Фотограмметрия – (photos-свет, gramma-запись, metreo-измерения) научная дисциплина, связанная с определением геометрических параметров (формы размеры пространственного положения и других св-в объектов по их изображению)

Дистанционное зондирование – получение информации об объекте по данным измерений сделанных на расстоянии от объекта, т.е без прямого контакта с ним.

Достоинство данных дистанционного зондирования:

Цифровой вид информации

Объективность и достоверность

Обзорность

Оперативность

Регулярность и периодичность поступления информации

Разнообразие по разрешению и видам съемки

Возможность исследования медленно протекающих и скоротечных процессов

Недостатки данных дистанционного зондирования:

Наличие геометрических, радиометрических и прочих искажений

Перенасыщенность информации

Наличие белых пятен

Методы ДЗ:

Пассивный

Съемочная система фиксирует либо отраженную объектом солнечную энергию, либо собственное излучение объекта

Активный

Съемочная система испускает сигнал собственного источника энергии, а затем фиксирует его отраженную объектом часть

Съемочные системы

Классификация съемочных систем:

В зависимости от приемника различают:

Фотографическое изображение

Изображение формируется оптическим способом на фотопленке, а видимое изображение получается после фотохимической обработки (проявка и печать)

Цифровое изображение

Приемником излучения яв-ся матрицы или линейки ПЗС (приборы с зарядовой связью)

По методу получения изображения:

Пассивные

1. Фотографические

   Оптико – механические сканерные системы

   Оптико – электронные сканерные системы

Активные

1. Радиолокационные съемочные системы

   Лазерные сканерные съемочные системы

Фотографические съемочные системы

В фотографической СС снимок формируется практически мгновенно, по законам центральной проекции.

Классификация фотоапапаратов:

Одно-объективные

Много-объективные

Панорамные

По величине угла зрения:

Узкоугольные (τ < 50°)

Нормальны (50° < τ < 90°)

Широкоугольные (90° < τ < 110°)

Сверх широкоугольные (τ > 110°)

По величине фоккусного расстояния:

Коротко-фокусные (f < 100 мм)

Нормальные (100 мм < f < 300мм)

Длиннофокусные (f > 300 мм)

Оптико – механические сканерные системы

Оптико – механические сканер – содержит только 1 технический элемент (датчик), который позволяет измерять яркость небольшого участка (пикселя) земной поверхности

Вращающееся зеркало просматривает полосу местности, что позволяет зарегистрировать яркость целого ряда пикселей земной поверхности за короткий промежуток времени, т.е сформировать строку изображения.

Следующая строка изображения формируется за счет движения носителя.

Если единственный датчик заменить линейкой, можно получить многоканальное изображение.

Тепловую составляющую излучения можно получить при помощи полу прозрачного зеркала.

Оптико – электронные сканерные системы

Изображение построенное при помощи оптико – электронных сканеров проектируется на линейное, либо матричное множество ПЗС.

Радио локационные сканерные системы

Взаимный импульс от передатчика установленного на носителе излучается направленной антенной формирующий веерообразный луч в вертикальной плоскости.

Часть отраженной энергии регистрируется приемником, установленном там же, где и передатчик. В результате образуются сигналы, которые управляют яркостью светового пятна электронно-лучевой трубки. Совокупность таких пятен образует строку радио-локационного изображения, а время прохождение сигнала определяет расстояние до объекта.

Диапазоны длин волны:

Х полоса (𝜆=2,4 – 3,8 см)

С полоса (𝜆=3,8 – 7,5 см)

L полоса (𝜆=15 – 30 см)

Лазерные съемочные системы

Лазер – усиление света по средством вынужденного излучения, т.е это устройство преобразующее энергию накачки в энергию монохроматического и узко направленного потока излучений.

Одиночные снимки

Е – предметная плоскость (плоскость местности) - Горизонтальная плоскость, проходящая через какую-либо точку местности

S – точка фотографирования (центр проекции)

n – Плоскость наилучшего изображения

So ′ - главный луч

f – фокусное расстояние – расстояние от S до o′

p – плоскости снимка

o – главная тоска снимка

a , b – малое изображение точек A и B

O – Точка на местности соответствующая главной точке

Связка лучей – совокупность всех проектирующих лучей

Главный луч - Луч совпадающий с оптической осью камеры

Н ф – высота фотографирования – расстояния от точки фотографирования S до предметной плоскости Е.

–основная формула определения масштаба

n – точка надира – точка пересечения отвесной линии проведенной через точку фотографирования и отвесной линией

N – точка на местности соответствующая точке надира

α° - суммарный угол наклона снимка

с – точка нулевых искажений – точка пересечения биссектрисы угла наклона снимка и плоскости снимка

С – точка на местности соответствующая точке нулевых искажений

Tt – линия основания – линия пересечения плоскости Е и плоскости p

Q – плоскость главного вертикала –вертикальная плоскость проходящая через главный луч

Vv – главная вертикаль – линия пересечения плоскости главного вертикала и плоскости снимка

VV – линия направления съемки – линия пересечения предметной плоскости и плоскости главного вертикала (Q и Е)

Е′ - плоскость действительного горизонта - горизонтальная плоскость, проведенная через точку фотографирования

ii – линия действительного горизонта – линия пересечения плоскости действительного горизонта и плоскости p.

I – главная точка схода – точка пересечения действительного горизонта и главной вертикали VV

qq – главная горизонталь – прямая в плоскости снимка проведенная через главную точку перпендикулярная главной вертикали

h c h c – линия нулевых искажений – прямая в плоскости снимка проходящая через точку нулевых искажений параллельно главной горизонтали qq.

Система координат оптико-механического сканера.

Изображение строки в оптико-механическом сканере формируется за счет вращения зеркала, а строки – за счет перемещения носителя съемочной системы. Таким образом, каждый пиксель изображения имеет свои элементы внешнего ориентирования.

Ө – угол поля зрения сканера.

Началом системы координат сканера является точка S – точка пересечения оси вращения зеркала и главной оптической оси объектива. Ось x z совпадает с биссектрисой угла поля зрения съемочной системы. Ось y дополняет систему до правой.

Система координат сканерного изображения задается также как и для оптико-электронного сканера, т.е. ось y с совпадает c одной из строк изображения, начало системы координат о находится в середине строки, а ось x с – дополняет систему до правой.

По измеренным координатам точки изображенияx с y с можно получить время формирования изображения данного пикселя, а следовательно и элементы внешнего ориентирования сканера в этот момент.

Направление на точку местности М (рис.10) в системе координат сканера определяет единичный вектор r m , координаты которого можно определить следующим образом:

(18)

- размер кадра в пикселях вдоль оси y .

Определение координат точек местности по изображениям, полученным с помощью оптико-механического сканера выполняется аналогично тому, как это делалось для изображений, полученных оптико-электронным сканером.

Принцип действия лазерно-локационных съемочных систем

Лазерно-локационная съемочная система по принципу действия напоминает оптико-механический сканер, только вместо диафрагмы имеется лазер, с помощью которого сканируется (облучается) поверхность земли (рис.11). Таким образом, эта съемочная система относится к активным системам. Лазерный луч с определенной частотой посылается в сторону поверхности земли, который возвращается в съемочную систему и фиксируется в приемнике излучения в виде интенсивности отраженного сигнала. Кроме того, фиксируется время прохождения лазерного луча от лазера до поверхности земли и обратно до приемника излучений, что позволяет определить расстояние D до данной точки земли. Фиксируя угол поворота зеркала φ можно определить координаты точки поверхности земли в системе координат сканера Sxyz , а зная элементы внешнего ориентирования сканера в этот момент, можно вычислить координаты этой точки в системе координат объекта OXYZ . Таким образом, результатом работы лазерного сканера является трехмерная модель снимаемого объекта в виде облака точек с известными координатами XYZ и интенсивностью отраженного сигнала.

Система координат лазерного сканера задается следующим образом (рис.11). Начало системы S совпадает с точкой пересечения оси вращения зеркала и оптической осью системы. Ось x совпадает с осью вращения зеркала. Ось z проходит через центр проекции S и совпадает с биссектрисой угла поля зрения сканера Ө . Ось у дополняет систему до правой. Положительное направление оси x совпадает с направлением полета.

Координаты вектора SM в системе координат сканера определяют как:

(19)

Если известны элементы внешнего ориентирования , лазерного сканера в момент измерения наклонного расстояния D , то координаты точки М в системе координат объекта можно определить по известным формулам:

(20)

Элементы внешнего ориентирования , лазерного сканера во время съемки определяются с помощью навигационного комплекса в составе дифференциальной GPS- системы и инерциальной системы.

Принцип формирования радиолокационных изображений.

Системы координат.

На рис.12 показан принцип радиолокационной съемки. Короткий импульс от передатчика, расположенного на носителе (самолете или спутнике), излучается в вертикальной плоскости с помощью направленной антенны. При достижении поверхности земли волна отражается. Часть отраженной энергии возвращается к приемнику, установленному на том же месте, что и передатчик. Принятая энергия квантуется. В результате получаются сигналы, пропорциональные принятой в данный момент энергии, зависящей от отражающей способности определенного участка местности. Одновременно измеряются наклонные дальности от передатчика до каждого из элементарных участков местности. Эти элементарные участки местности определяют разрешение съемочной системы. Таким образом, плотность пикселя радиолокационного изображения зависит от интенсивности отраженного радиосигнала от соответствующей точки объекта, а положение пикселя вдоль строки пропорционально наклонной дальности до данной точки. Строки изображения формируются за счет движения носителя.

Если расстояния до точек объекта равны между собой (D 1 и D 2 на рис. 13), то эти разные точки объекта изобразятся в одной точке на снимке. Диапазон измеряемых расстояний и соответственно полоса обзора определяются параметрами съемочной системы и лежат в пределах D o и D к начальной и конечной измеряемых дальностей.

Чтобы увеличить захват местности (полосу обзора), нужно увеличить время от начала посыла импульса до их приема.

Система координат радиолокационного изображения задается следующим образом. Ось y c совпадает с одной из строк изображения. Начало системы координат о совпадает с точкой соответствующей начальной дальности D o , которая фиксируется в момент съемки. Ось x c дополняет систему до правой.

Таким образом, измерив координатуy c любой точки изображения можно узнать наклонную дальность до этой точки.

где k – масштабный коэффициент, который определяется в результате калибровки системы.

Система координат самой радиолокационной системы задается следующим образом (рис.15).

Начало системы координат совпадает с точкой излучения радиоимпульса. Оси y,z лежат в плоскости излучения импульсов. Ось x дополняет систему до правой.

Плоскость излучения радиоимпульсов может быть произвольно ориентирована в пространстве

15.4-16+isp_pages.doc

1. 
   Термоэлектрическое охлаждение

I

Пр-к I
Термоэлектрический эффект Пелтье состоит в поглощении или выделении тепла на спае двух различных металлов или полупроводников, когда по этим проводникам протекает электрический ток. Если Е 1 и Е 2 термоэдс первого и второго спаев, то количество тепла, получаемого на спае при температуре Т(К) выражается формулой: Q=(Е 1 - Е 2)xTxI.

Q

Один каскад конструкции на основе Bi 2 Te 3 позволяет получить температуру

(-30)С, два каскада (-75), шесть (-100)

1. 
   ^ Сканирующие системы

Для преобразования многомерного оптического сигнала в одномерный электрический, адекватную информацию о распределении параметров оптического сигнала, в ОЭП используется сканирование – процесс последовательной, непрерывной или дискретной, выборки значений оптического сигнала. Наиболее часто в ОЭП выполняется преобразование пространственного распределения потока излучения в видеосигнал. Поэтому процесс сканирования в этом случае есть последовательный просмотр сравнительно большого поля обзора малым мгновенным полем.

Важной функцией сканирования является повышение помехозащищенности ОЭП. Действительно, применение малого мгновенного поля зрения при обзоре большого пространства, содержащего малоразмерный объект на фоне помех, безусловно более предпочтительно, чем выполнение той же операции прибором с большим полем зрения.

Сканирующие системы могут быть классифицированы различным образом:

• 
  по способу разложения поля обзора (одноэлементное, параллельное, последовательное, комбинирование).
• 
  по физической сущности явлений, лежащих в основе работы сканирующей системы (механические, оптико-механические, фотоэлектронные, ультразвуковые и т.д.)
• 
  по пространственному признаку (одномерные, двумерные).

При одноэлементном сканировании малое мгновенное поле зрения может быть просмотрено, как показано ниже на рисунке, по самым различным траекториям.

При параллельном сканировании все поле OYLX просматривается одновременно по горизонтальным строкам, например, путем перемещения линейки ФП, ориентированной перпендикулярно направлению сканирования.

При последовательном сканировании линейка ФП ориентирована параллельно направлению сканирования каждую точку пространства просматривают все элементы. Сигналы от них поступают на линию задержки и в сумматор. В этом случае возможно не только осреднение сигнала, но и получение большого разрешения в (n) раз при усложнении электронной схемы и повышении стоимости ОЭП, которые могут быть несопоставимы с достижимым преимуществом.

При параллельно-последовательном сканировании просмотр поля зрения обеспечивается матрицей.

