Введение к работе
Актуальность теин иооледовагоэт.Особое место среди средств измерений параметров оптичеоют излучений занимают фотопрпвм-еыэ уотройотва/ФПУ/ на основа фотодиодов.Она имеют ряд сущест-вазпых правнуществ перед другими типами ФПУ, работающими в ?оа аэ диапазоне спектра излучения: малые массо-габаритные показателя, практическое отсутствие эффекта утомления при ре-гготрацкз больших перепадов световых потоков, высокую надежность, стабильность параметров, отсутствие потребности в высоковольтных источниках питання по сравнению с фотоэлектронными уыноаатсшяма я фотоэлементами; широкий диапазон и линейность характеристики преобразования по сравнению с ФЗУ, ФЭ, фотосоп-Р0532ЛЗЕ22ІЗ, хшродряеідпшвді, пргвмкшпш на основе термопар; цалуэ пнарцЕОНность по сравнению с фотосоцротивлениями п ФПУ на основе термопар.Все это справедливо и для многоканальных фотодЕодных ФПУ.в сравнении с передающими трубками/видиконами, суперортиконами, диссекторами/.Кроме того, многоканальные фото-ддоднне ФПУ имеют ряд свойств, недостижимых для традиционных передающих трубок - жесткая растр и, как следствие, отсутствие днсторсжн ж других геометрических нскажений.Следует отметить, что в сравнении с другими типами ФПУ фотодиодные устройства обладают н рядом недостатков.Так, в ряде случаев она уступают 37 по порогу чувствительности, отношению спгнад/шум н температурным погрепностям.йо достоинства фотодиодных ФПУ часто превалируют над зх недостаткйна, а поэтому области их использования вез бсязз и более расширяются'.
Характеристики фотодиодных ФПУ во многом определяют параметры информапдонно-измерительных систец/ИЙС/, в которых они используются.Создание пового поколения фотометров, устройств ввода в ЗВМ черно-белых п цветных полутоновых изображений, стабилизированных лазеров, лазерных опорных систем, аппаратуры для лазерной связи п лазерной локапдп, анализаторов параметров лазерного излучешш, устройств для высокоточного измерения параметров лазерной оптики, миниатюрных фоторепсстрирующих устройотз с автономным питанием, проведение достаточно "тонких" ЕССлэдоваяиЗ в оеыых разных областях физика, химии, биологии,
ддТ"п предъявляет все более высокие требования к точности ФПГ.Хажш образом, в настоящее время существует достаточно острая актуальная проблема создания оптимизированных по основным параметрам фотодиодннх ФПГ широкого применения.
Особое внимание созданию высокоточных ФПГ традиционно уделается яря разработке еталонних я образцовых оптических средств) хвнеревян.Большие успехи в этой области достигнута во ВНЮЮФІ в лаборатории профессора Котика А*Ф.Работы Тихомирова СВ., лЪвжнокого J.C., либермана А.А., Загорского Я.Т., Стысина В.Е., їувалдява Э.В., Хяаяовокого 113. я др*. посвящены этим вопросам. Во условия применения ФПГ для эталонных измерений существенно отличаются от условий применения ФПГ широкого назначения, работающих в широких диапазонах интеноивностей, спектра, температур ры, временных интерваловЛ^роме того, нередко необходимо при серийном производстве обеспечить высокую точность, чувствительность я надежность приборов, использующих фотодиодные ФПГ.В дяооертации делаетоя-иопытка восполнения етях пробелов1.
Дальш, работы явилась разработка структурных методов синтеза, іі.ищшігг расчетов я создание оптимизированных по основным параметрам фотодиодных ФПГ широкого применения .Достижение этой целя связано о решением оледуюцих научно-технических задач по разработке:
1-сястемного подхода к синтезу оптимизированных фотодиодных ФПГ, -современных классификаций одиокякатыот я многожаяаяьных ФПГ для сравнения оветовых потоков/фотожоивараторов/ я тпнеценяг смещения световых пучко^шзиционно-чувотвитвльных ФПГ/,
новых высокоеффнативимх одоообов преобразования излучения фотодиодами,
нового школення фотодиодных одноканальних ФПГ повышенной точнооти,
нового поколеяня фотоиомпжраторов н шзицонно-чувотвнтельных ИГ повышенной точнооти,
математических моделей,; описывавших характеристики преобразования ФПГ, температурные я динамичеокие погрешности, погреш-ностн из-за вехкнейноотж характеристики преобразования/для дкней-нкх ФПГ/, ворог чувствительности н отношение сигнал/шум,
» метода экспресс—анализа ФПГ на устойчивость,
- критериев сравнения я методов выбора оптимальных типов ФПГ.
