CC BY
28
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАНИИ В ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ
С. М. Латыев, С. А. Сухопаров, С. С. Митрофанов, И. Н. Тимощук
Во многих операциях контроля и юстировки фотоэлектрических устройств (ФУ) производится фокусировка, которая выполняется наиболее простым способом -непосредственным наведением на резкость изображения. Однако чувствительность этого способа невелика.
Чувствительность операции фокусировки может быть повышена различными способами, в том числе способами фотоэлектрической индикации.
Один из них рассмотрен в [1]. Способ основан на использовании позиционно-чувствительных фотоприемников типа "мультискан". Недостатком этого способа является высокая стоимость фотоприемников.
Ниже будет показана возможность и эффективность использования дешевых фотоприемников, чувствительных к изменению интегрального лучистого потока.
В основу способа также положено преобразование расфокусировки в разность освещенностей расфокусированных изображений.
При расфокусировке изображений относительная яркость в центре дифракционного пятна определяется по формуле [2]: E sin2 x
У = — = — , (!)
\2
E.
x
o
fr Y
f-
J ia
V D J
/об - фокусное расстояние,
п-А , ,
где х =-, А - величина перемещения, А, = 8а
А1
D - диаметр зрачка входа.
Максимальная скорость изменения интенсивности при расфокусировке имеет место тогда, когда первая производная максимальна, а вторая производная равна нулю. После двукратного дифференцирования выражения (1) по х получим у' = 0,54017, у = 0,548.
При индикации расфокусировки глаз будет сравнивать интенсивности изображений и добиваться их равной величины. Учитывая, что глаз может обнаружить разность освещенностей двух изображений в 5%, получаем следующее условие для оценки чувствительности фокусировки:
Аутах = у', Ахтах = K _ 0,025 , (2)
где К - контрастная чувствительность глаз.
Для оценки чувствительности фокусировки ФУ будем исходить также из контрастной чувствительности Кпр.
Преобразуем формулу для контраста изображения (2) к виду
Е - e
к _ max_min
пр ~~Е ТЕ
max min
и получим
_ It (1 + к пр )
° 1 - Кпр '
где Кпр - контрастная чувствительность фотоприемника, Io - ток фотоприемника, IT - темной ток.
Для вычисления Ео воспользуемся выражением IT (1 + K )
Eo _ T, J . (3)
o 1 - E V 7
Выбрав из [3] данные для фотоприемников величины фототоков I и интегральной чувствительности £инт и приняв К = 0.01, получим для ФД-19 КК Ео = 6 лк, для ФД-20 КП Ео = 1,5 лк и ФД-256 Ео = 0,25 лк.
Из формул (1) и (2) получим выражение для определения предела чувствительности индикации:
м ,= Ы-К • /2 = 2. 36.10-2 х{1_ 12.
2 у 'п- В2
Б
(4)
I
При контрастной чувствительности К = 0.01 предел чувствительности при ^ =
10 составит 1,3 мкм, а фокусность пучка (при / = 250 мм) будет равна 48,1 км.
При относительном отверстии 1 : 3 предел чувствительности достигнет величины 0,13 мкм.
Оптическая схема для реализации фотоэлектрического устройства приведена на
рис. 1.
Рис. 1. Оптическая схема для реализации фотоэлектрического устройства
Она состоит из коллиматора 1, юстируемого или контролируемого объектива 2, зеркала 3, диагонального зеркала 4, занимающего половину пучка лучей, объектива 5, коллектива 6, выполненного заодно с бипризмой, оборачивающих линз 7, апертурной диафрагмы 8, фотодиодов 9 и электрической схемы с индикатором 10.
Объектив 5, коллектив 6, оборачивающие линзы 7 фотодиоды 9 образуют оптический индикатор.
Коллиматор 1 содержит сетку - пластинку со штрихами, смещенными вдоль оптической оси на величину Р, определяемую по формуле [4]
Р = 3,32 . (5)
Штрихи сетки могут быть нанесены на двух сторонах пластинки с толщиной ё = 2Р. Расположение штрихов сетки показано на рис. 2.
Рис. 2. Расположение штрихов сетки
При больших относительных отверстиях толщина пластинки может оказаться весьма малой, и тогда штрихи сетки следует нанести на двух пластинках, разнесенных вдоль оси на величину 2Р.
Предпочтительней, чтобы штрихи были светящимися.
Бипризма на коллективе и апертурная диафрагма служат для разведения выходных зрачков, так чтобы лучистые потоки от расфокусированных штрихов не смешивались на фотоприемниках. Диаметр апертурной диафрагмы должен быть равен половине диаметра выходного зрачка оптической системы индикатора, а угол бипризмы - половине апертурного угла оптического индикатора.
Фотоэлектрический прибор для индикации фокусировки (рис. 1) действует следующим образом.
Лучи от светящихся штрихов коллиматора 1 проходят объектив 2, отражаются от зеркала 3, вновь проходят объектив 2, отражаются зеркалом 4 в объектив 5 и в плоскости коллектива и бипризмы 6 образуют расфокусированные изображения сеток коллиматора. Далее оборачивающие линзы 7 переносят изображения штрихов коллиматора в плоскость приемников 9. Затем сигналы приемников 9 попадают в электронный блок 10. При расфокусировке на фотоприемниках возникает разность токов, которая усиливается электронным блоком и регистрируется индикатором.
Электронный блок может быть построен по схеме, приведенной на рис. 3, в котором использованы операционные усилители КУТ/401Б с коэффициентом усиления 100 и напряжением питания 12,6 В.
Сопротивление нагрузки при пороговой освещенности ФД-256, равной 0,25 лк ,составит:
Я =---=-3 12,6 ,-= 50,4 -104Ом = 504КОм
г 1Т + 8а - £инт 5 -10-3 + 2 -10-2 - 0,25
При этом предел вольтовой чувствительности составит
2-10"2-5,04-103 = 100,8 В/лм.
Столь высокая чувствительность может быть использована в лазерной и микроэлектронной технологии, где продольные отрезки при фокусировке измеряются нанометрами. При этом высокая точность здесь достигается более простыми средствами.
Рис. 3. Электрическая схема включения фотоприемника
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта № 40049 по фундаментальным исследованиям в области естественных и точных наук по разделу "Геодезия".
Литература
1. Латыев С.М., Сухопаров С.А., Митрофанов С.С., Тимощук И.Н. Эффективность совмещенного способа индикации фокусировки. // Приборостроение. №3. 2002.
2. Максутов Д.Д. Астрономическая оптика. ОГИЗ, 1946.
3. Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1986.
4. Сухопаров С.А. Авторское свидетельство на изобретение №65396, 1942.
