Московский государственный университет печати

Вартанян С.П.


         

Оптоэлектронные приборы и устройства в полиграфии

Учебное пособие


Вартанян С.П.
Оптоэлектронные приборы и устройства в полиграфии
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Предисловие

1.

Введение

1.1.

Историческая справка

1.2.

Взаимодействие фотонов и электронов

1.3.

Оптический диапазон

1.4.

Основные единицы измерения

2.

Элементная база оптоэлектронных приборов и устройств

2.1.

Оптоэлектронные приемники излучения

2.1.1.

Фоторезисторы

2.1.2.

Фотодиоды

2.1.3.

Фотоэлементы

2.1.4.

Фототранзисторы

2.1.5.

Фототиристоры

2.1.6.

Фотоэлектронные умножители

2.1.7.

Видиконы

2.1.8.

Сканисторы

2.1.9.

Фотодиодные линейки и матрицы

2.1.10.

Приборы с зарядовой связью

2.2.

Оптоэлектронные источники излучения

2.2.1.

Излучающие диоды

2.2.2.

Лазеры

2.2.3.

Источники свечения

2.3.

Оптические среды и эффекты в них

2.3.1.

Световоды

2.3.2.

Оптически активные среды

2.3.3.

Эффекты отклонения луча в оптических средах

2.3.4.

Жидкие кристаллы

2.3.5.

Среды, различающие цвет

3.

Типовые оптоэлектронные приборы и устройства

3.1.

Оптопары и оптроны

3.1.1.

Резисторные оптопары

3.1.2.

Диодные оптопары

3.1.3.

Транзисторные оптопары

3.1.4.

Тиристорные оптопары

3.2.

Преобразователи линейных и угловых перемещений

3.2.1.

Преобразователи линейных перемещений

3.2.2.

Преобразователи угловых перемещений

3.3.

Волоконно-оптические световоды, кабели, линии связи

3.4.

Приборы и устройства хранения информации

3.4.1.

Оптические диски с постоянной сигналограммой

3.4.2.

Оптические диски однократной записи

3.4.3.

Реверсивные оптические диски

3.5.

Индикаторы, экраны, дисплеи

3.5.1.

Индикаторы

3.5.2.

Экраны и дисплеи

4.

Оптоэлектронные компоненты издательской и полиграфической техники

4.1.

Оптоэлектронные компоненты вводных устройств

4.1.1.

Барабанные сканеры

4.1.2.

Планшетные сканеры

4.1.3.

Слайд-сканеры

4.1.4.

Листовые сканеры

4.1.5.

Ручные сканеры

4.1.6.

Устройства ручного ввода

4.1.7.

Модемы

4.1.8.

Цифровые камеры

4.1.9.

Оптические диски

4.2.

Оптоэлектронные компоненты выводных устройств

4.2.1.

Вывод на цифровую печать (computer-to-print)

4.2.2.

Вывод на фотопленку (computer-to-film)

4.2.3.

Вывод на печатную форму (computer-to-plate)

4.3.

Оптоэлектронные компоненты систем контроля и управления

4.3.1.

Системы лабораторного контроля

4.3.2.

Системы выборочного производственного контроля

4.3.3.

Системы машинного контроля

4.3.4.

Системы регулирования и управления

Заключение

Литература

Термины и определения

Глоссарий

Указатели
66   именной указатель
426   предметный указатель
94   указатель иллюстраций
47   указатель компаний
Рис. 2.1. Обозначения, конструкции и характеристики полупроводниковых фотоприемников Рис. 2.1. Обозначения, конструкции и характеристики полупроводниковых фотоприемников Рис. 2.1. Обозначения, конструкции и характеристики полупроводниковых фотоприемников Рис. 2.2. Схема фотоэлектронного умножителя Рис. 2.3. Схема видикона Рис. 2.4. Устройство, схема и диаграммы, иллюстрирующие работу сканистора Рис. 2.5. Схемы многоэлементных диодных приемников Рис. 2.6. Схема действия ФПЗС Рис. 2.7. Обозначение, конструкции и характеристики дискретных излучающих диодов Рис. 2.7. Обозначение, конструкции и характеристики дискретных излучающих диодов Рис. 2.7. Обозначение, конструкции и характеристики дискретных излучающих диодов Рис. 2.7. Обозначение, конструкции и характеристики дискретных излучающих диодов Рис. 2.8. Схемы многоэлементных светодиодных излучателей Рис. 2.9. Виды лазеров Рис. 2.10. Схемы сложения когерентных колебаний Рис. 2.11. Устройство плазменной панели Рис. 2.12. Схема люминесцентного экрана Рис. 2.13. Принцип действия световода Рис. 2.14. Спектр поглощения излучения в кварцевом волокне Рис. 2.15. Поляризация света Рис. 2.15. Поляризация света Рис. 2.15. Поляризация света Рис. 2.16. Схема оптического затвора Рис. 2.17. Схема и модуляционная характеристика электрооптического модулятора Рис. 2.18. Принцип действия акустооптического дефлектора (модулятора) Рис. 2.19. Ориентация молекул в жидкостях и жидких кристаллах Рис. 2.20. Принцип действия «твист»-эффекта в жидких кристаллах Рис. 2.21. Принцип действия призмы и дифракционной решетки Рис. 2.21. Принцип действия призмы и дифракционной решетки Рис. 2.22. Спектральные характеристики цветоделительных фильтров и зеркал Рис. 2.22. Спектральные характеристики цветоделительных фильтров и зеркал Рис. 2.10. Схемы сложения когерентных колебаний

Все многообразие оптоэлектронных элементов подразделяют на следующие группы изделий: источники и приемники излучения, индикаторы, элементы оптики и световоды, а также оптические среды, позволяющие создавать элементы управления, отображения и запоминания информации. Известно, что любая систематизация не может быть исчерпывающей, но, как верно отметил наш соотечественник, открывший в 1869 г. периодический закон химических элементов, Менделеев Д.И.Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907), наука начинается там, где появляется счет, т.е. оценка, сравнение, классификация, выявление закономерностей, определение критериев, общих признаков. Учитывая это, прежде чем приступить к описанию конкретных элементов, следует хотя бы в общих чертах дать отличительную характеристику оптоэлектронных изделий.

Как было сказано выше, главным отличительным признаком Оптоэлектроникаоптоэлектроники является связь с информацией. К примеру, если в какой-то установке для закалки стальных валов используется лазерное излучение, то вряд ли закономерно относить эту установку к оптоэлектронным устройствам (хотя сам источник лазерного излучения имеет на это право).

Было также отмечено, что к оптоэлектронным относят обычно твердотельные элементы (в Московском энергетическом институте издано учебное пособие по курсу «Оптоэлектроника» под названием «Приборы и устройства полупроводниковой оптоэлектроники»ссылка на источники литературы). Но это правило не очень жесткое, так как в отдельных изданиях по оптоэлектронике подробно рассматривается работа фотоумножителей и электронно-лучевых трубок (они относятся к типу электровакуумных приборов), газовых лазеров и других устройств, которые не являются твердотельными. Однако в полиграфии упомянутые устройства широко используют наравне с твердотельными (в том числе и полупроводниковыми), решая схожие задачи, поэтому в данном случае они имеют полное право на рассмотрение.

Следует упомянуть еще о трех отличительных чертах, которые, по мнению известного специалиста в области оптоэлектроники Носов Ю.Р.Юрия Романовича Носова, характеризуют ее как научно-техническое направлениессылка на источники литературы.

  1. Физическую основу оптоэлектроники составляют явления, методы, средства, для которых принципиальны сочетание и неразрывность оптических и электронных процессов. В широком смысле оптоэлектронное устройство определяется как прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной (ИК) или ультрафиолетовой (УФ) областях, или прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных областях.

  2. Техническую основу оптоэлектроники определяют конструктивно-технологические концепции современной микроэлектроники: миниатюризация элементов; предпочтительное развитие твердотельных плоскостных конструкций; интеграция элементов и функций.

  3. Функциональное назначение оптоэлектроники состоит в решении задач информатики: генерации (формировании) информации путем преобразования различных внешних воздействий в соответствующие электрические и оптические сигналы; переносе информации; переработке (преобразовании) информации по заданному алгоритму; хранении информации, включающем такие процессы, как запись, собственно хранение, неразрушающее считывание, стирание; отображение информации, т.е. преобразование выходных сигналов информационной системы к воспринимаемому человеком виду.

Фотоприемник Фотоприемник предназначен для преобразования светового излучения в электрические сигналы. В качестве фотоприемников могут быть использованы Фоторезисторфоторезисторы, Фотодиодфотодиоды, Фототранзисторфототранзисторы, Фототиристорфототиристоры, Фотоумножительфотоумножители и другие элементы.

Фоторезистор Фоторезистор - полупроводниковый элемент, изменяющий свое электрическое сопротивление под действием внешнего излучения. Его принцип действия основан на внутреннем фотоэффекте в полупроводниках. Фоторезистор представляет собой слой (или пленку) полупроводникового материала на подложке (или без нее) с нанесенными на него электродами, посредством которых прибор подключается к электрической цепи (рис. 2.1Рис. 2.1. Обозначения, конструкции и характеристики полупроводниковых фотоприемников). Под действием потока излучения, падающего на рабочую поверхность фоторезистора, его внутреннее сопротивление уменьшается вследствие генерации пар свободных носителей заряда (электронов и дырок), за счет чего увеличивается электропроводность полупроводника.

В качестве фоточувствительного материала в отечественных фоторезисторах широкого применения используются сульфиды и селениды кадмия и свинца (CdS, PbS, CdSe, PbSe)ссылка на источники литературы. Материалы на основе кадмия чувствительны к излучениям в видимой и ближней инфракрасной областях, а на основе свинца - на длинах волн 1-5 мкм. Представление о параметрах и характеристиках фоторезисторов, выпускаемых отечественной промышленностью, можно получить, ознакомившись с данными табл. 2.1ссылка на источники литературы.

Таблица 2.1.

Параметры некоторых отечественных фоторезисторов

Фоторезистор Материал Размеры элемента, мм Темновое Rт сопротивление, МОм Rт/Rсв не менее Темновой ток, мкА Ток (при E =  200 лк), мА
ФСK-0 CdS 4ґ7,2 1 140 15 15
СФ2-1 CdS 0,5ґ1,5 15 1000 1 1
ФПФ7-1 CdS 3,7ґ2 6 50 6 0,3
ФСД-1 CdSe 4ґ7,2 2 150 10 1,5
СФ3-2 CdSe 6ґ12 5 500 1 0,5
ФСА-4 PbS 4ґ6 0,04 1,2 Сведений нет Сведений нет
СФ4-3Д PbSe 3ґ3 0,2 Сведений нет Сведений нет Сведений нет

Световая характеристика фоторезистора I(Ф) линейна при небольших световых потоках, что соответствует закону Столетова, установившего, что число электронов, освобожденных светом за 1 с (т.е. ток), прямо пропорционально световому потоку при неизменном его спектральном составе:

I = SФ,

где I - фототок, Ф - световой поток, S - коэффициент пропорциональности, называемый чувствительностью фотоприемника.

Фоторезистор ведет себя как омическое сопротивление, т.е. его сопротивление не зависит ни от приложенного напряжения, ни от его знака.

