автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Структурные методы и средства оптимизации фотодиодных фотоприемных устройств как преобразователей информа-ционно-измерительных систем

ВСЕРОССВЙСЮЙ ШУЧНО-ЖСВДОВАТЫШЖИЙ ИНСТИТУТ

оптико-физических измерений

На правах рукошюн

уда 621.383

4EPHCS евгвнзгз îîbîe0224

СГЕРШТЕШг НЕТОЛЫ И СРЕДСТВА ОПТШЙЭАЦИН ФОТОДП5ДШД

фотопршид устройств как преобразователи ehsoría -

ЦКШО-ИЕМЕРИШЫШ СНЗТШ

05.11.16 - гафорыацконно-язмвржтвльные сиотеяы

Авторефэрат дассортацнз на соискание ученой стевггяз доктора т«шпческих наук

Иооква - 1992

Работа внголнеха в Рязанской фише научво-прожзводственного оОморопнп "Лазерные измерительные системы"

06ЕЩЮВБЯН* ошкшвдта:

доктор тшиичюкжх наух Заторекжё 1Г. Т»

доктор фЕв.-аат. жаух Степанов Б.А.

хякф шягоош наух Гореликов Н.И.

Ведущее о{Ш1мци! Научио-вроизводотвенноа объеджнежже

"Орион"

8мрн» диссертации еоотоитоя & л . 199_3 л в ^ часов

на васаданиж свецявдпхровахвого совета Д 041.01.02 щя ВсероссиЛзиш научио-жапирэвателаьском идотдтуте оптшю-Ягажчеокнх ВМрш! оо адресу: 103031, Носхва, ух. Рохдаотаеиха, 27;

те*. 92,-19*74

С дшеертацке! можно ознакомиться в библиотеке ВНИИОИ

л" -/ -> Автореферат рааоодяж / 1992 г.

ТчажнЯ секретарь опяцджпзжровянного совета, кандидат технических наук, л*.у

старин* научный сотрудник ////

Тихомиров С »В.

Г;

3

ОНШ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теин исследоваши. Особое место средн средств хгзкэреняй параметров оптичеокях излучений занимают фотоприем-Еыэ уотройствд/ФПУ/ на основе фото диодов. Она имеют ряд сущест-вазпых правыуществ перед другими типами ФПУ, работапдага в ■гом аэ диапазоне спектра излучения: малые массо-габаритные показателя, практическое отсутствие эффекта утомления при ре-ггстрацкз больших перепадов световых потоков, высокую надежность, стабильность параметров, отсутствие потребности в высоковольтных источниках питания по сравнении с фотоэлектронными уинонатадяма я фотоэлементами; широкий диапазон и линейность характеристики преобразования по сравнению с ФЭУ, ФЭ, фотосоп-роггялвЕ2ад, хшродряецндтц&пг, щшвмкшаш на основе термопар; цалуэ пнарцЕонность по сравнении с фэтосоцротпвлениями п ФПУ на основе теремпар.Все это справедливо и для многоканальных фотодюдных ФПУ . в сравнении с передалцими трубками/видиконами, суперортиконами, диссекторами/.Кроме того, многоканальные фото-дзодныэ ФПУ шеи ряд свойств, недостижимых для традиционных пврадащих трубок - жесткий растр и, как следствие, отсутствие дасторспн ж других геометрических искажений.Следует отметить, что в сразивши с другими типами ФПУ фотодиодные устройства обладают н рядом недостатков.Так, в ряде случаев она уступа»? ФЭУ по порогу чувствительности, отношению спгнал/шум н температурным погрепнос тям.Но достоинства фотодиодных ФПУ часто превалирует над зх недостаткяня, а поэтому области их использования вез бсязз и более расширяются.

Характеристики фотодиодных ФПУ во многом определяют параметры информационно-измерительных с истец/ИКС/, в которых они Еспользутэтся.Создакэе пового поколения фотометров, устройств ввода в ЭВМ черно-белых п цветных полутоновых изобрадегшй, стабилизированных лазеров, лазерных опорных систем, аппаратуры для лазерной связи п лазерной локацжп, анализаторов параметров лазерного излучешш, устройств для высокоточного измерения параметров лаз ерной оптшси, миниатюрных фо торегкс трирунцих устройотв о автономный питанием, проведение достаточно "тонких" ссслодовалгЗ в огаанх ротных областях физика, хемзл, биологии,

■адтртгу предъявляет все более высокие требования к точности ФПГ* Пахан образом, в настоящее время существует достаточно овтр&я актуальная проблема создании оптимизированных шоонов-вш параметрам фотодиодннх ФПУ шжрокого применения.

Особое внимание созданию высокоточных ФПГ традиционно уделяется лрх разработке »талонных х образцовых оптических средств измерений.Большие успехи в этой области достигнуты во ВНКИОФИ в лаборатории профессора Котика А.Ф.Работы Тихомирова СЛ., ЛЬвквокого J.C., Лхбермана A.A., Загорского Я.Т., Стысина В.Е., ^гваддина Э.В., Твановокого 1(3. и дрс. поовящены »тин вопросам. Hb условия применения ФПГ дяя эталонных измерений существенно отличаются от условий применения ФПГ широкого назначения, работающих в широких диапазонах ннтенсивностей, спектра, температур ры, временных интервалов .Кроме того, нередко необходимо при серийном производстве обеспечить высокую точность, чувствительность и надежность приборов, использувдих фотодиодные ФШГ^В дисоертации делается, вопытха восполнения этих пробелов1.

Лещ работы явнаоь разработка структурных методов синтеза, ■ЦЧ.ЦЩЩЦТ расчетов к создание оптимизированных по основным параметрам фотодиодннх СОТ нироюто применения .Достижение этой цели связано в решением следу щих научно—технических задач по разработка:

»-системного подхода х сиитвэу оптхнхзщроаанннх фотодиодных ФПГ, -современных класов^жкяцжй одиотякатыот ж многопкальных ФПГ дин сравнения световых штоков/фотожомвараторов/ и тпнещиг сиецвнхс световых пучкя/позиционно-чувотвительных ФПГ/,

- новых взйоко эффективных опособов преобразования излучения фотодиодами,

- нового ш каления фотодшдяых одюканатьинт ФПГ повышенной точнооти,

- нового поколения фотономпжраторо» и позицояно-чувствжтвльных ИГ повышенной точноотн,

- математических моделей; описыващих характера тики преобразования ФПГ, температурные х динамические погрешности, погреш-востн из-за нелннейвоети характерно гики преобразованхя/дхя линейных ФПГ/, ворог чувствительности х отношение охгнах/шум,

•» метода эяопрдео-аналхза ФПГ на устойчивость,

- критериев сравнения х методов выбора оптимаяышх типов ФПГ.

Кроме того, в задачи диссертационной работы входили:

- определение типов фотодиодных ФПУ, конкурирущет между собой по точностным характеристикам,

- исследование аспектов практического применения фото диодных ФПУ в аппаратуре, яспользупцей фотоприемные устройства,

- разработка и внедрение в народное хозяйство приборов на основе фотодиодных ФПГ.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ'Н4 ЗАЩИТУ

1.Доказано, что для повышения отношения сигнал/щум фотоприемного устройства прн регистрации слабых равномерно распределенных световых потоков в широкой полосе частот фото датчик следует выполнять много элементным при последовательном соединении фото диодных элементов на входе усилителя фототока».

¿^.Предложенный опособ стабилизации коэффициента лавинного умножения 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 снизить динамические погрешности в 3-10 раз.

4.Разработанные структурные методы синтеза и критераи сравнения разных типов ФПУ/текущего значения с линейной передаточной характеристикой, логарифмических, фотокомпараторов и позиционно-чувствитальных/ 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" о"симывтричннм" и "асимметричным" включением ФД на входах двух операционных усилителей, ФПУ на ос-

нове ЛФД при условии наличия высокоэффективной системы стабилизации коэффициента лавинного умножения без 'компенсации в с компенсацией влияния темнового тока ЛФД.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЯ

1.Разработаны методы синтеза и инженерных расчетов оптимизированных фотодиодных ФШ широкого применения.

2.Разработаны и проанализированы современные классификации одноканальных ФШ 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 ФШ/, динамические погрешности, порог чувствительности и влияние шумов, отношение сигнал/шум.

4.Предложен высокоэффективный способ стабилизации коэффициента хшвжнвого умножения лавинного фотодиода1.

5.Предложен способ снижения динамических погрешностей в логарифмических ШШ.

