Оптоэлектронное устройство регулирования интенсивности оптического излучения
Заявляемая полезная модель относится к области оптической техники, чувствительной к оптическому излучению, диапазон длин волн которой ограничен лишь спектральной характеристикой используемых оптических деталей и фотоприемников.
Новым в заявляемом оптоэлектронном устройстве регулирования интенсивности оптического излучения является то, что в его составе применена система металлизированных микрозеркал, характеристики которой не зависят от рабочей длины волны, реализована возможность сканирования оптического пятна, получения произвольных форм и распределений интенсивностей по пятну.
Совокупность отличительных признаков устройства позволяет существенно расширить спектральный и динамический диапазоны регулирования оптических интенсивностей, по сравнения с известными решениями. Улучшены технические и эксплуатационные показатели, повышена надежность, снижены рабочие напряжения с 1 кВ до единиц вольт, и как следствие, уменьшен уровень электромагнитных помех от устройства. Данная полезная модель позволяет, в ряде случаев, отказаться от применения дорогостоящих высокоточных котировочных устройств и механизмов.
Она может быть использована в автоматизированных контрольно-измерительных системах, аппаратуре различного назначения и в оптоэлектронных изделиях нового поколения, 1 н.п. ф-лы
Оптоэлектронное устройство регулирования интенсивности оптического излучения.
Заявляемое устройство относится к области оптической техники, а именно к системам регулирования и стабилизации интенсивности светового излучения, и может быть использовано при изготовлении и контроле ФПУ (фотоприемных устройств) на область спектра, определяемую используемым фоточувствительным элементом, а также для создания оптической аппаратуры различного назначения.
Широко применяемые до сих пор в оптике, светофильтры из цветных оптических стекол, а также различного вида интерференционные и фильтры на дифракционных решетках характеризуются существенной зависимостью коэффициента ослабления (пропускания) от длины волны излучения и его термозависимостью. В меньшей степени этими недостатками страдают ослабители на призмах, но и они, как и выше названые, требуют большого количества оптических и механических деталей, трудоемкой калибровки в широком диапазоне рабочих длин волн и
интенсивностей. Кроме того, так как при использовании всех этих видов фильтров в системах регулирования и стабилизации интенсивности светового излучения, требуются механические перемещения оптических узлов, то неизбежен их механический износ и оседание продуктов износа на оптические поверхности, что требует дополнительных контрольных и профилактических мер (периодическое регламентное обслуживание).
Наиболее близким к предлагаемому устройству является электрооптическое устройство регулирования интенсивности светового излучения [SU, авторское свидетельство, 989518, кл. G 02 А 1/05, 1983], основанное на электрооптическом эффекте смещения вектора поляризации оптического излучения в кристалле ниобата лития LiNbО3, с последующим его прохождением через поляризатор. Оно содержит вход для подачи светового потока и расположенные на единой оптической оси поляризатор, управляющий элемент, поляризатор и светоделительную пластинку, часть светового потока, с которой перенаправляется на устройство сравнения, которое вырабатывает электрический сигнал, подающийся на блок управления, соединенный с электродами управляющего элемента.
К недостаткам известного устройства можно отнести сложность в подборе оптимальных режимов, их термозависимость, существенные
ограничения и разбросы от длины волны и интенсивности оптического излучения, из-за нелинейности параметров управляемых и усилительных элементов, незначительный динамический диапазон регулирования (около 10 раз) интенсивности оптического излучения, для увеличения которого устанавливают последовательно несколько управляющих элементов, что заметно усложняет устройство и вносит заметные оптические потери, при минимальном значении коэффициента ослабления светового потока. Кроме того, необходимо использование поляризаторов и больших управляющих напряжений (более 1,0 кВ), что дополнительно усложняет конструкцию, за счет необходимости использования высоковольтной элементной базы.
Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей, существенное увеличение коэффициента регулирования светового потока, упрощение конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагается оптоэлектронное устройство регулирования интенсивности оптического излучения, содержащее управляющий элемент на основе микрозеркальной DMD матрицы (фирмы Texas Instruments), с физическим разрешением 1024 на 768 элементов (или иным, определяемым применяемой матрицей и оптической системой, т.е. количеством освещаемых микрозеркал). Управляющий элемент
оптически связан через светоделительную пластинку с устройством сравнения, откуда электрический сигнал поступает на блок управления, а с него, через цифровую шину, на управляющий элемент. Регулирование распределения интенсивности (как по геометрической форме, так и по плотности мощности) светового излучения осуществляется за счет отклонения вектора распространения части светового потока, произвольной выборкой из освещенного массива микрозеркал матрицы, на светопоглащающий защитный экран, выполняющий одновременно функцию диафрагмы и прочного, пылезащищенного корпуса всего устройства.
Оптическое сканирование на выходе устройства может осуществляться как в статическом режиме, использую два устойчивых состояния микрозеркал матрицы с углами отклонения 0 и 20 градусов, определяемые типом использованных DMD матриц, так и в динамическом режиме, т.е. во время разворота зеркал от одного устойчивого состояния до другого.
На рисунке показана структурная схема оптоэлектронного устройства регулирования интенсивности оптического излучения.
Оптоэлектронное устройство регулирование интенсивности оптического излучения содержит оптически связанные и последовательно соединенные управляющий элемент (1),
светоделительную пластинку (2) и устройство сравнения (3), электрически соединенное цифровой шиной с блоком управления (4). Управляющий элемент представляет из себя зеркальную DMD кремниевую матрицу микроскопических зеркал (DMD-элементов) из алюминиевого сплава, обладающего очень высоким коэффициентом отражения. Каждое зеркало крепится к жесткой подложке, которая через подвижные пластины соединяется с основанием матрицы. Под противоположными углами зеркал размещены электроды, соединенные с ячейками памяти CMOS SRAM. Под действием электрического поля подложка с зеркалом принимает одно из двух положений, отличающихся точно на 20° благодаря ограничителям, расположенным на основании матрицы.
Работа оптоэлектронное устройство регулирования интенсивности оптического излучения построена по схеме непрерывного регулирования. Световой поток, отраженный от управляющего элемента [1], проходит на оптический выход устройства через светоделительную пластинку [2]. При этом часть светового потока постоянно отводится на устройство сравнения [3], электрический сигнал с которого поступает на обработку в блок управления [4], откуда цифровым сигналом, с выбранным алгоритмом распределения
плотности в оптическом потоке излучения, осуществляется регулировка управляющего элемента [1].
По сравнению с прототипом имеем расширение функциональных возможностей, заключающееся: в многократном увеличении (на несколько порядков) коэффициента регулирования оптических интенсивностей, без внесения существенных оптических потерь при малых значениях коэффициента регулирования; в возможности динамического или статического режима оптического сканирования, с относительно малым размером пятна или оптическими пятнами с произвольными формами и распределениями интенсивностей; в возможности использовании данного устройства с оптоэлектронными устройствами различных конфигураций фоточувствительной поверхности; благодаря переходу с аналоговой системы управления на цифровую, появилась возможность автоматизации контроля, регулирования и стабилизации уровня освещенности различных фоточувствительных устройств и элементов. По сравнению с прототипом не требуются поляризаторы и высоковольтные, свыше 1 кВ, сигналы управления, что снижает массу, габариты, уровень электромагнитных помех и увеличивает надежность устройства. Кроме того, так как данное устройство построено в основном на эффекте отражения светового излучения, оно не имеет принципиальных
ограничений по спектральному составу, а ограничено лишь имеющимся выбором среди материалов стекол и линз, их просветляющих покрытий, а также спектральной характеристикой фотоприемников в устройствах сравнения.
Оптоэлектронное устройство регулирования интенсивности оптического излучения, содержащее оптически связанные и последовательно соединенные управляющий элемент, светоделительную пластину и устройство сравнения, электрически соединенное с блоком управления, отличающееся тем, что управляющий элемент соединен с блоком управления цифровой шиной и представляет из себя микрозеркальную кремниевую матрицу с цифровым управлением.
