ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
OPTICAL-ELECTRONIC CONVERTER

Изобретение относится к технике преобразования и усиления сигналов и может быть использовано в технических системах приема и обработки информации.
Известны волоконно-оптические преобразователи (ВОП) рефлектометрического типа, содержащие излучатель, передающий и приемный световоды и фотоприемник. Передающий световод предназначен для направления потока излучения от излучателя на отражающую поверхность объекта, приемный световод - для приема части отраженного от объекта потока излучения и подвода его к фотоприемнику, где он преобразуется в электрический сигнал (Е.А.Зак. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. Москва: Энергоатомиздат, 1989, с.5-7).
Принцип действия ВОП указанного типа основан на зависимости поступающего в приемный световод потока излучения от направления его распространения, изменяющегося под действием вибраций объекта контроля.
Недостатком ВОП является невысокая чувствительность, что обусловлено распределением потока излучения в конусе угловой апертуры передающего световода по закону, близкому к закону Ламберта (Е.А.Зак. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. Москва: Энергоатомиздат, 1989, с.22). Вследствие этого фотоприемник относительно слабо реагирует на изменение пространственного положения отражающей поверхности контролируемого объекта, так как для ламбертовского излучателя характерна плавная зависимость потока от направления излучения.
Известны волоконно-оптические преобразователи интерферометрического типа: оптоволоконный микрофон (Дж.Фрайден. Современные датчики. Справочник. Москва.: Техносфера, 2006, с.400), волоконно-оптический вибродатчик на основе микрооптомеханического преобразователя (А.А.Ветров и др. Волоконно-оптический вибродатчик на основе микрооптомеханического преобразователя. Нано- и микросистемная техника, №8, 2007, с.8-13). Волоконно-оптические преобразователи интерферометрического типа содержат источник когерентного излучения, оптоволокно, чувствительный элемент, изменяющий свое положение под действием сигнала (мембрану, инерционную массу и т.п.), и фотоприемник. Принцип их действия основан на последовательном преобразовании колебаний чувствительного элемента в модуляцию фазы отраженного от него излучения, модуляции фазы в амплитудную модуляцию посредством интерференции отраженного и опорного излучения. Амплитудная модуляция в фотоприемнике преобразуется в соответствующий закону модуляции электрический сигнал.
Достоинством интерферометров по сравнению с ВОП, реализующими амплитудный метод, является более высокая чувствительность (Е.А.Зак. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. Москва: Энергоатомиздат, 1989, с.13, 69, 115). Недостаток - ограничение коэффициента фазовой модуляции отраженного излучения отношением перемещения чувствительного элемента к длине волны зондирующего излучения, что снижает потенциальные возможности интерферометров по обнаружению слабых сигналов. Например, при перемещении чувствительного элемента 1 нм и длине волны излучения 1 мкм коэффициент модуляции фазы составит всего 0.1%.
Наиболее близкими по технической сущности к изобретению является оптико-электронный микрофон, содержащий чувствительный элемент (мембрану), две обращенные друг к другу зеркальными поверхностями пластины, одна из которых соединена с чувствительным элементом, источник оптического излучения, направленный на зеркально отражающую поверхность одной из пластин, и фотоприемник (Патент №2375842 на изобретение "Оптико-электронный микрофон" от 10.12.2009 г.). В оптико-электронном микрофоне реализован корреляционный метод обработки оптического излучения, при котором сигнал на выходе фотоприемника пропорционален площади его перекрытия оптическим лучом. Пространственные перемещения оптического луча относительно фотоприемника возникают при смещении чувствительного элемента относительно исходного положения. Особенностью оптико-электронного микрофона является увеличение амплитуды пространственных колебаний оптического луча (входного сигнала фотоприемника) при его распространении вдоль зеркально отражающих пластин посредством последовательного отражения от каждой из них.
Достоинствами прототипа являются высокая помехозащищенность и надежность, а также возможность повышения его чувствительности за счет усиления оптического сигнала (пространственных колебаний оптического луча) до его преобразования в электрический сигнал. Недостаток заключается в том, что повышение коэффициента усиления оптического сигнала возможно только за счет увеличения габаритов оптико-электронного микрофона, что ограничивает область его применения. Это обусловлено тем, что коэффициент усиления оптического сигнала тем выше, чем меньше начальный угол падения оптического луча на зеркально отражающую пластину и больше количество его отражений от пластины, соединенной с чувствительным элементом. Однако при неизменной длине зеркально отражающих пластин уменьшение начального угла падения оптического луча приводит к уменьшению количества его отражений от пластин и, наоборот, увеличение количества отражений оптического луча приводит к увеличению начального угла его падения на пластину. Эти процессы в значительной степени компенсируют друг друга, поэтому коэффициент усиления практически не увеличивается.
Техническим результатом применения заявленного оптико-электронного преобразователя является повышение чувствительности аппаратуры приема и усиления сигналов без увеличения ее габаритных размеров.