1. 
   Траектории сканирования при регулярном поиске

В оптико-электронных приборах используются различные траектории сканирования. Вид конкретной траектории определяет прежде всего форму контролируемой области поля обзора (форму растра).

Круглая форма поля образуется осесимметричными траекториями, которые создаются за счет двух составляющих сканирования. Одной из них является вращательное движение с постоянной скоростью, второй – как вращательные, так и колебательные движения.

Прямоугольная форма поля создается двумя колебательными перемещениями, хотя в некоторых случаях используются сочетания вращательного и поступательного движения.

Осесимметрические траектории сканирования могут быть разделены на ряд классов в зависимости от типа слагающих движений и соотношения между их скоростями. При этом различают спиральную и розеточную траектории сканирования.

Траектории сканирования при колебательно-вращательном движении сканирующего поля.

Архимедова спираль образуется, когда за время одного колебания вдоль некоторой оси ОУ последняя совершает несколько оборотов вокруг неподвижной точки О (рис.45).

А-шаг спирали.

Для осмотра поля обзора без (2r) пропусков размер мгновенного поля зрения должен быть равен (а).

Если при колебательно-вращательном движении сканирующего поля за время одного оборота совершается несколько колебаний, то создается розеточная траектория (рис.46, 47,48)




y y

Розеточная траектория характеризуется числом лепестков N, которое определяется угловой скоростью вращения , линейной скоростью и амплитудоколебания r

,

где

В зависимости от соотношения между r, радиусом поля обзора R, а также направления и начала сканирующего колебания изменяется характер заполнения поля линиями сканирования изменяется.

Траектории сканирования при вращательно-вращательном движении достаточно наглядно представлены на рис. 49-51.

Траектории сканировании при колебательных перемещениях.

Колебательные перемещения сканирующего поля в двух взаимно перпендикулярных направлениях позволяют осуществить так называемую построчную и прогрессивную траекторию сканирования. В этом случае в процессе развертки сканирующее поле (СП) перемещается слева направо и одновременно смещается на ширину строки вниз. Пройдя одну строку, СП быстро перемещается влево и затем процесс повторяется до заполнения кадра –поля обзора. Для получения равномерного движения СП вдоль строки или кадра перемещения его в исходное положение необходимо обеспечить пилообразный закон движения (рис.52). В заключении приведём рис.53, который иллюстрирует некоторые специальные траектории сканирования.

1. 
   Типы сканирующих устройств

Обычно различают ОЭП с фотоэлектронным сканированием, сканирование электронным лучом, сканирование световым лучом, оптико-механическое сканирование.

Сканирование электронным лучом (СЭЛ)

СЭЛ осуществляется в телевизионных передающих трубках (иконоскоп, супериконоскоп, ортикон, диссектор, видикон и др.).

Большинство современных передающих трубок являются фотоэлектрическими приемниками излучения с внешним фотоэффектом,обладающим достаточной чувствительностью в области длин волн до ~1,2 мкм.

В ряде случаев в качестве фотокатода в трубках используются фоторезистор, т.е.явление внутреннего фотоэффекта, что сдвигает область чувствительности до 2-2,5 мкм.

Рис.47. Розеточная траектория сканирования при колебательно-вращательном движении сканирующего поля

Рис. 48.Траектория сканирования при колебательно-вращательном движении сканирующего поля для rа- спиральная, б- розеточная

Рис.49 Спиральная а) и розеточная б) траектории сканирования при

Вращательно-вращательном движении сканирующего поля при 2r=R

Рис.50 Спиральная траектория для случая 2r

Рис. 51. Розеточная траектория для случая 2r

h

a
О l X

а)

б )

T пр t обр.

Рис. 52. Построчная или прогрессивная траектория сканирования

Рис.53. Некоторые специальные траетории сканирования: а- гусеница: б – следящая развертка

Наибольшее распространение в автоматических ОЭП получили диссектор и видикон, соответственно системы мгновенного действия с накоплением.

В системах мгновенного действия энергия излучения каждой точки обозреваемого поля преобразуется в сигнал только в течение времени прохождения через неё сканирующего луча. Это время существенно меньше времени обзора всего поля, т.е. здесь не используется возможность накопления энергии.

В системах c накоплением осуществляется суммирование энергии излучаемой данной точкой поля в течении всего времени обзора, что позволяет повысить их чувствительность по сравнению с системами мгновенного действия.

Пояснить работы системы с накоплением удобно на примере устройства иконоскопа.

Фотокатод телевизионной трубки (мишень) можно представить в виде большого количества отдельных, изолированных друг от друга фотоэлементов, соединенных последовательно с источником э.д.с. [(см. рис. 54), R– сопротивление нагрузки, С – распределенная емкость фотокатода].

Под действием излучения одной из точек i поля обзора происходит заряд конденсатора С i фототоком I 3 в течение времени работы ключа К- времени экспозиции.

Системы с накоплением относительно сложны в эксплуатации, требуют стабилизации источников питания и боятся сильных засветок. В связи с этим, несмотря на меньшую чувствительность, в ОЭП широко используются диссекторы.

Диссектор

Его принцип действия заключаетсяв следующем. Полупрозрачный фотокатод (рис.55), на котором проектируется изображение светящегося объекта, испускает внутрь трубки фотоэлектроны в количестве, пропорциональном его освещенности. Образовавшееся электронное изображение переносится с фотокатода к электронному умножителю с помощью электрического и магнитного поля.

Для получения сигналов от всех элементов изображения производится развертка с помощью магнитной системы (5)/ 4- ускоряющее поле/.

Диссекторы выпускаются с различными типами фотокатодов, обеспечивающих чувствительность от УФ до ближней ИК области длин волн.

Видикон (рис.56)

На полупрозрачную сигнальную пластину (металлическую) 1 нанесен слой полупроводника 2. Фотоизображение считывается электронным лучом. Нормальное падение последнего обеспечивается сеткой вблизи сигнальной пластины. Электронный луч, перемещаясь по мишени, оставляет на ней электроны, приводя потенциал участка полупроводника к потенциалу катода. Чем меньше освещенность участка мишени, тем больше сопротивление полупроводника, тем меньше, следовательно, необходимо электронов для компенсации изменения заряда, т.е. считывания рельефа изображения.

Рис.54. Схемы передающей телевизионной трубки с накоплением:

а - принципиальная: б – эквивалентная

Рис.55. Диссектор

Рис.56. Видикон

Сканирование световым лучом

По принципу действия к системам с электронным сканированием близки устройства со сканированием световым лучом. Пример такого устройства –термоэлектронный преобразователь изображения – термикон (рис.57)

Приемная поверхность термикона состоит, в том числе, из очень тонкой ИК чувствительной пленки. С обратной стороны последней наносится специальный фотоэлектрический слой, эффективность которого зависит от температуры. На фотослой проецируется изображение яркого светящегося пятна, движущегося по экрану электронно-лучевой трубки по заданному закону. В зависимости от положения светящегося пятна на фотослое и распределения температуры на поверхности П количество эмитируемых электронов и фототок в цепи кольцевого коллектора изменяется на 2-3% на каждый градус изменения температуры. Изменение фототока усиливается и управляетэлектроннолучевая трубка И2.

Область применения (расширяющаяся) – в МДП структурах. Максимальное разрешение близко 50 линий на кадр при  1.

1. 
   Оптико-механическое сканирование.

В оптико – механических сканирующих устройствах процесс сканирования осуществляется за счет изменения направления оптической оси ОЭс. При этом общее поле обзора последовательно анализируется мгновенным полем зрения оптической системы. Общая классификация таких устройств приведена на рис.58.

Сканирование может производится за счет движения всей оптической системы прибора или её элементов – зеркал, призм, клиньев, линз, диафрагм. Оптико-механические системы, в которых сканирование осуществляется диафрагмой (щелью) , движущейся в фокальной плоскости иногда называют экранирующими. Широко известный пример – диск Нипкова. Своеобразные методы сканирования используются в системах с волоконной оптикой. Сканирование может осуществляться также путем изменения коэффициента преломления или других оптических свойств материалов, входящих в систему. Сканирование движения всей системы осуществляется в тех случаях, когда возможно использовать перемещение платформы, на которой размещается ОЭС. Для обзора более широкой полосы на местности в таких системах часто используется сканирование по строке. (рис.59).

• 
  Сканирование зеркалами: различают сканирование в пространстве предметов (зеркало размещается перед объективом, рис.60) и сканирование в пространстве изображений (используется широкоугольный объектив, обеспечивающий высокое качество изображения по всему полю обзора, зеркало за ним, рис. 61).

Наряду с простым зеркалом в сканирующей системе может использоваться система зеркал, зеркальные призмы, пирамиды и т.д. (рис.62-64). В качестве исполнительных механизмов применяются шаговые двигатели, кулачковые механизмы и т.д.

Рис.57. Принципиальная схема термикона.

^ СКАНИРОВАНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ ПРДМЕТОВ

ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СКАНИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

СКАНИРОВАНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ

^ СКАНИРОВАНИЕ ЗА СЧЕТ ДВИЖЕНИЯ ВСЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

СКАНИРОВАНИЕ ПОДВИЖНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

^ СКАНИРОВАНИЕ ЩЕЛЬЮ, ДВИЖУЩЕЙСЯ В ПЛОСКОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ

СКАНИРОВАНИЕ ЗА СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ, ВХОДЯЩИХ В СИСТЕМУ

^ СКАНИРОВАНИЕ В СИСТЕМАХ С ВОЛОКОННОЙ ОПТИКОЙ

Рис. 58. Классификация оптико-механических

Сканирующих устройств

Рис. 59. Однострочное сканирование с движущейся платформы.

Рис. 60.Сканирование в пространстве предметов:

1. 
   

поле зрения; 7 – поле обзора

Рис. 61. Сканирование в пространстве изображений:

1. 
   сканирующее зеркало; 2 – объектив;3 – диафрагма;

4 – конденсор; 5 – приемник излучения;6 – мгновенное

поле зрения; 7 – поле обзора

Эффективность ОЭП, предназначенных для обзора пространства с неподвижного носителя может быть существенно повышена за счет применения черезстрочной развертки сканирующего луча (рис.65) линейки многоэлементного приемника. Достигаемый результат – уменьшение числа элементов приемника и уменьшение полосы частот коммутационно-усилительного тракта, причем это уменьшение равно m раз, где m = N (числу граней призмы). Недостаток – возможность пропуска цели, именно поэтому ОЭС (платформа) должна быть неподвижна.

• 
  Сканирование отверсием в непрозрачном экране - наиболее простой способ сканирования. Классический пример диск Нипкова. Пример этих устройств показан на рис. 66,67. Отверстие в диске Д (рис.66) расположено таким образом, что изображение, ограниченное диафрагмой ДП последовательно анализируется по строкам так, что когда одно отверстие выходит за пределы окна диафрагмы ДП, другое выходит прочерчивая следующую строку. Одна из последних конструкций с указанным механизмом сканирования – тепловизор “Янтарь” (70-е годы, поле обзора 5х4, мгновенное поле зрения 5, частота кадров 25 Гц), которым удалось убеспечить минимально обнаруживаемую разность температур =0,2 – 0,3С.

Зенитный теплопеленгатор - одна из таких (её исллюстрирует рис. 67) проста по конструкции и эффективна. Зеркало (D~1500 мм, f~640 мм) создает изображение точечной цели в плоскости непрозрачной диафрагмы с вырезом, вращаемой двигателем М 2 (М 1 – модулятор). Сигнал запитывает неоновую лампочку Л, которая вращается с частотой диафрагмы М 2 в пределах окружности, удобной для восприятия оператором. Легко видеть, что при условии точной ориентации приемного зеркала на цель, лампочка очерчивает полный круг и вспыхивает в определенном секторена краткие моменты времени при прочих условиях

• 
  Сканирование путем управления оптическими свойствами элементов, входящих в систему. Управление осуществляется магнитным или электрическим полем. Известно, например, что такие материалы, как нитробензол, кварц, некоторые кристаллы изменяют показатель преломления n при воздействии электрического поля. Для сканирования можно использовать систему фильтров как на рис.68, выполненных из чередующихся слоев некоторых материалов, например, сульфида цинка и креолита. Такие фильтры пропускают только монохроматическое излучение, длина волны  которых в четыре раза больше толщины l фильтра. Если изготовить фильтр в виде клина и направить на него монохроматическое излучение, то последнее пройдет только в той части, где толщина соответствует четверти длины волны (при условии n  =  /4 ). Введя второй фильтр, развернутый на 90, обеспечим возможность прохождения только той части излучения, которая соответствует участкам фильтров с толщиной 1/4. Подводя к фильтрам напряжение, можно перемещать линии равной толщины и т.о. обеспечить сканирование изображения.

(На рис.68 – ГКР – генератор кадровой и строчной разверток; КФГ, КФВ – клиновые фильтры горизонтальной и вертикальной развертки).

Рис.62. Типы сканирующих зеркал: а - вращающееся двустороннее(двугранное) зеркало; б – зеркало, вращающееся вокруг оси, неперпендикулярной к нему; в – «крест» из зерал 1 и 2; г – зеркало, качающееся в двух плоскостях; д – система из двух вращающихся зеркал; е – два зеркала, вращающихся или качающихся вокруг взаимно перпендикулярных осей; ж – вращающаяся зеркальная N – гранная призма; з – вращающаяся зеркальная N – гранная пирамида.