6.Доказано, что для повышения отношения сигнал/шум ФШ при регистрации слабых равномерно распределенных световых штоков в широкой полосе частот фотодатчик следует выполнять многоэлементным при последовательном соединении фотодиодных элементов на входе усилителя фототока.Пзлучено выражение для определения оптимального количества фото диодных элементов.

?.Получены выражения, описывающие характеристики преобразования, температурные погрешности, порог чувствительности и шумовые параметры, отношение сигнал/шум для разных типов ш-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.

Э.Разработаны критерии сравнения и методы выбора оптимальных типов фотодиодных ФПУ с точки зрения обеспечения максимального обобщенного отношения сигнал/шум и минимального обобщенного порога чувствительности.Определены конкретные типы оптимальных ФПУ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ :ШЮСТЬ РАБОТЫ

Внедрены методы синтеза и инженерных расчетов фотодиодных ФШ 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 ресурсосберегающих технологий/.

Разработано: пять модификаций ФПУ типа "ОУ-ФД-ОУ", превышающие по точностным характеристикам традиционно используемое ФПУ типа "ФД-ОУ"; ФПУ для регистрации световых импульсов с высокоточной схемой компенсации фонового фототока; ФПУ с высокоэффективной температурной стабилизацией; набор из пяти логарифмических ФПУ с уменьшенными/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, обеспечивающих повышенную точность по сравнению с соответствующими ПЧФПУ; двухкоординатный ПЧФПУ накопительного типа, обеспечивающее регистрацию смещения импульсных 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 АДП-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 фотодиодное ФПУ, защищенное авторским свидетельством.

Создав и передав заказчику анализатор параметров лазерного излучения "Алиса", обеспечиващий измерение мощности и нестабильности мощности излучения, линейной и угловой нестабильноо-тей оси диаграммы направленности излучения, энергетической расходимости и диаметра пучка излучения, шумов и пульовцж! излучения.!) приборе использовано суперпрецизионное ПЧФПУ, затаенное авторским свидетельством.

Создан набор фотоприемных модулей, лазерная терапевтическая установка "Надежда-4", портативный универсальный контрольно-измерительный прибор для лазерной терапии "Карат", прецизионный анализатор лазерных зеркал .В приборах использованы технические решения, в том числе на ИУ, защищенные семьи авторскими свидетельствами.

Создано и внедрено на технологической линии Рязанского кар-то нно-рубероидного завода устройство для измерения толщины битумных покрытий "Бетти", использухцее ШГ, защищенное авторским свидетельством.

ОСНСВНОЙ ВЕЩ АВТОРА В РАЗРАБОТКУ ИЗБРАННЫХ ПРОЕШ

Вое основные положения, выносимые на защиу, разработаны диссертантом без соавторовМично автором также разработаны ж получены: математические выражения, опиоывапцие характеристики преобразования всех рассмотренных типов ФПГ, их шумовые, температурные ж динамические погрешности, погрешности из-за нелинейности характеристики преобразования/для линейных ФПУ/, порог чувствительности и отношение сигнал/шум; все модификации ФПУ типа "ОУ-ФД-ОУ"; ФЛУ о промежуточным нелинейным преобразование^ четыре технических решения логарифмических ФПУ; ФПУ для регистр рации оветовых импульсов с высокоточной схемой компенсации фоно^-вого фототока» термостабвльное ФПУ; четыре технических решения ПЧФПУ текущего значения и три накопительного типа; суперпрецизионное ПЧФПУ текущего значения с нормированием выходного сигнала; метод экспресс-анализа на устойчивость; способ определения монохроматической оптической плотности; критерии сравнения и методы выбора оптимальных типов ФШУЗклад автора также заюшчается: 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 фотометрпрования, 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 работу.Результаты диссертации докладывались на следующих всесоюзных научных конференциях: "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ"/Новосибирск, 19811/, "Автоматизированные системы обработки изображений "/Москва, 1981г./, "Оптическое изображение и регистрирующие среды"/Ленинград, 1982г./, "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение "А'осква, 1984г./, "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение "/Москва, 1988г./, "Оптика лазеров"/Ленинград, 1990г./, "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение "/Москва, 1990г./.

Дгблщкапии.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 1)0ч листов, из них 327 листов текста, рисунков и таблиц 22/ на §3 листах, библиография 1н5 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОШ

Во введении сформулированы цели, задачи, научная новизна исследований и-основные положения, выносимые на защиту'.

В первой главе рассмотрены и проанализированы основные характеристики фотодиодов как фотодатчиков ФПУ.

Вторая глава посвящена одноканальным ФПУ на основе фотодиодов .Разработана и проанализирована классификация одноканаль-ных ФПУ с учетом последних достижений в этой области техники. Их целесообразно классифицировать по следующим признакам: характер зависимости свет-сигнал/линейная, логарифмическая, сне-

циальная/; временной отклик выходного сигнала/ о регистрацией текущего значения, с накоплением/; принцип'повышения отношения сигнал/шум и чувствительности/выбор оптимального одноэлементного ФД, выбор оптимального режима работы ФД, применение много элементного ФД, введение нелинейного промежуточного преобразования, использование одновременно втекающего ж вытекавдего фототоков ФД, введение "компенсации" шумов ОУ, введение умножения фототока ФД, введение противошумовой коррекции, введение компенсации фонового фототока ФД/; принцип стабилизации параметров ФПУ/дршенеяие высокостабильных элементов ФПУ, введение нелинейного промежуточного преобразования, компенсационный принцип, термостабшшзацкя/; характер выходного сигнала/напряжение, ток, разные вицы модуляции, разные виды цифровых кодов/.

Анализ проведен как широко известных ФПУ, так и новых высокоэффективных ФПУ.Разработаны их математические, модели, представляющие собой совокупность выражений, удобных для инженерных расчетов, описывавших характеристики преобразования ФПУ, их температурные погрешности, погрешности из-за нелинейности характеристики преобразования/для линейных ФПУ/, динамические погрешности/для логарифмических ФПУ/, временной отклик на единичную функцию, порог чувствительности и влияние шзвюв, отношение сигнал/шум.

Предложена схема нового ФПУ типа "ОУ-ФД-ОУ" с "симметричным" включением ФД на входах двух операционных усшштелей/ОУ/.Сокращенная и упрощенная математическая модель этого ФПУ/ФПУС/ представлена выражениями /1-6/, определяющими выходное сигнальное напряжение ФПУС в статике//, погрешность из-за изменения рабочей температуры//г /.погрешность из-за нелинейности характеристики преобразования//, порог чувствительности/ Фп/, отношение сигнал/шум/С/Щ/, временной отклик выходного сигнала ФПУ /¿£ (£)/ при скачкообразном изменении фототока от 0 до 1С /для критического случая переходного процесса в ФПУ/:

Uc =-a,-R-Ic > ш

tj-dT ICL 1 cLT +Z d-T H d.T ^UT <Jj

/З/

/4/

■f" (CtL +t7!s Сои * mS J^Si/O' ist

üelt)=-cL0IcR[l-(i+t/tn)e*p('t/£n)] > 16/

■f-m4

ISl

где lc _ фототек, § - чувствительность ФД, приведенная

к опектру регистрируемого излучения, Ф - световой поток, Я --сопротивление резисторов обратных связей операционных усилителей, Tv- обратный ток р-п перехода ФД, температурный потенциал, Ajj - коэффициент усиления ОУ на "нулевой" частоте /СУ по охвачено обратной связью/, лТ - изменение рабочей температуры, dg/dT , сС1оц/аТ , сС(л1саУиТ , ¿eoy/ö£T , ct{A9Qj) /ЫЛ - соответственно крутизна температурного изменения чувствительности ФД, входного тока ОУ, разности входных токов ОУ,приведенного во входу ОУ напряжения смещения, разности напряжений смешения ОУ, £ - заряд электрона, üf - полоса пропускания ФОТ, /?0у - входное сопротивление 07,С««. - собственная емкость ФД, Соу - входная емкость ОУ, С - емкость цепи обратной связи ОУ, а^ - спектральная плотность собственного шумового напряжения ОУ, приведенного к его входу, £ - текущее время, Z?„ - постоянная времени, определяемая параметрами ФД, ОУ и цепей обратных связей ОУ1.

Дня "симметричного" ФПГ типа "0У-ФД-0У /ФПУс/а0 =2,^=0,

1, а^ = 0, л4»0,5,/П1=0,5,"'2 = 11^З=11 /Я 4= 13,16 ,/»5 = 1/2.

