с излучающей

площадкой Р№ получим обобщенное выражение для величины выходного сигнала ПИ в виде:

Л| || Ф** Хо , Уо ,2о 1 ^t М Д Ф*) х

/1н Рл * *

[Х - Хо) + (У - У о ) + 20]

х

х

х

** ** т Х ,у ,яЛ£,?Д т )

[Х - Хо)0 + (у - У о )0 + 20° ]

Б** Х/У^Д^МД S**)•dx0dy0 [Х - Хо)0 + (у - У о )0 + 2о0]

,(2)

Сх dy сЯ

і і к ^ где Д пФ Д п3т Д пБ - управляющие воздействия на максимумы пропускания соответствующих МТП, Д Щф Д піт ,Д Я - управляющие воздействия на сдвиг спектральных характеристик МТП.

Так как в общем случае для МОЭ наблюдается так же координатная зависимость их спектральных характеристик (по поверхности), то их абсолютные спектральные характеристики (обозначены знаком "**") запишутся в виде:

Ф** Х,У,2;ЯИ:;тД Ф*) =

= Ф* Я,^тД фД пфД пяф)• С ф Х,у,2) т ** Х,У,2,Я^,тД **) =

=т * Я£,тД т Д піт Д пЯг )• Ст Х,у ,2) Б ** Х , У ,2 ,Я ^М Д Б**) = = Б‘Я^ДБДпкБДІк1Б)-С Б Х,У,2)

Выражение (2) позволяет учесть как влияние информационных и управляющих воздействий на МОЭ, так и влияние ВДФ.

В таблице 1 с позиций теории чувствительности приведены выражения для опре-

_

деления чувствительность МОС ах =----- к

изменению управляющих сигналов и ВДФ. В таблице 1 приняты следующие условные

(Ут =

^ФМ

(Ут =

БМ

1 ЭФи tмД Ф)

Фи t М Д Ф) ЭМ

1 ЭБ и tМД Б )

Б и t М Д б) ЭМ

1 Эт и tМД т )

т и t,тд т) ЭМ

где: С ф Х/У^) Ст Х,У^) С Б (Х,У,2)-весовые функции, учитывающие координатную зависимость соответствующих спектральных характеристик ИИ, ОС, ПИ, а

** ** **

Д Ф Д т Д Б - множество управляющих воздействий МОЭ. Тогда с учетом [4] выражения для освещенности чувствительной пло-

Хтм ,

- инерционность ИИ, ОС, ПИ;

(Х^

^ (Ті АА

ХтМп

Хкт =

БМп

- инерционность ИИ, ОС, ПИ по цепи управления МТП;

1 эф^„ t,тД Ф)

ф1 tмД Ф) ЭМ

1 Эт и« tМДT )

т « tмД т) ЭМ

1 эб и» tМД т )

Б ик„ tмД т) ЭМ

Х

1

ЭФМ t М Д Ф )

Фи t М Д Ф)

Эt

кє К

Таблица 1. Чувствительность МОС к управляющим воздействиям и ВДФ

Воздействие Наименование воздействия Коэффициент чувствительности

1 2 3

Ат время аФМ + а5М + аМ + У ^ФМи + У.^Тмп + У ^кМи + / 7 к 1 ДВ — | Д[ДфЬДфаДф + Д? + 1 Ь,1га1Г + А Дя У ДфАфОФ»++ 14ЬДХда /е/ уе/ кеК

Аг температура аФМ + а5М + а:ТМ + У аФМп + У аким+ У аШМ+ / 7 к 1 Дв — [ А1[ДФЬДФ«ДФ + Д5+ Д "Ьдгадг + А Дя

~~У ДФиЬДФиаДФи + У + У Д»1Ь,1»1ак»1]^Д /е/ уе/ кеК

АЦф, Аи:Ф интенсивность излучения ИИ а иф ди + Уа/иф ди' афМаиф ^ / ;^ФМ^ пф /

Аиг, АиПт пропускание ОС а иМ Диг +У «ТММП ДиУ У

АЦ,, Аи£ чувствительность ПИ ™ Л 7 7- . X"4 — ки5 Л 7- Т к а5М Ди5 + Уа5ти Ди5 к

АиПяФ сдвиг спектральной характеристики МТП ИИ -Г ЬЁ ДфпЬка/ФПДиПдф ]</Д А Дя /е/