При малых значениях освещенности сопротивление фоторезистора существенно зависит от температуры. Столь же заметным недостатком фоторезисторов при малых освещенностях является инерционность - при освещенности менее 1 лк время установления нового значения может составлять несколько секунд.

Достоинством фоторезисторов является высокая чувствительность, сравнимая с чувствительностью Фотоумножительфотоумножителей. К положительным характеристикам фоторезистора следует отнести возможность создания рабочих поверхностей приемника различной площади и протяженности, что позволяет использовать их в качестве элемента управления довольно значительными токами и в качестве датчиков перемещений объектов контроля в диапазоне нескольких миллиметров (например, в системах слежения за положением края бумажного полотна в рулонных печатных машинах) ссылка на источники литературы.

Фотодиод Фотодиод - фоточувствительный полупроводниковый диод с р-n-переходом (между двумя типами полупроводника или между полупроводником и металлом). При освещении р-n-перехода в нем возникают электронно-дырочные пары. Направление тока носителей совпадает с направлением обратного тока перехода (см. рис. 2.1Рис. 2.1. Обозначения, конструкции и характеристики полупроводниковых фотоприемников), т.е. с ростом освещенности возрастает обратный ток фотодиода.

Фотодиод может работать в двух режимах - фотодиодном и фотогенераторном. В фотодиодном режиме прибор подключается к источнику питания, при этом на анод должен подаваться «-», а на катод «+». Этому режиму соответствуют зависимости в III квадранте вольт-амперной характеристики. Зависимости, приведенные в IV квадранте, отражают фотогенераторный режим работы, когда фотодиод может использоваться без источника питания, так как сам становится источником фотоэдс, генерируя (под действием света) носители зарядов - свободные электроны. Благодаря этому фотодиод пригоден для получения электроэнергии (один фотодиод способен генерировать напряжение в диапазоне 0 - 0,4 В в зависимости от тока нагрузки, как правило, микроамперного).

Материалом для изготовления фотодиодов часто служат германий и кремний. Спектральная чувствительность германиевых фотодиодов находится в диапазоне 0,5-1,7 мкм (с максимумом на длине волны 1,2 - 1,65 мкм), а кремниевых - между 0,6 - 1 мкм (максимум на длине волны 0,8-0,95 мкм). Фотодиоды обладают большим быстродействием (особенно в фотодиодном режиме), чем фотосопротивления - они обычно способны реагировать на сигналы частотой до 10 МГц. Фотодиоды с p-i-n-переходом (введение области i повышает быстродействие) способны работать с высокочастотными сигналами порядка 1 ГГц ссылка на источники литературы. Характеристики некоторых отечественных фотодиодов приведены в табл. 2.2ссылка на источники литературы.

Таблица 2.2.

Параметры некоторых отечественных фотодиодов

Фотодиод Материал Размеры элемента, мм Темновой ток, мкА Рабочее напряжение, В Максимальная спектральная чувствительность, мкм Интегральная чувствительность, мА/лм
ФД-8K Si 2ґ2 1,0 20 0,85–0,92 0,000006
ФД-27K Si 1,9ґ1,9 1,0 20 0,80–0,95 0,0000075
ФД-256 Si 1,4ґ1,4 0,005 10 0,75–0,90 6,0
ФД-1 Ge Ж 5 30,0 20 1,50–1,60 30,0
ФД-7Г Ge Ж 2,5 8,0 10 1,50–1,55 10,0

Благодаря простоте и миниатюрности конструкции, широкому спектру чувствительности, высокому быстродействию, возможности автономного (собственного) питания и вариантности схем включения фотодиоды нашли широкое промышленное применение (в том числе и в полиграфическом оборудовании) в качестве датчиков положения, счета продукции, световых барьеров, высокочастотных преобразователей световых сигналов в электрические (в оптических линиях связи) и т.п.

Фотоэлемент Фотоэлемент - полупроводниковый фотодиод, оптимизированный для прямого преобразования излучения Солнца в электрическую энергию. Для их обозначения часто используются также термины «солнечные элементы», «солнечные батареи». Солнечные элементы работают только в фотогенераторном режиме, функционально выступая в качестве электрических источников питания.

Рабочая площадка отдельного фотоэлемента может достигать площади в несколько квадратных сантиметров, а множество фотоэлементов, объединенных в батареи или панели, могут иметь (как, например, на космических станциях) площадь, измеряемую в квадратных метрах, вырабатывать напряжение в десятки вольт и давать ток в сотни ампер. Общеизвестно применение фотоэлементов в качестве датчиков освещенности в люксметрах и экспонометрах (для фотоаппаратов, копировальных рам и т.п.).

Часто в качестве базового фоточувствительного материала в фотоэлементах используется селен или кремний. Параметры некоторых отечественных селеновых фотоэлементов представлены в табл. 2.3ссылка на источники литературы.

Таблица 2.3.

Параметры некоторых отечественных селеновых фотоэлементов

Фотоэлемент Площадь фоточувствительной площадки, см2 Фототок, мкА Освещенность при измерении фототока, лк
Ф-32С 4,6 6 105
Ф-36С 2,85 40 250
Ф-42С 6,4 6 22
Ф-54С 27,0 110 100
Ф-54С 27,0 550 500

Вследствие больших площадей фоточувствительных поверхностей фотоэлементы обладают существенной инерционностью и поэтому применяются как фотоприемники лишь для контроля сравнительно медленно меняющихся Поток световойсветовых потоков (или Освещенностьосвещенности), например, в Плейтсканерплейтсканерах.

Фототранзистор Фототранзисторы представляют собой тип дискретных опто-электронных фотоприемников, наиболее характерными чертами которого являются наличие механизма встроенного усиления (отсюда высокая фоточувствительность) и схемотехническая гибкость, обусловленная наличием третьего (правда, не всегда выводимого), управляющего электрода. В схемах замещения фототранзистор рассматривается ссылка на источники литературы как транзистор с фотодиодом, включенным между базовой (анодом к базе) и коллектором этого транзистора (как правило, типа n-р-n). Ток упомянутого фотодиода является базовым током транзистора и управляет током его коллектора.

Решение о том, нужно ли подключать к схеме (в которой используется фототранзистор) базовый электрод или оставить его неподключенным, зависит от выбранной схемы. Фототранзисторы, у которых базовый электрод вообще не выведен, иногда называют двойным фотодиодом ссылка на источники литературы.

Чувствительность фототранзистора значительно выше, чем у фотодиода, за счет внутреннего усиления (коэффициент усиления Kу обычно равен 50-200). Еще большее усиление может быть получено в составном фототранзисторе (Kу = 1000 - 10000). В то же время фототранзисторам присуща заметная инерционность (см. табл. 2.4 ссылка на источники литературы), что ограничивает область их применения в основном устройствами автоматики и управления силовыми цепями.

Таблица 2.4.

Сравнение параметров фотоприемников различных типов (приведенные в таблице фотоприемники используются в оптронах)

Фотоприемник Kоэффициент передачи, % Полоса частот, МГц
Фотодиод 0,1 0–10
Фототранзистор 30 0–0,3
Составной фототранзистор 300 0–0,03

Спектральная чувствительность у фототранзисторов такая же, как у соответствующих фотодиодов. Область применения фототранзисторов схожа с областью применения фотодиодов, с учетом их меньшего быстродействия и большего коэффициента передачи, например, при слабых световых сигналах, при больших (в сравнении с фотодиодом) расстояниях между источником света и фотоприемником. Параметры некоторых отечественных фототранзисторов приведены в табл. 2.5 ссылка на источники литературы.

Таблица 2.5.

Параметры некоторых отечественных фототранзисторов

Фототранзистор Размеры элемента, мм2 Темновой ток, мкА, не более Рабочее напряжение, В Максимальная спектральная чувствительность, мкм Интегральная чувствительность, мкА/лк Импульсная постоянная времени, с
ФТ-1K 2,8 3 5 0,8–0,9 0,4 0,00008
ФТ-2Г 1,0 500 12–24 1,5–1,6 2,0 0,00001
ФТ-3 3,0 60 5–10 1,5–1,55 1,0 0,0001
ФТГ-5 3,0 50 5–10 1,5–1,55 1,0 0,00002
KТФ109А 2,0 Сведений нет 5 0,83 0,25 А/Вт Сведений нет

Фототранзисторы применяют в качестве аналоговых и ключевых приемников излучения (например, см. о координатной рамке ЭОК в гл. 4), а также в оптопарах (см. о транзисторных оптопарах в гл. 3).

Фототиристор Фототиристор - это тиристор, который включается воздействием светового потока. При освещении фототиристора в полупроводнике генерируются носители заряда обоих знаков (электроны и дырки), что приводит к увеличению тока через тиристор на величину фототока.

Фототиристор имеет четырехслойную р-n-р-n-структуру, которую, как и в обычном тиристоре, можно представить в виде комбинации двух транзисторов, имеющих положительную обратную связь по току. Переход фототиристора под действием светового управляющего сигнала из закрытого состояния в открытое осуществляется при достижении уровня тока срабатывания Iср скачком после преодоления определенного потенциального барьера (см. ВАХ фототиристора на рис. 2.1Рис. 2.1. Обозначения, конструкции и характеристики полупроводниковых фотоприемников).

Основное достоинство фототиристоров - способность переключать значительные токи и напряжения слабыми световыми сигналами - используется в устройствах «силовой» оптоэлектроники, таких, как системы управления исполнительными механизмами, выпрямителями и преобразователями. Как и фототранзисторы, фототиристоры часто применяются совместно с подобранными по характеристикам излучателями, в виде оптопар. Некоторые параметры тиристорных оптопар (оптронов) приведены в разд. 3.1.4 (см. гл. 3).

Фотоэлектронный умножитель Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - это усилитель слабых фототоков, действие которого основано на вторичной электронной эмиссии. Честь создания ФЭУ принадлежит нашему соотечественнику, физику Кубецкий Л.А.Леониду Александровичу Кубецкому (1906-1959), который в 1930-1934 гг. разработал фотоумножитель для регистрации слабых электромагнитных излучений оптического диапазона.

Конструктивно ФЭУ представляет собой стеклянный баллон с торцевым или боковым рабочим окном (на рис. 2.2Рис. 2.2. Схема фотоэлектронного умножителя представлен торцевой вариант) и расположенными внутри баллона электродами: катодом, чередой динодов и анодом. За катодом, как правило, располагается фокусирующий электрод.

Измеряемый поток света через рабочее окно попадает на катод, выбивая из него электроны (внешний фотоэффект). Согласно основному закону фотоэффекта фототок, возникающий в фотоэлементе под действием света, прямо пропорционален падающему на него световому потоку. Особенность ФЭУ как фотоприемника заключается в том, что благодаря системе динодов коэффициент пропорциональности удается поднять в миллионы раз (до восьми порядков). Для этого на ФЭУ подается напряжение от высоковольтного источника (в зависимости от количества динодов - от 500 до 1500 В), причем делитель напряжения распределяет потенциалы между электродами равномерно, ориентировочно по 100 В на каскад. Вылетающие из катода электроны под действием разности потенциалов между катодом и ближайшим к нему динодом притягиваются к последнему. Этому процессу способствует и фокусирующий электрод, концентрирующий поток электронов именно в этом направлении.

Диноды изготовлены из материалов, обладающих высоким коэффициентом вторичной эмиссии, так что поток электронов от динода к диноду возрастает многократно и по сопротивлению нагрузки в анодной цепи ФЭУ протекает усиленный ток, значение которого пропорционально потоку света, упавшему на катод.