При подключения ненввертирупцего входа одного из ОУ к нн-

вертирупцему вхэду другого 07 образуется ФПУ типа "ОУ-ФД-ОУ" о "асимметричным" включением ФД на входах двух ОУ/ФПУ^'.Для этого ФПУ" математическая модель характеризуется теми же выражениями /1-6/, коэффициенты а , /г? при атом оледущие: а0 •= 2,

а1" а2 *=0» 43 * °'5 ' а4 в /Я1 в 0,75 »^2 в 1»'"з с » 0,75, *>4 «= 6,56, т Б « 0,&. 4

Для охрою иавестного в инженерной практике ФПУ типа "ФД-ОУ/ФПУо/ коэффициенты , /я .оказываются след^хцныи:

1» а1 * 1» Л2 " а3 а 1» в в 1» тг " 2» /Ид= = 6,56, /"5 в 1*.

№ сравнения ФПУ0, ФПУ0, ФПУа следует: дха всех значении 10 я ^ фЦУа обеопечивает более высокое отношение сигнал/лум, чем «Г0 * соотавхшсцая температурной погрешности, обусловленная температурным дрейфом напряжения смещения 07/ основная составляхцая этой погреиности/ для ФПУа оказывается в два. раза меньше соответствупцей составляющей погрешности ФПУ0 { при подобранных ш температурному дрейфу операционных усидите— ляп ФПГС обладает- меньшей/обычно не менее, чем в 5- 10 раз/ температурной погрешностью, чек ФПУа >. Для уменьшения температурных погрешностей ФПУа до уровня соответствующих погрешностей ИГС предложено связь нехнвертирупцего входа одного из СОТ с инвертируют входом другого 07 выполнять через дифферен-цирущуц цепочку.Следует однако отметить, что отношение оигг-над/мум и порог чувствительности при атом не ухудшаются только джя ФД с большими собственными емкостями/обычно не менее 200 -500 лФД

Предложено для увеличения отношения сигнал/шум и уменьшения порога чувствительности ФПГ при регистрации слабых равномерно распределенных световых потоков в широкой полосе частот фотодатчик выполнять много элементным при последовательном соединении фотодиодных элементов на. входе усилителя фототока.Пэло-жительный эффект объясняется тем, что при увеличении количества а чувствительных элементов/ суммарная чувствительная площадь X фотодатчнка не изменяется/ фотодатчика емкость фотодатчика уменывается быстрее/ в п^ раз/, чем световой поток/в л раз/, падапщй на один элемент, а так как при регистрации слабых световых потоков в широкой полосе частот, основным фактором они-дющим отнояение сигнал/шум являются собственные шумы ОУ, уси<*

лжваемне тем сильнее, чем больше емкость фотодатчика, то выше сказанное ж вриводнт к увеличению отношения сигнал/шум и уменьшению порога чувс твитехьноопг.Оптимальное количество элементов фотодатчика определяется как

в =уси0-.&(соу + с)" /7/

где СсС0 - удельная емкость чувствительных элементов фотодатчика

Это техническое решение позволяет повысить отношение сигнал/шум обычно не менее, чем в 2- 5 раз.

Анализ фотодиодных ФПУ показал, что снижение их погрешностей, обусловленных температурным дрейфом напряжения смещения СЕГ и тепловым шумом резисторов обратной связи, может быть осуществлено увеличением сопротивлений резисторов обратной связи*. Дхя их увеличения предложено применять промежуточное нелинейное преобразование в ФПУ^Суть решения заключается в том, что обратную связь в усилителе фототока выполняют нелинейной в виде последовательно-параллельно соединенных диодно-резистивных элементов.Дет обеспечении линейной характеристики преобразования выходной сигнал по напряжению подается на такую же цепочку, но воюшалы резисторов выбираются в К0 раз меньше, чем в первой цепочке, а кроме того на диодные элементы подаются напряжения смещения, сформированные дифференциальным.логарифмическим преобразователем, компевскрухщие те напряжения, появление которых обусловлено увеличением во второй цепочки токов в К0 раз. При этом выходной ток ФБУ в статике оказывается связан с фототоком ФД линейной зависимостью.йзследования показали, что при использовании этого решения температурную погрешность, обусловленную температурным изменением напряжении омещения, удается снизить более, чем в 20-50 раз-.Дяя области частот, где еще не сказываются усиления собственных шумов 07 1/2Я"1

+Соу+С) при регистрации слабых световых потоков отношение сигнал/шум увеличивается не менее, чем в 3-5 раз.

Недостатком ФПУ являются сложность обеспечения эквивалентности между выходным током и фототоком ФД в большом динамическом диапазоне фототоков/ обычно не менее трех порядков при Кд не менее 100/.Это ФПУ специального, узкого применения*.

Высокоэффективными приемниками излучения, прибляжазхдашея Не сшим характеристикам к ФЭУ являются ФПУ на основе лавинных

фото диодов. Однако широкое применение 2ФД в измерительной аппаратуре во многом сдерживается температурной веотабнх&доотыв коэффициента лавинного умножения.Предложен новый эффективный способ стабилизации рабочей точки я коэффициента лавинного умножения ЛФД, который закхотаетоя в той, «го на ЛФД помимо постоянного напряжения подают также переменное напряжение омеое-ння.Так как зависимость коэффициента лавинного умножении от напряжения пробоя н смещения имеет ярко выраженный нелинейный характер, то при температурном изменении напряжения пробоя меняется форма токового сигнала ЛФД, обусловленная переменной составляющей напряжения смещения. Благодаря этому можно вщелитъ сигнал рассогласования, зависящий от нацряненжя пробоя, нащж» мер, из соотношения тонов сигналов ЛФД, измеренных за период я за полупериод переменного напряжения смещения'. Црж «шти^и этого соотношения в равной степени изменяют постоянное я переменное напряжет» смещения - до тех юр, пока «то соотношение не восстановится.йзеледования показ ахи, что погреиаооти харежг-теристякж преобразовании ФПГ о ЛФД из-за изменения ноеЦецнее-та лавового умножения применением этого способа удается снизить с 10-20% до 0,1 -

Предложено ФПУ для регистрация оветовых якцухьоов о визо-коэффективной схемой компенсации фонового фототока .В этом устройстве используется втекапций я вытекащнй ^ то токи фД, из которых раздельно выделяется информация о полезном сигнале я о световом фоне. Благодаря такому решению измерительный ус гантель фототока не входит в схему компенсации фонового фототожа&Цри этом ФПГ не требует специальной настройки при работе о шнрокш диапазоном информационных световых сигналов, практически нет проблем с обеспечением устойчивости.Иг пользование в канале компенсация фонового фототока логарифмических преобразователей обеспечивает выйтрын в расширении динамического диапазона входных сигналов на 2-3 порядка ю сравнению о известными ИУ аналогичного назначения*.

Известен большой круг задач, при решении которых необходимо регистрировать световые потоки, осуществляя тайне логарифмическое преобразование сигналов. Предаожен новый способ снижения '.динамических погрешностей логарифмических ФШ/это одна из основных погрешностей таких ФДОДСуть способа заключается в том, чяЬ

поело каждого измерения напряжения на логарифмирующем элементе осуществляв* быстрый переааряд емкости этого элемента до некоторого начального напряшзния, определяемого выражением:

ин = Ъ-6(1с.н/1м)' ./8/ гдэ _

1с.н = 1М1сп,мС/' %113/&(1/6)]>

Тс тт - минимальное значение сигнального тока, 2 = - допустякна уровень относительной динамичес-

ш2 гогрвнвоста.

'В таком устройстве переходной процесс на логарифмирупцем элементе всегда идет по скороотной траектории, за счет чего я сшшагтоя динамические погрешности в ФПУ/обычно не менее, чем а 3 - 10 раз/.Разработаны четыре логарифмических ФПУ, в двух из которых логарифмическое преобразование но предложенному способу осуществляется на ФД, а в остальных на р-п переходах треизиоторов,

Разработан и исследован оригинальный логарифмический преобразователь, в котором более, чем на порядок снижены дкна-мгчеекгэ погрешности, связанные с изменением Щ. логарифмирующего аяемента за счет разогрева последнего енгнальшвгя тоНа базе "симметричного" ФПУ типа "ОУ-ФД-ОУ" разработано и ес следовало устройство с высокоэффективной температурной стабилизацией , в котором сигнал рассогласования для системы температурной стабилизация формируется путем суммирования выходных напряжений обоих операционных усилителей ФПГ. При этом сигнал рассогласования оказывается непосредственно связанным со стабилизируемыми параметрами/напряжение смещения и входной ток СУ/. Такое решение по сравнении с широко применяемыми на практике системами температурной стабилизации ФПУ, в которых сигнал рассогласования снимается с датчика температуры, обеспечивает выйгрыа в возможности реализации потенциальной чувствительности схемг.