Рис.63. Сканирующее зеркало в виде многогранной призмы:

Об – объектив; Пр –приемник из М элементов;

З – зеркало с N гранями; НП – направление полета

Рис. 64. Основные принципы сканирования плоскопараллельной пластинкой (призмой): а – ход лучей; б – призма, эквивалентная пластинке толщиной ; в – поле обзора и поворот пластинки при неподвижном приемнике (диафрагме поля).

Рис. 65. Схема сканирования и расположения чувствительных слоев

многоэлементного приемника при чересстрочной развертке.

Рис.66. Система механичесого телевидения с диском Нипкова:

а – приемник излучения большой площади;

б – небольшой приемник и конденсор;

в – сканирующий диск

Рис. 67. Сканирование щелью в зенитном теплопеленгаторе

Рис. 68. Сканирующее устройство с клинообразными фильтрами.

СКАНИРУЮЩИЕ ОПТИКО - ЭЛЕКТРОННЫЕ СЪЁМОЧНЫЕ СИСТЕМЫ (СКАНЕРЫ)

Сканирующие съёмочные системы (сканеры) отличаются от других прежде всего принципом построения изображения, которое строится построчным сканированием (просматриванием) местности.

В сканирующих системах применяют различные типы приёмников электромагнитного излучения: тепловые (теплоэлектрические) и фотонные (фотоэлектрические). Тепловые работают на основе преобразования тепловой энергии в электрический сигнал, в фотонных системах уровень сигнала определяется количеством поглощённых фотонов. Наибольшее применение получили сканеры, приёмниками в которых служат линейки ПЗС (приборы с зарядной смесью). Различные типы сенсоров имеют различную спектральную чувствительность и охватывают спектральный интервал от видимой зоны до дальней инфракрасной зоны. Выбор приёмника излучения и его спектральной чувствительности зависит от спектрального интервала съёмки.

Конструктивно сканер состоит из оптической системы, фотоэлектронных преобразователей, устройства приёма и регистрации изображения. С помощью сканеров формируется изображение, состоящее из множества отдельных, последовательно получаемых элементов изображения - пикселей в пределах полос (строк, сканов). Размер пиксела определяет детальность (разрешение на местности) изображения.

Сканирование местности осуществляется в одном направлении за счёт движения самолёта (спутника) вперёд, а в другом (перпендикулярном линии полёта) - за счёт вращения или колебания призмы (зеркала). Колебательное перемещение призмы (зеркала) в сочетании с движением самолёта (спутника) обеспечивает непрерывный последовательный охват определённой полосы местности, размер которой зависит от апертуры (действующего отверстия оптической системы объектива) сканера и высоты полёта самолёта или спутника. Ширина снимаемой полосы местности определяется углом сканирования сканера, а линейное разрешение на местности (ширина скана, размер пиксела) - мгновенным углом зрения. У обзорных сканеров угол сканирования достигает, у высокоинформативных (детальных) - и меньше. Соответственно этому и мгновенный угол зрения устанавливают от нескольких градусов до десятых долей минуты. Угол сканирования и мгновенный угол зрения, соответственно полоса съёмки и разрешение на местности, - взаимозависимые величины. Чем выше разрешение, тем уже полоса съёмки. Так, при съёмке из космоса при разрешении 1-2 км. Снимают полосу местности в несколько тысяч километров, а при разрешении 20-50 м ширина полосы съёмки не превышает 100-200км.

Оптико - механические сканеры бывают одно - и многоканальные (2 и более). Обычно для съёмки земной поверхности применяют сканеры, работающие в видимом и ИК диапазонах (0,5 - 12 мкм). Результат регистрации излучения при съёмке методом оптико - механического сканирования представляет собой матрицу многомерных векторов. Каждый вектор отображает определённую элементарную площадку (пиксель) на Земле, а каждая его компонента соответствует одному из спектральных каналов.

При съёмке в видимом и ближнем ИК - диапазонах (0,4 - 3 мкм) применяют фотоэлектрические, а в среднем и дальнем ИК - диапазонах (3 -12 мкм) - термоэлектрические приёмники излучения. К фотоэлектрическим приёмникам относят электронные приборы, действие которых основано на внешнем (электровакуумные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители) и внутреннем (полупроводниковые фотосопротивления, фотодиоды и др.) фотоэффектах. Термоэлектрические приёмники основаны на термоэлектронной эмиссии, они реагируют на поглощённое излучение через нагревание чувствительного элемента, что позволяют регистрировать ИК - тепловое излучение в широком спектральном диапазоне. К числу термоэлектрических приёмников относятся болометры, радиационные термоэлементы (термопары) и др. Тепловую съёмку осуществляют сканирующими радиометрами в ночное и дневное время суток.

В сканерах устанавливают несколько сенсоров, позволяющих получать изображение одновременно в различных спектральных каналах. Информацию, полученную в процессе сканерной съёмки, передают в виде цифрового изображения по радиоканалу на приёмный пункт или записывают на борту на магнитный носитель. Материалы съёмки потребителям передаются в виде записи на магнитном носителе, например на СД - дисках, с последующей визуализацией на местах обработки снимков.

По своим геометрическим свойствам и разрешению на местности сканерные снимки, которые получались съёмочными системами первых поколений, уступали фотоснимкам. Однако высокая чувствительность приёмников излучения сканеров позволяет выполнять съёмку в узких (несколько десятков нанометров) спектральных интервалах, в пределах которых различия между некоторыми природными объектами более чётко выражены. В цифровых данных, полученных с помощью сканеров отсутствуют «шумы» которые неминуемо появляются при фотосъемке и фотолабораторной обработке съёмочных материалов.

Оптико-электронное оснащение лазеров

Оптическое сканирование, параллельный ввод информации об оптических свойствах объектов. Винтовой, зигзагообразный, спиральный, конический просмотр зоны (объекта). Лазерные сканирующие устройства: принципы, способы и схемы построения. Оптическое и оптико-механическое обеспечение лазерного сканирования. Позиционирование и синхронизация лазерного луча. Волоконные световоды в системах с полупроводниковыми лазерами. Техника соединения лазеров и световодов; цилиндрические, сферические, стержневые линзы. Схемотехника управления полупроводниковыми лазерами. Возбуждение, модуляция, ретрансляция лазерного излучения. Стабилизация мощности излучения по электрическим и оптическим каналам.

Принципы и схемы оптического сканирования

4.1. Пояснить термин «сканирование» с акцентом на оптическое обеспечение процесса.

(от англ. scan - поле зрения) рассматривается как управляемое пространственное перемещение по заданному закону достаточно узкого целенаправленного физического (материального) излучения (потока радиоволн, пучка электронов, луча света). Вместе с тем сканирование естественно воспринимать как процесс систематического (последовательного) обзора ограниченной зоны (области, сферы) при строго ориентированном перемещении радиолуча, электронного пучка, оптического луча по определенному маршруту и закону. Сканирование позволяет обнаружить объекты, находящиеся в зоне обзора, наблюдать за ними, считывать и вводить информацию о характеристиках и свойствах объектов.

Оптическое сканирование осуществляется тщательно сфокусированным, целенаправленным лучом света. Этим достаточно жестким условиям в наибольшей степени отвечает оптическое излучение газовых и твердотельных лазеров.

4.2. Рассмотреть принципы, схему, процессы одномерного (линейного) оптического сканирования плоского объекта узким (игольчатым) лучом, исследуя (моделируя) оптические характеристики объекта в проходящем свете.

Игольчатым называется луч света, интенсивность которого по всей длине сосредоточена в области (сечении) весьма небольшой площади. Как правило, предполагается также, что игольчатый луч симметричен относительно основного направления максимальной интенсивности излучения.

В конкретный момент времени узкий луч света неизменного уровня Φ 0 освещает отдельный участок (фрагмент) одномерного (линейного) объекта (например, строки текста) и создает на этом участке сканирующее (световое) пятно (рис. 4.1, а). Далее сканирующее пятно ритмично сдвигается (на рисунке вправо) вдоль объекта, освещая новые его фрагменты. Предполагаемые границы освещаемых фрагментов показаны на рис. 4.1, а пунктирными линиями.

Потоки света Φ пр, проходящие через фрагменты полупрозрачного объекта, далее регистрируются многоэлементным фотоприемником (рис. 4.1, б), причем каждому фрагменту объекта соответствует определенный фоточувствительный элемент фотоприемника. Если фотоприемник является полупроводниковым, то в освещаемом фоточувствительном элементе за счет внутреннего фотоэффекта генерируется заряд электронов, уровень которого пропорционален экспозиции (интенсивности падающего света и длительности освещения). Этот заряд по окончании заданного интервала сканирования передается в выходное устройство фотоприемника, которое формирует видеосигнал электрического напряжения или тока (рис. 4.1, в). Амплитуда такого видеосигнала строго соответствует световому потоку Φ прi , проходящему через i-й фрагмент объекта, и, таким образом, дает четкую информацию об оптической плотности объекта в контролируемой части.

Тем самым оптическое сканирование дает возможность преобразовать оптические характеристики линейного объекта (рис. 4.1, а) в пакет фотогенерированных зарядов разного уровня и далее в последовательность электрических видеосигналов различной амплитуды.

4.3. Отметить особенности линейного сканирования плоского объекта (рис. 4.1, а) при исследовании его оптических характеристик в отраженном свете.

В этом случае сканирование происходит по уже рассмотренному циклу (рис. 4.1, а), но фоточувствительные элементы многоэлементного фотоприемника поочередно воспринимают потоки света Φ отрi , отраженные от соответствующих фрагментов исследуемого объекта (рис. 4.2
). Существенно не изменяются временные диаграммы (рис. 4.1, в) формирования выходных видеосигналов. Очевидно, однако, что в варианте (рис. 4.2
) амплитуда видеосигналов определяется в первую очередь коэффициентом отражения r сканируемого света Φ 0 от объекта (а не коэффициентом пропускания τ, как в предыдущем варианте).

4.4. Рассмотреть принципы, схему, процессы параллельного ввода информации плоским оптическим лучом. Выделить элементы сканирования в рассматриваемом цикле получения и преобразования данных об оптических характеристиках объекта.

Согласно плоским называется луч, у которого угол раствора в одной плоскости много меньше, чем в другой. Плоский луч имеет по всей длине сечение, подобное светоизлучающей щели: достаточно широкое - в одном (например, горизонтальном) направлении, весьма узкое - в другом (вертикальном).

Использование плоского оптического луча позволяет одновременно освещать все фрагменты одномерного (линейного) объекта потоками света одинаковой величины Φ 0 (рис. 4.3, а). Каждый фрагмент объекта имеет непосредственную оптическую связь с соответствующим элементом многоэлементного фотоприемника. Поэтому элементы фотоприемника одновременно воспринимают и регистрируют потоки света Φ прi , проходящие через i-е фрагменты исследуемого объекта.

В каждом элементе полупроводникового фотоприемника за счет внутреннего фотоэффекта генерируются и накапливаются заряды, уровень которых пропорционален конкретным величинам падающих потоков света Φ прi . Далее по известной схемотехнике (с использованием многофазного импульсного возбуждения элементов фотоприемника) накопленный пакет фотогенерированных зарядов переводится в выходное устройство, где формируется в виде последовательности электрических видеосигналов (рис. 4.3, б). Эти сигналы поочередно поступают в выходную цепь устройства по окончании импульса оптического излучения, освещающего объект, с прекращением процесса накопления фотогенерированного заряда.

В устройстве (рис. 4.3, а) осуществляется одновременный параллельный ввод информации, без элементов входного сканирования, характерных для последовательного ввода информации (см. рис. 4.1, а). Вместе с тем последовательное смещение заряда, накопленного в элементах фотоприемника, к его выходу путем импульсного, многофазного возбуждения элементов можно (в значительной степени условно) считать процессом сканирования (по существу считывания) накопленной информации. Такое развитие процесса может быть названо самосканированием .

4.5. Рассмотреть варианты двумерного (двухкоординатного) оптического сканирования объекта (зоны, пространства) узким (игольчатым) лучом света.

Выделим три характерных варианта двумерного сканирования , представленных на рис. 4.4
. На рисунках показаны объекты (плоскости) сканирования, сканирующие (световые) пятна (заштрихованные квадраты) и маршруты их движения в процессе сканирования.

В базовом варианте (рис. 4.4, а
) двухкоординатный просмотр объекта сканирующим пятном осуществляется последовательно и построчно. Сканирующее пятно ритмично проходит первую строку (линейку) слева направо и скачком (достаточно быстро) переходит к началу второй строки, которую далее в заданном ритме проходит слева направо. Эта схема движения светового пятна выдерживается при сканировании последующих строк двумерного объекта.

В варианте (рис. 4.4, б
) осуществляется последовательно-последовательный просмотр объекта сканирующим пятном. По уже рассмотренной методике «чисто» последовательного сканирования (рис. 4.4, а
) просматривается лишь определенная зона (в данном случае третья часть) объекта.

По окончании этого просмотра сканирующее пятно быстро переходит к началу второй зоны (в центре объекта) и последовательно просматривает эту зону по первоначальному маршруту. На заключительном этапе сканируется последняя (правая, третья) зона объекта.