Особенности конструкции (большие расстояния между электродами) предопределяют чрезвычайно высокое внутреннее сопротивление ФЭУ в темновом режиме и, следовательно, исчезающе малые темновые токи (шумы) - на уровне наноампер. Поэтому ФЭУ способен реагировать на самые слабые световые сигналы, вплоть до единичных фотонов. Это обстоятельство и дает при высокой интегральной анодной чувствительности (1 А/лм и выше) широкий динамический диапазон (определяемый отношением максимального и минимального сигналов) - более 10000.

Спектральный диапазон ФЭУ для полиграфических целей также безупречен, так как превышает весь видимый (0,38-0,78 мкм) спектр световых волн и захватывает как инфракрасную, так и ультрафиолетовую зоны (например, сурьмяно-цезиевые фотокатоды типа Sb-K-Na-Cs имеют область спектральной чувствительности в диапазоне длин волн 0,3-0,8 мкм ссылка на источники литературы).

Как известно, недостатки являются продолжением достоинств. ФЭУ не является исключением из этого правила. Высокая чувствительность предъявляет очень жесткие требования к стабильности условий измерения, в том числе и к стабильности питающего напряжения. Выполнить эти требования сложно, учитывая, что питание ФЭУ высоковольтное. К тому же высоковольтность фотоприемника требует дополнительных мер по согласованию сигнала ФЭУ с низковольтными полупроводниковыми элементами последующих преобразователей.

Общее представление о характеристиках ФЭУ можно получить, ознакомившись с данными табл. 2.6 ссылка на источники литературы.

Таблица 2.6.

Параметры некоторых отечественных фотоумножителей

Фотоумножитель Размеры фотокатода, мм Темновой ток, мкА, не более Рабочее напряжение, В Область спектральной чувствительности, мкм Интегральная чувствительность, А/лм Тип оптического входа
ФЭУ-22 16ґ5 0,02 1400 0,40–1,10 4,5 Боковой
ФЭУ-26 5ґ2 0,05 850 0,32–0,60 1,0 Боковой
ФЭУ-27 Ж 25 0,005 1100 0,32–0,75 1,0 Торцевой
ФЭУ-68 Ж 12 0,01 1300 0,30–0,82 1,0 Торцевой

Фотоумножители применяются в качестве чувствительных элементов в высококлассных барабанных сканерах (более подробно об этом см. в гл. 4).

В отличие от рассмотренных выше фотоприемников, как бы точечного типа (или дискретных, от discrete - рассматривать отдельно, расчлененно), существуют фотоприемники, которые способны воспринимать все изображение целиком, со всеми его перепадами яркостей (или светлот), цветов, полутонов. К таким приемникам относится большой класс приборов, разработанных для телевидения, но представляющих интерес в данном случае как естественный (и исторический) мостик между вакуумными приборами (типа ФЭУ) и твердотельными матричными приемниками (типа приборов с зарядовой связью). В телевидении эти приборы называют ссылка на источники литературы передающими трубками.

Идея создания передающей трубки с фотопроводящей мишенью принадлежит нашему соотечественнику, электротехнику Чернышев А.А.Александру Алексеевичу Чернышеву (1882-1940), который высказал ее в 1925 г. Однако первые эксплуатационные образцы таких трубок появились лишь в 1950 г., после того как были разработаны полупроводниковые слои, меняющие свою электропроводность под действием света ссылка на источники литературы. Примером такой передающей трубки является видикон (рис. 2.3Рис. 2.3. Схема видикона).

Видикон Видикон - электронно-лучевой прибор с фотопроводящей мишенью, преобразующий оптическое изображение в электрический сигнал. В качестве фотопроводящего слоя, обладающего внутренним фотоэффектом, используются кремний, окись свинца, селенид кадмия и др. Часто наименование прибора связано с химическим составом фотопроводящего слоя; например, видикон с фотопроводящим слоем на основе кремния (Si) назван кремниконом, на основе свинца (Pb) - плюмбиконом, на основе кадмия (Cd) - кадмиконом ссылка на источники литературы.

Основными элементами видикона являются фотомишень и электронный прожектор. Фотомишень представляет собой стеклянную пластину, закрепленную в торце передающей трубки, на которую нанесен тонкий прозрачный для света (прозрачность более 90%) проводящий слой золота, платины или другого проводника, поверх которого испарением в вакууме напылен фотослой толщиной 1-3 мкм из упомянутых выше материалов на основании Si (в случае кремникона) или иного полупроводника.

Выводом сигнальной пластины служит металлическое кольцо, электрически контактирующее с проводящим слоем пластины. В неосвещенном состоянии фотослой обладает очень высоким сопротивлением (около 1000 ГОм/см), так что две его стороны (одна из которых контактирует с проводящим прозрачным слоем и обращена к объекту съемки, а вторая «прощупывается» электронным лучом прожектора и обращена внутрь трубки) образуют как бы панель (матрицу) миниатюрных конденсаторов, площадь обкладки каждого из которых определяется диаметром электронного луча, пробегающего за цикл опроса (кадр) построчно все элементы (конденсаторы) фотомишени. Если элемент фотомишени освещен, то его сопротивление падает примерно в 100 раз, и элементарный конденсатор, будучи ранее заряженным, за время между опросами может разряжаться до уровня напряжения, зависящего от степени освещенности.

Электронный луч в видиконе одновременно выполняет роль развертывающего элемента и коммутатора цепи заряда каждого элемента мишени. Диаметр луча определяет разрешающую способность мишени. При размере мишени 9,5×12,5 мм и диаметре луча около 15 мкм ссылка на источники литературы площадь мишени как бы разлагается на 527300 (633×833) элементарных фотоприемников, что вполне достаточно для передачи высококачественного телевизионного изображения. Пучок электронов, испускаемый подогретым катодом и направляемый к мишени системой электродов (управляющих, первого и второго анодов, выравнивающей сетки) и электромагнитных сил корректирующих и фокусирующих катушек, замыкает цепь между катодом и «обкладкой» элементарного конденсатора, дозаряжая последний до потенциала катода. Ток заряда, пропорциональный разнице потенциалов катода и «обкладки» (которая, в свою очередь, пропорциональна падающему на элемент световому потоку), протекает по сопротивлению нагрузки Rн , создает выходной сигнал Uc .

Мишени видиконов отличаются большим разнообразием, но могут быть поделены на фоторезистивные и фотодиодные. В фоторезистивных мишенях процесс разряда определяется сопротивлением фотопроводящего слоя. В фотодиодных мишенях разряд определяется еще и свойствами р-n-перехода полупроводникового материала, что обеспечивает лучшее разделение световых носителей, большую линейность световой характеристики, безынерционность и высокую чувствительность. В частности, мишень кремникона представляет собой фотодиодную матрицу с мозаикой р-n-переходов (более 1000000 переходов) ссылка на источники литературы.

Сориентироваться в характеристиках видиконов можно, ознакомившись с основными параметрами отечественной передающей телевизионной трубки ЛИ 421-1:

Напряжение накала катода, В 6,3
Напряжение Uа первого анода, В 300,0
Напряжение Uа второго анода, В 300,0
Напряжение Uв выравнивающей сетки, В 400-500
Напряжение Uпс сигнальной пластины, В 10-125
Ток сигнала, мкА, не менее 0,1
Разрешающая способность по полю изображения, линии, не менее 600
Остаточный сигнал после прекращения освещения мишени через 40 мс, % не более 40
Темновой ток, мкА, не более 0,15
Геометрические искажения, %, не более 2
Рабочая площадь мишени, мм 9,5×12,7
Спектральная чувствительность в диапазоне длин волн, мкм 0,35-0,78
Освещенность мишени, лк, не более 1000
Диапазон рабочих температур мишени, °С -40... +60
Гарантийная наработка, ч, не менее 1600

Обладая несомненными достоинствами (многоэлементность восприятия изображения, быстродействие), видиконы сохраняют недостатки, присущие вакуумным электронно-лучевым приборам: объемность, а следовательно и нетехнологичность изготовления (по сравнению с плоскостными), высоковольтное питание со всеми последствиями (см. ФЭУ). Желание освободиться от этих недостатков, сохранив достоинства, привело разработчиков, конструкторов и технологов производства электронно-оптических приборов к созданию матричных фотоприемников, к которым относятся сканисторы, фотодиодные матрицы, фоточувствительные приборы с зарядовой связью.

Сканистор Сканистор (от слов скани[рование] и [транзи]стор) представляет собой полупроводниковый преобразователь пространственного распределения светового потока в адекватную ему последовательность электрических сигналов (видеосигнал). Сканистор считается ссылка на источники литературы твердотельным аналогом передающего электронно-лучевого прибора, основанным на внутреннем фотоэффекте. Преобразующим светочувствительным элементом сканистора является транзисторная структура р-n-р- или n-р-n-типа. В качестве исходного полупроводникового материала транзисторной структуры обычно используют кремний. Отличительными особенностями сканистора являются высокое быстродействие, надежность в эксплуатации, длительный срок службы, малые габаритные размеры и масса.

Эквивалентную схему транзисторной структуры сканистора можно представить в виде достаточно большого числа Фотодиодфотодиодов и Диод вентильныйвентильных диодов, соединенных попарно и включенных навстрерания соседних диодных цепочек. К низкоомной эмиттерной области прикладывается пилообразное напряжение развертки, которое последовательно открывает вентильные диоды, осуществляя таким образом сканирование (опрос) каждой пары диодов.

При отсутствии светового потока сигнал на выходе цепочки фотодиод - вентильный диод равен нулю, поскольку токи утечки фотодиодов и вентильных диодов одинаковы по значению, но противоположны по направлению. При воздействии на сканистор светового потока в фотодиодах возникают фототоки, которые суммируются и создают ступенчатый выходной сигнал, величина каждой ступени которого пропорциональна световому потоку, падающему на соответствующий диод. Дифференцирующий усилитель сканистора преобразует ступенчатый выходной сигнал в последовательность видеоимпульсов, амплитуда которых также пропорциональна световому потоку (см. диаграммы на рис. 2.4Рис. 2.4. Устройство, схема и диаграммы, иллюстрирующие работу сканистора).

Основные параметры сканисторов:

Пороговая чувствительность, лк 30-50
Разрешающая способность, лин/мм 10-20
Частота опроса, цикл/с более 1000

Разработаны конструкции сканисторов строчного и матричного типов с однородным и ячеистым (в виде отдельных р-n-переходов) растрами. Сканисторы применяют в фототелеграфии, в системах оптической обработки информации, а также в колориметрах и спектрофотометрах ссылка на источники литературы.

Многоэлементные фотодиодные приемники предназначены для преобразования двухмерной (распределенной по площади) оптической информации от изображения в одномерную временную последовательность электрических сигналов. Они выпускаются в виде линеек и матриц. В Линейка фотодиоднаялинейках фотодиоды расположены в ряд (строку, линию) с равномерным небольшим шагом, а Матрица фотодиоднаяматричные представляют собой набор таких линеек. Параметры некоторых многоэлементных твердотельных фотодиодов (Multi-Element Monolithic Type Photodiodes), выпускаемых японской фирмой Hamamatsu Photonics K.K. (Solid State Division)Hamamatsu Photonics K.K. (Solid State Division), приведены а табл. 2.7 ссылка на источники литературы.

