Оптико-электронные приборы и их применение
- 2 -
2ПЛАН
РЕФЕРАТА
1. Специальность
"Оптико-электронные приборы и системы".
2 Примеры использования лазера:
Оптико-волоконная связь;
Лазерная локация.
3. Оптроны и их применение
Особенности оптронов;
Устройство оптронов;
Применение:
- передача информации;
- замена электромеханических
изделий.
4. Выписка из правил внутреннего
распорядка
5. Список использованной литературы
- 3 -
СПЕЦИАЛЬНОСТЬ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ
УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ
Студенты по специальности
"Оптико-электронные устройства и систе-
мы" изучают область техники, которая
включает в себя совокупность
средств и методов связанных с разработкой,
изготовлением, исследовани-
ем и эксплуатацией приборов, устройств и
систем оптического диапазона
излучения.
Специалисты по данной специальности,
связанны с разработкой уст-
ройств оптических систем, объемным
изображением информации (голографи-
ей), оптическими методами контроля и
управления сложными техническими
исследованиями.
Оптическим диапазоном называется
участок спектра электромагнит-
ного излучения, соответствующий длинам волн
0,01 ... 0,38 мкм и часто-
там 3*10 512 0 ...
3*10 516 0 Гц. Со стороны более коротких волн он примыкает
к рентгеновскому диапазону, а со стороны
более длинных - к радиодиапа-
зону. Часто оптический диапазон делят на
три поддиапазона: ультрафио-
летовые, видимые, и инфракрасные волны.
К оптико-электронным приборам и
устройствам относятся различные
элементы радиоэлектронной аппаратуры:
фото- и свето- диоды, фототран-
зисторы, фоторезисторы, оптроны (делящиеся
по устройству фотоприемника
и светоизлучателя), различные
знакогенераторы (делящиеся по способу
излучения, использованного материала),
электронно-лучевые трубки (ки-
нескопы, осциллоскопы и т.д.), лазеры,
системы оптико-волоконной свя-
зи, и т.д. Слово "лазер"
составлено из первых букв английской фразы,
означающей: "усиление света при
помощи вынужденного излучения". Лазер
- это оптический квантовый генератор.
Сам лазер часто именуется по материалу
активного элемета. Так ла-
зеры делятся на: твердотельные, газовые,
газодинамические, полупровод-
никовые, жидкостные.
Лазеры нашли широкое применение в
различных отраслях: в медицине,
в авиации, в приборостроении, радиоэлектронике,
радиолокации, связи и
в других областях народного хозяйства.
Трудно представить себе человечество
без радио, так прочно оно
вошло в нашу жизнь. Но потребность в связи
растет, растет неимоверно
быстро. И на выручку приходит лазерный луч.
- 4 -
3Примеры использования
лазеров: 0
2ОПТИКО-ВОЛОКОННАЯ СВЯЗЬ 0
Атмосферные оптические системы связи
не имеют массового распрост-
ранения, в связи с серьезными недостатками:
проблемой наведения антен-
ны на корреспондента и сопровождения в
процессе связи, что обусловлено
чрезвычайно малой шириной диаграммы
направленности антенны. В случае
движущихся объектов, как, например, при
связи в космическом пространс-
тве, обеспечение требуемой точности
вызывает значительные трудности.
Другая проблема - обеспечение высокой
надежности ввиду сильного роста
потерь света за счет осадков и загрязнений
атмосферы.
Сегодня во многих случаях
электрические линии связи заменяют оп-
тическими: вместо проводов, по которым
бегут электрические сигналы,
используют оптические волокна, внутри
которых распространяется соот-
ветствующим образом промодулированное
лазерное излучение. У оптических
линий связи нет таких недостатков, как
принципиальная невозможность
идеальной развязки между входом и выходом,
чувствительность к всевоз-
можным внешним наводкам.
Оптическое волокно - это тонкая нить
из прозрачного диэлектрика,
например из кварцевого стекла, диаметром от
1 мкм до 100 мкм. Волокно
является прекрасным световодом;
излучение лазера оказывается почти
Важной характеристикой волокна
является величина потерь излучения
в волокне, отнесенная к единице длины
волокна. Потери измеряют в еди-
ницах, называемых децибелами на километр
(дБ/км).