В варианте (рис. 4.4, в
), который естественно считать последовательно-параллельным, все (три) выделенные зоны объекта сканируются одновременно (параллельно) по маршруту последовательного сканирования (рис. 4.4, а
).

4.6. Рассмотреть принципы и варианты параллельного ввода информации об оптических характеристиках двумерного (двухкоординатного) объекта.

В основном техническом варианте (рис. 4.5, а
) исследуемый объект освещается неизменным потоком света Φ 0 одновременно и полностью (по всей площади). Проходящий свет Φ пр в зависимости от оптической плотности различных фрагментов объекта имеет неодинаковую интенсивность. Далее оптический поток Φ пр воспринимается многоэлементным фотоприемником (матричным фоточувствительным прибором с зарядовой связью или с инжекцией заряда). Дальнейшие операции, обеспечивающие восприятие, накопление, сдвиг (перенос) и вывод оптической информации в форме пакетов фотогенерированных электронов и электрических видеосигналов, детально отработаны .

Успешно используется также частичный оптический просмотр объекта (рис. 4.5, б)
по методике «чисто» параллельного ввода оптической информации (рис. 4.5, а
). При этом сканирующее пятно, занимающее лишь часть площади объекта, сдвигается последовательно вдоль поверхности объекта, попеременно освещая необходимые (заданные) участки и зоны. Такой оптический просмотр объекта является по существу параллельно-последовательным.

Параллельный просмотр и ввод оптической информации по схемам (рис. 4.5
) имеет ряд существенных преимуществ: высокое быстродействие, четкую организацию информационных операций, добротную микроэлектронную базу.

4.7. Рассмотреть и наглядно (объемно) представить перемещение узкого (игольчатого) сканирующего луча при винтовом, зигзагообразном, спиральном и коническом просмотре зоны (объекта).

Варианты такого сканирования разнообразны и широко применяются в радиолокации. В полиграфии эти технические приемы используются не столь активно, но по существу могут быть полезны, например, в системах технического зрения.

При сканировании игольчатым лучом сложное движение луча целесообразно рассматривать в виде двух простых движений: переносного и относительного. Переносное (поступательное) движение совершается вокруг неподвижной оси. Относительное движение небольшого радиуса происходит вокруг движущейся оси и обеспечивает дополнительный (локальный) осмотр зоны (объекта) в процессе сканирования.

На рис. 4.6, а показано перемещение луча при винтовом сканировании: переносное движение луча - вращательное с постоянной угловой скоростью; относительное движение луча - колебательное (в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения) со значительно меньшей скоростью.

На рис. 4.6, б, в представлено перемещение луча при зигзагообразном сканировании. При этом учтено, что переносное и относительное движения луча - колебательные, но с различным соотношением скоростей.

Рис. 4.6, г иллюстрирует перемещение луча при спиральном сканировании. Переносное движение такого луча является вращательным, а относительное - колебательным (но в данном примере - с меньшей скоростью).

На рис. 4.6, д показано перемещение луча при поступательно-коническом сканировании. Учитывается, что переносное движение луча - колебательное, а относительное - вращательное (но со значительно большей скоростью). Частный, но распространенный случай поступательно-конического сканирования - «чисто» коническое сканирование - иллюстрируется рис. 4.6, е. В этом случае движение луча является вращательным (круговым), а направление максимальной интенсивности излучения ОА смещено относительно оси вращения ОО? на постоянный угол α.

Способы и средства лазерного сканирования

4.8. Пояснить особенности использования лазерного сканирования в полиграфической технике ввода (считывания, преобразования) и вывода (формирования, записи) изображений.

Разделяют процессы входного и выходного лазерного сканирования ; именно в этих режимах лазеры используются в полиграфии наиболее часто, эффективно и ярко. В первом режиме сканирование лазерным лучом позволяет преобразовать информацию, содержащуюся в двумерном оптическом изображении, в серию одномерных электрических сигналов. Во втором режиме изобразительная информация, физическими носителями которой являются электрические сигналы с переменной (модулированной) амплитудой, частотой, длительностью, путем лазерного сканирования развертывается в двумерное оптическое изображение.

В процессе входного сканирования тщательно сфокусированный лазерный луч перемещается и последовательно освещает небольшие участки (фрагменты) изображения. Реакция объекта на такое локальное (точечное) лазерное воздействие в приходящем или отраженном свете воспринимается фотоприемником, который на каждом этапе (шаге) сканирования формирует электрический видеосигнал. Амплитуда конкретного видеосигнала четко соответствует оптической плотности освещенного фрагмента изображения. Таким образом, последовательность (серия, пакет) видеосигналов заряда, тока, напряжения дискретно представляет (отражает) в импульсной электрической форме оптическую картину регистрируемого изображения. Входное сканирование применяется для считывания, регистрации, ввода, анализа, коррекции изображений в сканерах, читающих и гравировальных автоматах, устройствах цифрового кодирования иллюстраций и шрифтов, цветокорректорах.

В процессе выходного сканирования лазерный луч перемещается по поверхности материала, чувствительного к оптическим воздействиям.

Такой светочувствительной средой могут служить фотопроводящие и электрофотографические слои, фото- и термочувствительные пленки. Реакция конкретного светочувствительного материала на внешнее оптическое (лазерное) воздействие зависит от характеристик (мощности, интенсивности, длительности) лазерного импульса. Модулируя эти характеристики лазерного луча электрическими сигналами, однозначно связанными с оптической плотностью фрагментов изображения (оригинала), можно воспроизвести изображение (получить репродукцию, оттиск, копию исходной оптической картины) на светочувствительном материале. Лазерное выходное сканирование используется для вывода, отображения, формирования, записи изображений в принтерах и электрографических аппаратах, формных и печатных автоматах.

Лазерное сканирование в рассматриваемых (входном и выходном) режимах и процессах существенно различается по функциональным и техническим признакам, нацелено на различные области применения. Однако технические средства входного и выходного лазерного сканирования различаются не столь существенно (во многом однотипны).

В процессе входного лазерного сканирования изображения световое пятно (луч лазера) продвигается по поверхности сканируемого объекта последовательно и ритмично, но дискретно (с небольшим шагом), считывая лишь отдельные фрагменты (растровые элементы) изображения. Таким образом, при подобном сканировании изображение разделяется (растрируется) на отдельные микроэлементы (точки, отрезки, линии) и в дальнейшем обрабатывается, хранится, воспроизводится в дискретной (растрированной) форме.

При выходном лазерном сканировании изображение формируется постепенно из отдельных растровых элементов: линий, отрезков, точек. Эти элементы записывает лазерный луч, причем световое пятно, созданное лазером на поверхности материала, чувствительного к оптическим воздействиям, последовательно (с определенным шагом) перемещаясь в горизонтальном и (или) вертикальном направлениях, обходит в итоге всю фоточувствительную площадь материала, на которой записывается изображение.

Процессы растрирования, используемые при считывании и записи изобразительной информации, непосредственно влияют на оптико-механические способы и средства лазерного сканирования изображений.

4.10. Рассмотреть схемы и маршруты оптико-механической развертки изображений (рис. 4.7
), применяемой в лазерных сканирующих устройствах .

Согласно в полиграфии, как правило, используется метод прямоугольного линейного растрового сканирования изображений. При таком сканировании лазерный луч перемещается (разворачивается) вдоль прямых линий (строк), расположенных весьма близко, сканирование одной линии заканчивается быстрым переходом луча к началу следующей (смежной) линии.

На рис. 4.7
представлены варианты лазерного сканирования изображений, формируемых на светочувствительном материале, который размещается на плоской основе (рис. 4.7, а) или на цилиндрической поверхности (рис. 4.7 б, г
). В вариантах (рис. 4.7 а, б
) на светочувствительном материале записываются линейные растровые линии, а в двух других вариантах используется цилиндрическая запись на внутреннюю (рис. 4.7, в
) или на внешнюю (рис. 4.7, г
) поверхности цилиндра.

Растровая развертка обеспечивается по двум ортогональным составляющим - строчной разверткой (по оси х) и кадровой разверткой (по оси у), которая создает необходимый интервал между соседними строками. Обычно изображение непрерывно формируется вдоль оси х (отклонением лазерного луча) и дискретно вдоль оси у (сдвигом светочувствительного материала).

4.11. Рассмотреть состав и взаимодействие компонентов, пояснить принцип действия лазерного сканирующего устройства , представленного на рис. 4.8
.

Лазер 1 служит источником когерентного оптического излучения, интенсивность которого существенно изменяется модулятором 2. Модулятор управляется электрическими сигналами, отражающими оптическую картину считываемого изображения (оригинала). Телескопическая система 3 расширяет лазерный пучок и уменьшает его расходимость. Система 3 состоит из двух компонентов: объекта, воспринимающего лазерное излучение, и окуляра, формирующего выходные лучи света. Введены зеркала (плоские 4, 9, 10 и сферические 8), объектив 5, многогранный призменный дефлектор 6. Изображение записывается на фотоматериал 7.

В сканирующем устройстве (рис. 4.8
) луч лазера 1 проходит через модулятор 2 и телескопическую систему 3, отражается от зеркал 4 и 10, существенно изменяя направление, и через фокусирующий объектив 5 попадает на грань дефлектора 6. Призма 6 непрерывно вращается с большой частотой. Лазерный луч, отраженный от грани дефлектора 6 и далее от зеркал 8 и 9, достигает фотоматериала 7 и смещается в его плоскости, формируя линию (строку) изображения. Таким образом, особенностью рассматриваемого устройства является послеобъективная развертка изображения. В свою очередь сферическое зеркало 8 и зеркало 10 (с пьезоэлементом) позволяют компенсировать (устранить) искажения при записи изображения, возникающие из-за криволинейности поверхности фотоматериала и неодинакового наклона граней (зеркал) призмы 6.

По данным , в сканирующем устройстве (рис. 4.8
) для горизонтальной развертки изображения используются аргоновый лазер и призменный дефлектор, вращающийся с частотой 4 тыс.об/мин. Частота вращения призмы контролируется тахометром. Изображение записывается лазерным пятном диаметром 25 мкм на формат А2 с линиатурой 400 лин/см. Время вывода полос формата А2 составляет примерно 1 мин.

4.12. Рассмотреть схему построения и принцип действия лазерного сканирующего устройства (рис. 4.9
) с субрастровой записью изображений .

Особенностью такой записи изображений является формирование в процессе горизонтальной развертки строки вертикальной линии (субрастра) высотой h, составляющей несколько миллиметров. Таким образом, фотоматериал экспонируется полосами площадью h × l, где l - длина горизонтальной строки развертки. После завершения экспонирования полосы фотоматериал сдвигается ортогонально строке на величину h.

Устройство (рис. 4.9
), реализующее принцип субрастровой записи изображений, содержит лазер 1, отражающие зеркала 2 и 3, модулятор 4, управляющий интенсивностью лазерного пучка, и телескопическую систему 5, уменьшающую его расходимость, дефлектор 6, отклоняющий луч на высоту h перпендикулярно строке изображения, объектив, состоящий из двух компонентов 7 и 8, фокусирующий лазерный луч на фотоматериал 10, колеблющееся зеркало 9, осуществляющее развертку лазерного луча по строке длиной l.

В процессе сканирования луч лазера 1, отражаясь от системы зеркал 2 и 3, достигает модулятора 4. Это устройство управляется импульсами электрического напряжения и в зависимости от оптической плотности фрагментов записываемого черно-белого изображения пропускает лазерный луч или перекрывает канал его дальнейшего продвижения. Модулированный пучок лазерного излучения далее, проходя через телескопическую систему 5, акустооптический дефлектор 6, фокусирующий объектив 7-8 и отражаясь от колеблющегося зеркала 9, достигает фотоматериала 10 и формирует на его поверхности горизонтальную полосу площадью h × l.

Следует отметить, что в данном сканирующем устройстве, как и в ранее рассмотренном устройстве (рис. 4.8
), обеспечивается послеобъективная развертка изображений.

4.13. Рассмотреть схему построения и принцип действия лазерного сканирующего устройства (рис. 4.10
) с дообъективной разверткой изображения .

Сканирующее устройство содержит аргоновый лазер 1, модулятор 6, дефлекторы 9 и 11 (с вращающимся зеркалом), отражающие (поворотные) зеркала 2, 4, 7, 8, 10 и 13, полупрозрачное зеркало 3, телескопы 5 и 15, объектив 12. Дополнительно введены растровая линейка 16 и кварцевый параллелепипед 17, боковые грани которого покрыты алюминием, а на торцах размещены фотоэлектрические умножители 18 и 19. Лазерный луч записывает изображение на плоскость фоточувствительного материала 14.