АЦ^ сдвиг спектральной характеристики МТП ОС [У ДТ«Ьк<Д Ди^Дт ]^Д А Дя уе/

сдвиг спектральной характеристики МТП ПИ

а:м

1 Эг . Ь,тД г)

Эь

1 Эзж МД 5 )

Зж мд 5 ) Эt

- температурная чувствительность ИИ, ОС, ПИ;

а

ФМп

а ^ =

1 эф:„ ЬтД ф )

фМп ьт;и Ф) Эь

1 Эг 1 мп £,тД г )

гМП ь-тДг ) Э ст

1 ЭБ к МП £,тд г )

=

зм з:„^тдт) Эt

- температурная чувствительность ИИ, ОС, ПИ по цепи МТП;

4 = Ф[Я - Я (г,т)]х хП«і [Я - Яф„(1,т,Цаф)1Т[Я - Я (АГ)]•

/е/

ПФ - ЯА Г, ЦПяг)] • 5[Я - я,М]: ГО[Я - я;„(*.гада

]х

/е3

х

кеК

А

= |А1(ЗЯ;

а’м =

аЯг

_1____ЭЯФ Ьт)

ЯФ ь,т) Эт ’

1 ЭЯт ь,т)

Я ьт) Эт ’

Я

а

ЯБ

1 ЭЯс Ь,т)

Я. ь,т) Эт

- инерционность изменения длин волн максимумов спектральных характеристик ИИ, ОС, ПИ;

а

ЯФп

а

ЯТп

1 ЭЯФп ьтд п1ЯФ )

ЯФп ьтд 1 пЯФ ) Эт

1 ЭЯТп 1,тд 1) пЯТ

ЯП ьтд 1 пЯТ ) Эт

1 ЭЯ^п 1,тД 1) пЯБ '

Якп ьтд 1 пЯб ) Эт

ь _ 1 ЭЯф ^,т)

Яф t,т) Эь ,

аЯФ=

ь _ 1 ЭЯТ ь,т)

ЯТ (Ъ,т) Эь

аЯТ=

Я1 Л'фп ьтд 1 пЯФ ) Эь

1 ЭЯТп МД Пят )

ЯТП 1,тд 1 пЯТ ) Эь :

1 эяБп ьтд Пяб )

яБп 1,тд 1 пЯБ ) Эь

ЯФ

РЯТ

Ряб

ЭЯФ ЭТ Я - ЯТ ]

ЭЯТ !

_ ЭБ [Я - Яс ]

' ЭЯ

- крутизна спектральной характеристики ИИ, ОС, ПИ;

Д1 _ ЭФп1 Я - Яфп ]

і ЯФп -\ л 1 ,

ЭЯ

ЬяТп

Эт Я-ЯТП]

эятП ,

_ЭБЯ-Якп]

Ряб ЭЯ!

- крутизна спектральной характеристики МТП соответственно ИИ, ОС, ПИ;

1 ЭФМ £,тД Ф)

- инерционность изменения длин волн максимумов спектральных характеристик МТП соответственно ИИ, ОС, ПИ;

аи Ф _

^ФМ

а _

БМ

Фм МД Ф) Эи Ф

1 Эт м ь,тд Т)

т м Ь,тДт) Эи т ,

1 Эбм Е,тд 5)

Б М МД8) Эдз

ь 1 ЭЯБ 1,т)

аЯБ _---------------с----

Яс ь,т) Эь

- температурный коэффициент изменения длин волн максимумов спектральных характеристик ИИ, ОС, ПИ;

а1Ь _ 1 ЭЯфп ^/ТД пЯФ )

аЯФп _

а П _

ЯТп

а^ _

- температурные коэффициенты изменения длин волн максимумов спектральных характеристик МТП соответственно ИИ, ОС, ПИ;

,ЭФЯ-Яф ]

- чувствительность максимумов спектральных характеристик ИИ, ОС, ПИ к соответствующим управляющим воздействиям;