Указанный технический результат достигается тем, что в оптико-электронный микрофон, содержащий чувствительный элемент (мембрану), две обращенные друг к другу зеркальными поверхностями пластины, одна из которых соединена с чувствительным элементом, источник оптического излучения и фотоприемник, дополнительно введены две обращенные друг к другу зеркальными поверхностями пластины, образующие с первыми двумя пластинами полый световод (Ю.Р.Носов. Оптоэлектроника. - М.: Радио и связь, 1989), причем оптический луч распространяется в нем по ломаной спирали.
Достижение технического результата обусловлено независимостью угла падения оптического луча на пластину, соединенную с чувствительным элементом, и расстояния между соседними точками отражения луча от данной пластины. Это позволяет одновременно уменьшать угол падения оптического луча на подвижную пластину световода и увеличивать количество его отражений от этой пластины без изменения ее длины, что приводит к увеличению амплитуды пространственных колебаний оптического луча относительно фотоприемника и, соответственно, к повышению чувствительности преобразователя.
Изобретение поясняется фигурами 1 и 2, на которых проиллюстрирована зависимость пространственного перемещения луча при смещении зеркально отражающей пластины, соединенной с чувствительным элементом, от начального угла падения оптического луча (фигура 1), состав и схема размещения заявленного устройства (фигура 2).
1
2
2
На фигуре 1 изображена траектория оптического луча при отражении от подвижной пластины 1, находящейся в исходном (сплошная линия) и смещенном (пунктирная линия) состоянии, для углов падения луча на пластину 1 γ>γ. Очевидно, что более значительное пространственное смещение отраженного от пластины 1 оптического луча соответствует меньшему углу падения γ.
На фигуре 2 в качестве примера изображен оптико-электронный преобразователь, содержащий полый световод с квадратным поперечным сечением, состоящий из подвижной пластины 1, соединенной с чувствительным элементом 5, и неподвижных пластин 2, 3, 4, источник излучения 6, направленный на одну из пластин, и фотоприемник 7. Для упрощения чертежа на фигуре 2 изображено поперечное сечение полого световода с проекцией на него траектории оптического луча без смещения (сплошная линия) и со смещением (пунктирная линия) пластины 1. Распространение оптического луча в световоде по ломаной спирали обеспечивается направлением его под углом к поперечному сечению световода, отличному от 0° и 90°, и соответствует траектории косых лучей в световодах (Л.М.Кучикян. Световоды. М.: "Энергия", 1973, с.11).
Фотоприемник предназначен для преобразования пространственных колебаний оптического луча в электрический сигнал. Указанное преобразование может быть реализовано при неполном перекрытии входного зрачка фотоприемника оптическим лучом, в результате чего пространственные колебания последнего приведут к изменению площади перекрытия и появлению на выходе фотоприемника соответствующего этим изменениям переменного электрического сигнала. Фотоприемник в данном случае выполняет функцию коррелятора, интегрируя поступающий на его вход поток излучения и формируя тем самым отклик на изменение пространственного положения оптического луча (Патент РФ на полезную модель №62319 "Оптический преобразователь").
Оптический луч, распространяясь между зеркальными пластинами 1-4 путем последовательного отражения от каждой из них, освещает входной зрачок фотоприемника (7). Колебания чувствительного элемента 5, возникающие под воздействием сигнала, передаются соединенной с ним зеркальной пластине (1) и вызывают либо ее угловые колебания, либо колебания, осуществляемые посредством плоскопараллельного переноса пластины, как это показано на фигуре 2. В первом случае увеличение амплитуды отклонения оптического луча относительно фотоприемника при его распространении в световоде происходит за счет увеличения дальности между точкой первого отражения луча от пластины 1 и фотоприемником, а также за счет того, что при каждом отражении оптического луча от этой пластины изменяется его направление на величину 2Δα, где Δα - угол отклонения пластины 1. Во втором случае увеличение амплитуды пространственных колебаний оптического луча относительно фотоприемника происходит за счет сдвига точек его отражения от пластины 1 при каждом витке спирали.
В прототипе расстояние между соседними точками отражения луча от пластин и, соответственно, количество отражений от подвижной пластины зависит от начального угла падения на нее оптического луча. В предлагаемом устройстве при распространении оптического луча в световоде по ломаной спирали расстояние между соседними точками отражения от одной пластины оптического луча не зависит от начального угла его падения на пластину и может быть выбрано минимальным, соответствующим диаметру оптического луча. В этом случае количество отражений оптического луча от подвижной пластины будет равно отношению длины пластины (световода) к диаметру оптического луча. Поэтому можно одновременно уменьшить угол падения оптического луча на подвижную пластину световода и увеличить количество его отражений от пластины без изменения ее длины, что влечет за собой увеличение амплитуды пространственных колебаний оптического луча относительно фотоприемника и, соответственно, повышение чувствительности преобразователя.