Луч лазера 1 отражается от плоского зеркала 2 и расщепляется зеркалом 3 на два луча: основной (показанный далее непрерывными линиями) луч, осуществляющий запись изображения, и вспомогательный (показанный пунктирными линиями) луч, обеспечивающий синхронизацию развертки. Основной луч отражается от зеркала 4, расширяется телескопом 5 и направляется в модулятор 6, который изменяет интенсивность луча по закону, заданному исходным изображением (оригиналом). Модулированный лазерный луч поворотными зеркалами 7 и 8 направляется в акустооптический дефлектор 9, который отклоняет луч в вертикальном направлении (перпендикулярно основному горизонтальному направлению луча). После дефлектора, отражаясь от зеркала 10, лазерный пучок попадает на вращающееся зеркало дефлектора 11, ориентированного на горизонтальную развертку. Объектив 12 с отражением от зеркала 13 фокусирует лазерный луч на плоскость фотоматериала 14. Таким образом, в рассматриваемом сканирующем устройстве запись изображения осуществляется на основе оптической системы дообъективной развертки.

Вспомогательный лазерный луч, отраженный зеркалом 3, расширяется телескопом 15, разворачивается подвижным зеркалом дефлектора 11 и фокусируется объективом 12 на растровую линейку 16. Лучи, прошедшие через линейку, собираются параллелепипедом 17. Фотоэлектрические умножители 18 и 19 преобразуют световые сигналы в электрические, которые, в свою очередь, обеспечивают синхронизацию развертки.

4.14. Указать оптические, оптико-механические, электро- и акустооптические средства, которые применяются в технике лазерного сканирования изображений.

Ритмичное широкодиапазонное отклонение лазерного луча, обеспечивающее в конечном счете построчное сканирование фотоматериала, осуществляется колебательными или вращающимися зеркальными дефлекторами: плоскими, призменными, многогранными. Разнообразен набор зеркал: плоских, сферических, непрозрачных и полупрозрачных, обеспечивающих отражение, отклонение, поворот, пропускание лазерных лучей. Эти же функции в той или иной мере могут выполнять отражающие и преломляющие призмы. Важная роль в технике формирования лазерных лучей и пучков отводится собирающим, рассеивающим, преобразующим линзам, объективам, телескопам. Управляемую модуляцию лазерного излучения осуществляют электро- и акустооптические модуляторы. Дозированное отклонение лазерных лучей обеспечивают акустооптические дефлекторы.

4.15. Пояснить состав и действие оптико-механических устройств , обеспечивающих сканирование лазерным лучом внутренней (рис. 4.11, а
) и внешней (рис. 4.11, б
) поверхностей цилиндра.

Рассматриваемые технические решения имеют прямое отношение к лазерным сканирующим устройствам с цилиндрической записью изображений на фоточувствительные материалы, закрепленные на внутренней (см. рис. 4.7, в
) или на внешней (см. рис. 4.07, г
) поверхности цилиндра. Устройства содержат лазер 1, объектив 2, поворотные зеркала 3, сканируемый цилиндр 4, противовес 5 для балансировки.

По схеме, приведенной на рис. 4.11, а
, сканируется внутренняя поверхность цилиндра, причем используется только одно поворотное зеркало, располагаемое на оптической оси, совмещенной с осью вращающейся системы. Это зеркало также перемещается вместе с объективом параллельно поверхности цилиндра, обеспечивая кадровую развертку. Компактное устройство (рис. 4.11 а
), обладает очевидными техническими достоинствами; однако в таком варианте сканирования затруднителен визуальный контроль воспроизводимого изображения.

На рис. 4.11, б
представлен второй вариант вращающейся фокусирующей системы, в котором осуществляется сканирование внешней поверхности цилиндра. В таком устройстве обеспечивается надежное крепление освещаемого фотоматериала и четко контролируется процесс записи изображения. Однако оптическая система устройства, содержащая несколько жестко фиксированных поворотных зеркал, становится достаточно сложной.

Возможны различные комбинации представленных устройств сканирования; в зависимости от конкретных технических решений функции вращения и перемещения по образующей могут распределяться между объективом и цилиндром.

4.16. Рассмотреть варианты оптико-механических дефлекторов лазерных лучей , представленные на рис. 4.12
.

Представлены дефлекторы с плоским колеблющимся зеркалом (рис. 4.12, а
), вращающиеся призменные дефлекторы с одной отражающей зеркальной поверхностью (рис. 4.12, б
) и с многими зеркальными гранями (рис. 4.12 в, г
).

В дефлекторе (рис. 4.12, а
) плоское зеркало укреплено на роторе двигателя, жестко соединенном с пружиной, создающей вращательный момент. Управление дефлектором для сканирования луча с постоянной скоростью осуществляется генератором линейно изменяющегося напряжения. Согласно данным угол отклонения колеблющихся дефлекторов достигает 40°. Однако частота колебаний зеркала дефлектора невысока (сотни герц), а скорость сканирования невелика.

Высокое качество записи изображений обеспечивает дефлектор с вращающейся трехгранной призмой, имеющей одну зеркальную грань (рис. 4.12, б
). Однако и в этом техническом варианте скорость сканирования оказывается относительно небольшой.

Использование многогранных пирамидальных (рис. 4.12, в
) и призменных (рис. 4.12, г
) дефлекторов позволяет существенно (пропорционально числу граней) увеличить скорость сканирования. В лазерных сканирующих устройствах применяются зеркальные пирамиды и призмы с числом граней от 3 до 8 ; известны призменные дефлекторы с 12 и даже 24 зеркальными гранями . Следует, однако, учитывать, что изготовление многогранных зеркальных дефлекторов с необходимой весьма высокой точностью является сложной технологической задачей.

4.17. Пояснить механизм, выделить технические погрешности сканирования лазерного луча с помощью многогранного зеркального дефлектора .

Согласно рис. 4.13
лазерный луч 1, отраженный от одной из зеркальных граней дефлектора 2, попадает на поверхность фотопроводящего материала 3. В процессе вращения дефлектора угол наклона отражающей грани призмы относительно оси, перпендикулярной поверхности фотоматериала, непрерывно изменяется; при этом отраженный луч на рассматриваемой стадии проходит строку сканируемого изображения. Число таких проходов за один оборот (период) вращения дефлектора равно числу отражающих зеркальных граней призмы.

При таком лазерном сканировании изображение записывается на фотоматериале с характерными искажениями. Следует учитывать, что фокус 4 лазерного луча 1 (рис. 4.13
) перемещается по дуге окружности, фотоматериал 3, размещенный на плоской или цилиндрической основе, имеет в плоскости сканирования ровную (прямолинейную) поверхность, многогранный призменный дефлектор 2 вращается с постоянной скоростью.

В процессе сканирования фокус 4 лазерного луча оказывается, в основном, вне (выше или ниже) поверхностной линии (строки) сканирования фотоматериала. Поэтому размеры (диаметр) лазерного пятна на фотоматериале изменяются вдоль линии развертки, а форма лазерного пятна не остается постоянной. Вместе с тем расстояние между отражающей гранью призмы и поверхностью фотоматериала (по линии развертки) не остается постоянным (увеличивается от центра к краям фотоматериала), из-за чего скорость движения лазерного пятна по поверхности фотоматериала непрерывно изменяется. Таким образом, лазерная развертка строки изображения оказывается нелинейной.

4.18. Представить и пояснить способы и технические средства, позволяющие устранить погрешности лазерного сканирования фотоматериала с использованием вращающихся зеркальных дефлекторов .

Эффективным оказывается введение параболического полностью отражающего зеркала между многогранным призменным дефлектором и плоскостью развертки лазерного луча (на поверхности фотоматериала). В такой оптической системе фокус лазерного луча перемещается строго по линии развертки и все искажения, связанные с нарушением фокусировки лазерного излучения на поверхности фотоматериала, устраняются. По данным , в сканирующих лазерных устройствах с параболическими зеркалами искажения записываемого изображения не превышают 0,02% при углах развертки до 40°.

Устранение дефектов сканирования и записи изображения, связанных с нелинейностью строчной развертки, достигается применением фокусирующих fθ-объективов, в которых искусственно вводится необходимая дисторсия (искривление). При этом существенно повышается линейность строчной развертки.

4.19. Пояснить действие формирователя символов (рис. 4.14
), в котором стробирование лазерного луча осуществляется с помощью временной шторки .

Скорость сканирования лазерным лучом поверхности фотоматериала (с использованием многогранного зеркала) непостоянна. Расстояние между отражающей гранью зеркала и поверхностью фотоматериала увеличивается от центра к краям; поэтому расстояние, которое лазерный луч проходит к краю фотоматериала, заметно больше, чем к середине экспонируемого объекта. Необходимо, чтобы лазерный луч достигал фотоматериала с определенными временными задержками. Эта операция в устройстве (рис. 4.14
) осуществляется временно 2й шторкой.

Поверхность фоточувствительного барабана 1 перекрывается временной шторкой 2 с узкими прозрачными щелями 3. Расстояние между щелями равно ширине поля печатных символов. Если основной лазерный луч 4 попадает на щель во время сканирования, то фотоприемник, размещенный за щелью, вырабатывает электрический сигнал. Таким образом регистрируется положение основного лазерного луча 4, а вместе с ним и пишущих лазерных лучей 5. Электронное устройство, реагирующее на сигналы фотоприемников, вырабатывает сигналы включения пишущих лазерных лучей. Если записывается несколько горизонтальных точек, то луч остается включенным. Во время одного прохода пишется одна широкая линия лазерным лучом, состоящим из шести пишущих лучей; все поле символа состоит из четырех таких широких линий.

Фоточувствительный барабан вращается непрерывно, поэтому во время одного прохода лазерного луча необходимо устанавливать определенный угол между осью барабана и плоскостью сканирования, что гарантирует параллельность экспонированных строк.

В высокопроизводительных печатающих устройствах отклонение пишущих лазерных лучей обеспечивается акустооптическими дефлекторами, а вместо временной шторки используется оптическое корректирующее устройство (сканирующие линзы плоских фронтов).

4.20. Указать причины нестабильного положения, неритмичного движения лазерного луча при сканировании изображения. Выделить способы и средства синхронизации передвижения лазерного луча в процессе развертки растровой строки.

При сканировании осуществляют синхронизацию положения лазерного луча в плоскости изображения. Для этого следят за координатой сканирующего луча и дискретно вырабатывают синхросигналы по мере прохождения лучом отрезков пути, равных или кратных величине, обратной линиатуре. Системы синхронизации необходимы, так как скорость движения луча вдоль растровой строки непостоянна из-за колебаний электрического напряжения, управляющего оптико-механическим дефлектором, износа механических деталей, неточности в изготовлении зеркальных поверхностей многогранных призм и других причин.

В лазерных сканирующих устройствах синхронизация осуществляется за счет определения положения лазерного луча в ходе развертки растровой строки с помощью измерительных устройств, связанных с дефлектором или расположенных в плоскости изображения. Этот способ реализуется применением систем отсчета синхроимпульсов на основе шкал на растровых дисках и линейках, а также на основе лазерного интерферометра.

4.21. Пояснить назначение и действие системы отсчета синхроимпульсов на основе круговой шкалы (рис. 4.15
).

Сигналы синхронизации в системах отсчета с круговыми шкалами поступают от датчика, состоящего из двух соосно расположенных прозрачных дисков с несколькими группами непрозрачных рисок (рис. 4.15
). Одни из дисков 2 закреплен на валу оптико-механического зеркального дефлектора 1 и вращается вместе с дефлектором. Второй растровый диск 3 неподвижен. Число групп непрозрачных рисок 4 равно числу зеркальных граней дефлектора. Синхроимпульсы создаются двумя парами светодиодов 5 и фототранзисторов 6, расположенных на двух диаметрально противоположных сторонах дисков.

Фокусирующий объектив обеспечивает равномерное движение лазерного луча вдоль строки сканирования, и поэтому, зная угловое перемещение дефлектора, можно точно определить положение лазерного луча в плоскости изображения. Для запуска схемы синхронизации применяется детектор начала строки сканирования.

4.22. Пояснить применение растровых линеек для позиционирования и синхронизации лазерного луча в плоскости изображения.

Высокую точность позиционирования и синхронизации может обеспечить датчик , отслеживающий положение лазерного луча непосредственно в плоскости изображения. Таким датчиком служит растровая линейка - полоса прозрачного материала, на который нанесен растр из непрозрачных рисок.

Сканируется вспомогательным лазерным лучом синхронно с разверткой основного записывающего луча. Свет, прошедший сквозь линейку, собирается фотоприемником, и на выходе электронного формирователя генерируются синхронизирующие импульсы. Частота растровых рисок на линейке определяется требуемой линиатурой в горизонтальном направлении.

В качестве фотоприемника используют фотодиод, длина активной зоны которого равна длине растровой линейки. При использовании точечных фотоприемников световой луч, перемещающийся по растровой линейке, сводится в неподвижную точку с помощью эллиптического зеркала, установленного за растровой линейкой. В одном из фокусов зеркала расположен фотоприемник, а в другом - отражающая грань дефлектора.

Для сбора света, прошедшего линейку, может использоваться кварцевый параллелепипед, покрытый алюминием всюду, кроме торцов. Два фотоэлектрических умножителя, расположенные с торцов параллелепипеда, преобразуют световые сигналы в электрические.

Применение растровых линеек требует дополнительного луча, который создается либо делением основного луча на два, либо вторым лазером, что в обоих случаях значительно усложняет оптическую систему сканирующего устройства.

4.23. Рассмотреть применение в сканирующем устройстве лазерного интерферометра.