Кроме того, в задачи диссертационной работы входили:
определение типов фотодиодных ФПУ, конкурируЩЕх между собой по точностным характеристикам,
исследование аспектов практического применения фотодиодных ФПУ в аппаратуре, использующей фотоприемные устройства,
разработка и внедрение в народное хозяйство приборов на основе фотодиодных ФПГ.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ'НА ЗАЩШУ
І.Доказано, что для повышения отношения сигнал/шум фотоприемного устройства пра регистрации слабых равномерно распределенных световых потоков в широкой полосе частот фотодатчнк следует выполнять МН0Г09ЛЄМ6НТНКМ при последовательном соединении фотодиод-ных элементов на входе усилителя фототока».
^Предложенный опособ стабилизации коэффициента лавинного умноження лавинного фотодиода по форме сигнала, обусловленного его модуляцией , позволяет снизить погрешность характеристики преобразования из-за изменения коэффициента лавинного умножения с 10-2055 до 0,1 - 1?.
3.Предложенный способ снижения динамических погрешностей ФПУ с логарифмической передаточной характеристикой, основанный на периодической установке начальных условий в логарифмическом ФПУ, позволяет онизить динамические погрешности в 3-10 раз.
4.Разработанные структурные методы синтеза и критерии сравнения разных типов ФПУ/текущего значения с линейной передаточной характеристикой, логарифмических, фотокомпараторов и позиционно-чувствительных/ позволили получить выражения и построить номограммы для определения областей параметров их предпочтительного использования с точки зрения обеспечения максимального обобщенного отношения сигнал/шум и минимального обобщенного порога чувствительности.
б.Установлено, что среди фотодиодных ФПУ универсального применения с регистрацией текущего значения излучения и линейной передаточной характеристикой конкурирующими между собой по обобщенным порогам чувствительности и обобщенным отношениям сигнал/шум являются: ФПУ типа "ОУ-ФД-ОУ" с"симыетричннм" и "асимметричным" включением ФД на входах двух операционных усилителей, ФПУ на ос-
нове ІФД при условии наличия высокоэффективной системы стабилизации коэффициента лавинного умножения без 'компенсации к с компенсацией влияния темнового тока ЛФД.
1.Разработаны методы синтеза и инженерных расчетов оптимизированных фотодиодных ФПУ широкого применения.
2.Разработаны и проанализированы современные классификации одноканальних ФПУ и многоканальных фотодиодных ФПУ для сравнения световых потоков и регистрации смещения световых пучков.
3. Получены выражения, описывавдие для разных типов ФПУ характеристики преобразования, температурные погрешности, погрешности из-за нелинейности характеристики преобразования/для линейных ФПУ/, динамические погрешности, порог чувствительности и влияние шумов, отношение сигнал/шум.
4.Предложен высокоэффективный способ стабилизации коэффициента хюиганого умножения лавинного фотодиода1.
б.Предложен способ снижения динамических погрешностей в логарифмических ФШ.
б.Доказано, что для повышения отношения сигнал/шум ФПУ при регистрации слабых равномерно распределенных световых потоков в широкой полосе частот фотодатчик следует выполнять многоэлементным при последовательном соединении фотодиодных элементов на входе усилителя фототока.Получено выражение для определения оптимального количества фотодиодных элементов.
?.Получены выражения, описывающие характеристики преобразования, температурные погрешности, порог чувствительности и шумовые параметры, отношение сигнал/шум для разных типов по-зиционно-чувствительных ФПУ и фотокомпараторов.
8.Разработан инженерный метод экспресс-анализа устойчивости линейных систем автоматического регулирования с постоянными параметрами.С помощью этого метода можно быстро при хорошей достоверности анализировать на устойчивость значительный круг ФПГ.
9.Разработаны критерии сравнения и методы выбора оптимальных типов фотодиодных ФШ с точки зрения обеспечения максимального обобщенного отношения сигнал/шум и минимального обобщенного порога чувствительности.Определены конкретные типы оптимальных ФПУ.
Внедрены методы синтеза и инженерных расчетов фотодиодных ФПУ в практику разработки приборов, имеющих в своем составе ФПУ /автоматические микроденситометры, прецизионные устройства для измерения параметров лазерной оптики, анализаторы параметров лазерного излучения, контрольно-измерительные приборы для обеспечения ресурсосберегащгос технологий/.