1ДФ

ФМп

а

ТММ

кДБ

СБММ

1 ЭФМп МД 1) Фп

ФМп 1,тД 1 Фп ) Эи Фп

1 Эт Мп ^/ТД П ) Тп

Т Мп t,тд Тп ) ■"н д Э

1 ЭБ Мп ^/ТД к) Бп 1

с Мп t,тд к Бп ) Эи Бп

- чувствительность максимумов спектральных характеристик МТП соответственно ИИ, ОС, ПИ к соответствующим управляющим воздействиям;

1дЯ _ ______1_____ ЭЯфп ^/ТД пЯФ )

ЯІ„Ь,тдПяф ) Эи Я

аЯФп

аПиЯ _ ЯТп

1 ЭЯ ЕтД пят )

ЯТп ьтд Пят ) Эд Пят

акиЯ _ 1 ЭЯ мд Пяб )

ЯБП Я^п МД Пяс ) Эи Пяс

- чувствительность изменения длин волн максимумов спектральных характеристик МТП соответственно ИИ, ОС, ПИ к соответствую-

т

щим управляющим воздействиям. Как видно из (2) и таблицы 1 выходной сигнал ПИ определяется величиной излучаемого ИИ светового потока, спектральными характеристиками МОЭ и взаимодействием этих спектральных характеристик. Причем, этим взаимодействием можно управлять как путем изменения соответствующих управляющих воздействий, так и изменением крутизны и взаимного расположения спектральных характеристик МОЭ. Так, например, примем, что МОС состоит из обычных ИИ, ПИ и двухкомпонентного МОЭ оптической системы, что ИИ и ПИ питаются от стабильных источников питания и характеризуется равномерной плотностью потока излучения по поверхности, а управляющие сигналы воздействуют только на МОЭ оптической системы. Тогда выходной сигнал ПИ определится из выражения:

пЯТ

= {фм -т* • э* }-тиПт)-тіп иПт) я5ФЯ-ЯфТ Я-ЯТ В Я-Я3]ГИ1 X ¿хя-я^, иПяг)Г2 я-яТп и 2г)]

.(3)

Оя-ЯиПяг )]=

1 + Б1 • ^П^Я СОБУ1]

^2 Я-яТп и 2г)]=

1+ Б., • БІ

Я

СОБу2 ]

Пусть, для определенности, МОЭ сформированы на базе интерференционных фильтров, для которых характерно изменение длины волны максимума пропускания при изменении оптической толщины резонансных слоев (например, путем изменения углов наклонов фильтров к потоку излучения),

тогда:

где В1, В2 - определяют полуширины пропускания фильтров (определяются конструктивными параметрами); й1, ё2 - оптические толщины резонансных слоев фильтров. Тогда, если зафиксировать один фильтр неподвижно, а второй смещать относительно первого на некоторый угол, то в результате спектрального взаимодействия их характеристик выходной сигнал ПИ будет определяться изменением угла наклона второго фильтра. На рис. 3 изображено семейство позиционных характеристик такого преобразователя угловых перемещений при различной крутизне спектральной характеристики фильтров. Как видно, даже при небольших наклонах фильтра (наклон в 0,1 радиана при размере фильтра 10 мм соответствует линейному перемещению в 1 мм) наблюдается существенное изменение выходного сигнала ПИ.

Если принять в (2), что управляющие воздействия на МОЭ неизменны во времени, отсутствует координатная зависимость спектральных характеристик элементов, а ВДФ проявляются только в температурных изменениях характеристик, то температурную зависимость выходного сигнала ПИ можно определить из (4). Откуда следует, что температурная зависимость выходного сигнала

1

1

1

ПИ определяется температурными зависимостями спектральных характеристик МОЭ и их взаимодействием.

J t) = фм tTм t)Sж tTM t)-1Ф1-1фм t)T l-Лм t)$ X, (4)

¿х[А-Аж t)Tnl [1 — Ajn t)dl’

Если учесть, что при изменении температуры МОЭ наблюдается сдвиг их спектральных характеристик, то из условия:

te

J [J t)- J0 ]2dt ® min

tH

можно определить оптимальную характеристику МТП TM1 tT n1 [1 - 1rn t) , обеспечивающую необходимую температурную стабильность параметров МОС.

