WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Рис. 1. ИЧ-фотоприемник в интерференционном поле встречных световых потоков. По оси абсцисс отложена оптическая разность хода, нормированная к длине волны Высокая прозрачность ИЧФ необходима для того, чтобы в фотоэлектрическом слое не значительно уменьшался контраст интерференционного поля, образованного встречными световыми потоками. Частотный диапазон чувствительности фотоэлектрического слоя к интенсивности света бегущей волны должен соответствовать частотному диапазону излучения, образующего измеряемое интерференционное поле. Контраст интерференционного поля когерентного излучения равен 1.

Отклик фотоприемника пропорционален интегралу от интенсивности в пределах толщины фотоэлектрического слоя dопт xopt +dopt 2 c dx Q( xopt,,dopt ) cos2 x + xopt 1 2 4 2c sin dopt cos xopt + + dopt + dopt, где (2) 2 – длина волны;

c – скорость света;

t – время;

– исходная временная задержка фронта S2 относительно фронта S1;

Зависимость сигнала от пространственной координаты имеет вид суммы синусоидальной функции и постоянной величины. Отклик фотоприемника так же прямо пропорционален чувствительности фотоэлектрического слоя к интенсивности света бегущей волны.

Одним из параметров, характеризующим интерференционную чувствительность ИЧФ, т.е. чувствительность к положению относительно полос интерференционного поля, является максимальное приращение отклика фотоприемника за период интерференционного сигнала когерентного излучения (размах интерференционной составляющей отклика фотоприемника) Q = Qmax - Qmin, где (3) Qmax, Qmin – максимальное и минимальное значения отклика фотоприемника при изменении координаты xopt или задержки в пределах интерференционного периода. Зависимость нормированного значения Q от dopt описывается выражением Q(dopt ) Qnorm (dopt ) = = sin dopt, где (4) Qmax Qmax - максимальное значение функции Q(dopt ).

Однако отклик фотоприемника пропорционален не только интерференционной составляющей интенсивности световых потоков. Он имеет составляющую, пропорциональную средней, за период интерференции, интенсивности световых потоков, что снижает динамический диапазон интерференционной чувствительности фотоприемника. Параметром, отражающим долю полезной составляющей отклика ИЧФ, является его коэффициент передачи контраста. При контрасте интерференционного поля равном 1, этот коэффициент равен Qmax - Qmin V =. (5) Qmax + Qmin Зависимость нормированного значения V от dopt имеет вид sin dopt V (dopt ) Vnorm(dopt ) = =, где (6) Vmax 2dopt Vmax - максимальное значение функции V (dopt ).

Произведение QV является комплексным параметром, характеризующим эффективность ИЧФ.

Зависимость нормированного значения QV от dopt имеет вид sin2 dopt QnormVnorm (dopt ) = Qnorm (dopt )Vnorm (dopt ) = (7) 2dopt.

Графики описанных выше параметров от нормированной оптической толщины фотоэлектрического слоя dopt / представлены на рис. 2.

Для Рис. 2. Зависимость нормированных Рис. 3. Зависимости нормированных значений интерференционной со- значений максимального приращения ставляющей сигнала фотоприемника отклика фотоприемника за период Qnorm от нормированного среднего интерференционного сигнала Qnorm, абсолютного отклонения оптической коэффициента передачи контраста толщины фотоприемника распредеVnorm и произведения QnormVnorm от ленного по равномерному и нормальнормированной оптической толщины ному закону фотоэлектрического слоя обоснования требования по неоднородности оптической толщины элементов фотоприемника, рассмотрим отклик фотоприемника при отклонении оптической толщины фотоприемника d ( xopt, yopt ), которая меняется по рабочей площади S фотоприемника [4, 11].

f Отклик участков фотоэлектрического слоя, в пределах которых фотоприемник имеет отклонение оптической толщины d ( xopt, yopt ) пропорционален:

f Q(d (xopt, yopt )) f d (d ( xopt, yopt )) 1 2 f f sin dopt cos ( xopt - ) + + dopt. (8) 2 Зависимость нормированного з начения Q от d описывается выражением f Q( d ) f Qnorm ( d ) =. (9) f Qmax График зависимости (9) приведен на рис. 2 для равномерного и нормального законов распределения отклонения d.

f В третьей главе описаны конструкция и принцип работы первого вакуумного (рис. 4-7) и первого резистивного (рис. 8-9) интерференционночувствительных фотоприемников.

