Полная версия

Главная arrow Техника arrow АКУСТООПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССОРЫ. АЛГОРИТМЫ И ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Дифракционные эффекты в фотоприемнике

Применительно к акустооптическим (АО) средствам обработки информации и, в частности, к AO-измерителю параметров радиосигналов, типовая схема которого приведена на рис. 1.1, принято считать, что их динамический диапазон «снизу» ограничивается фоном светового рассеяния, внутри- и межэлементными френелевскими переотра- жениями и т.д.; их суммарный уровень определяется оптическим качеством входящих в измеритель элементов, таких как коллиматор, аку- стооптический дефлектор, интегрирующий объектив и другие элементы оптического тракта.

При этом основной вклад в упомянутый уровень оптических помех вносит АОД, значение многосигнального динамического диапазона (ДД) которого увязывается с уровнем светового фона. Так, если задать уровень оптического фона равным 10 7- 105 (по отношению к уровню падающего на АОД света), то следует ожидать [32, 33], что значение ДД будет изменяться в пределах от 52 до 38 дБ. Данное значение ДД и принято считать теоретическим пределом как для АОД, так и в целом для AO-измерителей параметров радиосигналов.

В работе [34] обращено внимание на тот факт, что в реальных AO-измерителях элементом, ограничивающим их ДД, может выступать фотоприемиое устройство (ФПУ), причем ограничение ДД может быть не связано с электрическими параметрами самого ФПУ, его ДД, а может определяться конструктивными особенностями его корпуса, элементами защиты фоточувствительной области и самой геометрией (топологией) фоточувствительной площадки многоэлементного ФПУ.

В работе показано, что дифракция «в отраженном свете», возникающая (и проявляющаяся при большом уровне светового сигнала) на упорядоченной структуре фотодиодов ФПУ, является причиной («источником») паразитных световых сигналов; присутствие последних непосредственно в плоскости ФПУ, в конечном счете, и ограничивает многосигнальную динамику АО-измеритсля, внося погрешности в измерение частоты сигнала. Вышесказанное иллюстрируется экспериментальной осциллограммой сигнала, снятого с ФПУ в схеме рис. 1.1, представленной на рис. 2.25.

На рисунке, помимо основного полезного сигнала большого уровня, наблюдается ряд световых сигналов, образованных дифракционными эффектами. Последние и «воспринимаются» АО-измерителем как реально действующие на его входе радиосигналы. Данное явление было обнаружено при попытке получения в АО-измерителс величины ДД, превышающей ~(40-45) дБ.

Рис. 2.25

Для пояснения высказанного утверждения рассмотрим конструкцию применяемой в составе измерителя ПЗС линейки типа ТН7813 производства фирмы “E2v”, микрофотография активной области которой приведена на рис. 2.26. Фоточувствительная область А обрамлена металлическими электродами 1 с периодом расположения, ориентировочно равным размеру одного фотоэлемента и составляющим 10 мкм. Выше и ниже от этой центральной области расположены электроды 2, которые соответствуют «четным» и «нечетным» транспортным регистрам; они следуют с удвоенным шагом в 20 мкм.

Для падающего светового пучка достаточно больших поперечных размеров указанная структура ПЗС представляет собой отражательную дифракционную решетку. Двумерная фотография дифракции (в отраженном свете) представлена на рис. 2.27, в которой расстояние, отмеченное цифрой 1 (по горизонтали), между более яркими дифракционными порядками соответствует электродам 1 на рис. 2.26, а расстояние, отмеченное как 2, между промежуточными порядками дифракции соответствует решетке, образованной электродами 2.

Рис. 2.26

Рис. 2.27

Наблюдаемая на рис. 2.27 дифракция по вертикали соответствует вертикальной периодичности электродов линейки.

Дифракция сфокусированного на область А пучка (что является рабочим состоянием AO-измерителя), показана на рис. 2.28. В этом случае результат дифракции соответствует одномерной решетке, состоящей из межэлементных электродов 1 (электроды 2 и вертикальная структура сфокусированным пятном не захватываются).

Рис. 2.28

Таким образом, отраженные от структуры ПЗС дифракционные порядки, повторно отразившись от граней входного стеклянного окна линейки (чертеж корпуса которой с характерными размерами представлен на рис. 2.29), воздействуют на фоточувствительную область приемника и при достаточно высоком уровне светового, а соответственно и принимаемого радиосигнала, дают изображенную на рис. 2.25 картину.

Проведем расчет характеристик указанного явления. Анализ влияния продуктов дифракции на параметры AO-измерителя будем проводить в два этапа.

На первом этапе рассчитаем распределение амплитуды светового поля основного сигнала в плоскости расположения ФПУ, приняв которое за исходное, на втором этапе определим результаты дифракции этого пятна на структуре ПЗС и рассчитаем ее энергетические параметры.

Для проведения такого рассмотрения за основу возьмем оптическую схему реального измерителя, приведенную на рис. 2.30.

Оптическая система состоит из трех положительных цилиндрических линз (Л 1, Л2, ЛЗ) с фокусными расстояниями f,, f2, f3, две из которых (Л1, ЛЗ) осуществляют преобразование пучка в вертикальной (на рис. 2.29 - xOz), а третья (Л2) - в горизонтальной (yOz) плоскостях.