Предложен инженерный метод экспресс-анализа на устойчивость систем автоматического регулирования с постоянными пара-

метрами, состоящими из последовательного соединения простейших инерционных звеньев/к таким системам относится значительный 1фут ФПУ/.Излучены простые выражения для определения чар то ты среза

и критической частоты 0%? » на которой фазовая характеристика у передаточной функции разомкнутой системы У - - 180°:

/9/

где 1- - постоянные времени звеньев, - коэффициент усиления, у о, могут принимать значения 0,-1, ¿2 и т.д.

(Лс = /^^Г' /10/

где - сопрягающая частота, на которой функция ¿=о

/ 1 - единичная функция/, представляющая собой ступен-

чатую аппроксимацию фазовой характеристики У системы в разомкнутом состоянии, пересекает линию минус 18СР, "+" выб1фается , когда $ пересекает эту линию сверху вниз , а когда ^ пересекает ее снизу вверх.

Устойчивость системы обеспечивается при выполнении неравенства ^ .С помощью этого метода можно достаточно быстро и достоверно определить устойчивость системы регулирования/погрешность определения , не превышает 5 - 10$ /.

Третья глава посвящена многоканальным фотоприемным устройствам на основе фотодиодов для сравнения световых потоков /фотокомпараторы - Ш/ и регистрации смещения световых пучков /позиционно-чувствительные ФПУ - ПЧФПУ/.

На основе последних достижений разработана и проанализирована классификация ФК и ПЧФПУ.Классификация ФК органично вписывается в классификацию ПЧФПУ. Эти устройства целесообразно классифицировать по следующим признакам: число регистрируемых координат/однокоординатные, двухкоординатные /, да числу фоточувствительных элементов, приходящихся на одну координату/ с

двумя элементами, более двух элементов/, по временному отклику выходного сигнала/ с регистрацией текущего значения, с накоплением/, по наличию операции компенсации светового фонового сигнала, по наличию операции с балансировкой каналов, по характеру передаточной характеристики/линейная, логарифмическая, специальная/, по наличию операции нормирования выходного сигнала, по наличию операции преобразования координат, по характеру выходного сигнала/напряжение, ток, разные виды модуляции, цифровые коды/.

Разработаны математические модели, предетавляпцие собой совокупность выражений, удобных для инженерных расчетов, описывающие передаточные характеристики, температурные погрешности разных типов ПЧФПУ, ФК, их пороги чувствительности, и влияние« шумов, отношение сигнал/шум, погрешности за счет нарушения закона передаточных характеристик.ГЬлучены выражения, устанавливающие связь мевду выходными сигналами элементов четырехквад--рантного фотодиода и положением пучка излучения на чувствительных элементах ФД для разных пучков излучения с разными законами распределения.плотности мощности излучения.

Разработан и исследован ПЧФПУ/он же ФК/ текущего значенщ в котором для формирования разностного сигнала фототоков элементов ФД осуществляется инверсия фототока одного из этих элементов с помощью отражателя тока.Разностный ток регистрируется одним операционным усилителем в этом устройстве.При этом по сравнению с широко применяемыми на практике ФК, ПЧФПУ текущего значения это устройство обеспечивает выйгрыш /не менее, чем на порядок/ в снижении погрешности из-за температурного дрейфа ОУ.На базе этого устройства созданы два 1НФПУ/ФК/ повышенной точности с балансировкой каналов и нормированием выходного сигнала.

На базе широко применяемого на практике высокоточного компаратора текущего значения, предетавлящего собой встречно-параллельно включенные два чувствительных элемента ФД на входе усилителя фотогока,разработан ФК с оригинальной схемой балансировки каналов. Это решение обеспечивает выйгрыш в расширении областей применение фотокомпараторов.

Создан и исследован ФК для сравнения двух существенно

неодинаковых/более, чем в 2-10 раз/ по величине световых потоков. Ш сравнению с известными ФК текущего значения аналогичного назначения он обладает меышпш/более, чей на порядок погреаностя-ми, обусловленными температурным дрейфом напряжений и токов 07.

Разработаны два типа накопительных одаоюординатных 1ГЙП7 с накоплением сигналов в собственных емкостях чувствительных элементов многоэлементного ФД. Создано и исследовано двуххоор-динатное ПЧФПУ аналогичного исполнения .Благодаря тому, что накопительные элементы совмещены с чувствительными элементами, выполнены на общей подложке по одной технологии и разностный сигнал, пропорциональный положению светового пучка на чувствительной поверхности координатного ФД,формируется также на этих элементах эти устройства в отличии от известных в широкой инженерной практике обладим вЗ-'S раз меньшими аогреаностями за счет изменения разнооти коэффициентов передача до каналам ПЧФПУ.Это одна из основных погрешностей устройств данного типа.Она задает предел их чувствительноспг.Бце одним доотежнством предложенных ПЧФПУ является то, что они регистрируя* вмещение пучков как о непрерывным, тех и импульсным излучением, причем минимальная длительность импульсов излучения определяется временем преобразования "свет- электрический сигнал"'.

Создано и исследовано супарчувствительное ВДШУ текущего значения с нормированием выходного сигнала.Цриведенная собственная позиционная нестабильность ПЧФПУ, выполненного на основе четырехквадрантного фотодиода <№-142-01, за два часа непрерывной работы не превышает динамический диапазон изменения световых потоков регистрируемых световых пучков составляет не менее 5 порядков .Высокие результаты получены за счет применения оригинального алгоритма коммутации элементов ФД на втодвг логара|мичвских преобраэователей.В этом устройстве полностью отсутствует погрешность из-за изменения разности коэффициентов передачи по его канала*.

Рассмотрены и проанализированы ПЧФПУ на основе фотодиодных линеек и многоэлементных ФД.

Четвертая глава посвящена критериям сравнения ФПУ о линейной и логарифмической характеристиками преобразования, текущего значения и накопительного типа, ФК, ДОФПУ и методам их выбора.

Установлено, что основными погрешностями одаоканальных ФПУ с линейной характеристикой преобразования являются температурные погрешности и погрешности, обусловленные пумами ФПУ. Если температурный реяим рассматривать как случайный процесс, пря котором температура Т случайным образом отклоняется от некоторого среднего значения Т._. на величину не более + л Т/2

ор —

то эти погрешности можно анализировать совместно .Предложены понятия: обобщенная дисперсия шумового сигнала на выходе ФПУ,

б^з ; обобщенный порог чувствительности, Ф*; обобщенное отношение сигнал/пум, (С/ш) . Цри лТ/2Тср^ 0,1 - 0,2 шумовые и температурные погрешности практически статистически незаЕгси-иы а б^00 можно определять как :

¿oö . /ц/

где - среднеквадратичесное значение шумового напряжения на выходе ФПУ, Wr - выходное напряжение ФПУ, появление которого вызвано изменением рабочей температуры на Л Т , а - коэффициент, характеризупций закон изменения температуры внутри рабочего температурного интервала/при нормальном законе распределения а = 6, при равновероятном а = 2 Уз7/.

Под обобщенным порогом чувствительности понимается значение светового потока, соответствующего Обобщенное отношение

снгнад/шум определяется как

(С/Ш f = JTJ (Гоб , /12/

Сравнивать ФШ целесообразно по значениям Ф* и (С/ш)*"

Из решения неравенств

£ ф, Гс/Ш^ (с/ш )J ,/13/

где , , (С/Ш,)/ , (С/Шjy" - соответственно обобщен-

ные пороги чувствительности и обобщенные отношения сигнал/шум

I - ого и J- ого анализируемых ФПУ, определяются области параметров /изменение температуры Л Т, полоса пропускания электронного тракта df , время накопления £ , световой поток, фототок/ предпочтительного использования разных типов ФПУ.

Получены выражения и построены номограммы, позволяющие определить области параметров предпочтительного использования разных типов ФПУ с точки зрения обеспечения минимального значения Фп и максимального значения Сс/ш).

В результате проведенного анализа ФПУ установлено, что конкурирующими между собой по Фп и (С/Ш) среди фотодиодных ФПУ текущего значения с линейной характеристикой преобразования являются: ФПУ типа "ОУ-ФД-СУ" с "симметричным" и "асимметричным" включением ФД на входах двух ОУ и ФПУ на основе ЛФД с высокоэффективной системой стабилизации коэффициента лавинного умножения с компенсацией и без компенсации темнового тока ЛФД.