Рис. 4. Интерференционно- Рис. 5. Фотография различных чувствительный вакуумный фотоэле- исполнений фотоприемника мент: 1- прозрачный фотокатод, 2 - герметичный баллон, 3 - прозрачный анод, 4 и 5 - подводящие электроды, 6 и 7 - входное и выходное окно Рис. 7. Cигналы на выходе фотоэлемента (желтая линия), а так же на входе пьезоэлемента (красная линия), управляющего зерРис. 6. Вакуумный ИЧФ в калом составе однозеркального интерферометра Рис. 8. Резистивный ИЧФ. 1,3 - элек- Рис. 9. Фотография одного из троды; 2- прозрачный фотоэлектриче- исполнений резистивного ский слой; 4 – прозрачная подложка фотоприемника В четвертой главе на основе моделирования расположения фотоэлектрических слоев в оптическом пространстве описано создание симметричного квадратурного ИЧФ, вакуумного квадратурного ИЧФ с подавлением синфазного сигнала и со свойствами избирательности по длине волны.

Одноэлементный ИЧФ не может быть сам по себе полноценным датчиком перемещений. Скачек фазы на, при изменении направления движения в момент максимума синусоидального сигнала не идентифицируется. Эта неоднозначность устраняется при использовании в фотоприемнике двух или более ИЧ элементов.

Отклик фотоэлектрического слоя 1 (рис. 10 ) пропорционален xopt +dопт / Q1(xopt,dопт ) cos2 xdx xopt -dопт / 1 2 sin dопт cos xopt + dопт, (10) 2 а отклик фотоэлектрического слоя 2 пропорционален xopt +dопт / 2 Q2(xopt,dopt ) cos2 x + (k1 - k3 ) + k2 + dx) 2 2 xopt -dопт / 1 2 sin dопт cos xopt - + dопт. (11) 2 Таким образом, отклики фотоэлектрических слоев фотоприемника являются квадратурными, так как имеют взаимный фазовый сдвиг равный четверти периода. На рис. 11 изображен вариант исполнения симметричного квадратурного фотоприемника.

Фотоприемник обладает симметрией квадратурных свойств, т. е. при повороте на 180°, относительно его рабочего положения для любой схемы интерферометра, фазовый сдвиг его выходных сигналов остается равным /2.

В вакуумном квадратурном ИЧФ с подавлением синфазного сигнала – четыре фотоэлектрических слоя, т.е. фотоприемник имеет четыре выходных сигнала. Рис. 12 поясняет принцип работы 4-х фазного ИЧФ, включенного по 2-х фазной схеме с подавлением аддитивных составляющих помехи [6, 18].

Противофазные сигналы с противоположных фотокатодов вычитаются с помощью масштабных усилителей. В результате, полезная интерференционная часть сигнала удваивается, а помеха (постоянная подсветка, электрическая наводка) – вычитается. На выходе масштабных усилителей имеется квадратурный сигнал, свободный от постоянной подставки и электрической наводки. Кроме того, такая схема является для интерференционного сигнала гребенчатым фильтром, настроенным на длину волны лазера [7].

Рис. 10. Структурная Рис. 11. Эскизный чертеж схема симметричного симметричного варианта квадратурного ИЧФ исполнения квадратурного ИЧФ Рис 12. Включение 4-х фазного Рис 13. Катодное окно вакуумного 4ИЧФ по 2-х фазной схеме с по- х фазного ИЧФ: 1,2,3,4 – электроды давлением аддитивных состав- фотокатодов; 5,6,7,8 – фотокатоды; ляющих помехи – слой MgF2 оптической толщиной /8; 10 – слой MgF2 оптической толщиной /4; 11 – слой MgF2 оптической толщиной 3/Сигналы, на входе и на выходе масштабных усилителей представлены на рис. 14. Принципиальная схема усилителя и схема подключения к нему фото приемника изображена на рис. 15. Частота среза цепи «фотоприемник – усилитель» составляет 3 МГц и ограничена частотными свойствами усилителя с высоким входным сопротивлением.