Волоконно-оптические системы связи
применяются для соединения
АТС крупных городов, внутризоновой и
магистральной связи, магистралей
интернета. Основные достоинства: высокая
защищенность по отношению к
внешним электромагнитным помехам, большая
пропускная способность при
малом поперечном сечении волоконного кабеля
и малой погонной массе,
компактность и малое энергопотребление
оборудования.
Волоконные оптические системы связи
предназначаются в настоящее
время в основном для передачи цифровых
сигналов со скоростями передачи
8,448; 34,368; 139,264 и 564,9 Мбит/с.
Особенностью волоконных ОСС яв-
ляется также отсутствие антенн; источники
света и фотодетекторы присо-
- 5 -
единяются либо непосредственно к торцевым
частям волокна, либо через
согласующие микролинзы.
В качестве основных источников света в
аппаратуре волоконных ОСС
используются полупроводниковые инжекционные
гетеролазеры.
Используемые лазеры обеспечивают
мощность излучения до 40 мВт при
КПД до 20% и допускают модуляцию по току
накачки в полосе примерно до
1 ГГц. Особенностью передатчиков волоконных
ОСС является необходимость
стабилизации температуры лазера и тока
накачки.
На линиях малой протяженности и
небольшой пропускной способности
иногда применяются светоизлучающие диоды.
В качестве приемных устройств
используются приемники прямого де-
тектирования, в которых фотодетекторами
служат pin-фотодиоды либо ла-
винные фотодиоды.
2ЛАЗЕРНАЯ
ЛОКАЦИЯ 0
Лазерные локаторы используют как для
определения расстояния (нап-
ример между Землей и Луной), так и на
летательных аппаратах (автомати-
ческая стыковка космических кораблей),
обнаружение и опознавание уда-
ленных от наблюдателя объектов, слежение
за перемещением этих объек-
тов. Как и в радиолокации, в оптической
локации для обнаружения объек-
та и получения информации о нем
используются импульсы излучения, отра-
женные объектом. Лазерный локатор позволяет
более точно определять ко-
ординаты и скорость объекта. Более того,
он дает возможность выявлять
размеры объекта, его форму, ориентацию в
пространстве.
Преимущества лазерной локации связаны
с острой направленностью
лазерных пучков, высокой частотой
оптического излучения, исключительно
малой длительностью световых импульсов.
Высокая частота оптического излучения
позволяет более точно изме-
рить скорость объекта с помощью эффекта
Доплера.
Широко лазеры применяются в военном
деле как прицелы и указатели
цели. Под стволом автомата или винтовки
укреплен маленький лазер. Его
луч, параллельный траектории пули, дает на
мишени яркое пятно. Целить-
ся, ловить мишень в пререкрестье прицела
не нужно: издали видно, куда
попадет пуля. Точно так же наводят ракеты
и авиабомбы. Только в этих
случаях лазер устанавливают на самолете, а
за световым зайчиком следит
автоматическая система наведения на самой
ракете.
- 6 -
3Оптроны и их применение 0
Оптронами называют такие
оптоэлектронные приборы, в которых име-
ются источник и приемник излучения
(светоизлучатель и фотоприемник) с
тем или иным видом оптической и электрической
связи между ними, конс-
труктивно связанные друг с другом.
Принцип действия оптронов любого вида
основан на следующем. В из-
лучателе энергия электрического сигнала
преобразуется в световую, в
фотоприемнике, наоборот, световой сигнал
вызывает электрический отк-
лик.
По степени сложности структурной
схемы среди изделий оптронной
техники выделяют две группы приборов.
Оптопара представляет собой оп-
тоэлектронный полупроводниковый прибор,
состоящий из излучающего и фо-
топриемного элементов, между которыми
имеется оптическая связь, обес-
печивающая электрическую изоляцию между
входом и выходом. Оптоэлект-
ронная интегральная микросхема представляет
собой микросхему, состоя-
щую из одной или нескольких оптопар и
электрически соединенных с ними
одного или нескольких согласующих или
усилительных устройств.