При разработке методов выбора оптимальных типов логарифмических ФПУ/ЛФПУ/ с точки зрения обеспечения максимальной точности во внимание принято следующее. В общем виде анализ нелинейных ФПУ достаточно сложен, но его можно упростить, если рассматривать регистрации постоянных световых потоков,значения которых соотаетствуют минимальным уровням регистрируемых световых штоков, при которых температурные и шумовые погрешности максимальны.В результате анализа ЛФПУ установлено, что ЛФПУ, логарифмическое преобразование в котором осуществляется на ФД, и ЛФПУ , ФД в котором включается на входе логарифмического преобразователя, практически равнозначны по точности.Однако первое ЛФПУ имеет некоторые преимущества перед вторым, которые для целого ряда их применений могут являться определяющими: при выполнении первого ЛФПУ на одном ОУ с его выхода снимается усиленный по напряжению сигнал; при регистрации больших световых потоков фототок^ ФД не увеличивает потребления энергии операционным усилителем, поскольку контур его протекания не включает в себя выход усилителя. Это последнее качество особенно важно при использовании этого ЛФПУ в миниатюрной аппаратуре с маломощным автономным питанием. 1£етий способ построения ЛФПУ заключается в последовательном соединении усилителя фототока и логарифмического преобразователя. Анализ показывает, что по температурным погрешностям и погрешностям , обусловленных шумами ФПУ, это ЛФПУ уступает первым двум, но оно обеспечивает более высокое быстродействие.Следует отметить, что второе ЛФПУ может обеспечить более высокое быстродействие, чем пер-

вое . Из всего этого следует: в той аппаратуре, полоса пропускания электронного тракта которой позволяет применять первое ЛФПУ целесообразно его г применять; там, где полоса пропускания электронного тракта не позволяет использовать первое ЛФПУ, но позволяет использовать второе ЛФПУ следует применять второе ЛФПУ ; во всех остальных случаях следует применять третье ЛФПУ.

Построены номограммы , позволяющие определить области параметров/ фототок, полоса пропускания / предпочтительного использования разных типов ЛФПУ с точки зрения обеспечения максимальной точности, измерения световых потоков'.

По аналогии с одноканальными ФПУ с линейной характеристикой преобразования для.ФК и ПЧФПУ введено понятие обобщенного порога чувствительности, определяемое как:

< = -Ь/К - У^ . /IV

где Н - коэффициент передачи ФК, ПЧФПУ, устанавливаний связь между выходным сигналом устройством и разностным фототоком элементов ФД.

Области параметров предпочтительного использования разных типов ФК, ПЧФЕУ определяются из решения неравенств:

^ /15/

В пятой главе рассмотрены и исследованы особенности применения фотодиодных ФПУ в устройствах ввода/вывода/ черно-белых и цветных полутоновых изображений в/из/ ЭВМ. Получены выражения, устанавливающие связь между основными характеристиками систем фотометрирования полутоновых изображений устройств ввода изображений и параметрами ФПУ.Разработан метод и построены номограммы, позволяющие определить области параметров /максимальная измеряемая оптическая плотность, полоса пропускания электронного тракта/ предпочтительного использования разных типов ФПУ.

Разработана и внедрена в серийно выпускаемый на Изюмском приборостроительном заводе автоматический микроденситометр АМД-1ЕЦ система автоматического фотометрирования на основе фотодиодного ФПУ, в которой для снижения температурных погрешностей последнего введен дополнительный оптико-фотоэлектри-

чес кий канал.

Установлено, что основные погрешности систеи фотометриро-вания цветных изображений обусловлены погрешностями ФПУ и погрешностями из-за нарушения закона ]Зугера.Разработан метод выбора оптимальных параметров основных узлов системы фотометриро-вания, в том числе ФПУ.Предложен способ измерения монохроматической оптической плотности цветных изображений, позволяющий уменьшить погрешность из-за нарушения закона Бугера.Црнменение этого способа позволяет снизить требования к точностным характеристикам ФПУ .

Всего разработаны четыре системы фотометрирования черно-белых и цветных полутоновых изображений и исследованы аспекты применения в них фотодиодных ФПУ.

В шестой главе исследованы аспекты практического применения одноканальных фотодиодных ФПУ и ПЧФПУ в прецизионной аппаратуре для измерения параметров лазерной оптики.Создан г исследован рефлектометр, обеспечивающий измерение коэффициента отражения лазерных зеркал при нормальном падении зондирующего излучения на. образец в диапазоне 96-99,99$ с абсолютной погрешностью 0,013?. В качестве измерительных ФПУ в приборе устройства типа "ОУ-ФД-ОУ" с "асимметричным" включением ФД на входах двух СУ. Для снижения погрешностей в приборе, связанных с изменением чувствительности ФД по чувствительной поверхности и неравномерностью оптических параметров оптических элементов, в приборе применены ПЧФПУ повышенной точности'.

Разработаны технические решения прецизионного рефлектометра с угловым падением зондирующего излучения на образец и прецизионного устройства для измерения коэффициентов пропускания высокопрозрачных образцов.Сформулированы требования к ФПУ.

В седьмой главе рассмотрены и исследованы аспекты применения ФПУ, ПЧФПУ и ОС в сиотемах стабилизации параметров газовых лазеров/частота, мощность излучения, ось диаграммы направленности излучения/.

Созданы четыре оригинальные системы стабилизации параметров лазерного излучения*.

Восьмая глава посвящена особенностям применения ФШ в анализаторах параметров лазерного излучения'. Создано три типа анализаторов /для регистрации параметров пучков непрерывного и импульсного излучения/.Разработан и передан заказчику анализатор параметров лазерного излучения "Алиса", обеспвчиващнй измерение следугщих параметров: мощность излучения, нестабильность мощности излучения, угловая и линейная нестабильность оси диаграммы направленности, диаметр пучка излучения, энергетическая расходимость излучения, шумы з пульсации излучения. Прибор аттестован на длине волны 0,63 мкм.

Созданы четыре фотоприемных модуля, обеспечивающих в за— взсемооти от решаемых задач реализацию широкого круга ПЧФПУ и ФПУ для регистрации световых имульсов с высокоэффективной системой компенсации фонового фототока.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДИ

Основным научным результатом диссертации .является решение научной проблемы - разработка методов синтеза, инженерных расчетов и создание оптимизированных по основным параметрам фотодиодных ФПУ широкого применения.

НЬшфвтные результаты диссертационной работы южно сформулировать следупцнм образом:

1.Разработаны современные классификации одноканальных фотодиодных ФПУ и многоканальных ФПУ для сравнении световых потоков и регистрации смещения световых пучков.

2.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-.

3.Цредложен способ снижения .динамических погрешностей логарифмических ФПУ, основанный на периодической установке начальных условий в них, позволяющий снизить динамические погреп-ности более, чем в 3 - 10 раз.

4.Предложен способ стабилизации коэффициента лавинного умножения лавинного фотодиода по форме сигнала, обусловленного

его модуляцией, позволяющий снизить погрешность характерно тики преобразования из-за изменения коэффициента лавинного умножения с 10-2QS6 до ОД - U?.

б.Разработан ряд одно канальных ФПУ о линейной характеристикой преобразования: пять модификаций ФПУ типа 'ОУ-ФД-ОУ", превышающие по.порогу чувствительности и отношению сигнал/шум /в единицы раз/, по температурной погрешности./в единицы- десятки раз/ ФПУ типа "ФД-ОУ широкого применения; ФПУ о промежуточным нелинейным преобразованием , обеспечивающее снижение температурной погрешности из-за дрейфа напряжения смещения СУ не менее, чем в 20- 50 раз, увеличение отношение сигаах/щум ври регистрации слабых световых потоков в области низких частот не менее, чем в 2- 5 раз; ФПУ для регистрации световых импульаов оо схемой компенсации фонового фототока, обеспечивающее выйгрыя в расширении динамического диапазона •итптцгр сигналов ев 2— 3. порядка; ФПУ о высокоэффективной температурной стабилизацией, обеспечивающее возможность реализации потенциальной чувствительности схем.

б.Разработаны и проверены расчетом и экспериментом математические модели, представляющие - собой совокупность выражений, удобных для инженерных расчетов, опиоывахцих характеристики преобразования ФПУ , их температурные погрешности, погрешности из-еа нелинейности характеристики цреобрвзоваякя/дяи линейных ФПУ/, динамические погрешности/для логарифмических ФПУ/, время»-вой отаигак-на единичную функцию, порог чувствительности и влияние шушся р отношение сигнал/шум.