Рис. 14. Эпюры напряжений: 1 – напряжение на входе пьезоэлемента;

2,3,4,5 - сигналы на входе масштабных усилителей; 6,7 - квадратурные сигналы на выходе масштабных усилителей Рис 15. Принципиальная схема усилителя и схема подключения к нему фотоприемника Глава 5 посвящена построению селективных интерференционночувствительных фотоприемников (ИЧСФ).

Интерференционно-чувствительный селективный фотоприемник (ИЧСФ), изображенный на рис. 16, состоит из зеркала и N интерференционночувствительных элементов (ИЧЭ), расположенных на заданном оптическом расстоянии от плоскости зеркала в пределах длины когерентности входного оптического излучения [8]. Выходные сигналы ИЧЭ складываются с весовыми коэффициентами ai. Характеристика фильтра формируется выбором оптических расстояний li от ИЧЭ до зеркала, а так же выбором весовых коэффициентов ai. Синтез такого фильтра, с заданными амплитудо-частотными и амплитудно-фазовыми характеристиками, можно производить по методикам синтеза цифровых фильтров, которые очень хорошо проработаны.

Рис. 16. Структурная схема интерференционно-чувствительного селективного фотоприемника (ИЧСФ).

На рис. 17 изображена структурная схема синтезированного ИЧСФ с выходами пропускающего и режектороного фильтра [7, 8], а на рис. 18 его расчетные характеристики.

Рис. 17. Селективный фотоприемник оптических сигналов выходами пропускающего и режектороного фильтра. 1,2 – интерференционночувствительные слои; 3 – коррелометр; 4 – отражатель; 5,6 – сумматор; 7,– умножитель; Sвых1 – выход пропускающего фильтра; Sвых2 – выход режекторного фильтра; lopt = k / 4.

Рис. 18. Результаты расчета ИЧСФ ( lopt = 20 / 4, xopt = 2 ). Сплошная линия – сигнал на выходе пропускающего фильтра; штриховая линия – сигнал на выходе режекторного фильтра В главе 6 заложены основы построения ИЧФ - коррелометра оптических сигналов без механического сканирования разности хода [3, 5].

Рис. 13. Схема коррелометра оптических сигналов. S(1) и S(2) – встречные световые потоки; 1 – коррелометр; 2 – фотоэлементы, чувствительные к интерференционному полю (ИЧФ); 3,4 – внешние поверхности фотоприемника - коррелометра оптических сигналов.

( ( ( ( ( (2) ( ) ( ) li(1) = l21) - l11) (i - 1) + l11) ; li(2) = l12) - l22) (N - i) + lN На выходах каждого ИЧ элемента (рис. 13) формируются дискретные значения (отсчеты) корреляционной функции:

B( ) = B((i - 1) )= i (1) (2) = E(1)(t - (i - 1) ) E(2)(t + (i - 1) ) = = E(1)(t) E(2)(t + (i - 1) ), где (12) (1) (2) = + - интервал дискретизации взаимной временной задержки световых потоков S(1) и S(2).

В автокоррелометре на ИЧФ нулевая разность хода световых потоков задана жестко взаимным расположением зеркала и интерференционночувствительных фотоэлементов, а при использовании металлического зеркала, его пространственное расположение совпадает с нулевой разностью хода. В рассматриваемом автокоррелометре отсутствуют фазовые искажения, связанные с неточным механическим сканированием. А что касается времени сканирования, то оно в ИЧФ-автокоррелометре равно нулю из-за отсутствия самого механического сканирования – все отсчеты АКФ могут считываться одновременно. Длительность съема отдельной интерферограммы определяется лишь постоянной времени используемого ИЧФ. Т. е. спектры могут сниматься в реальном времени и с высокой виброустойчивостью.