Проведенные автором экспериментальные и теоретические исследования, позволили создать ряд термокомпенсированных аналоговых МОЭ спектрального взаимодействия и прецизионных измерительных устройств на их основе. Так на рис.4 приведены экспериментальные температурные зависимости мощности излучения арсенидо-галли-евого светодиода, термокомпенсированного по цепи оптического канала путем нанесения на наружную поверхность кристалла светодиода МТП и температурные зависимости текущей относительной погрешности термокомпенсации P(t). Как видно, при толщине МТП d=0,916 мкм в диапазоне температур от 0 до 110 градусов температурная погрешность ИИ не превышает 0,3%.

Классификация МОС спектрального вза-

имодействия (рис. 5) отражает наиболее важные классы.

По виду конструктивного исполнения МТП можно выделить на три класса: МОС дискретного исполнения, МОС интегрального исполнения и комбинированные МОС. В первом случае МТП выполняются в виде отдельных конструктивно законченных оптических спектро-формирующих элементов (СФЭ), во втором случае МТП наносятся непосредственно на рабочую поверхность МОЭ, в третьем случае часть МОЭ выполняется по первому, а часть - по второму вариантам. Очевидно, что во втором варианте исполнения МОС, благодаря малой толщине МТП (единицы-доли мкм) и непосредственному контакту с рабочей поверхностью МОЭ обеспечиваются не только минимальные габаритно-массовые показатели, но и идеальный тепловой контакт МТП с поверхность МОЭ (последнее обстоятельство позволило создать ряд МОС и МОЭ, термокомпенсированных по оптическому каналу). Выполнение же МТП в едином технологическом процессе с изготовлением МОЭ гарантирует высокую повторяемость их характеристик и высокую надежность. По виду исполнения СФЭ можно выделить: МОС с объемными СФЭ - здесь формирование спектральных характеристик происходит за счет поглощения, отражения и рассеивания излучения в веществе СФЭ; МОС с толстопленочными СФЭ - здесь формирование спектральных характеристик происходит так же за счет объемных эффектов в веществе, но СФЭ выполняется по толстопленочной технологии

Р(Т).

Рис. 4. Температурные характеристики и погрешность термокомпенсации многокомпонентного арсенидо-галлиевого светодиода при различных толщинах МТП (мкм)

Дискретного исполнения

Интегрального исполнения

Комбинированного исполнения

|_

1

К

Конструктивное исполнение МТП

МОС с объемными СТЭ

МОС с толстопленочными СТЭ

МОС с нерегулируемыми спектральными характеристиками СТЭ

Конструктивное исполнение СТ Э

МОС с тонкопленочн ыми однослойными СТ Э

МОС с тонкопленочными многослойными СТ Э

МОС с регулируемыми спектральными характеристиками СТЭ

МОС с изменяемыми спектральными характеристиками СТ Э

МОС с неизменяемыми спектральными характеристиками СТ Э

Влияние на пектральные харак-ки МТП

-с

Принцип формирования характеристики СТ Э

Параллельное дискретное формирование СТ Э

Параллельное непрерывное формирование СТ Э

Последовательное формирование СТ Э

К

МОС с широкодиапазонного типа СТ Э

МОС с узкополосного типа СТЭ

Тип спектральнОй характеристики МТП

МОС с многополосного типа СТ Э

МОС с защитой от внешних воздействий

МОС с отрезающего типа СТЭ

МОС с компенсацией внешних воздействий

МОС с полосового типа СТЭ

МОС с воздействием информационных параметров

МОС со специальной характеристикой СТ Э

МОС с одноэелементными МОЭ

<

Выыполняемая функция МТП

МОС с многоэлементными МОЭ

МОС с комбинированными МОЭ

МОС с внешним (естественным) ИИ

<С

Конструктивное исполнение МОЭ

МОС с внутренним (искусственным) когерентными ИИ

МОС с внутренним (искусственным) некогерентными ИИ

<с

Конструктивное исполнение ИИ

м

о

Рис. 5. Классификационная схема МОС

путем нанесения на поверхность МОЭ; МОС с тонкопленочными одно- и многослойными СФЭ - здесь формирование спектральных характеристик происходит, в основном, за счет интерференционных явлений в пленочных структурах. По виду влияния внутренних управляющих или ВДФ на спектральные характеристики МОЭ можно выделить: МОС с неизменными спектральными характеристиками и МОС с изменяемыми спектральными характеристиками. Последние делятся на