?.Разработаны пять типов логарифмических ФПУ о уменьшенными в единицы-десятки раз температурными и динамическими погравноо— тншг»

в.Разработан ряд многоканальных фотодиодных ФПУ» четыре однокоординатных ГОФПУ/ФК/ тевущего значенин/с баланс правкой и без балансировки каналов, о нормированием и. без нормирования выходных сигналов/, обеспечивапцих/в единицы— десятки раз/ оовншев-ную точность и чувствительность по сравнению о традиционно при-» меняемыми на практике аналогичными ФПУ; ФК для сравнения двух существенно неодинаковых/более, чем вЕраза/световых потоков, об—

ладавдих меньшими/более, чем на порядок/ погрешностями из-за температурного дрейфа напряжений и токов ОУ; два однокоорди-натных и одно двухкоординатное накопительные ПЧФПУ с накоплением сигналов в собственных емкостях чувствительных элементов много элементного ФД, обладающих в 3-5 раз меньиами погрешностями за счет изменения разности коэффициентов передачи по каналам ПЧФПУ и позволяющими регистрировать смещения световых пучков как с непрерывным, так и импульсным излучениями/ минимальная длительность импульсов излучения определяется временем преобразования "свет- электрический сигнал"; суперчувствительное ПЧФПУ текущего значения о нормированием выходных сигналов , в котором полностью отсутствует погрешность из-за изменения раадооасж коэффициентов передачи по каналам устройства, задающая предел чувствительности ПЧФПУ.

У. Шлучены математические выражения, удобные для инженерных раочетов, описывающие передаточную характеристику, погрешности за счет ее нарушения, температурные погрешности, порог чувствительности и влияние шумов, отношение сигнал/шум для разных типов ФК и ПЧФПУ1.

10. Разработан инженерный метод экспресс-анализа устойчивости линейных систем автоматического регулирования о постоянными параметрами, состоящими из последовательного соединения простейших инерционных звеньев .Получены простые выражения, позволяющие определять частоту среза и критическую часто ту.С помощью этого метода можно достаточно быстро и достоверно определять устойчивость широкого крута ФПУ.

11.Разработаны критерии сравнения и методы выбора оптимальных типов ФПУ/ с линейной и логарифмической характеристиками преобразования, текущего значения и накопительного тина/, фотокомпараторов и позиционно-чувствительных ФПУ с точки зрения обеспечения максимального обобщенного отношения сигнах/пун, минимального обобщенного порога чувствительности, минимальных шумовых и температурных погрешностей.Пзлучены выражения

и построены номограммы для определения параметров предпочтительного использования разных типов ФПУ.

^.Установлено, что среди фотодиодных ФПУ универсального применения с регистрацией текущего значения излучения и линей-

ной характеристикой преобразования конкурирующими между собой по порогам чувствительности.. и обобщенным отношениям ситная/ /шум явяяююя* ФПУ типа "ОУ-ЯД-аУ* с "симметричным" ж "асимметричным" включением фД на входах двух операционных усилителей; ФПГ на основе ®Д при условии наличия высокоэффективной системы стабилизации коэффициента лавинного умножения без компенсации х о компенсацией влияния темнового тока ®Д.

13.Наследованы особенности применения фотодиодных ФПУ. в системах фотометржрования устройотв ввода/вывода/ изображений в/из/ ЭВН.

Установлено, что основной вклад в погрешность систем фотометрирования черно-белых полутоновых изображений вносят погрешности ФПГЛЬлучвин математические зависимости, уотанав-линницив связь между характеристиками ФПУ и погрешностью сизтеиы фотометрирования в измерении оптической плотности ж., коэффициента пропускания фотометряцушого элемента черно-белого изображения .Получены выражения ж построены номограшн, оозвохяхцже при заданных параметрах систем фотометрнрования определить оптимальный тип ФПУ, а также уже при выбранном ФПУ оценить предельные параметры системы фотометрнрования при заданном уровне шумовой погрешности.

Установлено, что основной вклад в погрешность о во тем фотометрирования цветных изображений вносят погрешности ФПУ и погрешности за счет нарушения закона Дугера.Предложш способ фотометрированжя цветных изображений, позволяющий уменьшить погрешность за счет нарушения закона Ь^гера, а следовательно снизить требования к погрешностям ФПУ.

Разработаны четыре системы фотометрирования черно-белых и цветных шлутоновых.изображений, в которых существенно снижаются погрешности, обусловленные погрешностям ФПУ, нестабильностью источников излучения, нарушением закона футера.

Разработаны два устройства стабилизации энергии световых импульсов, в которых снижаются погрешности из-аа нестабильности источников излучения,инерционности ФПУ и за -

держек в электронных трактах устройств.

14.Исследованы особенности применения сЬотодиодных ФПУ/од-ноканальных и многоканальных/ в прецизионных рефлектометрах.

Установлено: погрешности рефлектометра, связанные с ФПУ, обусловлены главным образом температурным изменением чувствительности ФД и неравномерностью чувствительности по чувствительной поверхности ФД ; даш повышения точности рефлектометра необходимо вводить либо пассивную, либо высокоточную активную температурную стабилизацию Фотодиодных ФПУ измерительных и опорных каналов, а также угловую юстировку/при нормальном падении зон-дируидего излучения на исследуемый образец/ и также юстировку по положению/при угловом падении зондирувдего излучения на образец/ с одновременным измерением положения световых пучков, отраженных от исследуемых образцов с помощью высокоточных двух-координатных 1ШФПУ.

Разработаны два прецизионных рефлектометра с нормальным и угловым падением зондирующего излучения на исследуемый образец.

Предложен способ высокоточного измерения коэффициентов пропускания высокопрозрачных образцов.

15. Исследованы особенности применения йотодиодных ФПУ в системах стабилизации параметров газовых лазеров/частоты излучения, мощности излучения, оси диаграммы направленности/, в анализаторах параметров лазерного излучения.

Разработаны четыре систем стабилизации лазеров, три анализатора параметров лазерного излучения.

16.Создана система фотометрирования черно-белых и цветных полутоновых изображений на основе фотодиодных ФПУ и внедрена в серийно выпускаемый автоматический микроденситометр АМД-1БЦ. Система фотометрирования защищена авторским свидетельством.Благодаря введению дополнительных опорных фотоэлектрических каналов она обладает малыми погрешностями, вызванными изменением рабочей температуры.

17.Создано и внедрено в технологическую линию на предприятии МНТиПП "Ремдеталь" устройство для бесконтактного контроля геометрических размеров восстанавливаемых элементов деталей автоагрегатов.ФПУ, используемое в этом устройстве защищено авторским свидетельством.

18.Создан и передан заказчику анализатор параметров лазерного излучения "Алиса".Прибор предназначен для измерения мощности излучения, нестабильности мощности излучения, линейной и угловой нестабильностей оси диаграммы направленности излучения, диаметра и энергетической расходимости лазерного пучка, шумов и пульсаций излучения.Црибор прошел аттестацию как рабочее средство на длине волны 0,63 мкм.В анализаторе использованы суперчувствительные ПЧФПУ, защищенные авторским свидетельством.

19»Создан набор фотоприемных модулей, лазерная терапевтическая установка "Надежда-4", портативный универсальный контрольно-измерительный прибор для лазерной терапии "Карат", прецизионный анализатор параметров лазерных зеркал.Цриборы поставляются по пред варительным заявкам потребителям .В приборах использованы технические решения /в том числе на ФПУ/, защищенные семью авторскими свидетельствами.

20.Создано и внедрено на технологической линии Рязанского картонно-рубероидного завода устройство для измерения толщины битумных покрытий "Бетти".Устройство работает в условиях значительных температурных потоков, большой запыленности, вибраций, фоновых и электро-магнитных излучений и обеспечивает высокие характеристики во-многом благодаря использованию фотодиодных ФПГ, выполненных по оригинальной схеме с компенсацией фонового фототока, защищенной авторским свидетельством.

На основании изложенного можно считать, что цель диссертации достигнута и поставленные задачи решены.

СШЕОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТИЛЕ ДИССЕРТАЦИИ

1,Чернов Е.И. Прецизионные фотоприемные устройства на основе фотодиодов и их практическое применение.4.1.- Рязань, 1991. - 212 с.

2.Чернов Е.И.Црецизионные фотоприемные устройства на основе фотодиодов и их практическое применение.4.2,- Рязань, 1991. - 132 с.

З.Чернов Е.И. Прецизионные фотоприемные устройства на .основе фотодиодов.4.1 : ФПУ с регистрацией текущего значения

и ляезйной световой характеристикой.-М., 1988. - 56 с. - /Обзоры по ЭТ.Сер.4, Электровакуумные г газоразрядные приборы/ЦНИИ "атектроизка", Вып.1/1361/.