Основные результаты и выводы работы Настоящая диссертация посвящена разработке физических основ способа регистрации интерференционных полей встречных световых потоков с помо щью тонких фоточувствительных электрических слоев. В работе исследовано влияние неоднородностей, толщины фотоэлектрических слоев на интерференционную чувствительность.

На основе моделирования расположения фотоэлектрических слоев в интерференционном поле встречных световых потоков, создан селективный ИЧФ с двумя выходами, имеющий характеристики селективности полоснопропускающего и режекторного фильтра.

Показано, что ИЧФ с тремя ИЧ элементами может обладать цветовой избирательностью, приближающейся к цветовой избирательности человеческого глаза.

Разработан способ измерения корреляционной функции оптических сигналов без механического сканирования разности оптических путей.

Создан вакуумный квадратурный ИЧФ с подавлением синфазного сигнала и свойствами избирательности по длине волны с высоким отношением сигнал/шум и граничной частотой > 3 МГц.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Shestakov N.P., Ivanenko A.A., Sysoev A.M. Photodetector interference field // Proceedings of SPIE, V. 4900, Part Two. – 2002. – P. 1276-1289.

2. Ivanenko A.A., Shestakov N.P., Sysoev A.M., Shabanov V.F. New photodetector - meter of the correlation function of optical signals // Proceeding SCI, V.10.

– 2003. – P. 124-129.

3. Пат. 2222039 Российская федерация, МКП G03H1/04, Устройство для записи голограммы объекта во встречных пучках / Иваненко А.А., Шестаков Н.П., Сысоев А.М., Шабанов В.Ф. – № 2002104016/28;

2002.02.13; утв. 2004.01.20, Бюл. №2.

4. Пат. 2217710 Российская федерация, МКП G01J3/457, Способ измерения корреляционной функции световых потоков и устройство для его осуществления / Иваненко А.А., Шестаков Н.П., Сысоев А.М., Шабанов В.Ф. – № 2002112978/28; 2002.05.13; утв. 2003.11.27, Бюл. №33.

5. Пат. 2227341 Российская федерация, МКП H01J40/02, Фотоэлектронный прибор / Иваненко А.А., Шестаков Н.П., Сысоев А.М. – № 2002103994/09;

2002.02.13; утв. 2004.04.20, Бюл. №11.

6. Пат. 2224331 Российская федерация, МКП H01L31/00, Фотоприемник (варианты) / Шестаков Н.П., Иваненко А.А., Сысоев А.М. – № 2001131679/28; 2001.11.23; утв. 2004.02.20, Бюл. №5.

7. Пат. 2239918 Российская федерация, МКП H01L31/00, Фотоприемник / Шестаков Н.П., Иваненко А.А., Сысоев А.М. – № 2002103558/28;

2002.02.08; утв. 2004.11.10, Бюл. №31.

8. Пат. 2239917 Российская федерация, МКП 7H01L 31/00, Фотоприемник / Шестаков Н.П., Иваненко А.А., Сысоев А.М. – № 2002101414/28;

11.01.2002; утв. 10.11.2004, Бюл. №31.

9. Пат. 2243615 Российская федерация, МКП H01L 31/00, Фотоприемник / Иваненко А.А., Шестаков Н.П., Сысоев А.М. – № 2002105463/28;

2002.02.28; утв. 2004.12.27, Бюл. №36.

10. Пат. 2241280 Российская федерация, МКП H01L31/00, Фотоприемник / Шестаков Н.П., Иваненко А.А., Сысоев А.М. – № 2002102016/28;

2002.01.21; утв. 2004.11.27, Бюл. №33.

11. Ivanenko A.A., Shestakov N.P., Sysoev A.M., Shabanov V.F. Method for measuring light flux correlation function and device for carrying out said method // WO 2005/008201. – 2005. – 17 p.

12. Пат. 2255306 Российская федерация, МКП G01B9/02, Интерферометр / Иваненко А.А., Сысоев А.М, Шестаков Н.П. – № 2002107179/28;

2002.03.20; утв. 2005.06.27, Бюл. №18.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»