CC BY
36
УДК 536.8: 621.384
Е. В. Горбунова, В. В. Коротаев, А. Н. Тимофеев
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики
А. И. Левитин, А. Н. Чертов
Научно-производственное предприятие „Буревестник", ОАО
Санкт-Петербург
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МАТРИЧНЫХ ПРИЕМНИКОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ В ФОТОМЕТРИЧЕСКОМ КАНАЛЕ РЕНТГЕНОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО СЕПАРАТОРА АЛМАЗОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
Рассматриваются особенности построения фотометрического канала рентгено-люминесцентного сепаратора алмазосодержащего сырья. Предлагается использовать в фотометрическом канале матричный фотоприемник с зарядовой связью. Исследуется влияние условий процесса сепарации материала на выбор параметров оптической системы.
В автоматизированных комплексах рентгенолюминесцентных сепараторов алмазосодержащего сырья предложено использовать в фотометрическом канале матричный приемник с зарядовой связью для повышения эффективности обогащения руды путем локализации зон регистрации свечения [1].
Принцип действия сепаратора заключается в следующем. Поток руды, движущийся по транспортеру или наклонному лотку, подвергается рентгеновскому излучению, под действием которого алмазы и некоторые сопутствующие им минералы начинают светиться. Импульсы люминесценции попадают в поле зрения оптической системы фотометрического канала сепаратора и регистрируются фотоприемным устройством на основе матрицы ФПЗС. В ходе анализа полученного изображения определяется вид и местоположение частиц минералов: алмазы, попадая в область отсечки, „выдуваются" струями сжатого воздуха в концентратный отсек, а „пустая" порода выводится из сепаратора.
При использовании матрицы ФПЗС в качестве приемника излучения возникает проблема выбора параметров оптической системы: диаметра входного зрачка и требуемой разрешающей способности, достаточных для точного определения местоположения частиц руды в потоке. Необходимо также оценить влияние условий процесса сепарации руды на величину диаметра входного зрачка оптической системы.
Представленные в настоящей статье формулы выведены на основании методики расчета параметров телевизионной системы, приведенной в работах [2—4]. При расчете учитываются скорость движения материала и размер частиц руды, а в качестве ключевых исходных данных используются характеристики люминесценции объекта (сила излучения, спектральный диапазон и время свечения).
Диаметр входного зрачка оптической системы, при котором обеспечивается регистрация матрицей ФПЗС рентгенолюминесценции алмаза, определяется следующим образом:
72
Е. В. Горбунова, В. В. Коротаев, А. Н. Тимофеев и др.
О = / '
4 АН0 (1 + V )2
^ ' (1)
пт0 • 0,86ГЭIтах • 683к11
где / — фокусное расстояние оптической системы, А — площадь излучения объекта, Н0 — требуемая экспозиция матрицы, V — линейное увеличение оптической системы, т0 — интегральный коэффициент пропускания оптической системы, tэ — время экспонирования матрицы, 1тах — сила излучения объекта, к11 — коэффициент использования матрицей ПЗС излучения заданного источника.
Как показали предварительные расчеты, такая оптическая система физически нереали-зуема (полученный диаметр входного зрачка приемного объектива равен 55 м), поскольку матрица ФПЗС в качестве приемника излучения не может зафиксировать рентгенолюминес-ценцию алмаза без применения дополнительного устройства повышения чувствительности.
В качестве такого дополнительного устройства могут быть использованы электронно-оптический преобразователь (ЭОП) или микроканальные пластины, которые увеличивают освещенность матрицы ФПЗС.
Особенности предлагаемого варианта построения фотометрического канала рентгено-люминесцентного сепаратора заключаются в следующем:
— высокая чувствительность сочлененного фотопреобразователя;
— возможность регулировки (изменения) энергетической чувствительности системы в широких пределах, т.е. создание адаптивной системы, работающей в широком диапазоне яркостей;
— возможность, в случае необходимости, использования ЭОП в качестве электрооптического затвора.
Характеристики и параметры сочлененного прибора во многом зависят от вида оптической связи между ЭОП и матрицей ФПЗС. Обычно применяются следующие виды оптической связи: проекционный объектив, цилиндрическая стекловолоконная планшайба или фокон.
