RU2688907C1 - Фотоприемное устройство - Google Patents
Фотоприемное устройство Download PDFInfo
- Publication number
- RU2688907C1 RU2688907C1 RU2018134216A RU2018134216A RU2688907C1 RU 2688907 C1 RU2688907 C1 RU 2688907C1 RU 2018134216 A RU2018134216 A RU 2018134216A RU 2018134216 A RU2018134216 A RU 2018134216A RU 2688907 C1 RU2688907 C1 RU 2688907C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- shutter
- photosensitive element
- photodetector
- signal
- elastic element
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 claims description 2
- 206010040925 Skin striae Diseases 0.000 claims 1
- 208000031439 Striae Distensae Diseases 0.000 claims 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/02—Details
- G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
- G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
- G01J1/0418—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using attenuators
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
- G02B26/02—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light
- G02B26/023—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light comprising movable attenuating elements, e.g. neutral density filters
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
- H01L31/02325—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements not being integrated nor being directly associated with the device
Abstract
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.
Description
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 ΔLp, а смещение шторки где Lp - расстояние от центра качания коромысла до точки крепления растяжки, a Lш - 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 ΔLш=ΔLp.
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 Ефпу - энергетическая чувствительность фотоприемного устройства; Ец - энергия сигнала, отраженного от ретрорефлектора, установленного на максимальной заданной дальности до цели; Еmax - максимальная энергия сигнала, отраженного ретрорефлектором; Епду - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на фоточувствительный элемент фотоприемного устройства.
Рабочий диаметр шторки где dфчэ - 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 Uупр (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 Uупр 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 Sш - расстояние от центра качания коромысла 13 до центра шторки 6 (плечо шторки); Sp - расстояние от точки крепления растяжки 12 до центра качания коромысла 13 (плечо растяжки). При отключении сигнала Uупр 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 dшт - рабочий диаметр полупрозрачного участка шторки; dфчэ - 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 Мп=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.
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 VT=3⋅10-4 см3.
У нихрома ρT=7,94 г/см3; масса 0,0024 г=2,4⋅10-6 кг; теплоемкость β=0,57 Дж/кгК.
ЕT=βmΔТ=0,57⋅2,4⋅10-6⋅555=0,00076 Дж=0,76 мДж.
Характеристики источника питания.
Потребляемая токопроводящей нитью мощность
РT=ET/t.
Для рассматриваемого примера
РT=ЕT/t=0,76 мДж/0,5 мс=1,5 Вт.
Сопротивление нити RT=ρRLT/ST ~ 10-6⋅3⋅10-2/(0,1⋅0,1)⋅10-6=3 Ом,
где ρR ~ 1 мкОм⋅м - удельное сопротивление нихрома, LT=0,03 м - длина токопроводящей нити; ST - поперечное сечение нити.
Мощность, выделяемая в проводнике сопротивлением RT
РT=IT 2⋅RT, откуда потребляемый ток
IT=(РT/ RT)0,5=(1,5/3)0,5=0,71 А.
Напряжение источника
UT=РT/IT=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 ±ΔТo окружающей температуры, поэтому необходимо, чтобы ΔТ >> ΔТo.
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.
Claims (5)
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 ΔLP, а смещение шторки где Lp - расстояние от центра качания коромысла до точки крепления растяжки, а Lш - 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 ΔLш=ΔLp.
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 Ефпу - энергетическая чувствительность фотоприемного устройства; Ец - энергия сигнала, отраженного от ретрорефлектора, установленного на максимальной заданной дальности до цели; Emax - максимальная энергия сигнала, отраженного ретрорефлектором; Епду - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на фоточувствительный элемент фотоприемного устройства.
5. Фотоприемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что диаметр шторки где dфчэ - 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018134216A RU2688907C1 (ru) | 2018-09-28 | 2018-09-28 | Фотоприемное устройство |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018134216A RU2688907C1 (ru) | 2018-09-28 | 2018-09-28 | Фотоприемное устройство |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2688907C1 true RU2688907C1 (ru) | 2019-05-22 |
Family
ID=66637001
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018134216A RU2688907C1 (ru) | 2018-09-28 | 2018-09-28 | Фотоприемное устройство |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2688907C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3444794A (en) * | 1966-04-01 | 1969-05-20 | Agfa Gevaert Ag | Impeller shutter for photographic camera |
RU2065582C1 (ru) * | 1992-09-28 | 1996-08-20 | Научно-исследовательский институт физической оптики и оптики лазеров, информационных оптических систем - головной институт Всероссийского научного центра "ГОИ им.С.И.Вавилова" | Устройство для контроля качества световых пучков |
US6548807B2 (en) * | 2000-12-21 | 2003-04-15 | Zeiss Optronik Gmbh | Radiation receiver with active optical protection system |
WO2006091791A2 (en) * | 2005-02-23 | 2006-08-31 | Pixtronix, Inc. | Methods and apparatus for actuating displays |
-
2018
- 2018-09-28 RU RU2018134216A patent/RU2688907C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3444794A (en) * | 1966-04-01 | 1969-05-20 | Agfa Gevaert Ag | Impeller shutter for photographic camera |
RU2065582C1 (ru) * | 1992-09-28 | 1996-08-20 | Научно-исследовательский институт физической оптики и оптики лазеров, информационных оптических систем - головной институт Всероссийского научного центра "ГОИ им.С.И.Вавилова" | Устройство для контроля качества световых пучков |
US6548807B2 (en) * | 2000-12-21 | 2003-04-15 | Zeiss Optronik Gmbh | Radiation receiver with active optical protection system |
WO2006091791A2 (en) * | 2005-02-23 | 2006-08-31 | Pixtronix, Inc. | Methods and apparatus for actuating displays |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10852437B2 (en) | High dynamic range analog front-end receiver for long range LIDAR | |
US9201138B2 (en) | Photon detector with a paralyzable photon-sensitive element, in particular SPAD, and distance measuring device comprising said type of photon detector | |
CN103345145B (zh) | 一种利用激光进行星载时钟测量的方法 | |
AU2010326276B2 (en) | System and method for using an optical isolator in laser testing | |
JPWO2018211831A1 (ja) | 光検出器および携帯型電子機器 | |
CN109696690A (zh) | 飞行时间传感器及其发光检测方法 | |
RU2655003C1 (ru) | Лазерный дальномер | |
RU2688906C1 (ru) | Приемник оптических импульсов | |
JPH10227857A (ja) | 光波測距装置 | |
RU2688907C1 (ru) | Фотоприемное устройство | |
WO2019160696A1 (en) | Systems and methods for mitigating avalanche photodiode (apd) blinding | |
CN110031093A (zh) | 大范围激光功率传递探测装置 | |
RU2692830C1 (ru) | Приемник лазерных импульсов | |
RU2686406C1 (ru) | Приемник лазерного излучения | |
RU2686386C1 (ru) | Оптический приемник | |
RU2688904C1 (ru) | Приемник оптических сигналов | |
Prochazka et al. | Note: Space qualified photon counting detector for laser time transfer with picosecond precision and stability | |
CN111656220A (zh) | 用于接收光信号的接收装置 | |
RU2690718C1 (ru) | Приемник оптического излучения | |
Reed et al. | Assessing the impact of the space radiation environment on parametric degradation and single-event transients in optocouplers | |
RU2694463C1 (ru) | Импульсное фотоприемное устройство | |
CN103983616A (zh) | 透射式能见度测量装置及扩展系统线性动态范围的方法 | |
Mu et al. | Evaluation and experimental comparisons of different photodetector receivers for visible light communication systems under typical scenarios | |
GB2267963A (en) | Obscuration sensor | |
RU2688947C1 (ru) | Фотоприемное устройство с затвором |