Фотоприемное устройство с затвором
PHOTODETECTOR WITH GATE

Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и других светолокационных устройств.
Известны фотоприемные устройства(ФПУ) [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 т 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 [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 прочностифоточувствительного элемента.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является фотоприемное устройство с затвором, 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 ФПУ[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 приемника лазерного излучения для слабых входных сигналов.
Эта задача решается за счет того, что в известном фотоприемном устройстве с затвором, 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, состоящий из источника тока и биморфного элемента в виде скрученных волокон, одно из которых выполнено токопроводящим, противоположные концы которого через ключ соединены с выходом источника тока, а второе холодное волокно имеет более низкую токопроводность по сравнению с первым, один конец биморфного элемента консольно закреплен на корпусе устройства, а второй свободен, причем, шторка закреплена со свободной стороны биморфного элемента таким образом, чтобы в первом рабочем положении при отключенном источнике тока шторка перекрывала апертуру фоточувствительного элемента, а при деформации биморфного элемента под действием протекающего тока открывала фоточувствительный элемент.
Волокна, образующие биморфный элемент, могут быть спечены друг с другом.
Может быть введено токопроводящее волокно, симметричное первому токопроводящему волокну относительно холодного волокна, причем, концы токопроводящих волокон, примыкающие к незакрепленному концу биморфного элемента, электрически соединены между собой, а противоположные концы токопроводящих волокон через ключ связаны с источником тока.
фпу
ц
max
пду
Шторка может быть выполнена полупрозрачной с коэффициентом пропускания τ, отвечающим условию  где E - энергетическая чувствительность оптического приемника; Е - энергия сигнала, отраженного от ретрорефлектора, установленного на максимальной заданной дальности до цели; E - максимальная энергия сигнала, отраженного ретрорефлектором; E - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на фоточувствительный элемент оптического приемника.
Шторка может быть закреплена на коромысле, связанном с незакрепленным торцом биморфного элемента.
На чертеже фиг. 1 представлена функциональная схема устройства. Фиг. 2 и 3 показывают конструкцию биморфного элемента в виде скрутки двух (фиг. 2а и 2б) и трех волокон (фиг. 3). Фиг. 4 иллюстрирует механизм скручивания биморфного элемента при удлинении токопроводящего волокна. На фиг. 5 а), б) и в) показаны варианты преобразования вращательной деформации биморфного элемента в сдвиг шторки.
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 другой является управляющим входом. Оптический приемник размещен в герметичном корпусе 9 с оптическим окном 10, через которое принимаемое излучение поступает на фоточувствительный элемент 1. Привод шторки (фиг. 2) состоит из биморфного элемента 11 и источника тока 12, через ключ 13 подключенного к концам токопроводящего волокна биморфного элемента. Биморфный элемент 11 представляет собой скрутку двух спеченных волокон - токопроводящего волокна 14 и «холодного» волокна 15. Один торец биморфного элемента жестко закреплен на корпусе 9, на незакрепленном торце биморфного элемента установлена шторка 6 (фиг. 2а).
На фиг 3) показан привод шторки с двумя токопроводящими волокнами, соединенными последовательно и подключенными к источнику тока с закрепленной стороны биморфного элемента. Такая конфигурация упрощает подключение источника тока, препятствует поперечным деформациям биморфного элемента в силу его симметричности и позволяет увеличить сопротивление токопроводящего волокна, что упрощает построение источника тока.
1
Из построения на фиг. 4 следуют основные расчетные соотношения. Показан один виток токопроводящего волокна, закрученный по винтовой линии вокруг холодного волокна диаметром 2R. Длина токопроводящего волокна в первом рабочем положении при температуре T связана с радиусом R и шагом h винтовой линии соотношением
2
1
Во втором рабочем положении длина токопроводящего волокна, нагретого протекающим током до температуры Т=T+ΔТ, равна
2
2
При том же радиусе витка его конец сместится в положение L (фиг. 4), а проекция - в положение L*. При этом продольное смещение Δh конца токопроводящего волокна составит
а угол поворота вокруг продольной оси биморфного элемента составит
Ход шторки ΔС между ее двумя рабочими положениями определяется из условия полностью закрытого и полностью открытого фоточувствительного элемента в двух рабочих положениях шторки при повороте торца биморфного элемента на угол ϕ (фиг. 4).
Шторка может выдвигаться во второе рабочее положение в плоскости, перпендикулярной рабочей площадке фоточувствительного элемента и торцу биморфного элемента (фиг. 5а), параллельной рабочей площадке фоточувствительного элемента и перпендикулярной торцу биморфного элемента (фиг. 5б), а также вращением вокруг продольной оси z биморфного элемента (фиг. 5в), расположенной параллельно рабочей площадке биморфного элемента, не перекрывая ее.