Известны сканирующие устройства , в которых используется лазерный интерферометр с несимметричным ходом лучей относительно оси поворота колеблющегося зеркального дефлектора (рис. 4.16). Это достигается установкой отражателей 3 на качающемся зеркале 4 на одинаковом расстоянии от оси его качания. Регистрация углового положения зеркала 4 осуществляется счетом интерференционных полос во входном зрачке фотодатчика 1. Полосы возникают в результате наложения двух когерентных излучений с интенсивностью I 1 иI 2 , которые образованы путем разделения светоделительной призмой 2 вспомогательного лазерного луча сканирующего устройства.

При интерференции наблюдается перераспределение интенсивности света в полосах интерференционной картины. Полная интенсивность определяется соотношением

где σ - оптическая разность хода интерферирующих волн.

Максимум и минимум интенсивности соответственно

при |σ| = 0, 2π, 4π;

при |σ| = π, 3π.

Если I 1 = I 2 , то с учетом

Следовательно, интенсивность будет изменяться от минимального значения I min = 0 до максимального I max = 4I 1 .

Согласно данным измеряют угловые перемещения зеркала в диапазоне углов до ±15° с дискретностью отсчета 0,1".

Оптические преобразователи лазерного излучения

4.24. Пояснить принцип действия телескопической системы, представленной на рис. 4.17
.

Состоит из двух элементов - объектива и окуляра. Задний фокус F об объектива совпадает с передним фокусом F ок окуляра. В лазерных сканирующих устройствах телескопические системы рассматриваемого типа уменьшают расходимость лазерного луча и увеличивают его диаметр.

4.25. Рассмотреть принципы построения и действия объективов, применяемых в лазерных сканирующих устройствах.

Объективы, фокусирующие лазерное излучение, эффективно используются в сканирующих устройствах . Типы таких объективов разнообразны (рис. 4.18).

Одиночная положительная линза (рис. 4.18, а); однако в простой линзовой системе существуют различные аберрации - погрешности восприятия, преобразования, фокусировки оптического излучения. Аберрации исправляются и корректируются в сложных оптических системах. Изображение более высокого качества дают двух- и многолинзовые объективы, например трехлинзовый объектив (рис. 4.18, б).

Роль объектива может выполнять одиночное сферическое зеркало, а также зеркало с параболической или гиперболической поверхностью (рис. 4.18, в).

Широко используются более сложные объективы, например двухзеркальные, содержащие основное вогнутое зеркало с отверстием в центре и контррефлектор, который может быть плоским, вогнутым, выпуклым (в том числе и с асферической поверхностью). По этому принципу (с контррефлектором) построен телескоп Кассегрена (рис. 4.18, г).

Высоким качеством передачи и фокусировки оптического (лазерного) излучения обладают зеркально-линзовые объективы: система Шмидта (рис. 4.18, д), система Максутова (рис. 4.18, е), система апо-хроматического анастигмата (рис. 4.18, ж).

4.26. Пояснить назначение и действие конденсора в преобразователях оптического (лазерного) излучения .

(специальная линза) собирает оптические лучи, попадающие в объектив сканирующего устройства, на фоточувствительную поверхность приемника излучения. Оптическая система (рис. 4.19, а
), состоящая только из объектива (без конденсора), фокусирует излучение, смещенное от оптической оси (показанное на рисунке двойными стрелками), за пределами приемника излучения. При введении конденсора (вторая линза на рис. 4.19, б
) это излучение фокусируется на приемнике.

Четкими фокусирующими свойствами обладает иммерсионный конденсор - полусферическая линза, установленная вплотную к фоточувствительному приемнику (рис. 4.19, в
).

4.27. Представить вариант оптической системы для концентрации лазерного луча на фоточувствительную площадь малого размера.

Такой вариант системы представлен на рис. 4.20
. Без фокусирующих элементов лазерное излучение (при угле расхождения, равном 2φ) создает оптическое пятно диаметром D на поверхности, которая отстоит от лазера на расстоянии L. При введении положительной линзы этот размер уменьшается до размера d << D. Очевидно, однако, что достаточное уменьшение оптического пятна можно получить лишь с использованием короткофокусной линзы; тогда размер пятна d = f"×2φ.

4.28. Пояснить принципы построения и действия зеркальной (рис. 4.21, а) и линзовой (рис. 4.21, б) телескопических систем, преобразующих пучки лазерного излучения.

В телескопической системе (рис. 4.21, а) формирование направленных пучков с угловой расходимостью, меньшей, чем у пучка, выходящего из лазера, достигается введением выпуклого и вогнутого зеркал. В системе Галилея (рис. 4.21, б) в качестве объектива применяется отрицательная линза.

4.29. Рассмотреть (выделить, классифицировать, исследовать) аберрации оптических систем.

Согласно аберрации оптических систем (от лат. aberratio - уклонение) рассматриваются как погрешности изображений, создаваемых такими системами. Аберрации проявляются в том, что оптические изображения в ряде случаев не вполне отчетливы, не точно соответствуют объекту или оказываются окрашенными. Наиболее значительны следующие виды аберраций.

Недостаток оптического изображения, заключающийся в том, что световые лучи, прошедшие вблизи оптической оси, и лучи, прошедшие через отдаленные от оси части оптической системы (например, линзы), не собираются в одну точку. Сферическая аберрация может быть почти полностью устранена применением специально рассчитанных комбинаций линз.

Другим видом аберрации является кома - недостаток оптического изображения (изображение точки имеет вид продолговатого несимметричного пятна), возникающий при косом прохождении световых лучей через оптическую систему. В случае простой линзы размеры пятна пропорциональны квадрату радиуса линзы и углу наклона светового пучка по отношению к оси.

При больших углах наклона пучка к оси существенна аберрация, называемая астигматизмом . Если при прохождении оптической системы сферическая световая волна деформируется и перестает быть сферической, то пучок лучей становится сложным: лучи пересекаются не в одной точке, а в двух взаимно перпендикулярных отрезках прямой линии, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Такой пучок называется астигматическим, а само явление - астигматизмом.

Аберрация оптической системы, называемая дисторсией , характеризуется неодинаковостью линейного увеличения в пределах всего поля изображения и приводит к нарушению геометрического подобия между объектом и его изображением.

Оптические системы могут обладать сразу несколькими видами аберраций. Исправление аберраций в сложных оптических системах производится надлежащим сочетанием линз и представляет трудную задачу. Те или иные виды аберраций обычно устраняются в соответствии с назначением оптической системы. Перечисленные аберрации оптических систем называются геометрическими.

Несовершенства изображения в оптических системах связаны также с волновой природой света. Они возникают из-за дифракции света на диафрагмах, оправах линз и т.п. Влияние дифракции обычно невелико по сравнению с другими аберрациями оптических систем. Существует еще хроматическая аберрация, связанная с зависимостью показателя преломления от длины волны света, в результате чего при немонохроматическом свете изображения оказываются окрашенными.

4.30. Рассмотреть оптические схемы и технические особенности применения мощных лазеров в технологических операциях обработки твердых материалов (металлов, сплавов, керамики, полупроводниковых кристаллов, алмазов).

Характерной областью такого применения лазеров может служить сверление отверстий мощным лазерным лучом. Эффективной оказывается многоимпульсная лазерная прошивка и обработка отверстий. В таких технологических операциях практикуются специальные оптические схемы фокусировки лазерного излучения, представленные на рис. 4.22
. На этих рисунках используются одинаковые цифровые обозначения: 1 - лазер; 2 - лазерное излучение; 3 - сферические зеркала; 4 - коническая линза; 5 - сферическая линза; 6 - обрабатываемая деталь.

В оптическом варианте (рис. 4.22, а
) фокусируемый лазерный пучок имеет кольцевое поперечное сечение на поверхности детали 6, которое находится на определенном расстоянии от фокальной плоскости. При этом лазерное излучение фокусируется в виде полого конуса.

Использование конической линзы (аксикона) по оптической схеме (рис. 4.22, б
) позволяет сформировать лазерный пучок в фокальной плоскости в виде кольца. Таким техническим путем можно получить отверстия относительно большого радиуса.

Оптическое соединение полупроводниковых лазеров и волоконных световодов

4.31. Пояснить назначение и особенности конструкции волоконных световодов.

Широко и эффективно используются для высокоскоростной помехоустойчивой передачи оптических информационных сигналов на большие расстояния. Самостоятельную «нишу» занимают волоконно-оптические датчики, обладающие уникальными функциональными и техническими возможностями. Для ввода оптического излучения в волоконные световоды успешно применяются полупроводниковые лазеры.

Волоконным световодом служит тонкая гибкая цилиндрическая нить с двухслойной оптической структурой, содержащей внутреннюю жилу (сердцевину) и оболочку (рис. 4.23
). Коэффициент преломления n 1 сердцевины превышает коэффициент преломления n 2 оболочки, что при определенных условиях обеспечивает полное внутреннее отражение света, введенного в сердцевину с торца волокна. Таким образом, введенный свет не выходит за границы внутренней жилы и без существенных потерь распространяется только внутри волоконного световода.

В двухслойном кварцевом волокне внутреннюю световедущую жилу изготавливают из чистого кварца, а оболочкой служит слой кварца, легированного бромом или германием. Кроме кварцевых волоконных световодов изготавливаются многокомпонентные стеклянные или полимерные оптические волокна.

4.32. Для волоконного световода представить количественные оценки числовой апертуры и условий, при которых происходит полное внутреннее отражение введенного оптического излучения.

Апертурой является действующее отверстие оптической системы, определяемое размерами линз или диафрагм. Числовая апертура NA (Numerical Aperture) равна n 0 sinθ max , где n 0 - показатель преломления среды, в которой находится объект, а угол θ max ограничивается размерами линзы (диафрагмы).

Используя такой подход для волоконного световода (рис. 4.24
), учитываем в первую очередь, что на поверхности ввода излучения (в узле а) обеспечивается равенство числовых апертур:

Полное внутреннее отражение (в узле b) достигается, если

Поскольку φ 0 + Ψ 0 = π/2, получаем с учетом и искомое соотношение для числовой апертуры волоконного световода:

В реальных световодах коэффициенты преломления n 1 и n 2 различаются лишь на единицы и даже доли процентов: n 1 ×n 2 . Поэтому для числовой апертуры волоконного световода корректно использовать соотношение

где относительная разность коэффициентов преломления Δ = (n 1 - n 2)/n 1 . Учитывая, что для достаточно чистого кварца коэффициент n 1 = 1,46, получаем согласно

NA = 0,206 при Δ = 1%;

NА = 0,065 при Δ = 0,1%.

Важным самостоятельным параметром световода является максимально допустимый угол

Лишь при углах θ×θ max гарантируется полное внутренне отражение оптического излучения в волоконном световоде.

Если оптическое излучение поступает в световод из воздушной среды, то коэффициент преломления n 0 = 1; в этом случае

Согласно θ max = 11,9° при D = 1%; θ max = 3,7° при Δ = 0,1%.

Возможные варианты распространения оптического излучения в волоконном световоде представлены на рис. 4.25
. Луч 1 поступает в световод под максимально допустимым углом θ max (на грани полного внутреннего отражения). Луч 2 вводится под углом θ<θ max , не выходит за пределы сердцевины и продвигается вглубь световода без заметных потерь. Угол ввода луча 3 недопустимо велик: θ>θ max ; поэтому излучение 3 преломляется, частично выходит за границы сердцевины (в оболочку) и быстро ослабевает в канале светопередачи.

4.33. Пояснить и сравнить механизмы распространения оптического излучения в одномодовых и многомодовых волоконных световодах.

Моды (электромагнитные колебания определенного вида) возбуждаются, генерируются и распространяются в различных сложных колебательных системах, включая объемные диэлектрические (цилиндрические и прямоугольные) резонаторы, радиоволноводы, открытые оптические (лазерные) резонаторы.

Оптическое излучение, которое вводится в торец волоконного световода под углом θ<θ max , испытывает в дальнейшем многократное полное отражение, формируется и распространяется в сердцевине световода в виде электромагнитных (оптических) колебаний строго определенного вида - световодной (направляемой, каналируемой) моды. В волоконных световодах свойства, характеристики, маршруты распространения оптических колебаний (мод) четко прогнозируются: электромагнитное поле в вертикальном сечении световода формируется и фиксируется как стоячая волна, световые колебания горизонтально поляризованы и распространяются с определенной и стабильной частотой.

Распространение получили многомодовые волоконные световоды с резким (ступенчатым) и плавным (градиентным) распределением коэффициента преломления n. Оптические волокна в таких световодах имеют достаточно большой диаметр сердцевины (50-100 мкм) и значительную (~1%) относительную разность коэффициентов преломления, что дает возможность вводить оптическое излучение в широком диапазоне и упрощает согласование световода с источником излучения.

В многомодовом ступенчатом оптическом волокне (рис. 4.26, а
) коэффициент преломления n на границе сердцевины и оболочки резко изменяется от n 1 до n 2 . В такой структуре световая волна полностью отражается на четко выраженной границе слоев и распространение волны происходит по ломаным траекториям. При этом, однако, в световод под разными углами поступает и распространяется множество (десятки и даже сотни) различных световых волн - мод. На рис. 4.26
, а показано распространение в ступенчатом многомодовом световоде трех световых волн различного порядка.