МОС с регулируемыми (управляемыми) спектральными характеристиками СФЭ под действием специально сформированных тепловых, электромагнитных, звуковых и т.д. полей, и на МОС с изменением спектральных характеристик под действием ВДФ (температуры, вибрации и т.д.). По принципу формирования спектральной характеристики СФЭ можно выделить: МОС с параллельно-дискретным, с параллельно-непрерывным и последовательным формированием спектраль-

ной характеристики СФЭ. В МОС с параллельно-дискретным формированием спектральной характеристики СФЭ представляет из себя (рис.6) множество одновременно освещаемых параллельным световым потоком элементарных дискретных спектроформирующих элементов СФЭ1 ... СФт, каждый из

которых реализует свою часть итоговой спектральной характеристики. Здесь суммирование сигналов, прошедших через СФЭ, осуществляется в ПИ. В этом случае, при пространственно равномерном световом потоке ИИ выходной сигнал ПИ определяется из выражения:

Таблица 2. Основные характеристики элементов и устройств МОС

Тип МОС Взаимодействие Характеристика Значение

Модуль гальванической развязки сигналов датчиков Спектральная термокомпенсация ИИ-ПИ Количество гальванически развязанных каналов от 1 до 16

Напряжение развязки, кВ от 1 до 6

К-т нелинейности характеристики, % 0,02

Приведенныш температурный коэффициент передаточной характеристики, не более %/ 0С 0,005

Напряжение питания, В +12,6; -12,6

Г абаритные размеры модуля, мм 100х150

Кодирующий фотоприемник Спектральная термокомпенсация ИИ-ПИ Число двоичных разрядов фотоприемника 10

Число двоичных разрядов выходного кода датчика 14

Диаметр фотоприемника, мм 40

Максимальная частота счшывания, кГ ц 100

Диапазон измеряемык перемещений, град. 0...360

Диапазон рабочих температур, оС -20...+60

Аналоговый ПИ угловых перемещений Спектральная термокомпенсация ИИ-ПИ Диапазон измеряемык перемещений, град. 0 3 0

Основная погрешность, % 0,25

Дополнительная температурная погрешность, % 0,3

Диапазон рабочих температур, оС -20...+60

Аналоговый датчик угловых перемещений Спектральное взаимодействие при угловом перемещении Диапазон измеряемык перемещений, град. 0.3

Основная погрешность, угл.сек. 25

Дополнительная температурная погрешность, угл.сек. 30

Диапазон рабочих температур, оС -20...+60

Аналоговый датчик линейных перемещений Спектральное взаимодействие при угловом перемещении Диапазон измеряемык перемещений, мм 0.1

Основная погрешность, % 0,3

Дополнительная температурная погрешность, % 0,3

Диапазон рабочих температур, оС -20...+60

Коммутатор оптических сигналов Электрическое управление спектральной характеристикой Длина волны излучения, мкм 0,98

Полоса пропускания, мкм 0,1

Количество каналов 100 (10*10)

АЦП линейных перемещений со спектральным кодированием Пространственная модуляция спектральной характеристики МТП Диапазон измеряемык перемещений, мм 0 5 0

Количество двоичных разрядов 10

Спектральный диапазон излучения, мкм 0,4-0,98

Диапазон рабочих температур, оС -20...+60

Оптический коммутатор- демульти- плексор Электрическое управление спектральной характеристикой Длина волны излучения, мкм 0,98

Количество каналов 10

Полоса пропускания, мкм 0,1

Диапазон рабочих температур, оС -20...+60

И и >- СФЭ 1 >- п и

СФЭ m

>- >-

а)

б)

Рис. 6. Параллельно-дискретное и параллельнонепрерывное формирование спектральной характеристики