Рис. 2.29

Рис. 2.30

Будем считать, что на входе в оптическую систему распределение поля, создаваемого лазером светового пучка, описывается выражением

где г и r0y - «радиусы» гауссова пучка по амплитудному уровню 1/е от максимума.

При этом по оси у в плоскости ПЗС распределение амплитуды пятна определяется (с точностью до постоянного коэффициента) Фу- рье-преобразованием (линза Л2) зависящей от у части выражения

(2.27), т.е. - длина волны

света.

Для оценки ситуации в плоскости xOz заметим, что падающий на линзу ЛЗ расходящийся (после воздействия первой линзы Л1) пучок можно представить как результат освещения исходящей из точечного (линейного) источника, находящегося на расстоянии а0 позади линзы ЛЗ, цилиндрической волной транспаранта с амплитудным пропусканием расположенного в сечении А на расстоянии

f3 перед ЛЗ. Причем а0 определяется (рис. 2.30) из условия:

, где z2 - расстояние между задней фокальной плоскостью линзы Л1 и линзой Л2, а изображение формируется на расстоянии b0 = a0f3 /(а0 - f3) от ЛЗ. При этом по оси х в плоскости фотоприемника распределение света определится преобразованием Фурье от функции амплитудного пропускания транспаранта.

Таким образом, для двумерного распределения нормированной интенсивности света в плоскости ФПУ можно получить выражение

На рис. 2.31 представлен результат расчета распределения (2.28) в виде контурного графика, на котором линии расположены с шагом 0,1 от максимума интенсивности. Расчет выполнен для исходных данных: f( = 86 мм; f2 = 105 мм; f3 = 20 мм; А.0 = 0,657 мкм; г = 2 мм;

r0x = 1 мм; z2 = 40 мм.

Рис. 2.31

Периодическую совокупность металлических электродов в промежутках между фотоприемными элементами ФПУ можно представить в виде отражательной дифракционной решетки (рис. 2.32) с количеством элементов N = 2n +1, шириной h и периодом d.

Рис. 2.32

Обозначив коэффициент отражения элементов решетки по интенсивности через р, амплитудное «пропускание» такой решетки можно представить в виде

Причем, если ширина решетки Nd значительно превышает размеры светового пятна (что и имеет место на практике), то ее можно считать бесконечно протяженной, положив в (2.29) п = °°.

При этом спектральная функция решетки равна

где к = 0, ±1,...-порядок дифракции; vx, vy - пространственные частоты по соответствующим осям; v0 = 1/d ; ck- коэффициенты разложения амплитудного «пропускания» решетки С(х,у) в ряд Фурье:

причем коэффициенты ск находятся из выражения

Учитывая, что амплитудный спектр продифрагировавшего на решетке светового поля в фраунгоферовском приближении [11] можно представить как

где F{U,(x,y)} - спектр функции U|(x,y) (2.28), а * - знак свертки, для спектра отразившегося от решетки света получаем

С учетом vx = 0z, vy = y/A,0z и отражения от входного стекла ФПУ (коэффициент отражения по интенсивности обозначим Г), для распределения интенсивности продифрагировавшего на структуре ФПУ, отраженного от входного стекла и вновь воздействующего на фотоприемные элементы ФПУ света окончательно получаем:

Рассчитанное по формуле (2.35) распределение в плоскости х = О для прежних и дополнительных (р = 0,5; Г = 0,1; d = 10 мкм; h = 2 мкм; z = 2 мм) исходных данных, представлено на рис. 2.33.

Распределение интенсивности в отдельных дифракционных порядках при этом описывается выражением

Для определения соотношения величин сигналов: исходною и создаваемого к-м порядком, необходимо проинтегрировать соотношения (2.28) и (2.36) по площади одной фотоприемной ячейки размерами ах хау:

Рис. 2.33

Отношение интенсивностей, выраженное в дБ характеризует полный (не ограниченный насыщением приемника) динамический диапазон ФПУ:

На рис. 2.34 приведены зависимости отношения исходной интенсивности и интенсивности первого (как наиболее «опасного») дифракционного порядка, т.е. величины D] от коэффициента р при различных Г (размеры фогоячейки полагались равными ах = ау =10 мкм).

Зависимости D| от расстояния z, характеризующего положение (с учетом отражения: z/2) плоскости отражения от входного стекла ФПУ относительно фотоприемной области, при разных р и Г = 0,1, приведены на рис. 2.35.

Рис. 2.34

Рис. 2.35

Не углубляясь в вопросы технологических доработок ФПУ, можно предложить наиболее простые и лежащие на поверхности меры, направленные на уменьшение рассмотренных выше дифракционных явлений. Первым и наиболее общим способом является снижение коэффициента отражения токопроводящих электродов, составляющих топологическую структуру и окружающих фоточувствительную область ПЗС линейки. Другим способом, в тех случаях, когда область применения фотоприемника предполагает использование достаточно узкой части оптического диапазона, является двустороннее просветление входного окна ПЗС.

Еще два способа [35, 36J заключаются в развороте ФПУ в плоскости, перпендикулярной плоскости AO-взаимодействия, с целью ослабления продуктов дифракции. Сочетание указанных мер позволит при минимуме затрат на производство улучшить параметры как самих ПЗС, так и систем, в которых они эксплуатируются.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>