В градиентном оптическом волокне (рис. 4.26, б
) коэффициент преломления n уменьшается от максимального значения n 1 в центре сердцевины к границе с оболочкой плавно (по квадратичному закону). В такой структуре оптические лучи, поступающие в световод под различными углами θ, отражаются на различных расстояниях от горизонтальной оси световода. При этом лучи, распространяющиеся вблизи оси, проходят за один цикл (период колебаний) меньший путь по сравнению с лучами, достигающими границы с оболочкой. Важно, однако, учитывать, что скорость света в среде обратно пропорциональна коэффициенту преломления этой среды; поэтому лучи, проходящие в градиентном волокне различные пути, распространяются вдоль оси волокна с примерно одинаковой скоростью. Таким образом, оптические лучи самофокусируются в единый световой поток, причем распространение света идет по плавным траекториям. Световоды с градиентными волокнами называют также селфоками (от сочетания английских слов self - сам и focus - фокус).

Диаметр сердцевины одного оптического волокна не превышает 5-100 мкм, а относительная разность D коэффициентов преломления составляет 0,2-0,3%. В таких оптических волокнах распространяется только одна мода (рис. 4.26, в
).

4.34. Оценить дисперсию оптического излучения в многомодовых волоконных световодах.

В многомодовом световоде оптические волны различного порядка проходят неодинаковые пути за разное время. Поэтому в таком световоде четко проявляется дисперсия (рассеяние) излучения, которая, в частности, приводит к существенному увеличению длительности (расширению) оптического сигнала на выходе световода.

Этот эффект наглядно иллюстрируется в левой части рис. 4.26
, где представлены импульсы света мощностью Р на входе (в момент t 1) и выходе (в момент t 2) световода. Наиболее значительной оказывается дисперсия в многомодовых ступенчатых световодах (рис. 4.26, а
). В многомодовых градиентных световодах дисперсия (рис. 4.26, б
) относительно невелика. В одномодовых световодах дисперсия отсутствует (не возникает).

Механизм дисперсии оптического излучения четко проявляется в ступенчатом многомодовом световоде. Расчет дисперсии в этом случае проведем с использованием несложного графика (рис. 4.27
), показывающего разницу маршрутов, которые проходят световые лучи в двух крайних вариантах:

1) если излучение вводится перпендикулярно торцу световода (θ = φ = 0), то луч света (соответствующий моде самого низкого порядка) проходит минимальный путь ас, равный l 1 ;

2) если излучение вводится под критическим углом θ = θ max , то угол распространения тоже максимален: φ = φ 0 , а луч света (соответствующий моде самого высокого порядка) проходит наибольший путь ab, равный l 2 . Очевидно, что l 2 = l 1 /cosφ.

Оба указанных маршрута лучи света проходят со скоростью c/n 1 , где с - скорость света в вакууме, а n 1 - коэффициент преломления сердцевины световода. Таким образом, уже в начальной стадии возникает дисперсия излучения:

Используя соотношения , (4.7а) и учитывая, что Δ<< 1, несложно преобразовать соотношение к виду

Полученную формулу можно распространить на весь волоконный световод длиной L. Тогда искомая дисперсия оптического излучения в ступенчатом многомодовом световоде определяется формулой

Например, для световода длиной L = 1 км при n 1 = 1,46 и Δ = 0,01 с учетом с = 3 ×10 5 км/с дисперсия излучения ΔT = 50 нс. Очевидно, что такой световод не может успешно действовать в оптоэлектронной технике наносекундного диапазона, но вполне пригоден для передачи микросекундных оптических сигналов.

Дисперсия оптического излучения в градиентном многомодовом световоде существенно меньше, чем в ступенчатом многомодовом волокне. Анализ показывает, что такая дисперсия оценивается соотношением

Сравнивая и , получаем, что градиентное многомодовое волокно превосходит по быстродействию ступенчатое многомодовое волокно в 2/Δ раз. При Δ = 0,01 такой выигрыш по быстродействию (в 200 раз) весьма ощутим.

4.35. Рассмотреть причины ослабления оптического излучения, оценить потери мощности оптических сигналов в кварцевых волоконных световодах.

Оптическое излучение, распространяясь в волоконном световоде, постепенно ослабевает из-за целого ряда причин и факторов.

Существенным является поглощение и рассеяние в середине световода, обусловленное параметрами и свойствами материала внутренней кварцевой жилы. В их числе потери, присущие материалу и принципиально неустранимые: собственное поглощение в материале световода, рэлеевское рассеяние, вызванное флуктуациями плотности или состава материала. Заметным оказывается примесное поглощение, связанное с действием примесей (гидроксильной группы ОН, ионов металлов группы медь - хром), поглощающих оптическое излучение в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.

Потери увеличивают рассеяние излучения в световодной структуре, вызванное геометрическими неоднородностями поверхности раздела сердцевина - оболочка и технологическим разбросом параметров световода: сечения (формы, размеров) сердцевины, пространственного распределения коэффициентов преломления.

Возникают потери на внешнее излучение, вызванные, в частности, микроизгибами световода в местах контакта с защитными оболочками и уплотняющими элементами кабеля.

Для количественной оценки оптических потерь в волоконном световоде вводится параметр

определяющий удельное затухание оптического сигнала (в дБ/км). В соотношении сравниваются мощности оптического излучения на входе P вх и выходе (P вых) световода длиной L (км).

Энергетические потери в волоконном световоде существенно зависят от спектральных характеристик (длины волны) излучения. Согласно зависимость В = φ(λ) для кварцевых световодов имеет четко выраженные минимумы (рис. 4.28
).

По данным , при λ = 0,8 мкм потери составляют 1,5 дБ/км (40% на 1 км световода); при λ = 1,55 мкм удельное затухание В = 0,15 дБ/км (3,5% на 1 км световода).

4.36. Обосновать условия согласования полупроводниковых лазеров и волоконных световодов.

При разработке методов и средств оптического соединения полупроводниковых лазеров и волоконных световодов следует учитывать ряд существенных факторов. Размеры активной (излучающей) зоны полупроводникового лазера в ортогональных направлениях неодинаковы. Весьма узкий (0,1-0,2 мкм) вертикальный слой существенно меньше длины волны излучения, что приводит к резкому увеличению расходимости пучка лазерного излучения в вертикальном направлении. Вместе с тем в горизонтальном направлении активный слой полупроводникового лазера занимает несколько микрометров; поэтому расходимость пучка света в указанном направлении относительно невелика. В результате пучок света, генерируемый полупроводниковым лазером, имеет форму сильно вытянутого эллипса (см. рис. 2.25
). К тому же свет излучается полупроводниковым лазером в виде расходящегося пучка.

Диаметр сердцевины (10-100 мкм) волоконного световода существенно превышает размеры излучающей зоны полупроводникового лазера. Кроме того, жестко ограничен сверху угол ввода излучения в световод, при котором гарантируются полное внутреннее отражение и минимальные потери света в оптическом волокне.

Вместе с тем условия оптического согласования:

совмещение оптических осей (по положению и углу наклона);

согласование по распределению интенсивности (размеру пучка) и по числовой апертуре NA - следует выполнять и для полупроводникового лазера, и для волоконного световода.

Предполагается, что в этих случаях вспомогательные средства (главным образом линзы) не используются. Технические варианты соединения представлены на рис. 4.29.

В простейшем варианте (рис. 4.29, а) совмещаются оптические оси полупроводникового лазера и волоконного световода. Однако угол расходимости пучка лазерного излучения в вертикальном направлении (30-40° и более) заметно превышает максимально допустимый угол ввода излучения в световод (10-20° и менее). Поэтому в оптическое волокно поступает лишь часть излучения лазера, а потери света достигают 7 дБ (80%).

В варианте (рис. 4.29, б) конец оптического волокна искусственно сужается, а поверхность торца формируется в виде микролинзы. При этом потери света сокращаются до 5,8 дБ (65%). В аналогичном техническом решении (рис. 4.29, в) микролинза на конце световода создается локальным травлением (пунктиром на рисунке показана часть световода, удаленная травлением). В этом случае потери вводимого излучения уменьшаются до 3 дБ (50%).

4.38. Представить и иллюстрировать варианты применения фокусирующих линз для оптического согласования полупроводникового лазера и волоконного световода.

Для оптимального оптического согласования полупроводниковых лазеров и волоконных световодов используются линзы цилиндрические, сферические, стержневые (градиентные).

(рис. 4.30, а) позволяет преобразовать сильно вытянутый эллипс пучка лазерного излучения и придать ему на входе в волоконный световод почти круглое сечение. При этом эффективность ввода лазерного излучения в многомодовый световод достигает 30%.

(рис. 4.30, б) обеспечивает преобразование расходящихся лучей лазерного излучения в параллельный пучок света значительного диаметра, что заметно облегчает дальнейшее преобразование и оптимальный ввод оптического излучения. Эффективным элементом такого преобразования и ввода является стержневая (градиентная) линза, которая фокусирует излучение в пучок, сходящийся под необходимым (относительно небольшим) углом с числовой апертурой волоконного световода.

Стержневые линзы имеют цилиндрическую форму с плоскими торцами для ввода оптического излучения. Главное, однако, в том, что в стержневой (градиентной) линзе, как и в градиентном оптическом волокне (рис. 4.26, б
), коэффициент преломления не остается постоянным, а уменьшается пропорционально квадрату расстояния от центральной оси (т.е. квадрату радиуса). Тем не менее в отличие от градиентного световода градиентная линза имеет большой диаметр (1-2 мм) и не имеет оболочки.

На рис. 4.31
, а показаны траектории светового пучка в градиентной линзе. Вводится параллельный пучок, который далее в объеме линзы, как и в градиентном волокне, изменяется (и продвигается) по синусоидальной траектории. Такая траектория распространения света имеет период (шаг)

где g - параметр, определяющий распределение показателя преломления(и, как следствие, степень фокусировки) линзы.

Создавая (вырезая) градиентный стержень определенной длины L, несложно четко сформировать определенные фокусирующие свойства линзы. Если L = L π /2, то согласно рис. 4.21, а можно падающий параллельный пучок света сфокусировать в объеме линзы, а затем вывести его вновь в виде параллельного пучка.

) в активной зоне лазерного диода (ЛД). При небольших уровнях тока I лд полупроводниковый лазер действует как светодиод и генерирует некогерентное оптическое излучение небольшой мощности. При достижении порогового уровня тока I лд оптические колебания в лазерном резонаторе генерируются, становятся когерентными; резко возрастает мощность излучения P изл. Однако генерируемая мощность P изл и в этом режиме пропорциональна уровню тока I лд. Таким образом, возможности изменения (переключения, модуляции) мощности излучения полупроводникового лазера однозначно связаны с целенаправленным изменением инжекционного тока I лд.

В импульсном режиме действия лазерного диода его рабочая точка М (рис. 4.32, а
) фиксируется на пологом участке ватт-амперной характеристики P изл = φ(I лд) в предпороговой области лазера. Резкое увеличение тока I лд переводит рабочую точку на крутой участок характеристики (например, в положение N), что гарантирует возбуждение и интенсивный рост мощности лазерных колебаний. Спад тока I лд и перевод рабочей точки лазера в исходное положение М обеспечивают срыв лазерных колебаний и резкое снижение выходной мощности лазерного излучения.

В аналоговом режиме модуляции лазерных колебаний рабочая точка Q фиксируется на крутом участке ватт-амперной характеристики (рис. 4.32, б
). Изменение тока I лд под действием внешнего информационного сигнала приводит к пропорциональному изменению выходной мощности полупроводникового лазера.

4.40. Пояснить схему построения и принцип действия транзисторного каскада (рис. 4.33
) для управления инжекционным током полупроводникового лазера.

Намеченные (в предыдущем п. 4.39) приемы управления инжекционным током полупроводникового лазера удается четко реализовать, используя каскад (переключатель тока, дифференциальный усилитель), построенный на двух биполярных транзисторах (рис. 4.33, а
). Введены источники постоянных токов I п1 и I п2 . Ток I п1 неизменно протекает по цепи с лазерным диодом ЛД, ток I п2 питает эмиттерные цепи транзисторов T 1 , T 2 и перераспределяется в зависимости от уровня управляющего напряжения e упр

Если e упр > 0,3 В (и существенно выше нулевого потенциала базы транзистора T 2), то транзистор T 1 открыт и проводит ток I п2 , а транзистор T 2 выключен. В этом состоянии лазерный диод ЛД питается только током I п1: I лдmin = I п1 (рис. 4.33, б
).

При e упр < -0,3 В выключен транзистор T 1 , ток I п2 переключается в эмиттерную цепь транзистора T 2 и лазерный диод возбуждается максимальным током I лдmax = I п1 + I п2 . При этом учитывается, что для биполярных транзисторов высокого качества коллекторный (I к) и эмиттерный ( 1. Отметим также, что передаточная характеристика I лд = e упр построена (рис. 4.33, б
) для транзисторов T 1 и T 2 с идентичными вольт-амперными характеристиками (ВАХ) эмиттерных р-n-переходов; поэтому при e упр = 0 ток Iлд = I п1 + 0,5I п2 . Естественный технологический разброс ВАХ приводит к небольшому сдвигу передаточной характеристики (рис. 4.33, б
) по шкале напряжений.