Таблица 2.7.

Параметры некоторых многоэлементных фотодиодов

Шифр прибора Число элементов Размеры элемента, мм Область спектральной чувствительности, мкм Основная область применения
S1651 2ґ2 0,30ґ0,60 0,40–1,06 Дисководы оптических дисков
S1671 2ґ2 1,70ґ2,80 0,40–1,06 Датчики позиционирования
S2311 35...46 4,40ґ0,94 0,19–1,10 Многоканальные спектрофотометры, анализаторы цвета, оптического спектра
S2312 35...46 4,40ґ0,94 0,19–1,00
S2313 35...46 4,40ґ0,94 0,19–1,05

Развертка изображения осуществляется последовательным считыванием сигналов каждого из фотодиодов линейки, а в матричном варианте - путем поочередного опроса каждой линейки (и каждого фотодиода в линейке). В линейке одни электроды, например аноды фотодиодов, объединены в одну шину (рис. 2.5Рис. 2.5. Схемы многоэлементных диодных приемников), а другие, в данном случае - катоды, выведены на коммутатор (например, на транзисторных ключах). Коммутатор подключает каждый фотодиод к измерительной цепи, которая в простейшем случае может включать в себя источник питания и сопротивление нагрузки. В электронике режим последовательного опроса состояний большого числа элементов и передачи их на один вход называется Режим мультиплексный мультиплексным (а устройство, организующее такой опрос, - Мультиплексор мультиплексором) ссылка на источники литературы.

В матричном варианте фотодиоды подключаются одним электродом к горизонтальной шине (те же аноды), а другим - к вертикальной (катоды). Шины, в свою очередь, также подключены к коммутаторам (мультиплексорам), которые, как и в случае с линейкой, включают последовательно каждый из фотодиодов в измерительную цепь. В результате организованного мультиплексирования последовательное подключение вертикальных шин образует развертку по строке (линии, ряду), а переход с одного горизонтального ряда на следующий - развертку по кадру. Так, на выходе схемы образуется последовательность импульсов (видеосигнал), амплитуда которых соответствует освещенности того или иного элемента матрицы.

Фотодиодные линейки и матрицы используются в современных Спектрофотометрспектрофотометрах, Сканерсканерах и других устройствах ввода оптической информации.

Фоточувствительный прибор с зарядовой связью Фоточувствительный прибор с зарядовой связью (ФПЗС) - это фотоприемник, воспринимающий изображение, осуществляющий его разложение на элементарные фрагменты, поэлементное электронное считывание (сканирование) и формирование на выходе видеосигнала, адекватного изображению. ФПЗС, являющийся многоэлементным фотоприемником, выпускается в матричном или линейном виде, достигая в наиболее современных образцах нескольких тысяч элементов для линеек и нескольких миллионов - для матриц. Характеристики некоторых отечественных ФПЗС приведены в табл. 2.8 ссылка на источники литературы.

Таблица 2.8.

Параметры некоторых отечественных ФПЗС

Тип прибора Число элементов Диапазон спектральной чувствительности, мкм Вольтовая чувствительность, мВ/лк Частота опроса, МГц Габаритные размеры, мм
ФПЗС1Л 500 0,5–0,1 3,0 Сведений нет 29,5ґ14, 7ґ3, 3
ФПЗС3М 256ґ288 0,4–1,0 30,0 Сведений нет 19,5ґ15, 75ґ2, 98
1200ЦЛ1 1024 0,5–1,0 2,4 0,05–3 29,1ґ14, 7ґ3, 95
1200ЦЛ2 2048 0,36–1,0 8,0 0,1–3 29,1ґ14, 7ґ3, 95
1200ЦМ2А 576ґ360 0,5–1,0 10,0 Сведений нет 42,5ґ24, 7ґ5, 5

Для ФПЗС существенна близость расположения элементов друг к другу - расстояния между ними измеряются единицами микрометров, что приводит к частичному перекрытию электрических полей соседних элементов и к возникновению собственно явления переноса заряда из одного элемента в другой (явление зарядовой связи).

Принцип зарядовой связи иллюстрируется на рис. 2.6Рис. 2.6. Схема действия ФПЗС. ФПЗС представляет собой микросхему на полупроводниковом кристалле (кремний), поверхность которого покрыта слоем (0,1 мкм) диэлектрика (окись кремния), а на этот слой нанесены прозрачные электроды (алюминий или поликремний). Размеры электродов измеряются единицами микрометров, а расстояния между ними составляют менее 1-2 мкм. Строка от строки отделяются узкими областями так называемой стоп-канальной диффузии.

Если на электрод подать напряжение 5-10 В, то под ним, за тонким слоем диэлектрика образуется так называемая потенциальная яма, так как носители зарядов одноименного (+) с потенциалом электрода знака будут оттеснены в глубину кристалла под действием сил, отталкивающих (по закону Кулона) одноименные заряды. При освещении этого участка появившиеся в результате поглощения фотонов свободные электроны будут скапливаться (благодаря силам притяжения того же кулоновского закона) под притягивающим их электродом в так называемый зарядовый пакет. Чем больше световой поток на данном участке, тем больше будет зарядовый пакет. Таким образом, элементарная ячейка ФПЗС представляет собой миниатюрный МОП-конденсаторМОП-конденсатор (аббревиатурой МОП принято обозначать микросхемы, изготовленные по технологии металл-окисел-полупроводник), способный удерживать заряд, пропорциональный падающему на элемент световому потоку.

Время хранения заряда невелико - 1-100 мс (может измениться освещенность участка, электроны могут рекомбинировать с дырками или притянуться другим электрическим полем - «рассосаться» и т.п., но при высоких частотах опроса эти процессы не успевают реализоваться).

Вследствие близости электродов зарядовый пакет может быть передвинут под соседний электрод, если потенциал там окажется выше и, следовательно, потенциальная яма глубже. Чередуя разность потенциалов на соседних электродах определенным образом, можно передвинуть сформированный под действием света зарядовый пакет вдоль линейки или вдоль строки в матрице и «снять» его с последнего элемента ряда. Временная последовательность зарядовых пакетов, переданная по элементам строки на ее выход, образует видеосигнал. В случае матричного ФПЗС видеосигналы отдельных рядов, передаваясь последовательно один за другим, образуют видеосигнал кадра изображения.

Собственно ПЗС может быть использован и по другому назначению - как элемент памяти, хранения информации или как линия задержки электрического сигнала. Для отличия от этих применений и используется аббревиатура ФПЗС. Однако на практике литеру «Ф» часто опускают, если в какой-то отрасли (как, например, полиграфии) эти приборы используются по одному назначению - в качестве фотоприемников. Поэтому в литературе распространено употребление терминов «ПЗС-линейка», «ПЗС-матрица».

Наиболее широкое применение в полиграфии ПЗС-фотоприемникПЗС-фотоприемники нашли в разнообразных сканерах (ручных, листовых, планшетных), цифровых фотоаппаратах и других устройствах оцифровки изображений (слайд-сканерах и т.п.).

На этом завершается краткий обзор приемников излучения. По каждому из них можно найти специальную литературу и ознакомиться с тем или иным прибором более подробно. В данном случае преследовалась цель дать общее представление о различных типах фотоприемников для общего понимания принципа их действия, возможностей, ограничений и сферы применения, что поможет разобраться в работе устройств, имеющих применение в полиграфии.

Неизменным спутником фотоприемников в различных оптоэлектронных устройствах являются источники излучения. В полиграфии используются источники самых различных видов и типов - Лампа накаливаниялампы накаливания, Фонарь дуговойдуговые фонари, Лампа ртутнаяртутные и Лампа металлогалогеннаяметаллогалогенные лампы, Источник света люминесцентныйлюминесцентные источники света, Излучатель лазерныйлазерные и Излучатель светодиодныйсветодиодные излучатели. Однако собственно к оптоэлектронным источникам излучения относят ссылка на источники литературы, как правило, лазерные и светодиодные. Им ниже и будет уделено основное внимание.

Перечисленные в начале данной главы характерные черты оптоэлектронных приборов и устройств позволяют обрисовать признаки отличия оптоэлектронных источников излучения. К таким общим чертам, как миниатюрность элементов и, в большинстве случаев, твердотельность, конструктивность изготовления по плоскостным технологиям (присущую интегральным микросхемам), можно добавить, исходя из информационной составляющей определения оптоэлектроники, управляемость и связанные с этим узконаправленность и быстродействие. Более детально эти признаки будут раскрыты при дальнейшем рассмотрении, но исходя даже из знакомства с предыдущим материалом можно сказать, что такими характеристиками могут обладать Излучатель полупроводниковыйполупроводниковые излучатели.

В основе работы источников излучения оптического диапазона лежит одно из следующих физических явлений: тепловое излучение, разряд в газовой среде, люминесценция, индуцированное излучение. Действие Диод излучающий излучающих диодов основано на явлении Люминесценция люминесценции, а точнее - Электролюминесценция электролюминесценции. Для возникновения люминесценции в полупроводнике необходимо привести его в возбужденное состояние с помощью каких-либо внешних источников энергии. При воздействии электрического поля или тока возникает электролюминесценция.

История создания излучающих диодов ведется от упомянутого в первой главе Свечение Лосева«свечения Лосева». В 1923 г. Лосев О.В.О.В. Лосев, исследуя точечно-контактные карбидокремниевые детекторы, обнаружил, что при пропускании через них электрического тока может возникнуть зеленовато-голубое свечение ссылка на источники литературы. Практического применения тогда этот эффект не получил, но в 1955 г. ученые обнаружили инфракрасное излучение при пропускании тока через диод на кристалле арсенида галлия (GaAs). В 1962 г. другой полупроводник (на основе фосфида галлия) засветился красным светом. Эти две даты и определяют время рождения светодиодов.

Возбужденные электроны (а возбуждаются они электрическим полем), переходя из зоны проводимости в валентную зону, испускают кванты энергии. Согласно зависимости, связывающей энергию и частоту излучаемых колебаний (произведение энергии [эВ] на длину волны [мкм] равно числу 1,23), для излучения в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра требуется энергия 1-3 эВ [1,23 : 1,1 = 1,1...1,23 : 0,4 = 3,1]. Именно в этих пределах находится энергия, необходимая для преодоления запрещенной зоны у кремния (Si), арсенида галлия (GaAs) и фосфида галлия (GaP): 1,12; 1,4; 2,27 эВ.

Создавая полупроводниковые материалы, с помощью тех или иных примесей (в строго определенных пропорциях) ученые и технологи научились получать полупроводниковые источники, излучающие в диапазоне от инфракрасного до голубого (наиболее сложно реализуемого, особенно по мощности, излучения). Параметры некоторых светодиодов на основе различных полупроводников приведены в табл. 2.9 ссылка на источники литературы.

Таблица 2.9.