2ОСОБЕННОСТИ ОПТРОНОВ 0
Достоинства этих приборов базируются
на общем оптоэлектронном
принципе использования электрически
нейтральных фотонов для переноса
- возможность обеспечения идеальной
электрической (гальваничес-
кой) развязки между входом и выходом;
- возможность реализации
бесконтактного оптического управления
электронными объектами;
- однонаправленность распространения
информации по оптическому
каналу, отсутствие обратной реакции
приемника на излучатель;
- широкая частотная полоса
пропускания оптрона; - невосприимчи-
вость оптических каналов связи к
воздействию элект-
ромагнитных полей, защищенность от помех и
утечки информации, а также
исключает взаимные наводки.
Оптронам присущи и определенные
недостатки: - значительная пот-
ребляемая мощность, обусловленная
необходи-
- 7 -
мостью двойного преобразования энергии; -
повышенная чувствительность
параметров и характеристик к воз-
действию высокой температуры; - более или
менее заметная временное
ухудшение параметров; - относительно
высокий уровень собственных
шумов. Однако их достоинства столь
высоки, что обеспечивают уве-
ренную
внеконкурентность оптронов среди других
приборов микроэлектроники.
2УСТРОЙСТВО
ОПТРОНОВ 0
В оптронах используются фотоприемники
различных структур, чувс-
твительные в видимой и ближней инфракрасной
области, так как именно в
этом диапазоне спектра имеются интенсивные
источники излучения и воз-
можна работа фотоприемников без
охлаждения. Оптроны принципиально мо-
гут работать в наносекундном (гигагерцовом)
диапазоне. Наиболее уни-
версальными являются фотоприемники с р-n
-переходами (диоды, транзис-
торы и т.п.), в подавляющем большинстве
случаев они изготавливаются на
основе кремния и область их максимальной
чувствительности находится
вблизи ~0.7...0.9 мкм.
Основные требования к излучателям
оптронов: спектральное согласо-
вание с выбранным фотоприемником; высокая
эффективность преобразования
энергии электрического тока в энергию
излучения; высокое быстродейс-
твие; простота и удобство возбуждения и
модуляции излучения.
Различные разновидности излучателей:
- миниатюрные лампы накали-
вания; - неоновые лампочки; -
порошковая электролюминесцентная
ячейка; - тонкопленочная
электролюминесцентная ячейка; - полупро-
водниковый инжекционный светодиод.
Первым двум видам излучателей
свойственны невысокая светоотдача,
низкая устойчивость к механическим
воздействиям, ограниченная долго-
вечность, большие габариты, полная
несовместимость с интегральной тех-
нологией. Тем не менее в отдельных видах
оптронов они могут находить
применение.
Основным наиболее универсальным видом
излучателя, используемым в
оптронах, является светодиод. Это
обусловлено следующими его достоинс-
твами: высокое значение КПД преобразования
электрической энергии в оп-
тическую; узкий спектр излучения; широта
спектрального диапазона, пе-
рекрываемого различными светодиодами;
направленность излучения; высо-
кое быстродействие; малые значения
питающих напряжений и токов; сов-
- 8 -
местимость с транзисторами и интегральными
схемами; возможность работы
как в импульсном, так и в непрерывном
режиме; высокая надежность и
долговечность; малые габариты.
Укажем, наконец, на немаловажный
факт практического совпадения
оптической плотности основных материалов,
из которых изготавливаются
излучатели (арсенид галлия и соединения на
его основе) и фотоприемники
(кремний). Это, по крайней мере
принципиально, позволяет рассчитывать
на полное оптическое согласование
генераторного и приемного блоков
оптрона.
2ПРИМЕНЕНИЕ 0
В качестве элементов гальванической
развязки оптроны применяются:
для связи блоков аппаратуры, между
которыми имеется значительная раз-
ность потенциалов; для защиты входных
цепей измерительных устройство
от помех и наводок; для сопряжения ИС,
имеющих различные потенциальные
уровни логических состояний; для развязки шин
питания от земли и т.п.