Очевидно, что транзисторный каскад (рис. 4.33, а
) можно использовать как переключатель тока I п2 для цифрового управления лазерным диодом, а также как дифференциальный усилитель сигналов напряжения e упр (t) для аналоговой модуляции лазерного излучения.

4.41. Рассмотреть технические возможности применения полевых транзисторов для управления полупроводниковыми лазерами.

Полевые транзисторы (рис. 4.34, а
) по выходной (стоковой) цепи являются в пентодной области ВАХ I c = φ(U си) параметрическими стабилизаторами тока (рис. 4.34, в) и успешно применяются для четкого, строго регламентированного управления полупроводниковыми лазерами. Ток стока I c эффективно изменяется по затвору сигналами напряжения согласно передаточной характеристике I c = Ψ(U зи), представленной на рис. 4.34, б
.

Рабочая точка М каскада (рис. 4.34, а
) при определенном входном напряжении e упр получена (рис. 4.34, в
) стандартным графоаналитическим решением системы

При таком построении лазерный диод является нелинейной статической нагрузкой полевого транзистора (по цепи стока).

Каскады на полевых транзисторах можно с равным успехом использовать для цифрового и аналогового управления полупроводниковыми лазерами. Удобно оказывается параллельное соединение двух полевых транзисторов по схеме (рис. 4.35
). Один из транзисторов (в данном случае T 2) определяет исходный режим лазерного диода в предпороговой или регенеративной области функционирования. Переключение или модуляцию лазерного излучения осуществляет транзистор T 1 , управляемый аналоговыми или цифровыми информационными сигналами e упр (t).

4.42. Рассмотреть принципы и схемотехнику построения ретрансляторов оптических сигналов (рис. 4.36
).

В волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) значительной длины оптические сигналы, первоначально формируемые лазерными диодами, существенно ослабевают. Поэтому обычно ВОЛС составляется из однотипных фрагментов, соединенных последовательно. На стыках смежных фрагментов ВОЛС действуют усилители-ретрансляторы, восстанавливающие мощность оптических сигналов.

В технически несложном варианте, представленном на рис. 4.36, а
, приемником оптических сигналов, формируемых на выходе фрагментов ВОЛС и поступающих на вход ретранслятора, служит малоинерционный фотодиод с р-i-n-структурой. Фототок I Φ освещаемого фотодиода ФД реагирует на изменения падающего (входного) потока света Ф: I Φ (t) ~ Φ(t) - и изменяет напряжение U 3 на затворе полевого транзистора: U 3 (t) = I Φ (t)R 1 . Сигнал напряжения U 3 (t) модулирует ток стока I c (t) полевого транзистора, а следовательно, ток возбуждения I лд (t) лазерного диода. Выходное излучение Φ вых (t) лазера «следит» за изменениями входного потока света Φ вх (t) без значительных искажений, но существенно превосходит входной оптический сигнал по мощности.

Дополнительными функциональными и техническими возможностями обладает ретранслятор оптических сигналов, построенный по схеме (рис. 4.36, б
). Лазерный диод ЛД постоянно возбужден током I п и действует как генератор оптических сигналов значительной мощности. Выходной поток света Φ вых (t) модулируется током стока I c1 (t) полевого транзистора T 1 . Входное оптическое излучение Φ вх (t) воздействует на полевой транзистор T 2 и изменяет фотоэдс между стоком и истоком (затвором) этого транзистора, которая управляет по затвору током стока I c1 транзистора T 1 и током возбуждения I лд лазерного диода.

Такое управление возможно, если полевой транзистор T 3 выключен (при низком уровне управляющего напряжения e упр). Включение транзистора T 3 напряжением e упр более высокого уровня замыкает управляющую цепь транзистора T 1 и исключает воздействие входного оптического потока Φ вх (t) на выходное излучение Φ вых (t) лазерного диода.

4.43. Пояснить задачи и технику электронной стабилизации тока возбуждения полупроводникового лазера.

Технические задачи стабилизации электрического режима и оптических характеристик полупроводниковых лазеров возникают и существенны в нескольких случаях. Целесообразно четко определить и жестко фиксировать ток постоянного электрического питания лазерного диода, что необходимо и в предпороговой области действия лазера, и в процессе непрерывной генерации лазерных колебаний.

Важно также стабилизировать мощность оптического излучения полупроводникового лазера. По мере возбуждения такого лазера мощность лазерного излучения непрерывно нарастает, но в итоге должна фиксироваться на определенном, четко предсказуемом уровне. При длительном функционировании полупроводникового лазера с инжекционной накачкой большим током выходная мощность лазера постепенно снижается (прибор «деградирует»). Необходимо стабилизировать интенсивность излучения полупроводникового лазера, нейтрализуя процесс деградации.

Эффективной оказывается электронная стабилизация тока возбуждения лазера. При неизменном (стабилизированном) токе I лд четко определяется и надежно поддерживается (сохраняется) электрический режим лазерного диода в предпороговой области (при небольших уровнях тока I лд) или в режиме генерации когерентных колебаний (при значительном токе I лд).

Электронную стабилизацию тока возбуждения полупроводникового лазера несложно осуществить по стандартной схеме, представленной на рис. 4.37
. Постоянный уровень тока I лд обеспечивают операционный усилитель ОУ, источник неизменного (эталонного) напряжения E 0 , усилитель тока на биполярном транзисторе Т, резистор R 2 . Вспомогательную роль играет токоограничивающий резистор R 1 . Учитывается, что дифференциальная разность входных потенциалов ОУ при значительном коэффициенте усиления k KO весьма невелика: E 0 - U a ® 0. Поэтому потенциал U a жестко фиксирован на уровне E 0 , а ток возбуждения лазерного диода I лд = E 0 /R 2 строго определен и поддерживается неизменным (стабилизированным).

В рассматриваемой схеме обеспечивается глубокая отрицательная обратная связь. Если ток I лд лазерного диода нестабилен и, например, возрастает, то увеличиваются падение напряжения на резисторе R 2 и потенциал U a инверсного входа ОУ. Поэтому выходное напряжение ОУ снижается и через транзистор Т воздействует на лазерный диод, уменьшая (по существу стабилизируя) ток его возбуждения.

В естественном варианте с конкретным (ограниченным) значением коэффициента усиления k KO уровень тока возбуждения лазерного диода в схеме (рис. 4.37
)

зависит от падения напряжения на лазере (ΔU лд.пр) и эмиттерном р-n-переходе транзистора (ΔU бэ.пр), смещенных в прямом направлении, а также от сопротивления резистора R 1 и коэффициента передачи А транзистора. Влияние этих факторов оказывается незначительным при k KO >> 1 и А 1, что, безусловно, выполняется для ОУ и биполярных транзисторов высокого качества.

4.44. Рассмотреть принцип и схему стабилизации по оптическому каналу тока возбуждения полупроводникового лазера.

Возможные изменения оптического излучения полупроводниковых лазеров четко отслеживают малоинерционные фотоприемники, например фотодиоды с p-i-n-структурой. Введение такого фотоприемника в цепь отрицательной обратной связи, охватывающей лазер, позволяет стабилизировать характеристики лазерного излучателя по оптическим каналам.

Базовая схема оптической стабилизации, представленная на рис. 4.38
, содержит усилитель тока УТ, который управляется сигналами входного тока I упр и питает выходным током I лд (t) лазерный диод ЛД. Фотодиод ФД реагирует на оптическое излучение полупроводникового лазера и создает фототок I Φ (t), действующий как сигнал отрицательной оптической обратной связи.

Согласно ток возбуждения I лд лазера стабилизирован, так как не зависит от коэффициента усиления по току k 1 , а в основном определяется коэффициентами преобразования k 2 и k 3 . В свою очередь, поток Φ лд согласно непосредственно не связан с коэффициентом преобразования k 2 , что существенно и полезно при длительном возбуждении полупроводникового лазера и постепенной деградации его оптического излучения (которая приводит к заметному уменьшению коэффициента k 2 при неизменном токе I лд).

4.45. Рассмотреть схему и принцип действия устройства (рис. 4.39
) с оптической обратной связью. Выделить компоненты схемы, существенно ограничивающие быстродействие устройства.

Детальные разработки базовой идеи (рис. 4.38
), представленные в статье , предполагают активное использование операционных усилителей (ОУ) и транзисторных каскадов.

В несложной схеме (рис. 4.39
) ОУ управляется цифровыми сигналами e упр (t) отрицательной полярности по инверсному входу; при этом небольшой отрицательный уровень сигнала - e упр(0) соответствует логическому 0, а относительно большой (более отрицательный) уровень - e упр(1) - логической 1. ОУ воздействует по базовой цепи на транзисторный каскад с токоограничивающим резистором R 2 . Однако определяющим является канал обратной связи, в котором малоинерционный фотодиод реагирует на оптическое излучение полупроводникового лазера и создает фототок I Φ = k 1 I лд; здесь k 1 - коэффициент передачи по току оптической пары лазер - фотоприемник. Фотодиод шунтирован резистором R 1 ; поэтому ОУ реагирует по прямому (неинвертирующему) входу на потенциал U a = -I Φ R 1 .

В установившемся режиме дифференциальная разность входных потенциалов ОУ U a - e упр 0; таким образом, действующий (возможный) уровень фототока жестко фиксирован: I Φ = e упр /R 1 . Строго определен в такой схеме уровень тока, возбуждающего лазер: I лд = I Φ /k 1 = e упр /(k 1 R 1 .). С учетом дискретных значений цифрового сигнала e упр (t) ток возбуждения полупроводникового лазера в схеме (рис. 4.39
) имеет лишь два четких значения: I лд(0) = e упр(0) /(k 1 R 1 .) и I лд(1) = e упр(1) /(k 1 R 1 .).

Если исходным является управляющий сигнал - e упр(0) , то ток возбуждения I лд(0) невелик и лазер фиксируется в предпороговой области (на грани возбуждения). При резком снижении сигнала e упр (t) до уровня - e упр(1) существенно (до уровня I лд(1)) возрастает ток I лд и полупроводниковый лазер, активно возбуждаясь, генерирует когерентное оптическое излучение.

Таким образом, в рассматриваемой схеме (рис. 4.39
) обратная связь по оптическому каналу задает электрический режим полупроводникового лазера, ограничивает и стабилизирует мощность лазерного излучения.

Представленное устройство можно успешно использовать для цифровой и (или) аналоговой модуляции оптического излучения сигналами e упр (t). Важно, однако, учитывать, что ОУ в таком модуляторе действует одновременно в канале прямой электрической связи, реагируя на модулирующие сигналы e упр (t), и в цепи обратной оптической связи, стабилизируя ток возбуждения и выходную мощность полупроводникового лазера. Частотные возможности ОУ относительно невелики (не выходят за пределы 10-50 МГц), что существенно ограничивает быстродействие лазерного модулятора (рис. 4.39
).

4.46. Рассмотреть схемотехнику и принцип действия устройства (рис. 4.40
). Пояснить техническую роль в схеме переключателя тока, построенного на транзисторах T 2 , T 3 , и операционного усилителя ОУ.

Устройство управления лазером, приведенное на рис. 4.40
, дополнено высокоскоростным транзисторным переключателем тока I п. Этот переключатель реагирует на входные сигналы e упр (t) и непосредственно (по коллекторной цепи транзистора T 3) управляет током возбуждения I лд лазерного диода. При этом ОУ по-прежнему обеспечивает стабилизацию инжекционного тока и выходной мощности лазера в установившемся режиме, но на воздействие импульсных сигналов e упр (t) реагирует замедленно (в финале переходных процессов переключения). Таким образом, транзисторный переключатель тока в схеме (рис. 4.40
) осуществляет высокоскоростное управление полупроводниковым лазером, а более длительные (низкочастотные) процессы стабилизации выполняет ОУ.

Если лазерный модулятор непрерывно действует в режиме весьма высокой импульсной загрузки, то ОУ не успевает «следить» за изменениями тока возбуждения I лд (t) и стабилизирует усредненную мощность лазерного излучения, которая при цифровом управлении существенно превышает минимальную мощность, соответствующую сигналу e упр(0) , но явно не достигает максимальной мощности, которую должны обеспечивать уровни e упр(1) .

4.47. Пояснить схемотехнические особенности устройства (рис. 4.41
). Выделить цепи отрицательной обратной связи по электрическим и оптическим каналам.

В устройстве, представленном на рис. 4.41
, ОУ полностью освобожден от высокоскоростных операций, связанных с воздействием модулирующих сигналов e упр (t). Потенциал инверсного входа ОУ фиксирован на неизменном уровне - E 0 .

Входные импульсные сигналы e упр (t) управляют лазером по коллекторной цепи транзистора T 3 . Особенностью схемы (рис. 4.41
) является введение электрической обратной связи по коллектору транзистора T 2 ; при этом коллекторный ток I k2 непосредственно влияет на потенциал обратной связи U a = (I k2 - I Φ)T 2 и корректирует стабилизирующее действие оптического канала такой связи. Очевидно, однако, что и в этом устройстве при интенсивной импульсной загрузке обратная связь стабилизирует усредненное значение выходной мощности лазерного излучения.