Квадратурное фотоприемное устройство



Квадратурное фотоприемное устройство
Квадратурное фотоприемное устройство
Квадратурное фотоприемное устройство
Квадратурное фотоприемное устройство
Квадратурное фотоприемное устройство
H01L31 - Полупроводниковые приборы, чувствительные к инфракрасному излучению, свету, электромагнитному, коротковолновому или корпускулярному излучению, предназначенные либо для преобразования энергии такого излучения в электрическую энергию, либо для управления электрической энергией с помощью такого излучения; способы или устройства, специально предназначенные для изготовления или обработки таких приборов или их частей; конструктивные элементы приборов (H01L 51/00 имеет преимущество; приборы, состоящие из нескольких компонентов на твердом теле, сформированных на общей подложке или внутри нее, кроме приборов, содержащих чувствительные к излучению компоненты, в комбинации с одним или несколькими электрическими источниками света H01L 27/00; кровельные покрытия с приспособлениями для размещения и использования устройств для накопления или концентрирования энергии E04D 13/18; получение тепловой энергии с

Владельцы патента RU 2335034:

Институт Физики им. Л.В. Киренского Сибирского Отделения РАН (RU)

Изобретение относится к оптоэлектронике и интерферометрии, предназначено для измерения пространственного распределения интенсивности света в интерференционном поле, образованном встречными световыми потоками. Квадратурное фотоприемное устройство содержит фотоприемник, который включает четыре интерференционно чувствительных фотоэлектрических элемента, два из которых являются опорными, а разность оптических расстояний от первого фотоэлектрического элемента до плоскости, перпендикулярной измеряемому световому потоку и ограничивающей оптически дальнюю для первого фотоэлектрического элемента поверхность фотоприемника, и от i-го фотоэлектрического элемента до этой плоскости вычисляется по предложенной формуле, при этом сигналы с нечетных фотоэлектрических элементов фотоприемника подаются на соответствующие входы первого дифференциального усилителя, а сигналы с четных фотоэлектрических элементов фотоприемника - на соответствующие входы второго дифференциального усилителя. Изобретение обеспечивает увеличение отношения сигнал/шум квадратурного фотоприемника, снижение помехи, вызванной постоянной составляющей светового потока (не интерференционной составляющей), снижение помехи, вызванной интерференционной составляющей светового потока на длинах волн, отличных от длины волны регистрируемого излучения. 5 ил.

 

Изобретение относится к оптоэлектронике и интерферометрии, предназначено для измерения пространственного распределения интенсивности света в интерференционном поле, образованном встречными световыми волнами.

Известен фотоприемник [RU 2243615]. Однако известный фотоприемник обладает следующими недостатками: в этом фотоприемнике невозможна регистрация квадратурных сигналов в интерференционном поле, образованном встречными световыми потоками.

Известно квадратурное фотоприемное устройство [US 4443107], содержащее фотоприемник, включающий три детектора, два из которых - интерференционно-чувствительные фотоэлектрические элементы, а третий - опорный, два дифференциальных усилителя, на один вход каждого из которых подается сигнал с опорного детектора фотоприемника, а на каждый второй вход усилителей подается сигнал с соответствующего интерференционно-чувствительного элемента фотоприемника [US 4443107 - Фиг.7].

Это устройство является прототипом изобретения.

Однако в этом устройстве имеются следующие недостатки:

а) при вычитании сигналов интерференционно-чувствительного фотоэлемента и опорного детектора происходит снижение отношения сигнал/шум. Опорный детектор служит для компенсации постоянного «темнового» тока. Следовательно, он имеет «темновой» ток, равный «темновому» току интерференционно-чувствительного фотоэлемента. «Темновой» ток является основным источником шума любого детектора. На выходе дифференциального усилителя отношение сигнал/шум уменьшается, поскольку тепловые шумы интерференционно-чувствительного фотоэлемента и опорного детектора являются слабо коррелированными и не вычитаются, а суммируются, а сигнал за счет опорного детектора не добавляется, поскольку он вообще не регистрирует свет.

б) поскольку детектор не регистрирует свет, то не происходит компенсации помехи, вызванной постоянной составляющей светового потока (не интерференционной составляющей).

в) фотоприемник не обладает селективностью по длине волны к интерференционному световому сигналу.

Техническим результатом изобретения является увеличение отношения сигнал/шум квадратурного фотоприемника, снижение помехи, вызванной постоянной составляющей светового потока (не интерференционной составляющей), снижение помехи, вызванной интерференционной составляющей светового потока на длинах волн, не кратных длине волны регистрируемого излучения.