Параметры различных по цвету свечения излучающих диодов

Цвет свечения Длина волны, мкм Материал полупроводника Напряжение питания, В (при 10 мА) Мощность излучения, мкВт (при токе 10 мА)
Зеленый 0,565 Ga–P 2.2–2,4 1,5–8,0
Желтый 0,583 Ga–P–As 2,0–2.2 3,0–8,0
Оранжвый 0,635 Ga–P–As 2,0–2.2 5,0–10,0
Kрасный 0,655 Ga–As–P 1,6–1,8 1,0–2,0
ИK 0,900 Ga–As 1,3–1,5 100,0–500,0

 

Характеристики, представленные в табл. 2.9, иллюстрируются на рис. 2.7Рис. 2.7. Обозначение, конструкции и характеристики дискретных излучающих диодов (на графике вольт-амперных характеристик выделена область, определяемая напряжениями питания в достаточно узком диапазоне 1,2-2,5 В, и следует заметить, что у большинства светодиодов уровни предельных обратных напряжений также невелики - в пределах 2,5-5 В, поэтому в цепь питания светодиода необходимо, как правило, включать ограничительное сопротивление). Графики спектральных характеристик свидетельствуют о достаточно узких полосах излучения светодиодов (во второй графе табл. 2.9 указаны значения длин волн максимумов излучения), имеющих ширину (на уровне 0,5 от максимального излучения) в несколько десятков нанометров.

Важной характеристикой любого излучателя является направленность излучения. Пространственное распределение излучения характеризуется фотометрическим телом излучателя, а в случае его симметрии - диаграммой направленности. На рис. 2.7Рис. 2.7. Обозначение, конструкции и характеристики дискретных излучающих диодов приведено несколько типовых диаграмм, характерных для излучателей разных видов (ненаправленные характерны для ламп накаливания, луч - для лазеров). Диаграммы со слабовыраженной направленностью характерны для индикаторных светодиодов в пластмассовых корпусах (для них важен сам факт свечения или тушения), а для излучающих диодов, используемых в датчиках или записывающих устройствах, характерны направленные и остронаправленные диаграммы излучения.

Поскольку рабочее питание на излучающие диоды подается в прямом направлении (свечение возникает при положительном потенциале на анодном выводе диода), для работы на переменном токе выпускаются диодные сборки, в которых (см. рис. 2.7Рис. 2.7. Обозначение, конструкции и характеристики дискретных излучающих диодов) два диода включены встречно-параллельно. В этом варианте каждый диод работает только полпериода синусоидального цикла. При этом важно не забыть, что ограничительное сопротивление в цепи питания диода не должно допустить повышенных обратных напряжений на запертом диоде.

Выпускаются также диодные сборки (см. рис. 2.7Рис. 2.7. Обозначение, конструкции и характеристики дискретных излучающих диодов), дающие световой поток с изменяемым цветом свечения. В таких сборках объединяются два диода с разным цветом свечения (как правило, зеленый и красный), что позволяет излучать не только тот или иной основной цвет, но и промежуточные (например, желто-зеленый, желтый, оранжевый). Пока не созданы диоды с интенсивным свечением синего цвета, равным по яркости зеленому и красному, иначе на таких диодных сборках можно было бы создавать полноцветные светодиодные табло и экраны (об экранах более подробно см. гл. 3).

Строго говоря, под светом подразумевается видимое человеческим глазом излучение, поэтому и светодиодами следует называть диоды, излучающие в видимом диапазоне спектра. Однако физические параметры излучения прилегающей к видимой зоне инфракрасной области спектра мало чем (кроме частоты колебаний) отличаются от световых волн, поэтому термин «светодиод» часто применяют и к ИК-диодам, хотя термин «излучающий диод» в этом случае более точен.

Естественным развитием элементной базы класса излучающих диодов можно считать появление светодиодных сборок в виде цифровых, буквенно-цифровых и графических индикаторов, широко используемых в индикаторных панелях и табло. В этом назначении они используются и в полиграфии. Сведения об этих элементах можно найти в справочной литературе, например ссылка на источники литературы.

Для того чтобы высветить тот или иной символ, необходимо управлять свечением (или гашением) каждого элемента. С этой целью, как и в фотодиодных линейках и матрицах (см. п. 2.2.1), питание на отдельные элементы светодиодных линеек и матриц подается в мультиплексном режиме. При этом если в сборке общее число элементов равно m, то каждый из элементов работает как бы в мигающем режиме, зажигаясь на 1/m времени цикла обегания всех элементов. Если частота циклов мультиплексирования выше 10-15 Гц, то по Закон Тальботазакону Тальбота мигающие элементы кажутся светящимися постоянно, но с меньшей яркостью (яркость может быть повышена путем пропускания через светодиод большего тока).

Выпускаемые в различных исполнениях Линейка светодиоднаясветодиодные линейки и Матрица светодиоднаяматрицы (рис. 2.8Рис. 2.8. Схемы многоэлементных светодиодных излучателей) нашли применение в полиграфических сканирующих и записывающих устройствах. В сканерах они используются в качестве линейных осветителей (например, в ручном сканере, описываемом в гл. 4). В записывающих головках рекордеров, имиджсеттеров, цифровых печатных машин светодиодные линейки и матрицы осуществляют запись информации на светочувствительный материал - Фотопленкафотопленку, фоторезисторную пленку, электрографический цилиндр и т.п. (подробнее об этом см в гл. 4).

Особенностью этих элементов является необходимость синхронизации их работы с высокочастотным информационным сигналом (каждый импульс сигнала предназначается определенному светодиоду в линейке или матрице). Задача подключения в требуемый момент того или иного светодиода к источнику сигнала выполняется электронными коммутаторами, управляемыми по циклическим программам.

Особый класс излучающих диодов составляют так называемые Диод лазерныйлазерные диоды (полупроводниковые лазеры), но до их рассмотрения следует ознакомиться с особенностями лазерного излучения.

Основными отличительными чертами Излучение лазерноелазерного излучения являются монохроматичность, когерентность и лучевая направленность. Чтобы представить, насколько лазерное излучение «монохроматичнее» светодиодного (которое представляется тоже одноцветным), можно сопоставить степень монохроматичности того и другого вида источников, которая оценивается отношением ширины полосы спектра излучения к длине волны максимума спектральной характеристики. Для светодиодов степень монохроматичности оценивается величинами порядка 0,05 - 0,1, а для лазеров - менее 0,000001 ссылка на источники литературы. То есть длину волны лазерного излучения определяют с точностью до третьего-четвертого знака после запятой, иначе говоря, лазер излучает практически строго на одной длине волны.

Лазер Лазер является источником излучения, у которого принцип действия и параметры излучаемого потока коренным образом отличаются от характеристик всех предшествующих источников, так что иногда их в оптоэлектронике называют «долазерными излучателями» ссылка на источники литературы. Лазерное излучение относится к виду индуцированного излучения, предсказанного Эйнштейн А.А. Эйнштейном в 1917 г. (см. гл. 1) и реализованного в первых лазерах (1954 г.). В настоящее время основными видами лазеров являются газовые (на углекислом газе, гелий-неоновые, аргоновые), жидкостные (к жидкостным относятся и лазеры на стекле, которое аморфно, как и жидкости, поэтому считается переохлажденной жидкостью), твердотельные (на рубине, гранате, неодиме) и полупроводниковые (на кристаллах полупроводниковых материалов, например GaAs). В полиграфии применяются практически все виды лазеров (возможно, кроме жидкостных).

Схемы устройства твердотельных, газовых и полупроводниковых лазеров приведены на рис. 2.9Рис. 2.9. Виды лазеров, а технические характеристики некоторых из них - в табл. 2.10 ссылка на источники литературы.

Таблица 2.10.

Параметры некоторых отечественных лазеров

Марка лазера и его вид                Активное вещество Длина волны излучения, мкм Мощность (энергия) излучения Режим работы Расходимость луча Потребляемая мощность, Вт
ЛГН-222 (газ.) He–Ne 0,6328 55,0 мВт Непрер. 1,7 мин 200 В
Сигнал (газ.) Ar 0,3371 1000 Вт Импул. Сведений нет 500 В
Прометей (газ.) CO–N–He 10,6 50 Вт Непрер. Сведений нет 2000 В
ГОР-0,2 (тверд.) Рубин 0,6943 0,2 Дж Импул. 20 мин 60 В
ГОС-30М (т/ж) Стекло+Nd 1,0600 30 Дж Непрер. 10 мин 1200 В
Н2А2 (полупр.) Ga–As 0,85 3,0/0,1 Вт Импул. непрер. 15ґ20° Сведений нет
ПKГ (полупр.) Ga–As 0,85 4,0 Вт Импул. 20ґ20° Сведений нет

Лазерное излучение физически зарождается там, где в атомах или молекулах активного вещества под действием внешних сил (света, электрического поля и т.п.) образуется «перенаселенность» верхних энергетических слоев внешних электронных оболочек (зоны проводимости) возбужденными электронами, что приводит к активному образованию фотонов при естественном стремлении электронов перейти в нормальное, невозбужденное состояние (т.е. при переходе в валентную зону). Таким образом, в активном веществе (газовой среде, кристалле, полупроводнике) возникает постоянно пополняющееся множество квантов света - Фотонфотонов, колеблющихся, что важно отметить, с одной частотой, поскольку в однородном веществе при преодолении электроном запрещенной зоны выделяется одинаковое количество энергии.

Наличие колебаний одной и той же частоты является условием (не единственным) получения когерентного излучения. Следующая задача - добиться однонаправленного распространения этих колебаний. Это достигается с помощью использования Резонаторрезонаторов (как правило, резонаторов Фабри - Перо). Резонатор Фабри-Перо Резонатор Фабри - Перо представляет собой два соосных, параллельно расположенных и обращенных друг к другу зеркала, между которыми, отражаясь от этих зеркал, перемещаются в активной среде фотоны, генерируемые внешним возбуждением. Направление движения каждого из фотонов, при их появлении, определяется случайным образом и непредсказуемо. Вследствие этого многие фотоны бесполезно покидают активную среду, образуя вокруг нее свечение (в лучшем случае, какой-либо электрон, «захватив» энергию такого фотона, переходит в зону проводимости). Лишь те из фотонов, направление движения которых оказалось параллельным оси резонатора, остаются в активной среде и участвуют в образовании лазерного излучения. Эти фотоны, отражаясь десятки и сотни раз от зеркал резонатора, пробегают вдоль активной среды, способствуя генерации новых фотонов.

Суть теоретически открытого Альбертом Эйнштейном индуцированного (вынужденного) излучения заключается в том, что в условиях «перенаселенности» верхних энергетических уровней пролетающие мимо фотоны могут «сбивать» возбужденные электроны с этих уровней на нижние, сохраняясь при этом сами. «Сбитый» электрон порождает новый фотон; таким образом, вместо одного фотона появляется два, что и способствует нарастанию светового потока. Это нарастание числа фотонов - важное обстоятельство в зарождении лазерного излучения.

Чем больше зарождается фотонов, тем большее их количество остается в пространстве резонатора, участвуя в накоплении световой энергии. Расстояние между зеркалами подбирается таким образом, чтобы длина волны испускаемого лазером излучения укладывалась в нем целое число раз. Таким образом, резонатор решает две важные задачи: организует однонаправленное движение фотонов вдоль оси лазера и селектирует совпадающие по длине волны и фазе колебания (остальные затухают в процессе постоянного наложения волн друг на друга). Так возникает когерентное излучение. Схемы сложения когерентных колебаний приведены на рис. 2.10Рис. 2.10. Схемы сложения когерентных колебаний.