хв

J (t) = F{ Jj * (Я, t )d1},

Ян

J * (Я, t) = Ф\Я, t) • £ KJ (Я, t) • S * (Я, t),

jeJ

MOC с параллельно-непреры1вны1м формированием спектральной характеристики (рис.6) отличается тем, что СФЭ выполнен в виде единого конструктива, реализующего необходимую зависимость. Здесь используется зависимость спектральной характеристики МТП от угла падения излучения на их поверхность [5]. Для данного варианта MOC при пространственно равномерном световом потоке ИИ выходной сигнал ПИ определяется из выражения:

j * Я/t) = Ф* 1,t)- s * 1,t)x xJ J rn*j Я,,х,у,t)dxdy,

X Y

а профиль подложки СФЭ y(x) определится из интегрального уравнения Фредмгольма:

T Я) = J-----------------------------C • dx- dy-—

n rB r dy dy., .

Pn a + D • Cos{—Cos [arctg—+ arctg—] } я dx dy

где: A, B, C, D - константы, определяемые параметрами МТП.

MOC с последовательныгм формированием спектральной характеристики (рис.7) представляет из себя множество последовательно расположенных конструктивно закон-

ченных элементарных дискретных или выполненных в виде единого конструктива спектроформирующих элементов. Здесь результирующая спектральная характеристика получается в результате произведения спектральных характеристик элементарных спектроформирующих элементов:

а* 1,и = ф* П т? 1,ь)-б *

а

По виду спектральной характеристики спектроформирующего элемента можно выделить: МОС с узкополосной и с широкополосной спектральной характеристикой спектроформирующего элемента. МОС с широкополосной характеристикой спектроформирующего элемента делятся на многополосные, полосовые и отрезающие. Особо необходимо выделить класс МОС со специально сформированной спектральной характеристикой спектроформирующего элемента - как класс МОЭ с уникальными эксплуатационными характеристиками.

По назначению МТП можно выделить: МОС, в которых МТП выполняет функцию защиты элемента от внешних воздействий -спектроформирующая функция является не основной, а побочной; МОС, в которых МТП выполняет функцию компенсации внешних воздействий на характеристки элементов; МОС, в которых воздействие информационных параметров на спектроформирующий элемент приводит к спектральной, пространственной и временной модуляции светового потока.

По виду конструктивного исполнения МОЭ можно выделить: МОС с одно- и много элементными МОЭ и комбинированные МОС, в которых часть МОЭ представляет из себя элементарные источники и приемники излучения, а часть - много элементные МОЭ.

По виду используемого ИИ можно вы-

Рис. 7. Последовательное формирование спектральной характеристики

делить: МОС с внешним естественным источником излучения; МОС с внутренним (искусственным) источником когерентного или некогерентного излучения.

На основе описанного принципа спектрального взаимодействия автором разработан и исследован ряд МОЭ и МОС, характеристики некоторых из них приведены в таблице 2.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Матюнин С.А. Многокомпонентные оптоэлектронные аналоговые и аналогоцифровые преобразователи // Труды научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления".

Судак, 2001.

2. Плют А.А., Матюнин С.А. Способ температурной стабилизации световых характеристик оптоэлектронных устройств // Радиотехника. 1981. Т.36. №2.

3. Конюхов Н.Е., Леонович Г.И., Матюнин С.А. Оптоэлектронные цифровые преобразователи перемещений с интерференционными элементами коррекции и обработки оптических сигналов // Приборы и системы управления. 1990. №9.

4. Леонович Г.И. Оптоэлектронные цифровые датчики перемещений для жестких условий эксплуатации. Самара: СГАУ, 1998.

5. Матюнин С.А. Интерференционный светофильтр с профилированной подложкой // Известия вузов. Приборостроение, 1982. №11.

PRINCIPLES OF CONSTRUCTION OF MULTICOMPONENT OPTRON SYSTEMS OF SPECTRAL INTERPLAY

© 2001 S.A. Matjunin

Samara State Aerospace University

In the article the principles of spectral interplay of multicomponent optoelectronic patterns are esteemed. The examples of implementation of a principle of spectral interplay in a series of optoelectronic converters and members - in sensors of large and small movements, stable sources and receivers of optical radiation, devices of a galvanic isolation, switches of optical signals are resulted.