Технический результат достигается тем, что в квадратурном фотоприемном устройстве, содержащем фотоприемник, включающий три детектора, два из которых - интерференционно-чувствительные фотоэлектрические элементы, а третий - опорный, два дифференциальных усилителя, на один вход каждого из которых подается сигнал с опорного детектора фотоприемника, а на каждый второй вход усилителей подается сигнал с соответствующего интерференционно-чувствительного элемента фотоприемника, новым является то, что фотоприемник содержит четыре интерференционно чувствительных фотоэлектрических элемента, два из которых являются опорными, а разность оптических расстояний от первого фотоэлектрического элемента до плоскости, перпендикулярной измеряемому световому потоку и ограничивающей оптически дальнюю для первого фотоэлектрического элемента поверхность фотоприемника, и от i-го фотоэлектрического элемента до этой плоскости равна

, где

λ - длина волны регистрируемого излучения;

i=2, 3, 4 - номер фотоэлектрического элемента;

ki - любые целые неотрицательные числа,

при этом сигналы с нечетных фотоэлектрических элементов фотоприемника подаются на соответствующие входы первого дифференциального усилителя, а сигналы с четных фотоэлектрических элементов фотоприемника на соответствующие входы второго дифференциального усилителя.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структурная схема квадратурного фотоприемного устройства. На фиг.2 представлена фотография вакуумного квадратурного фотоприемника, который являются примером выполнения квадратурного фотоприемника. На фиг.3 изображен эскизный чертеж катодного окна с катодами вакуумного квадратурного фотоприемника. На фиг.4 изображен интерферометр, в составе которого работает вакуумный квадратурный фотоприемник. На фиг.5 изображены графики зависимостей напряжений от времени, полученные при работе квадратурного фотоприемника в составе интерферометра.

Квадратурное фотоприемное устройство работает следующим образом. Интерференционно-чувствительные фотоэлектрические элементы 1, 2, 3, 4 фотоприемника 5 (фиг.1) находятся в интерференционном поле, образованном встречными когерентными световыми потоками S1 и S2 с плоскими волновыми фронтами, параллельными фоточувствительным элементам. Световым потоком S1 может являться световой поток S2, прошедший через фотоприемник 5 и отраженный от плоского зеркала.

Первый фотоэлектрический элемент находится на оптическом расстоянии от плоскости, перпендикулярной измеряемому световому потоку и ограничивающей оптически дальнюю для первого фотоэлектрического элемента поверхность фотоприемника, равном l1opt, а каждый i-й фотоэлектрический элемент находится на оптическом расстоянии от этой плоскости, равном

.

Сигналы с нечетных фотоэлектрических элементов поступают на входы дифференциального усилителя 6, а с четных - на входы дифференциального усилителя 7.

Встречные световые потоки S1 и S2 образуют интерференционное поле, интенсивность которого меняется вдоль направления распространения по синусоидальному закону с периодом, равном λ/2.

При равномерном движении относительно друг друга, вдоль направления распространения световых потоков, фотоприемника и интерференционного поля, на выходах фотоприемника формируются четыре синусоидальных сигнала. Если принять фазовый сдвиг сигнала, образованного первым фотоэлектрическим элементом, за нулевой, то оставшиеся три сигнала фотоприемника имеют фазовый сдвиг ϕ2=2k1π+π/2, ϕ3=2k2π+π, ϕ4=2k3π+π+π/2.

На выходах дифференциальных усилителей 6 и 7 формируются сигналы Sϕ=0 и Sϕ=π/2, которые имеют взаимный фазовый сдвиг π/2. На входы дифференциальных усилителей поступают сигналы, в которых интерференционная составляющая на длине волны регистрируемого излучения находится в противофазе, т.е. на выходе дифференциальных усилителей присутствует сигнал, в котором интерференционная составляющая на длине волны регистрируемого излучения складывается, а постоянные составляющие, образованные за счет неинтерференционной составляющей (темновой ток, подсветка) - вычитаются. Поскольку каждый интерференционно-чувствительный фотоэлектрический элемент дает вклад в сигнал пропорционально своему эффективному объему, снижение отношения сигнал/шум не происходит, по сравнению с отношением сигнал/шум, получаемому от одного фотоэлектрического элемента удвоенного эффективного объема. [Alexander A. Ivanenko, Nick P.Shestakov, Anatoly M.Sysoev, Vasily F.Shabanov, "New photodetector - meter of the correlation function of optical signals", Proceeding SCI-2003, V.10, pp.124-129].

Ослабляются и интерференционная составляющая на длинах волн, отличных от длины волны регистрируемого излучения, на которых разность фаз сигналов на входах дифференциальных усилителей отлична от 180° [Alexander A. Ivanenko, Vasily F. Shabanov, Anatoly M. Sysoev, Nikolay P. Shestakov, Interference sensitive selective photodetector. Proceedings of SPIE/Ukraine Volume 6, No.1-6, p.480-488, 2006. (Current Research in Optics and Photonics: Selected Papers from the International Conference on Advanced Optoelectronics & Lasers (2005))]. Т.е. удвоения сигналов на этих длинах волн не происходит, в отличие от сигналов, на длине волны регистрируемого излучения.