Одно из зеркал резонатора делается полупрозрачным (в случае непрерывного излучения), либо (и) у выходного окна лазера устанавливается оптический затвор (подробнее об оптическом затворе будет сказано после рассмотрения явления поляризации света). При наличии затвора лазер может накапливать световую энергию, чтобы затем выпустить ее одномоментно в виде мощного импульса света - импульсные лазеры дают лазерный луч, намного превышающий по мощности непрерывное излучение (см. данные, например, лазера Н2А2 в табл. 2.10). В противном случае после накопления световой энергии, достаточной для преодоления непрозрачности зеркала, лазер начинает излучать свет, набирая мощность в луче до уровня насыщения в установившемся процессе работы.

Таким образом, лазерное устройство должно содержать активное вещество (в котором зарождается излучение), резонатор и источник возбуждения активного вещества. Для газовых лазеров таким источником возбуждения служит газоразрядная трубка, для твердотельных - мощный источник света (импульсная лампа, освещающая стержень кристалла), для полупроводниковых - прямой электрический ток через р-n-переход полупроводника. Каждый из этих источников приводит электроны атомов и молекул активного вещества в возбужденное состояние (на языке лазерщиков это называется «накачкой»).

Направленность излучения (расходимость луча) напрямую зависит от протяженности тела активного вещества (расстояния между зеркалами резонатора). Чем больше это расстояние, тем меньше угол расходимости и, следовательно, тем более узконаправленным является лазерный луч. Длина газоразрядной трубки газового лазера составляет, как правило, десятки сантиметров (нередко и более метра), что позволяет получить луч с расходимостью в несколько угловых минут (см. данные табл. 2.10). Современные технологии выращивания кристаллов позволяют получать стержни диной 250-400 мм, что дает возможность достигать в твердотельных лазерах расходимости луча в десятки угловых минут. В полупроводниковых же лазерах используются кристаллы размером 0,5?0,5 мм (и менее), поэтому расходимость луча, а точнее полоски излучения, намного больше - 20-30 угловых градусов.

Лазер полупроводниковый (Диод лазерный)Полупроводниковый лазер в чем-то похож на излучающий диод (часто его и называют Диод лазерныйлазерным диодом). Обладая привычной диодной структурой, при небольших прямых токах он и работает как обычный излучающий диод. Но две противоположные грани кристалла делаются зеркально отражающими (резонатор Фабри - Перо), и при увеличении прямого тока до определенного порогового значения (ранее для этого требовались десятки ампер и, как следствие, серьезные меры по охлаждению), когда создается «инверсия населенностей» (превышение числа возбужденных электронов над невозбужденными на внешних электронных оболочках атомов и молекул), появляется настоящее когерентное лазерное излучение.

Каждый вид лазера имеет свои достоинства и соответственно сферу применения. Лазер газовыйГазовые лазеры, обладая наибольшей мощностью излучения, применяются в полиграфии в устройствах записи изображения непосредственно на печатную форму, так как они способны с приемлемой скоростью выжигать слой пробельного материала, обнажая печатающие элементы. Из-за больших размеров они используются в стационарном крупногабаритном оборудовании. Лазер твердотельныйТвердотельные лазеры довольно компактны и применяются в рекордерах среднего размера для записи изображения на пленки, пластмассы и другие светочувствительные и выжигаемые материалы (с низким коэффициентом теплопроводности). Лазерные диоды используются в записывающих головках лазерных принтеров, цифровых печатных машин, а также в оптических линиях связи.

Для завершения обзора элементной базы источников излучения следует сказать несколько слов об источниках свечения, которые, являясь излучателями, не предназначены для освещения объектов или засветки фоточувствительных материалов, а представляют собой светящиеся плоскости (матрицы, панели), используемые в качестве индикаторов, дисплеев, экранов для представления монохромного или цветного изображения. К таким источникам относятся Индикатор газоразрядныйгазоразрядные индикаторы, Панель плазменнаяплазменные и Панель люминесцентнаялюминесцентные панели и экраны. Строго говоря, их уже сложно относить к элементной базе, но элементарные понятия об их принципе действия целесообразно изложить в данном разделе.

Плазменные панели

Разряд в газовой среде, используемый, как упоминалось выше, для накачки газовых лазеров, является физической основой работы плазменных панелей. Устройство простейшей Панель плазменнаяплазменной панели иллюстрируется на рис. 2.11Рис. 2.11. Устройство плазменной панели.

Между двумя стеклянными обкладками плазменной панели располагается перфорированная прокладка, плотно прилегающая к стеклам. По периферии этот «сэндвич» залит герметиком. Воздух из внутренней полости откачан, и она заполнена газом, способным светиться при наличии высокой (100 В и более) разницы потенциалов между электродами горизонтальной и вертикальной ориентации (верхние электроды прозрачны), нанесенными на поверхности стеклянных обкладок, обращенные друг к другу. Таким образом получается матрица, в которой можно засветить газовым разрядом любой элемент, подав на соответствующую пару электродов электрическое напряжение. Электрический разряд приводит газ (находящийся в соответствующем отверстии перфорированной прокладки) в состояние плазмы, что и позволяет индицировать на панели тот или иной элемент изображения.

Число элементов изображения на плазменной панели может достигать нескольких миллионов точек, поэтому такие панели дают возможность представлять изображение любой сложности. В полиграфии подобные дисплеи широко используются на пультах управления печатных, резальных и других машин. В настоящее время появляются полноцветные экраны, способные прийти на смену электронно-лучевым кинескопам компьютерных мониторов.

Люминесцентные экраны

По конструкции Экран люминесцентныйлюминесцентные экраны похожи на Экран плазменныйплазменные, но физическая основа их действия иная. Схема, иллюстрирующая принцип действия люминесцентного элемента, приведена на рис. 2.12Рис. 2.12. Схема люминесцентного экрана.

Люминесцентный элемент использует принцип низковольтной Катодолюминесценция катодолюминесценции - свечение люминофора при его бомбардировке электронами. Катод испускает электроны, они разгоняются и бомбардируют анод, на поверхности которого нанесена пленка люминофора. Как и в телевизионном кинескопе, возникает свечение. Различие между кинескопом и люминесцентным элементом заключается в том, что в кинескопе расстояние между катодом и анодом велико (оно необходимо для организации сканирования большой площади экрана телевизионной трубки), и это требует высокого напряжения (15-20 кВ), в люминесцентном же элементе катод и анод расположены на незначительном расстоянии (электроды разделяют практически только люминофор и диэлектрические пленки, предохраняющие от замыкания), поэтому напряжение требуется значительно ниже (все-таки, десятки вольт) и поток электронов не нужно куда-либо отклонять - уже знакомый матричный принцип построения позволяет засвечивать любую точку экрана.

Дисплей люминесцентныйЛюминесцентные дисплеи находят все более широкое применение в качестве индикаторов и мониторов в пультах управления производственным оборудованием, а использование люминофоров, применяемых в телевидении, делает их конкурентоспособными среди компьютерных средств отображения информации.

В оптоэлектронных устройствах оптические информационные сигналы распространяются, как правило, в специальных средах - для защиты сигналов от помех, придачи им желательного направления распространения и, при необходимости, управления - например, в режиме «пропустить-отклонить». Часто оптическая среда подбирается специально - для осуществления того или иного физического эффекта. Поэтому в данном разделе рассматриваются оптические среды и различные физические эффекты и явления, реализуемые в этих средах. Для управления световым потоком используются различные оптические элементы: линзы, призмы, отражатели и дефлекторы (зеркала), фильтры, модуляторы, а также слои жидких кристаллов, тонкие магнитные пленки, меняющие свою прозрачность под действием магнитного поля и др. ссылка на источники литературы. Направление светового потока по криволинейной траектории осуществляется с помощью элементов волоконной оптики - Световод световодов.

Действие Световод волоконныйволоконных световодов основано на эффекте полного внутреннего отражения света, открытого Тиндаль Дж.Джоном Тиндалем (см. гл. 1). Этот эффект возникает на границе двух оптических прозрачных сред, когда наклонно падающий световой поток из среды с большим показателем преломления достигает границы раздела со средой с меньшим показателем преломления (рис. 2.13Рис. 2.13. Принцип действия световода).

При некотором угле падения, называемом предельным, луч уже не проходит в соседнюю среду, а распространяется по границе раздела. Дальнейшее увеличение угла падения приводит к полному внутреннему отражению. Если Поток световойсветовой поток будет поступать в оптическую среду под углом, большим, чем предельный, то свет, не выходя из данной среды, будет распространяться вдоль и внутри нее, до противоположного конца, где может быть установлен приемник излучения. На этом принципе основано действие световодов.

Первые оптические световоды изготавливали в виде волокон из многокомпонентных стекол на основе диоксида кремния. Изменяя состав стекла, добивались желаемых значений коэффициента преломления. Стержень из стекла одного состава плотно вставляли в трубку из стекла другого состава, затем, непрерывно вращая, их спекали вместе на огне газовой горелки и, когда вся структура размягчалась, растягивали ее в длинную тончайшую нить ссылка на источники литературы.

Однако эксперименты с первыми световодами из таких стекол показали, что передача излучения на сколь-либо значительные расстояния (даже на несколько метров) без существенных потерь практически невозможна из-за поглощения (рассеяния, затухания) света в среде.

Потери пропускания, отнесенные к длине волокна, оцениваются по формуле

B = 10 (lg Pвх - lg Pвых )/L,

где В - коэффициент потерь пропускания (дБ/км); Pвх - мощность вводимого в волокно светового потока (Вт); Pвых - мощность выводимого из волокна светового потока (Вт); L - длина волокна (км).

Например, для оконного стекла В = 100000 дБ/км, т.е. световод из такого материала длиною всего в 10 см передал бы на выход только лишь одну десятую часть мощности, поданной на вход.

В 1970 г. специалисты американской стекольной фирмы Корнинг глас«Корнинг глас» сообщили об изготовлении кварцевого волокна с потерями пропускания 16 дБ/км ссылка на источники литературы. Уже в 1974 г. получили волокна с затуханием 2 дБ/км. В настоящее время достигнут показатель 0,2 дБ/км, т.е. на километровом световолокне теряется всего 5% введенной мощности сигнала.

Следует упомянуть еще о спектральной зависимости потерь пропускания. На рис. 2.14Рис. 2.14. Спектр поглощения излучения в кварцевом волокне приведен спектр поглощения излучения в кварцевом волокне ссылка на источники литературы. Из представленной зависимости видно, что меньшие потери в световодах достигаются при работе излучателей на длинах волн инфракрасной области спектра (0,9; 1,2; 1,5 нм). С этой точки зрения для оптических линий связи больше подходят в качестве источников сигнала инфракрасные диоды и Лазер полупроводниковый (Диод лазерный)полупроводниковые лазеры (Диод лазерныйлазерные диоды) этой зоны спектра ссылка на источники литературы.

Передача информации по оптическому кабелю имеет много достоинств. Световоды могут устойчиво работать в условиях радио- и электромагнитных помех, повышенной влажности и других неблагоприятных воздействий, которые нередко встречаются в производственных цехах. С их помощью можно получать информацию в труднодоступных местах машин и аппаратов. Они позволяют разветвлять световой сигнал по нескольким направлениям. По оптическому кабелю можно передать в единицу времени на несколько порядков больше информации, чем по проводной связи, так как паразитные емкости и сопротивление кабеля на большой длине не «съедают» информационный сигнал, а возможности модуляции

Все эти преимущества успешно используются на практике в полиграфии - в системах контроля (оптоэлектронных датчиках), передачи данных (между устройствами компьютерных комплексов), в устройствах вывода изображений на пленку в фотонаборных автоматах и на формные пластины в системах «компьютер-печатная форма» (computer-to-plate) или «компьютер-печатная машина» (computer-to-press).