4.Чэрнрв E.H. Теория простейшего фотоприемного устройства яа основе фотодиода. - М., 1989.- Деп. в ЦНИИ "Электроника".-1989. - П Р-4970.

5.Чернов Е.И. Изоледования иирокодиапазошшх прецизионных фотопржеяяых устройств на основе фотодиодов.- М.,1986.- Деп. в ЦНИИ "Электроника*. - 1986. - Ä10400.

б.Чернов Е.й. Фотоприемные устройотва на основе фотодиодов 2 S2 применение. - М., 198S. - 43 о. - /Обзоры по ЭТ. Сер4, Электровакуумные и газоразрядные приборы / ЦНИИ "Электроника", ВЫ1Г.1/1164/.

7.A.c. 1532821 СССР, МКИ3 60171/44. Устройство дет регистрации светового потока/Е.И.Чернов. - Опубл. 1989, Вол. » 48.

в.Чернов Е.И. О фотоприемных устройствах на основе фотодиода и.двух оперецюииых усилителей// Автометрии.- 1990.- А 6,-С.55- 61.

9.A.c. 1415426 СССР, МКН3 Н 03 5 17/00.Усилитель фототока/ Е.Я.Чернов. - Опубл. 1988, Бшг. й 29.

10.A.c.15S2914 СССР, МКИ3 Н 03 Р 17/00.Усклитвль фототока./ R.H. Чернов'.- Опубл. 1990, Вел. JS 34.

11.A.c. 1120486 СССР, МКИ3 Н 03 Р 17/ОО.Усшштель фототока/ Е.Й.Чернов. - Опубл. 1984, Вал.№39.

12.A.0.1148093 СССР, НКИ3 Н 03 5 17/ОО.Усилитель фототока/ В.П.Чернов - Опуйя.1985, Бол. Я 12.

13.Чернов В.И. Прецизионные фотоприемные устройства на основе фотодиодов. 4.11 : Фотоинтеграторы, ФПГ на основе лавинного фотодиода, ФПГ о логарифмической световой характеристикой, ФПУ для регистрации световых импульсов-.- М., 1989.- 52 с. -/Обзоры ш ЭТ.Сер. 4, Электровакуумные и газоразрядные приборы/ЦНИИ "Электроника", Вшг.1/1420Д

14,Гришин М.П. и др. Система автоматического фотометрирования полутоновых изображений на основе лавинного фотодиода с операционный ускдителем//Н. П. Гришин, Ш.М. Курбаяов, Е. И. Чернов//Ав тометрия. -1982. - Л 4. - С.99-102.

15. J¿.c. 1244505 СССР, MK^SOIJ 1/44 .Способ измерения светового потока лавинным фотодиодом и устройство для его осуществления/

Е.И.Чернов. - Опубл. 1986, Взл..® 26.

16.Чернов Е.И.Об одном способе стабилизации коэффициента умножения лавинного фотодиода// Автометрия. - 1987. - 3,-С.116 - 119.

17.А.с. 1384171 СССР МКИ3 НОЗ Р 17/00.Фотоприемное устрокст-во/Е.И.Чернов.

18.Е.И.Чернов. Расчет отношения сигнал/шум в прецизионном фотоинтеграторе// Оптико-механическая промышленность.-1986.-

В 10.- С.11-13.

19.А.с. 1122899 СССР, ;;'КИ3е01 1/44.Способ регистрации излучения фотодиодом и устройство для его осуаествления/Е.Я.Чернов— Опубл.1984, Бол. 41.

20Лернов Е.И.Способ регистрации излучения фотодиодом// Оптико-механическая промышленность.- 1988,- >'-9. - С.41-43.

21.А.с. 1454178 СССР, гКИ3 Н01Ь 31/06.Способ регистрации излучения фотодиодом/Е.И.Чернов.

22.Чернов Е.И. Об одном способе снижения динамических погрешностей ФШ7/ Автометрия.- 1991. - №3.

23.А.с. 1179109 СССР, 1.КИ3 б ОЦ" 1/44.Устройство для регистрации излучения/Е.И.Чернов.- Опубл. 1985, Воя. № 34.

24.А.с.1293501 СССР, МКИ3 & 0111/44.Устройство дая регистрации излучения/Е.И.Чернов.- Опубл.1987, Вол.й 8.

25.А.с.1080156 СССР.ИКИ3 6 01 е 7/24.Логарифмический усгога-тель/Е.И.Чернов.- Опубл.1984, Бол.Г< 10.

26.А.с.594582 СССР, ¡ЖИ3 Н 03 К 13/02.Функциональный аналого-цифровой преобразователь/Е.И.Чернов.- Опубл.1978,Вал. № 7.

27.А.с.841109 СССР, МКИ3 Н 03 К 13/02.Функциональный аналого-цифровой преобразователь/Е.И.Чернов.- Опубл. 1981,Вж.№23.

28.А.с. 1166146 СССР,ЖИ3 & 06 6 7/24. Логарифмический преобразователь/Е.И.Чернов.- Опубл.1985, Вал.!' 25.

29.А.с.1247903 СССР, !ЖИ3£ 06 6 7/24.Логарифмический преобразователь/Е.И.Чернов.- Опубл.1986, Вол.№28.

30.А.с.1510684 СССР,МКИ3 НОЗ Р 17/00.Усилитель фототока/ Е.И.Чернов.

31.Чернов Е.И. Экспресс-анализ на устойчивость//Р&.диотехника.- 1986.- 5. - С.93-94.

32.Чернов Е.И.Анализ юзиционно-чувствительных фотоприемных устройств на основе фотодиодов.- М., 1987.-Деп.в ЦНИИ "Электроника". - 1987,- № Р 4388.

33. А.о. 1200813 СССР.МКИ3 НОЗ? 17/00.Фэ то приемное устройство/ Е.И.Чернов.

34.А.с. 1248413 СССР.МКИ3 6 0111/44.Фотоприемное устройств/ Е.ИЛернов.

35.А.о.1548673 ССС?,}№рЪ 01/. 1/44.Фотоприемное устройство/ Е.Й.Чернов.Опубл. 1990,Еал.й 9.

36.А.с.1286062 СССР.МКИ3 НОЗ £ 17/00. Фотоприекное устройство/ Е.ИЛернов.

37.А.с.1505134 СССР, МКИ3 60171/44. Фотоприемное устройство/ Е.И.Чернов, А.Н.Еласов.

38.А.с .1343671 СССР.МКЙ3 НОЗ 5 17/00,«отоцриеыпоа устройство/ Е.З.Чернов.

39.А.с. 1288508 СССР.МКИ3 в 01 ? 1/44.Фотоприемное устройство/ Е.И.Чернов.- Опубл. 1987, йи.й 5.

40.А.с. 1693396 СССР.МКИ3 С 01Т 1/44.1Ьзиционно-чувотвитвльное устройство/Е.ИЛврвов,- Опубл.1991, Вой.#43.

41.АСД323864 СССР.МКИ3 в ОЦ" 1/44.Фотоприемное устройство/ Е.И.Чернов.-Опубл,1987, йи. * 26.

42"Лернов Е.И. Метод внфра фотодиода для фотоприемного устройства// Оптико-механическая промышленность. - 1987,- й7. - С.47-48. 43Лернов Е. И .Прецизионные фотоприемные устройства на основе фотодиодов.Ч.111 : Методы выбора оптимальных типов ФПУ, аспекты практического применения ФПУ,- М.; 1990. - 46 с./Обзора по ЭТ. Сер.4, Электровакуумные и газоразрядные прибору / ЦНИИ "Электроника", Вып.3/1518/.

44.Чернов Е.И. Теория сравнительного анализа фотоприемных устройств текущего значения на основе фотодиодов»- М.,1987. -Деп. в ЩШ "Электроника". - 1987. - * Р 4479. 45.Чернов Е.И. Результаты исследования новых перспективных схем фотоприемных устройств на основе фотодиодов// Тез .докл. на Все-согзн. научн.-техн.конф. "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение". -М.: Наука, 1990, 0.82.

46.Канал фотометрирования скоростного микроденситометра/ М .П. Гришин, Е.И.Чернов, Ш.М.Курбанов, Т.А.Афанасьева //В кн. Автоматизированные системы обработки изображений АСОВз-51: Тез .докл. Всесоюзн.науч.-техн.конф.- М.: Наука, 1981. - 123 о.