Во всех этих применениях оптроны служат
для передачи информации между
блоками, не имеющими замкнутых
электрических связей, и, как правило,
не несут самостоятельной функциональной
нагрузки.
Другая важнейшая область применения
оптронов - оптическое, бес-
контактное управление сильноточными и
высоковольтными цепями. Запуск
ми релейными устройствами и приводом
станков, коммутация силовых линий
электропитания - вот те функции, которые
выполняют управляющие оптроны
и оптронные микросхемы релейного типа.
Специфическую группу управляющих
оптронов составляют резисторные
оптроны, предназначенные для
слаботочных схем коммутации в сложных
устройствах визуального отображения
информации, выполненных на элект-
ролюминесцентных (порошковых) индикаторах,
мнемосхемах, экранах.
Создание "длинных" оптронов
(приборов с протяженным гибким воло-
коннооптическим световодом) открыло
совершенно новое направление при-
менения изделий оптронной техники - связь
на коротких расстояниях. Сю-
да относятся связи между платами внутри
ЭВМ, связи между стойками и
между отдельными ЭВМ; выносные щупы
контрольно-измерительных приборов,
аппаратура контроля высоковольтных линий
электропередач и другие ради-
оэлектронные устройства, нуждающиеся в
коротких помехозащищенных на-
дежных связях.
- 9 -
Различные оптроны (диодные,
резисторные, транзисторные) находят
применение и в чисто радиотехнических
схемах модуляции, автоматической
регулировки усиления и др.
Возможность изменения свойств
оптического канала при различных
внешних воздействиях на него позволяет
создать целую серию оптронных
датчиков: датчики влажности и
загазованности, датчика наличия в объеме
той или иной жидкости, датчики чистоты
обработки поверхности предмета,
скорости его перемещения и т.п. Особенно
широкое распространение для
ввода информации в ЭВМ получили оптроны с
открытым оптическим каналом.
Создание оптронов с фоторезисторами,
свойства которых при освеще-
нии меняются по заданному сложному закону,
позволяет моделировать ма-
тематические функции, является шагом на
пути создания функциональной
оптоэлектроники.
Применение оптронов позволяет
продвинуться в решении экологичес-
ких проблем, обеспечить абсолютную
безопасность пользователя электро-
и радиооборудованием, контроль за
состоянием окружающей среды.
ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ
Оптроны и оптронные микросхемы
эффективно применяются для переда-
чи информации между устройствами, не
имеющими замкнутых электрических
связей.
При передаче информации оптроны
используются в качестве элементов
связи, и, как правило, не несут
самостоятельной функциональной нагруз-
ки. Их применение позволяет осуществить
весьма эффективную гальвани-
ческую развязку устройств управления и
нагрузки, действующих в различ-
ных электрических условиях и режимах. С
введением оптронов резко повы-
шается помехоустойчивость каналов связи;
практически устраняются "па-
разитные" взаимодействия по цепям
"земли" и питания.
Оптронные линии связи незаменимы при
использовании аппаратуры в
условиях и режимах, опасных или
недоступных для человека. Например, в
контрольно-измерительной аппаратуре,
ядерной энергетике.
Введение оптических связей четко и
полноценно решает известные
проблемы электрического сопряжения
разнотипных электронных приборов и
устройств.
Бесконтактное управление мощными,
высоковольтными цепями по опти-
ческим каналам весьма удобно и безопасно
в сложных технических режи-
мах, характерных для многих устройств и
комплексов промышленной элект-
роники. В этой области сильны позиции
тиристорных оптронов. Оптроны с
- 10 -
фототиристорами успешно применяются также
для дистанционного управле-
ния электромоторами, двигателями
постоянного и переменного тока,
электромагнитными реле, мощными
источниками света, высоковольтными
электронными лампами и т.п.