К Среда оптически активная оптически активным относятся среды и вещества, способные воздействовать на поляризованный свет. Оптическая активность бывает естественной (присущей самому веществу без посторонних воздействий) и искусственной (приобретаемой при воздействии извне). Прежде чем углубиться в эту область, необходимо остановиться на понятии поляризации света.

Поляризация света

С открытием явления Поляризация светаполяризации света связана небольшая история ссылка на источники литературы. В 1808 г. молодой французский физик Малюс Э.Л.Этьен Луи Малюс зашел после работы в Люксембургский сад Парижа, недалеко от Сорбоннского университета, и присел на скамеечку отдохнуть напротив дворца Екатерины Медичи (приобретенного ею в свое время у графа Люксембургского, от которого и осталось название как сада, так и дворца). Лучи заходящего солнца играли на окнах прекрасного здания, и Малюс, с детства любивший рассматривать окружающее через различные стеклышки, достал из кармана кристаллик исландского шпата и взглянул через него на сверкающие стекла. Поворачивая кристаллик, Этьен заметил, что при определенных углах отражение солнечных лучей на окнах меркнет. На следующий день, придя в лабораторию, он уже более тщательно проверил этот эффект и убедился в его повторяемости. Так была открыта поляризация света.

Суть этого явления заключается в упорядоченности ориентации векторов напряженностей электрического (Е) и магнитного (Н) полей световой волны в плоскости, перпендикулярной световому лучу (рис. 2.15Рис. 2.15. Поляризация света).

Электромагнитная природа Светсвета отражается в колебаниях двух векторов (Е и Н) во взаимно перпендикулярных плоскостях, в направлении распространения светового луча (поскольку направление векторов Е и Н взаимно перпендикулярны, далее будет рассматриваться ориентация только вектора Е).

Если в излучении присутствуют колебания широкого оптического диапазона (например, в дневном свете), то такой свет не поляризован, так как ориентация вектора Е не упорядочена. При сложении гармонических колебаний результирующий вектор для любого момента времени равен сумме всех векторов, учитывающей их величины и направления в данный момент (см. на рис. 2.15Рис. 2.15. Поляризация света пример сложения четырех векторов: а + b + c + d = g). Поэтому сложение направленных в разные стороны векторов, меняющих к тому же свою величину с различными частотами, дает хаотическую ориентацию результирующего вектора Е.

Даже если взять колебания одной частоты, но с непостоянными соотношениями по фазе, то и в этом случае свет не будет поляризован, так как меняющееся расхождение фаз даст неупорядоченную ориентацию результирующего вектора Е (см. на рис. 2.15Рис. 2.15. Поляризация света примеры сложения пар синусоид, сдвинутых по фазе на заданный угол). Только колебания постоянной частоты с неизменным фазовым сдвигом (а именно такие колебания называют когерентными) дают упорядоченность ориентации результирующего вектора Е.

Результирующий вектор любого направления можно разложить в прямоугольной системе координат на две составляющие - х и у. В общем случае синусоидальные колебания этих составляющих могут иметь фиксированное расхождение по фазе. При этом траектория движения конца результирующего вектора будет описываться (в плоскости, перпендикулярной направлению светового луча) уравнением эллипса. В случае расхождения фаз на 90° эллипс будет превращаться в круг, а при разности фаз 0 или 180° - вырождаться в прямую. Любой из этих (а также промежуточных) случаев свидетельствует об упорядоченной ориентации вектора Е и, следовательно, о том, что свет поляризован (т.е. направлен, от греч. polos - полюс, ось, направление).

С учетом изложенного выше различают Поляризация света линейная линейную поляризацию света, когда Е сохраняет постоянную ориентацию плоскости поляризации (плоскостью поляризации называется плоскость, в которой лежат Е и световой луч), Поляризация света эллиптическая эллиптическую поляризацию света, при которой конец вектора Е описывает эллипс в плоскости, перпендикулярной лучу, и Поляризация света круговая круговую поляризацию света, когда конец вектора Е описывает окружность.

Особенности взаимодействия поляризованного света с веществами и оптическими средами лежат в основе работы Светофильтр поляризационныйполяризационных светофильтров, Модулятор светамодуляторов света, Затвор оптическийоптических затворов, устройств считывания информации с магнитооптических дисков и др.

Оптическая активность

Это Оптическая активностьестественное свойство некоторых веществ вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них линейно поляризованного света. Оптически активные вещества бывают двух типов. У веществ первого типа (к которым относят камфору, винную кислоту и др.) оптическая активность обусловлена несимметричным строением молекул. Вещества второго типа (кварц, киноварь) оптически активны только в кристаллическом состоянии, что связано с асимметрией сил, связывающих молекулы и ионы в кристаллическую решетку. Искусственная (наведенная) оптическая активность возникает в магнитном поле.

Как уже упоминалось в гл. 1, Фарадей М.Майкл Фарадей открыл (в 1845 г.) эффект вращения плоскости поляризации света при его распространении в намагниченном веществе. Эффект ФарадеяЭффект Фарадея максимален, если свет распространяется параллельно намагниченности среды ссылка на источники литературы. Ферромагнитные вещества, используемые в магнитооптике для записи информации, при отражении считывающего лазерного луча поворачивают плоскость его поляризации в ту или иную сторону на небольшой угол, в зависимости от направления намагниченности опрашиваемого участка. Более подробно принцип записи и считывания информации на магнитооптические диски будет рассмотрен в гл. 3.

Поляризаторы и оптические затворы

Эффект вращения плоскости поляризации используется также в Затвор оптическийоптических затворах. Существуют кристаллы, которые поворачивают плоскость поляризации проходящего через них света под действием приложенного к ним электрического напряжения ссылка на источники литературы. Другие кристаллы (например, турмалин) способны преобразовывать неполяризованный свет в поляризованный. Если взять пластинку турмалина с плоскостями, параллельными оси кристаллической решетки, то такая пластинка пропустит лишь те составляющие световых колебаний, у которых электрический вектор направлен параллельно оси кристалла. Колебания с векторами Е, перпендикулярными оси, не пройдут через кристалл. Такие устройства называют Поляризатор поляризаторами.

Если разместить параллельно на одной оптической оси друг за другом два поляризатора, развернув их кристаллические оси под прямым углом (второй кристалл в этом случае называется анализатором), то через такую сборку свет не пройдет: анализатор не пропустит световой поток, прошедший через поляризатор, в силу перпендикулярности его кристаллической структуры плоскости поляризации света. Но если разместить между этими пластинками электрооптический кристалл (например, кристалл ниобата лития), то получится управляемый оптический затвор: при подаче на кристалл напряжения он будет поворачивать плоскость поляризации света и тот пройдет через анализатор, в противном же случае затвор не пропустит свет (рис. 2.16Рис. 2.16. Схема оптического затвора).

Поскольку такие затворы в отличие от механических не имеют движущихся частей, они практически безынерционны и используются в быстродействующих оптоэлектронных устройствах - лазерных рекордерах, цифровых фотоаппаратах, модуляторах светового потока.

Электрооптические кристаллы

Наряду с эффектом поворота плоскости поляризации существует так называемый линейный электрооптический эффект отклонения светового луча в кристалле под действием электрического поля - Эффект Поккельсаэффект Поккельса. Суть его заключается в изменении показателя преломления среды пропорционально приложенному напряжению. Эффект Поккельса наблюдается только в Пьезокристаллпьезокристаллах.

Схема, поясняющая принцип действия Модулятор электрооптический электрооптического модулятора, и его модуляционная характеристика ссылка на источники литературы представлены на рис. 2.17Рис. 2.17. Схема и модуляционная характеристика электрооптического модулятора. Пройдя через Кристалл электроооптическийэлектрооптический кристалл, лазерный луч попадает на пластину анализатора, расположенную под таким углом к лучу, что он беспрепятственно проходит через пластину. При подаче же высокого напряжения на обкладки электрооптического кристалла луч отклоняется под действием изменившегося показателя преломления на больший угол и уже не проходит через пластину анализатора, а отражается от нее. Отклонение луча тем больше, чем выше напряжение на обкладках и чем длиннее путь луча (b) через кристалл. Достоинством такого модулятора является его высокое быстродействие (в принципе, частота модуляции может достигать десятков гигагерц ссылка на источники литературы). Однако в реальности полоса пропускания ограничивается трудностями модуляции высокого напряжения и емкостью конденсатора, создаваемого обкладками кристалла. К тому же при малых расстояниях (d) между обкладками существует опасность пробоя этого промежутка высоким напряжением, прикладываемым к модулятору.

Акустооптические кристаллы

Наряду с электрооптическими модуляторами в полиграфических оптоэлектронных устройствах применяются также Модулятор акустооптический акустооптические модуляторы, в основу действия которых положен акустооптический эффект, возникающий в некоторых средах. Под действием акустической волны в такой оптической среде, например кристалле, происходят изменения показателя преломления, причем эти изменения распространяются в среде по мере прохождения в нем акустических волн, так что внутри кристалла образуется как бы дифракционная решетка, отклоняющая направление прохождения светового потока от нормального, когда акустическая волна отсутствует. Принцип действия акустооптического модулятора иллюстрируется на рис. 2.18Рис. 2.18. Принцип действия акустооптического дефлектора (модулятора).

В этом устройстве применено два элемента, используемых в оптоэлектронике, - Кристалл акустооптическийакустооптический кристалл и Пьезокристаллпьезокристалл. Переменное напряжение ультразвуковой частоты подается на пьезокристалл, механически соединенный с акустооптическим кристаллом. Согласно уравнению обратного пьезоэффекта электрические колебания вызывают в пьезокристалле механические вибрации с ультразвуковой частотой, которые физически передаются акустооптическому кристаллу. Волны ультразвуковых вибраций вызывают в акустооптическом кристалле неоднородности показателя преломления, попадая на которые луч дифрагирует (отражается) под углом Брэгга и не проходит по прямому направлению.

Низкие уровни напряжений и малая мощность, требуемая для управления акустооптическими модуляторами, делают их несомненно привлекательными для практики. Однако они уступают электрооптическим по полосе частот, которая ограничивается величиной порядка 20 МГц ссылка на источники литературы.

Еще менее энергозатратными средами, с помощью которых можно пропускать или запрещать прохождение светового потока, являются Кристалл жидкийжидкие кристаллы.

В жидкокристаллическом состоянии могут находиться многие природные вещества, превращаясь из жидкости в твердое тело при понижении температуры. Однако для большинства жидкостей это происходит в очень узком диапазоне температур (десятые доли градуса), поэтому свойства жидких кристаллов (ЖК) долгое время после их открытия (см. гл. 1) не находили практического применения. Кристалл жидкийЖидким кристаллам, молекулы которых имеют продолговатую нитевидную форму, за что они получили название нематических (от греч. nema - нить), свойственна упорядоченность в расположении (укладке) молекул. Нитевидность (несколько нанометров в длину и несколько ангстрем в ширину) обусловлена цепочечной структурой молекул. Например, на рис. 2.19Рис. 2.19. Ориентация молекул в жидкостях и жидких кристаллах приведена формула молекулы жидкого кристалла МВВА (метилоксибензилиден-бутиланилин) и некоторые виды укладки подобных молекул в жидком и жидкокристаллическом состояниях ссылка на источники литературы.