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии полупрозрачная шторка 6 с коэффициентом пропускания τ находится перед рабочей площадкой фоточувствительного элемента 1, ослабляя поступающие на нее сигналы в 1/τ раз. Если в поле зрения фоточувствительного элемента находится источник излучения, создающий на фоточувствительном элементе 1 засветку, превышающую порог чувствительности схемы обработки сигнала 2, то ключ 13 остается в разомкнутом состоянии, шторка остается в исходном положении, и оптический приемник работает в защищенном режиме.
1
1
При отсутствии сигнала на выходе устройства и на входе логического модуля 8 последний подает сигнал на замыкание ключа 13, и источник тока 12 подключается к токопроводящему волокну биморфного элемента 11. Под действием протекающего тока это волокно нагревается и его исходная длина L увеличивается на величину ΔL=αLΔT, где α - коэффициент температурного расширения, ΔТ - приращение температуры. В результате биморфный элемент скручивается.
Под действием силы, создаваемой биморфным элементом, шторка перемещается на расстояние ΔС (фиг. 5).
Пример 1.
Биморфный элемент представляет собой скрутку стекловолокна и нихромовой проволоки с параметрами, приведенными в таблице.
Радиус витка R==0,1 мм.
Шаг витка h=d=R=0,1 мм.
Длина витка в первом (холодном) положении
1
2
2
1/2
L=(h+(2πR))=0,6362 мм.
Приращение длины витка при нагревании нихрома на ΔT=500°С
1
-6
ΔL=αL ΔT=18⋅10⋅0,6362⋅500 ~ 0,0057 мм.
Продольное смещение Δh конца токопроводящего волокна Δh==0,0009 мм.
Угол поворота витка
Требуемый угол поворота торца биморфного элемента ϕ=90°.
1
Количество витков k=ϕ/ϕ ~ 27.
1
Длина токопроводящего волокна L=L⋅k=17,2 мм.
Высота биморфного элемента Н=h⋅k=2,7 мм.
Приращение высоты биморфного элемента в горячем положении
фчэ
ΔН=Δh⋅k=0,024 мм << D=0,5 мм.
Если шторка выполнена полупрозрачной с коэффициентом пропускания τ, то в ее исходном положении оптический приемник может принимать сигналы, превышающие уровень номинальной чувствительности ФПУ в 1/τ раз и более без ущерба для фоточувствительного элемента.
шт
фчэ
Из обозначений на фиг. 1 видно, что для перекрытия шторкой рабочей площадки фоточувствительного элемента должно выполняться условие  где d - рабочий диаметр полупрозрачного участка шторки; d - диаметр рабочей площадки фоточувствительного элемента; а - расстояние от шторки до поверхности фоточувствительного элемента; α - угол зрения фоточувствительного элемента; Δ - погрешность фиксации исходного положения шторки. В величину Δ входят как погрешности юстировки, так и температурный уход в диапазоне окружающих температур.
шт
Смещение шторки ΔС должно быть не менее ΔС=d с учетом толщины ее оправы.
Пример 2.
1
Т
-6
3
Токопроводящее волокно (нихром) длиной L⋅k ~ 17 мм диаметром 0,1 мм. Коэффициент температурного расширения α=18⋅10 1/град; плотность ρ=7,94 г/см; теплоемкость β=0,57 Дж/кгК.
T
T
T
-4
3
-3
Объем токопроводящего волокна V ~ 5⋅10 см. Его масса m=ρV=4,2⋅10 г.
Энергия для нагрева токопроводящего слоя на 500°С
T
-6
E=βmΔТ=0,57⋅4,2⋅10⋅500=0,0012 Дж=1,2 мДж.
Характеристики источника питания.
Потребляемая токопроводящим слоем мощность
T
T
P=E/t, где t - длительность импульса.
Для t=0,5 мс
T
T
P=E/t=1,2 мДж/0,5 мс ~ 2,4 Вт.
Сопротивление токопроводящего слоя
T
R
T
T
-6
-2
-6
R=ρL/S ~ 10⋅2⋅10/(0,1⋅0,4)⋅10=0,55 Ом,
R
1
T
где ρ ~ 1 мкОм⋅м - удельное сопротивление нихрома, L=0,017 м - длина токопроводящего волокна; S - площадь поперечного сечения нихрома.
T
Мощность, выделяемая в проводнике сопротивлением R
T
T
T
2
P=I⋅R, откуда потребляемый ток
T
T
T
0,5
0,5
I=(P/R)=(2,4/0,55) ~ 2 А.
Напряжение источника
T
T
T
U=P/I=2,4/2~1,2 В.
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 шторка может иметь вид прозрачной плоскопараллельной пластины с полупрозрачным покрытием, нанесенным, например, путем металлизации. Толщина этого покрытия определяет величину τ при сохранении габаритно-присоединительных параметров.
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. - с. 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.