На этом принципе был разработан вакуумный квадратурный фотоприемник фиг.2 на внешнем фотоэффекте. Катодное окно фиг.3 этого фотоприемника содержит: 1, 2, 3, 4 - электроды фотокатодов, 5, 6, 7, 8 - фотокатоды, 9 - слой MgF2 оптической толщиной λ/8, 10 - слой MgF2 оптической толщиной λ/4, 11 - слой MgF2 оптической толщиной 3λ/8.

Вакуумный квадратурный фотоприемник испытывался в интерферометре фиг.4. Луч гелий-неонового лазера 1 проходит через вакуумный квадратурный фотоприемник 2, попадает на зеркало 3, закрепленное на пьезоэлементе 4, а затем отражается и вновь проходит через фотоприемник 2. Между зеркалом и лазером образуется стоячая световая волна с синусоидальным распределением интенсивности вдоль распространения лучей.

На фиг.5 изображены графики зависимостей напряжений от времени, полученные на этой установке. Цифрой 1 обозначена зависимость напряжения на пьезоэлементе от времени, которая имеет треугольную форму. Зависимости 2-5 сигналов на входах дифференциальных усилителей имеют примерно в 2 раза меньшую амплитуду, чем квадратурные сигналы 6, 7 на выходах дифференциальных усилителей.

Квадратурное фотоприемное устройство позволяет выполнять измерения перемещения с учетом направления движения, с высоким разрешением. Устройство предназначено для интерферометров со встречным направлением лучей в области регистрации.

Работа выполнена при поддержке INTAS Ref. №04-80-6791.

Квадратурное фотоприемное устройство, содержащее фотоприемник, включающий три детектора, два из которых - интерференционно-чувствительные фотоэлектрические элементы, а третий опорный, два дифференциальных усилителя, на один вход каждого из которых подается сигнал с опорного детектора фотоприемника, а на каждый второй вход усилителей подается сигнал с соответствующего интерференционно-чувствительного элемента фотоприемника, отличающееся тем, что фотоприемник содержит четыре интерференционно-чувствительных фотоэлектрических элемента, два из которых являются опорными, а разность оптических расстояний от первого фотоэлектрического элемента до плоскости, перпендикулярной измеряемому световому потоку и ограничивающей оптически дальнюю для первого фотоэлектрического элемента поверхность фотоприемника и от i-го фотоэлектрического элемента до этой плоскости, равна

,

где λ - длина волны регистрируемого излучения;

i=2, 3, 4 - номер фотоэлектрического элемента;

ki - любые целые неотрицательные числа, при этом сигналы с нечетных фотоэлектрических элементов фотоприемника подаются на соответствующие входы первого дифференциального усилителя, а сигналы с четных фотоэлектрических элементов фотоприемника на соответствующие входы второго дифференциального усилителя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области солнечной энергетики и может быть использовано для прямого преобразования солнечной энергии в тепловую или электрическую энергию.

Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в высокочувствительных видеокамерах и фотоаппаратах, в частности для регистрации трехмерных изображений.

Изобретение относится к устройствам, генерирующим электроэнергию путем прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотопреобразователей (ФП), и используемым преимущественно в космической технике в качестве первичных источников электрического тока.

Изобретение относится к преобразователям энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию и может быть использовано в производстве солнечных фотоэлементов.

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно фотоэлектрических преобразователей (ФП). .

Изобретение относится к области получения материалов оптоэлектроники и гелиотехники, а точнее фоточувствительных твердотельных полупроводниковых гетероструктур.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, а именно к технологии получения радиационно стойких фотопроводящих слоев CdS с включениями фазы PbS и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых материалов и приборов, работающих при повышенных уровнях радиации.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в атомной промышленности при производстве дистанционирующих решеток тепловыделяющих сборок.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для бесконтактного измерения формы поверхности сложных трехмерных объектов в машиностроении, медицине, стоматологии, судебно-медицинской экспертизе и т.д.

Изобретение относится к области исследования свойств материалов. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для определения отклонений блоков туннелей от заданного положения, температурного режима и поверхностных дефектов.

Изобретение относится к оптико-электронным устройствам и может быть использовано для измерения площади объекта. .

Изобретение относится к области физико-химического анализа мелкодисперсных материалов и может быть использовано для определения гранулометрического состава лигноуглеводного растительного сырья.

Изобретение относится к области бесконтактных измерений размеров и контроля положения изделий с использованием волоконной оптики. .

Изобретение относится к области защиты летательных аппаратов (ЛА) для создания помех инфракрасным головкам самонаведения (ИГС) атакующих ракет

Изобретение относится к оптоэлектронике и интерферометрии, предназначено для измерения пространственного распределения интенсивности света в интерференционном поле, образованном встречными световыми потоками

Наверх