Со временем были получены жидкие кристаллы, сохраняющие свои свойства в достаточном для практического использования диапазоне температур. А свойства ЖК таковы, что под действием даже слабого электрического поля в тонком (несколько микрометров) слое укладка и движение молекул изменяются, что сопровождается изменением его оптических параметров и проявлением некоторых токовых или полевых эффектов (не раскрывая сущности каждого, можно для сведения просто перечислить некоторые из используемых на практике эффектов: эффект динамического рассеяния, «твист»-эффект, эффект «гость-хозяин»).

В оптоэлектронике используется свойство жидких кристаллов изменять свою оптическую плотность под действием приложенной к электродам (между которыми находится слой ЖК) разницы потенциалов. Эта особенность ЖК нашла применение в широком спектре индикаторных приборов и экранов.

Сами по себе жидкие кристаллы не светятся, но если положить ЖК на светоотражающую подложку (или осветить на просвет), то контраст оптических плотностей двух состояний ЖК (под напряжением и без него) вполне достаточен для визуального различения. Главным недостатком ЖК в этом смысле является сравнительно (например, с кинескопами или плазменными панелями) небольшой угол наблюдения - лучше всего смотреть на ЖК-изображение по нормали, а при больших углах отклонения от нее изображение исчезает.

Этот недостаток становится менее ощутим при использовании свойства ЖК (например, с «твист»-эффектом) влиять на линейно поляризованный свет. Принцип действия «твист»-эффекта иллюстрируется на рис. 2.20Рис. 2.20. Принцип действия «твист»-эффекта в жидких кристаллах. На поверхности стеклянных обкладок, обращенных к ЖК, наносится ориентант (в виде прозрачной пленки), который укладывает прилегающие к нему молекулы в заданном направлении.

Если ориентация молекул ЖК у противоположных обкладок будет взаимно перпендикулярной благодаря соответствующим направлениям ориентирующих пленок, то укладка жидкого кристалл окажется «закрученной» (слово «твист» - англ. [twist] - означает поворот, скручивание) на 90°. Это происходит в силу способности молекул поддаваться даже слабым направляющим воздействиям - каждая молекула старается принять такое же направление, как и соседние.

При освещении жидкого кристалла линейно поляризованным светом, совпадающим по направлению поляризации с входным ориентантом, такая «закрутка» в укладке молекул приводит к повороту направления линейной поляризации светового потока, прошедшего через ЖК, на те же 90°. Если же приложить к электродам небольшое напряжение, то под действием электрического поля (более сильного, чем действие ориентанта) укладка молекул теряет скрученность и они выстраиваются по нормали к поверхности электродов. Новая укладка контрастно изменяет оптическую плотность электризованных участков и одновременно устраняет эффект поворота направления поляризации пропускаемого через ЖК линейно поляризованного света.

Установив перед источником света поляризатор, а после ЖК - анализатор, можно получить новый Затвор оптическийоптический затвор (см.), только более универсальный. На поверхности ЖК можно разместить матрицу электродов и запирать или пропускать свет на требуемых участках, многократно увеличив информационные потоки через такой «затвор», или использовать его как экран дисплея (в этом качестве жидкие кристаллы широко известны всем).

Современный Дисплейдисплей (по-английски [display] - выставление напоказ, отображение) ассоциируется с изображением, а для полиграфиста - изображение зачастую связано с цветом.

Оптоэлектронные устройства, используемые в полиграфии, часто работают с цветом (Сканерсканеры, Денситометрденситометры, Спектрофотометрспектрофотометры и др.), и на них при этом, как правило, возлагаются функции цветоделения или цветоразличения (разложения на спектральные цвета). Еще до появления Оптоэлектроникаоптоэлектроники в полиграфическом оборудовании для этих целей использовались (и сейчас с успехом применяются) самые разнообразные элементы традиционной Оптикаоптики - Призмапризмы и Решетка дифракционнаядифракционные решетки - для разложения светового потока на составляющие цвета в спектральных приборах; Светофильтр зональныйзональные светофильтры и Зеркало дихроичноедихроичные зеркала - для цветоделения Поток световойсветового потока любой окрашенности на три составляющие: красную, зеленую и синюю. Эти элементы подробно изучаются студентами в курсах соответствующих дисциплин, а здесь будут упомянуты лишь их основные свойства, используемые в оптоэлектронных приборах.

Принцип действия призмы (рис. 2.21Рис. 2.21. Принцип действия призмы и дифракционной решетки) основан на зависимости показателя преломления среды, через которую пропускается свет, от длины волны электромагнитных колебаний, проще говоря, цвета. Эта зависимость в первом приближении описывается формулой Коши (по имени французского математика Коши А.Л.Cauchy A.L. [1789-1857]). Зависимость эта нелинейная. Показатель преломления увеличивается с уменьшением длины волны. Это приводит к эффекту разложения белого цвета, пропускаемого через призму.

Призма усиливает различимость эффекта, так как лучи разных цветов, отклоняясь под разными углами, проходят к тому же разные расстояния, и на выходе из нее спектр оказывается более растянутым. Если за призмой установлена линейка фотоприемников (или белый экран), то это позволяет определять спектральный состав излучения. Примерные зависимости изменения показателя преломления от длины волны можно оценить по следующим данным ссылка на источники литературы:

Длина волны [нм], (цвет)  Стекло (кварц) Исландский шпат
687 (красный)  1,541 1,653
656 (оранжевый)  1,542 1,655
589 (желтый)  1,544 1,658
527 (зеленый)  1,547 1,664
486 (голубой)  1,550 1,668
431 (сине-фиолетовый)  1,554 1,676
400 (фиолетовый)  1,558 1,683

Другой принцип заложен в явлении спектрального разложения света на Решетка дифракционнаядифракционной решетке (см. рис. 2.21Рис. 2.21. Принцип действия призмы и дифракционной решетки). Эффект дифракции света сказывается у краев экранов, малых отверстий, узких щелей, когда расстояния светлых промежутков становятся соизмеримы с длиной световой волны. В таких условиях лучи, касающиеся края препятствия, отклоняются от прямолинейной траектории падающего света, при этом синус угла отклонения прямо пропорционален и кратен длине волны (т.е. угол отклонения тем больше, чем больше длина волны). Вокруг малого единичного отверстия в результате Дифракциядифракции наблюдаются дифракционные кольца чередующихся светлых и темных участков (в формулу входит показатель кратности или порядка явления k. Вокруг одиночной щели кольца преобразуются в полосы, затухающие по мере удаления от просвета (в обе стороны). Если такие щели расположены в ряд и близко друг к другу (размеры щелей и перегородок одного порядка малости), то образуется дифракционная решетка, за которой, при размещении там белого экрана, можно увидеть спектр падающего на решетку светового луча. Дифракционные решетки делают и на отражение - тогда на зеркальную поверхность наносят тонкие риски (до нескольких тысяч рисок на миллиметр).

Такие элементы разложения сложного света на составляющие цвета используются в современных спектрофотометрах, приборах калибровки мониторов, компьютерных системах управления цветом (color management systems - CMS). Другая задача различения сложной окраски - разделение на зональные составляющие для последующего полиграфического синтеза цвета (на базе триады голубой, пурпурной и желтой красок + черная) - цветоделение.

ЦветоделениеЦветоделение осуществляется, как правило, с помощью зональных светофильтров - красного (red - R), зеленого (green - G) и синего (blue - B), либо для этих целей применяют дихроичные зеркала. На рис. 2.22Рис. 2.22. Спектральные характеристики цветоделительных фильтров и зеркал приведены спектральные характеристики светофильтров R, G и B, рекомендуемые европейским (ФРГ) стандартом DIN 16 536, и примерные характеристики дихроичных зеркал ссылка на источники литературы.

СветофильтрСветофильтры пропускают свет только своей зоны спектра, задерживая световые потоки остальных цветовых оттенков, поэтому если взять, например, синий фильтр и посмотреть через него на отпечаток, сделанный желтой краской на белой бумаге (кстати, без фильтра желтое на белом различается с трудом), то глаз увидит черный отпечаток на фоне синего - лучи желтого цвета через синий фильтр не пройдут. Чем меньше будет желтого на отпечатке, тем менее черным покажется этот участок за синим фильтром. Этот эффект позволяет измерять оптические плотности основных красок полиграфической триады (голубой, пурпурной, желтой) на оттисках с помощью денситометров, в которых устанавливаются зональные фильтры: синий - для желтой краски, зеленый - для пурпурной, красный - для голубой (черная измеряется за визуальным фильтром, имеющим спектральную характеристику, близкую к характеристике человеческого зрения).

Зеркало дихроичноеДихроичные зеркала тоже не пропускают излучение одной из зон видимого спектра (поэтому их также называют дихроичными фильтрами), отражая эти лучи, как зеркало, - это придает им новое свойство в отличие от светофильтров, так как не прошедшие через зеркало лучи могут использоваться в другом измерительном канале, если они будут туда направлены. Поставив друг за другом два разных по характеристикам (см. рис. 2.22Рис. 2.22. Спектральные характеристики цветоделительных фильтров и зеркал) зеркала, можно произвести деление светового потока на лучи красной, зеленой и синей зоны: первое зеркало отразит волны красной зоны и пропустит зеленые и синие, которые разделятся на втором зеркале - синие отразятся, а зеленые будут пропущены через него.

Как уже было сказано в начале этой главы, отличительной чертой оптоэлектроники является миниатюризация элементов, их интеграция с целью переработки больших объемов информации. Поэтому и те элементы традиционной оптики, которые были описаны выше, в приложении к оптоэлектронным приборам изготавливаются зачастую в совершенно специфическом виде, по технологиям, применяемым в производстве оптоэлектронных элементов. Например, Фильтр зональныйзональные фильтры для матричного ПЗС могут представлять собой тонкую пленку, размещенную на поверхности матрицы, с нанесенными микроскопическими триадами цветов, в виде синих, зеленых и красных штришков или точек, каждая из которых предназначается для своей элементарной ПЗС-ячейки размером 5×5 мкм.

Сказав о Светофильтр пленочныйпленочных светофильтрах, в заключение следует упомянуть о многослойных диэлектрических структурах, применяемых в системах оптической связи в случаях, когда из смешанного света с различными длинами волн необходимо выделить свет с одной определенной длиной волны ссылка на источники литературы. Такие структуры представляют собой многослойный «бутерброд» с чередованием тонких слоев диэлектриков двух типов с различными показателями преломления. Каждый слой имеет толщину, равную четверти длины волны выделяемого излучения. Падающий на структуру свет частично отражается от каждой из границ раздела двух сред. Отраженные лучи выделенной длины волны, будучи одночастотными и сдвинутыми на четверть волны, т.е. когерентными, интерферируют (складываются), усиливаясь по амплитуде (см. пример такого сложения на ранее приведенном рис. 2.10Рис. 2.10. Схемы сложения когерентных колебаний). Свет других длин волн такого эффекта не имеет, так как либо проходит через структуру не отражаясь, а если и отражается, то не синфазно, а следовательно, и не когерентно - для него интерференция безрезультатна.

Изложенные в этой главе понятия о базовых элементах, присутствующих в том или ином наборе в каждом оптоэлектронном устройстве, позволяют перейти к рассмотрению типовых приборов этого направления, широко применяемых в полиграфии.

© Центр дистанционного образования МГУП