Технологически наиболее простым видом оптической связи является проекционный объектив. Однако такая связь, помимо существенного увеличения размеров сочлененного прибора, приводит к большим потерям света, излучаемого люминофором ЭОП. С помощью цилиндрической планшайбы сочленяются обе части прибора, имеющие одинаковые по размеру рабочие поверхности люминофора и внутреннего фоточувствительного слоя. Если эти размеры разные, причем большей обычно является рабочая поверхность люминофора, то используется фокон. В рассматриваемой системе для сочленения матрицы ФПЗС с ЭОП предлагается применять фокон.
Коэффициент преобразования подобного сочлененного фотопреобразователя, достаточный для обеспечения регистрации матрицей ФПЗС рентгенолюминесценции алмаза, рассчитывается по формуле
*=_4Н0 <1+,/)2 Ак"_, (2)
к1 пт0 (О / /')2 1тах • 683кг1 • 0,864,
где О / /' — относительное отверстие оптической системы, к1 — коэффициент использования матрицей ПЗС излучения эталонного источника, к^ — КПД глаза при излучении заданного источника.
Для оценки работоспособности предлагаемого варианта построения фотометрического канала был выбран ЭОП типа „Квант-Э" с затвором и микроканальной пластиной. Значение его коэффициента преобразования (усиления) для О / /' = 0,5 близко к вычисленному по формуле (2).
В этом случае требования к сложности оптической системы снижаются, и для реализации схемы „оптическая система — ЭОП — матрица ФПЗС" можно использовать серийный фотообъектив.
По результатам исследований математической модели системы составлены графики зависимостей величины диаметра входного зрачка оптической системы от коэффициента преобразования (п) ЭОП (см. рисунок, а) и от значения чувствительности (^шах) матрицы ФПЗС (см. рисунок, б) при различных значениях силы излучения рентгенолюминесценции алмаза
—13 -12 —9
(кривые 1—3): 1 — /шах = 10 Вт/ср, 2 — /шах = 10 Вт/ср, 3 — /шах = 10 Вт/ср. Зависимость .О(п) при определенных значениях /шах имеет большую крутизну по сравнению с зависимостью ^(^шга) при тех же значениях /шах. Поэтому характеристики излучения объекта (яркость, спектральный диапазон, время свечения) необходимо учитывать, в первую очередь, при выборе ЭОП. Матрица ФПЗС должна выбираться с учетом параметров ЭОП, а также в зависимости от предъявляемых к фотометрическому блоку требований по быстродействию и частоте кадров.
Кроме того, следует учитывать, что схема фотометрического канала с использованием матрицы ФПЗС является синхронной, т. е. требует жесткой привязки скорости движения материала к частоте кадров. Таким образом, в системе должно быть предусмотрено устройство авторегулирования скорости (частоты) работы подающего устройства (что и реализовано в конструкции большинства серийно выпускаемых матриц зарубежного производства): это позволит применять матрицу в режиме электронного затвора.
Проведенные исследования показали, что при современном техническом уровне реализация фотометрического канала с матрицей ФПЗС возможна только при использовании сочлененного с ней ЭОП.
СПИСОК литературы
1. Бубырь Е. В., Казаков Л. В., Коротаев В. В. и др. Повышение технологической эффективности рентгено-люминесцентных сепараторов алмазосодержащего сырья // Сб. трудов VI Междунар. конф. „Прикладная оптика", 18—21 окт. 2004., СПб. Т. 1. Оптическое приборостроение. СПб., 2004. С. 97—101.
2. Грязин Г. Н. Системы прикладного телевидения: Учеб. пособие. СПб.: Политехника, 2000.
3. Грязин Г. Н. Оптико-электронные системы для обзора пространства: Система телевидения. Л.: Машиностроение, 1988.
4. Грязин Г. Н. К расчету частотных характеристик приборов с зарядовой связью // Изв. вузов. Приборостроение. 2001. Т. 44, № 3. С. 22—23.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
оптико-электронных приборов и систем 04.07.07 г.