ЗАМЕНА
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
В комплексе технических решений,
ориентированных на повышение эф-
фективности и качества устройств
автоматики, радиотехники, электросвя-
зи, промышленной и бытовой электроники,
целесообразной и полезной ме-
рой является замена электромеханических
изделий (трансформаторов, ре-
ле, потенциометров, реостатов, кнопочных
и клавишных переключателей)
более компактными, долговечными,
быстродействующими аналогами. Ведущая
роль в этом направлении отводится
оптоэлектронным приборам и устройс-
твам. Дело в том, что весьма важные
технические достоинства трансфор-
маторов и электромагнитных реле
(гальваническая развязка цепей управ-
ления и нагрузки, уверенное
функционирование в мощных, высоковольтных,
сильноточных системах) свойственны и
оптронам. Вместе с тем оптоэлект-
равление компактными и быстродействующими
оптоэлектронными трансформа-
торами, переключателями, реле уверенно
осуществляется с помощью интег-
ральных микросхем цифровой техники без
специальных средств электричес-
кого согласования.
Разработчики, проектируя
оптоэлектронные реле, естественно, не
стремятся воспроизвести все технические
особенности электромагнитных
прототипов. Однако главные из них:
гальваноразвязка входа и выхода и
уверенная коммутация высоковольтных,
сильноточных цепей - являются
обязательными для реле с оптронами. Этими
свойствами обладает группа
мощных оптоэлектронных переключателей,
выпускаемых серийно в виде го-
товых изделий.
Высокими техническими показателями
обладают полупроводниковые по-
тенциометры и переменные резисторы с
оптическим управлением. Плавное,
дистанционное, малоинерционное изменение
фотосопротивления по оптичес-
кому каналу не связано к тому же с
"паразитным" фоном (шумом, потрес-
киванием), характерным для
электромеханических потенциометров. Без
принципиальных затруднений удается организовать
перестройку фотосопро-
тивления по любому функциональному закону.
- 11 -
ВЫПИСКА ИЗ ПРАВИЛ
ВНУТРЕННЕГО РАСПОРЯДКА
"ПРАВ И
ОБЯЗАННОСТЕЙ СТУДЕНТА
ПРИ НАХОЖДЕНИИ НА ТЕРРИТОРИИ
МОСКОВСКОГО ИНСТИТУТА
РАДИОТЕХНИКИ ЭЛЕКТРОНИКИ И
АВТОМАТИКИ
(технический
университет)"
Пункт 15 настоящих Правил
гласит, что студенты должны
иметь при себе студенческие
билеты на территории университе-
та.
Необходимость студенческих
билетов является обязатель-
ной для прохода на территорию, и
он является как бы пропус-
ком на проходной.
Также, в случае нарушения
пунктов 1-14 студенческий би-
лет служит для удостоверения
личности.
Например, студент был
замечен при курении в неустанов-
ленном для этого месте; член
Администрации вправе потребо-
вать от него студенческий билет,
который должен быть у сту-
дента обязательно.
Студенческий билет также
необходим для пользования або-
нентским билетом в библиотеке,
для получения и сдачи учебной
и другой литературы.
Вторым документом студента
является Зачетная книжка.
При явке на экзамен или
зачет студент обязан иметь при
себе зачетную книжку.
- 12 -
2СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ 0
1. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника.-М.:
Сов. радио, 1977.
2. Носов Ю.Р. Оптроны и их
применение.-М.: Радио и связь, 1981.
3. Тарасов Л.В. Знакомтесь - лазеры!
-М.: Радио и связь, 1988.
4. Системы радиосвязи Под ред.
Н.И.Калашникова.-М.: Радио и
связь, 1988.
5. Транковский С.Д. Книга о
лазерах.-М.: 1988г.
6. Степанов Б.И. Лазеры сегодня и
завтра.-Минск.: 1987г.
7. Стерлигов В.Л. Лазеры в
авиации.-М.: 1977г.
8. Федоров Б.Ф. Лазерные приборы и
системы летательных аппара-
тов.-М.: 1979г.
9. Басов Н.Г. О квантовой
электронике.-М.: 1987г.
5.12.99. Вагин Р.В.