Классификация оптико-электронных приборов (ОЭП)

Оптико-электронные приборы, их классификация

Оптико-электронными называются приборы, в которых обработка информации, содержащаяся в потоке излучения, сопровождается преобразованием лучистой энергии в электрическую. Благодаря этому образуется единый оптико-электронный тракт обработки информации.

Оптико-электронные приборы представляют собой обширную группу устройств, основанных на самых современных методах преобразования лучистой энергии в электрическую, использовании новых квантовых источников излучения и последних достижениях микроэлектроники. Они позволяют получать самую разнообразную информацию о множестве различных объектов.

С помощью ОЭП собирается информация о строении и составе вещества, о положении и перемещении объекта в пространстве, а также о других свойствах объекта. Они значительно расширили пределы использования лучистой энергии. Благодаря высокой чувствительности, малой инерционности, разнообразию конструктивных форм и методов измерений, оптико-электронные приборы сделали возможным применение лучистой энергии для автоматизации производственных процессов, создания новой автоматической контрольно-измерительной аппаратуры и проведения новых видов научных исследований.

Созданная и используемая в промышленности оптико-электронная аппаратура способствует повышению качества продукции и эффективности производства.

Расширение производства и применения оптико-электронных приборов вызвало необходимость подготовки специалистов, деятельность которых связана с обработкой оптической информации в электронных устройствах.

Классификация оптико-электронных приборов (ОЭП)

Оптико-электронные приборы очень разнообразны по устройству, принципу действия и применению. Развитие оптико-электронных приборов приводит к появлению новых устройств и возможности новых применений. Существует ряд основных признаков, которые используются для классификации оптико-электронных приборов.

Одним из основных признаков классификации может служить используемая область спектра: ультрафиолетовая (1—380 нм), видимая (380—780 нм) и инфракрасная (780 нм — 1 мм).

Ширина интервала длин волн, где прибор обладает заданной чувствительностью, позволяет подразделить приборы на спектральные и интегральные. Спектральные приборы разлагают исследуемое излучение в спектр, фиксируют положение отдельных его участков и измеряют интенсивность того или иного участка спектра. Действие интегральных приборов основано на использовании неразложенного в спектр излучения.

Способ использования информации определяет, является ли прибор автоматиче­ским, где действия человека по использованию информации либо полностью устранены, либо значительно облегчены и упрощены, или индикационным, где прибор выдает ин­формацию, а решение о действиях при данной информации возлагается на человека.

В зависимости от используемого источника излучения ОЭП подразделяются на две группы:

· Группа активных, в которых используется искусственный источник излучения;

· Группа пассивных, воспринимающее собственное излучение объекта либо отраженное излучение естественных источников (Солнца).

Такое деление приборов оказалось наиболее подходящим для приборов специального назначения.

Основные признаки классификации не являются единственными. Приборы, напри­мер, могут быть подразделены по характеру выполняемых функций на информационные, измерительные и следящие. Информационные приборы преобразуют с максимальной точностью все детали излучающего объекта и фона в электрический сигнал, по которому восстанавливается видимое изображение или исследуются характеристики излучения. Измерительные приборы предназначаются для измерения только некоторых характери­стик объектов при отображении их в воспринимаемом прибором излучении (размеров, прозрачности, скорости и т. д.). С помощью приборов следящей группы осуществляются автоматическое регулирование технологических процессов и автоматическое сопровож­дение излучающих объектов. Для них характерно наличие исполнительных устройств, с помощью которых производятся действия, соответствующие полученной информации.

Классификация оптоэлектронных приборов по выполняемым функциям приведена в табл.1.

Часто существенной оказывается классификация по используемому в приборе яв­лению, сопутствующему распространению лучистого потока в различных средах: прелом­лению, поглощению, отражению, интерференции, люминесценции, поляризации. В таких случаях приборы называют соответственно интерференционными, люминесцентными, поляризационными и др.

Таблица 1.

Кроме основной классификации, подразделяющей все оптико-электронные прибо­ры на определенные группы, существуют частные классификации в пределах каждой группы. Разветвленную классификацию имеют, например, спектральные приборы. Очень обширна классификация каждой группы приборов, подразделенных по используемой об­ласти спектра.

Деление приборов по каким-либо основным признакам не исключает того, что оп­ределенная по одному признаку группа приборов может, в свою очередь, подразделяться по другим основным признакам. Спектральные приборы могут быть автоматическими и индикационными, активными и пассивными.

Частные классификации различных групп рассматриваются при изучений прибо­ров.

Требования, предъявляемые к приборам различных групп, могут сильно отличаться в зависимости от назначения и вида приборов. Насколько разнообразны оптико-электронные приборы, настолько и различна формулировка этих требований. При класси­фикации по основным признакам следует учитывать только общие для данной группы требования, соответствующие выполняемым функциям.

Выше отмечено, что информационные приборы должны обеспечить наиболее точ­ное воспроизведение всех деталей объекта. Подобным же образом от измерительных при­боров требуется наибольшая точность измерений, а от следящих — точность сопровожде­ния цели.

Основные достоинства оптоэлектронных приборов (ОЭП) обусловлены особенностями электромагнитных волн оптического диапазона, а так же свойствами фотона, как носителя информации. Они проявляются в следующем:

1. Высокая частота оптических колебаний ( в 10³ – 10⁵ раз больше чем в радиодиапазоне, что позволяет значительно увеличить пропускную способность систем связи).

2. Тонкая фокусировка. Теоретически допускается возможность фокусировки в точку с размерами »l/2. Эта величина определяет плотность записи оптической информации 10⁹-10¹⁰ бит/см².

3. Направленность. Угловая расходимость оптического пучка составляет величину , где А- поперечный размер излучателя.

4. Отсутствие электрической связи между отдельными узлами и блоками устройства, благодаря электрической нейтральности фотонов, как носителей оптической информации.

5. однонаправленность потока информации и отсутствие обратной связи между передатчиком и приемником.

6. Визуализация. Преобразование электрических сигналов в визуальную форму, удобную для восприятия.

7. Фоточувствительность. Это свойство ОЭП дает возможность преобразовывать оптические сигналы в электрические, а также оптические сигналы различных областей спектра в видимый диапазон (ультрафиолетовое и инфракрасное излучения).

8. Пространственная модуляция. Возможность модулировать поток фотона не только во времени, но и в пространстве. Что позволяет производить параллельную обработку информации.

Наряду с рассмотренными достоинствами оптоэлектронные приборы имеют и недостатки:

1. Низкий кпд. На сегодняшний день кпд эоп не превышает 10 – 20% (за исключением лазеров, их КПД составляет 70%). А в сложных ОЭ системах, где происходит многократное преобразование оптического и электрического сигналов, кпд падает до 1%.

2. Гибридность. В сложных ОЭ системах, где приборы изготовлены из большого числа разнородных материалов, присутствуют потери из-за поглощения и рассеивания на границах раздела оптических сред. Это приводит к дополнительному падению КПД.

3. Необходимость точной настройки оптических элементов, их подверженность механическим и тепловым воздействиям обуславливают сложность производства и большую стоимость изделий.

4. Деградация ОЭП. При воздействии внешних факторов и при длительной эксплуатации происходит ухудшение параметров и эффективности прибора, что ведет к необратимому нарушению оптических свойств.

Сведения из оптики