Разработано: пять модификаций ФПУ типа "ОУ-ФД-ОУ", превышающие по точностным характеристикам традиционно используемое ФПУ типа "ФД-ОУ"; ФПГ для регистрации световых импульсов с высокоточной схемой компенсации фонового фототока; ФПУ с высокоэффективной температурной стабилизацией; набор из пяти логарифмических ФПУ с уменыпенными/в единицы - десятки раз/ по сравнению с известными логарифмическими ФПУ температурными и динамическими погрешностями; четыре однокоординатных ПЧФПУ текущего значения/с балансировкой и без балансировкой каналов, с нормированием и без нормирования выходных сигналов/, обеспечивающие повышенную точность и чувствительность/в единицы-десятки раз/ по сравнению с широко известными соответствующими ФПУ; прецизионный фотокомпаратор для сравнения двух неодинаковых световых потоков; два однокоординатных ПЧФПУ накопительного типа, обеспечиващих повышенную точность по сравнению с соответствующими ПЧФПУ; двухкоординатньп" ПЧФПУ накопительного типа, обеспечивающее регистрацию смещения імпульсних световых пучков с малой длительностью излучения; суперпрецизионное ПЧФПУ текущего значения с нормированием выходного сигнала, работающее в широком диапазоне световых потоков/не менее 5 порядков/.
Разработаны четыре системы йотометрирования черно-белых и цветных полутоновых изображений для устройств ввода изображений в ЭВМ, одна из которых внедрена в серийно выпускаемый автоматический микроденситометр АМД-1БЦ.В системах фотометриро-вания использованы фотодиодные ФПУ.
Создано и внедрено в технологическую линию на предприятии ШТиПП "Ремдеталь" устройство для бесконтактного контроля геометрических размеров восстанавливаемых элементов деталей автоагрегатов, использующее фото диодное ФПУ, защищенное авторским свидетельством.
Создан и передав заказчику анализатор параметров лазерного излучения "Алиса", обеспечивающий измерение мощности и нестабильности мощности излучения, линейной и угловой нестабнльноо-тей оси диаграммы направленности излучения, энергетической расходимости и диаметра пучка излучения, шумов и пульсации излучения.!) приборе использовано суперпрецизионвое ГОФПУ, защищенное авторским свидетельством.
Создан набор фотоприемных модулей, лазерная терапевтическая установка "Вадежда-4", портативный универсальный контрольно-измерительный прибор для лазерной терапия "Карат", прецизионный анализатор лазерных зеркал.Б приборах использованы технические решения, в том числе на ФПУ, защищенные семью авторскими свидетельствами1
Создано и внедрено на технологической линии Рязанского хар-товво-рубероидного завода устройство для измерения толщины битумных покрытий "Бетти", использующее ФПУ, защищенное авторским свидетельством.
Все основные положения, выносимые на защиту, разработаны диссертантом без соавторовМично автором также разработаны ж получены: математические выражения, описывающие характеристики преобразования всех рассмотренных типов ФПУ, их шумовые, температурные и динамические погрешности, погрешности из-за нелинейности характеристики преобразования/для линейных ОДУ/, порог чувствительности и отношение сигнал/шум; все модификации ФПГ типа "ОУ-ФД-ОУ"; ФПУ о промежуточным нелинейным преобразованием! четыре технических решения логарифмических ФПУ; ФПУ для региот-j рации оветовых импульсов с высокоточной схемой компенсация фоно*-вого фототока; термостабильное ФПУ; четыре технических решения ПЧФЇЇУ текущего значения и три накопительного типа; суперпреци-зяонное ПЧФПУ текущего значения с нормированием выходного сигнала; метод экспресс-анализа на устойчивость} способ определения монохроматической оптической плотности) критерии сравнения и методы выбора оптимальных типов ФПУЛклад автора также заключается: в разработках электрических схем.и экспериментальных исследованиях систем стабилизации лазеров, прецизионных устройств для
измерения параметров лазерной оптики, анализаторов параметров лазерного излучения, систем фотометрирования, контрольно-измерительных приборов для обеспечения ресурсосберегающих технологий, приборов и установок для лазерной терапии; в научном руководстве разработками систем фотометрирования, анализаторов параметров, лазерного излучения, рефлектометров, фотоприемных модулей, лазерной терапевтической установки "Надеэда-4", контрольно-измерительного прибора для лазерной терапии "Карат", приборов для обеспечения ресурсосберегающих технологий.
Апробация работы.Результаты диссертации докладывались на следующих всесоюзных научных конференциях: "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ"/Новосибирск, 1981i/, "Автоматизированные системы обработки изображений "/Москва, 1981г./, "Оптическое изображение и регистрирующие среды"/1енинград, 1982г./, "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение"Діооква, 1984г./, "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение "/Москва, 1988г./, "Оптика лазеров"/Ленинград, 1990г./, "Фотометрия и ее метрологическое. обеспечениеТМосква, 1990г./.
цублиуапии.Ш теме диссертации автором издана монография и пять монографических обзоров, опубликовано 18 статей в научных журналах, 12 тезисов докладов в трудах всесоюзных научных конференций, получено 47 авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы.Всего в диссертации W4 листов, из них 327 листов текста, рисунков iST-щ. таблиц 22/ на 2~5 листах, библиография 1н5 наименований.