47.Гришин М.П. и др. Изследование фотоприемного устройства на основе фотодиода и операционного усилителя для скоростного фото-

\

метрирования полутоновых изображеннй/к.П.1}5Ишнн, Е.И.Чернов, Ш.М.Курбанов// Оптико-механическая промышленность.- 1982.-XL. - с.4-

48.Чернов Е.И. Исследование фотолриемного устройства на основе фотодиода и операционного усилителя для окоростного фотоыет-рирования полутоновых изображений// Оптико-механическая промышленность. - 1984. - * 4. - СГ.57,58.

49.Чершв Е.И. и др .Метод сравнительного анализа фотопржш-ников для скоростного прецизионного фотометрнрования полутоновых изображений/ Е.И.Чернов, М.П.Гришин, Ш.М.Курбанов. - М., 1981.8 с. - Дел. в ВИШИ 23UW.81, Л 1954.

БО.Чернов Е.И. Метеж определения оптимальных параметров систем фотометрирования//* Рвтико-механжчеокая промыывннооть.-1984. - * 3. - С.9 - 10.

5Г.А.С.95ТО06 СССР.ЫКИ3 6 01J 1/44.Микроденсжто»1етр./ М.П.Гришин, Ш.Ы.Курбанов, Е.И.Чернов. - Опубл. 1982, Вш«133,

52 .Скоростная прецизионная система фотсыетржровани для ввода полутоновых иаобрвжений в ЭЩ/ М.П. Гришин, Ш.М.Курбаяов, Е.И.Чернов и др.// Тез .дож*. на Всесоюзн. научн.-техи.конф. "Автоматизация научных исследований на ос шве применения ЭИГЧ-Новосибирск: Ин-s автоматики и электрометрии СО АН СССР, 1981 .-С.135.

53 .Система скоростного фо тометрирования уерно-белых и цветных изображений для автоматических мищхзденснтшетров/Т.А.Афанасьева, В.Н.Коретвов, Ш.Ы.Курбанов, Е.И.Чериов и др.// Твз.докл. на 1 Всесоюзн.научн.-гехн.конф."Оптическое из обряжение и регистрирующие среды". - й.: ЮШ ж. С.КЗавххова, 1982. - 0*210«

54.Бистродействувдая прецизионная оисхсма фотометрировежия для автоматического фо томе трирования/ И.П.Гриинн,Ш.Ы.Курб«ная, Т.А.Святоолавская, Е.И.Чернов я др.// ОД.дохх.ва 7 Всесоюзна научн.-яехн.коиф. "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение".-Ы.г Наука, 1984.- 0.251'.

55.А.с.1125638 СССР, МКН3 в 06 К 11/ОО.Готройотво для ввода изображений/Е.И.Чернов, В.Н.Корешсов, Ш.Ы.Курбанов и др. -Опубл. 1984, Бол. Л 43..

56.А.С.745015 СССР, МКИ3 Н 04Л5/68.Устройство для стабилизации экспозиции светового пятна электрошю-лучевой трубки/ ВЛС.Злобин, А.А.Ануркин, В.В.Е^емеев, Е.И.Чернов,- 0пубдЛ.980, Box. X 24.

57.А.С .611228 CCCP.LKÄ 06 К 11/00. Устройство для измерения оптической плотности/В.К.Злобин,В.В.Еремеев,Е.И.Чернов.- Опубл. 1978, Бал. Д 22.

58. А.О.739578 СССР, МКИ3 » 06 К 11/00.Устройство для измерения оптической плотности изображения/ Е.И.Чернов.- Опубл.1980, Вся. Ä 21.

59.A.C.762015 СССР,МЕСИ3 S 06 К 11/00. Ус тройство для измерения коэффициента пропускания исследуемого объвгга/Е.И.Чэрнов,-0публ.1980, Вал. Jé. 33.

60.A.c.915085 СССР,Ж!3 S 0S К 11/СО.Устройство для измерен®! коэффициента пропускания исследуемого объекта/ Е.И.Чернов.-Опубл.1982'. Оал . * 11'.

61'.Чернов Е.И. и др. Метод выбора оптимальных параметров скоростной прецизионной системы для фотометрирования цветных полутоновых изображений/Е.И.Чернов, М.П.Гришин,Ш.М.Курбанов.-М., 1982.- 6 е.- Дел. в.ВИНИТИ 29.06.82,.* 3371-82. 62г.Чернов Е.И. и др.Метод выбора оптимальной полосы пропускания светофильтров для систем скоростного фотометрирования/Е.И.Чернов, У.П.Гришин, Ш.М.Курбанов//Тез.докл. на Всесоюзн.научн.-техн. конф.АСОИз—81".- М.: Наука,-1981,- С.149.

63.A.c. 1239559 СССР, МКИ3 ö Ol V 21/59.Способ определения монохроматической оптической плотности/Е.И.Чернов.- Опубл. 1986,Евл. JS 23.

64Г.А.С.868792 СССР, МКИ3 6 06 К 9/00. Ус тройство для измерения коэффициента пропускания исследуемого объекта/ М.П.Гршшн, Ш.М. Курбанов,Е.И.Чернов.- Опубл.1981, Еюл.№ 36.

65.A.c. 664311 СССР, МЕСИ3 H 04H 5/58.Регулятор светового потока/ Е.И.Чернов.- Опубл.1979, Вот. Л 19.

66. A.c.960765 СССР, МКИ3 Н04 ЫЪ/ 58. Ус тройство для регулирования светового потока осветителя/ Е.И.Чернов.- Опубл.1982,ВалЛ 35.

67.A.c.1188767 СССР, МКИ3 в 06 К 15/22.Устройство для управления перемещением метки по экрану индикатора/Е.И.Чернов, В.Н.Корешков, В.П.Маркелов и др.- Опубл.1985, Вэл.Л 40.

68.Чернов Е.И., Константинов В.Е. Обзор и анализ средств измерений основных оптических параметров лазерных зеркал.- М., 1987.-Деп. в ЦНИИ "Электроника*. - 1987.- Я Р 4428. 69.A.c. 1509688 СССР, МКИ3 & 01А/21/55.Устройство для измерения коэффициента отражения зеркала/ Е.И.Чернов, О.Л.1Ьловиов.-Опубл. 1989, Вал. *ЗЭ.

70.Чернов Е.И.,1Ъловков 0.1. Прецизионный рефлектометр// Оптико-механическая промышленность. - 1990,- № 3.- С.33.

71 .Чернов Е.И., ГЬловков 0.1.Прецизионный рефлектометр// Тез.докл.на Всесоюзн.научн,-техн.конф."Оптика лазеров"". -Л.: ГОИ им.С.И.Вавилова, 1990,- С.381.

72.Чернов Е.И.,1Ъловков 0.Л.Прецизионный рефлектометр// Тез.докл.на Всесоюзн.научн.-техн.конф. "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение".- М.: Наука, 1990,- С.141.

73.А.С. 1536280 ССОР, МКИ3 & OliV 21/55.Устройство для измерения коэффициента отражения зеркала/Е.И.Чернов.- 0публ.1990, Byi.X> 2.

74.А.с. 1679304 СССР, МКИ3 &01V21/55.Устройство для измерения коэффициента отражения зеркала/Е.И.Чернов.- Опубл.1991, Бшг. Jí 35.

75.А.с. 1436028 СССР, МКИ3 в 01 >^21/59.Способ измерения коэффициента пропускания оптического элемента/Е.И.Чернов, В.Е.Константинов и др. - Опубл.1988, Вм. № 41.

76.Чернов Е.И.Способ измерения коэффициента пропускания// Тез.докл.на Всесоюзн.научн.-техн.конф."Фотометрия и ее метрологическое обеспечение".- II.: Наука, 1988. - С.204.

77.А.С .1223808 СССР, МКИ3 Н 01^ 3/139.Устройство угловой автоподстройки зеркал резонатора лазера/Е.И.Чернов,Г.С.Седов, С.И.Хилов

78.А.с.1223808 СССР, МКИ3 Н Olí'3/13.Устройство стабилизации параметров лазера/Е.И.Чернов

79.А.С.1331391 СССР, МКИ3 Н 0W3/097.Газовый лазер/ Е.И.Чернов, С.И.Хилов.

80.А.С.1385968 СССР, МКИ3 Н О^З/ОЭ.Газовый лазер/ Е.И.Чернов, А.П.Базилев.

81.Чернов Е.И.,1Ьловков О.Л. Высокоэффективные анализаторы параметров лазерного излучения// Тез.докл.на Всесоюзн.научн. -техн.конф."Фотометрия и ее метрологическое обеспечение". - М.: Наука, 1990. - С.181.

82.Чернов Е.И. Модули фотоприемные// Тез.докл.на Всесоюзн. научн.техн.конф."Фотометрия и ее метрологическое обеспечение".-М.: Наука, 1990. - С.128.