Кутовимірювальні датчики

Як характерний приклад пристроїв, в яких використані кутові селективні властивості ОІС, розглянемо роботу датчика кутів, який схематично зображений на рисунку 5.1.2.

Як елемент введення-виведення в ОІС використаний фокусуючий решітчастий елемент введення-виведення. Такий елемент виконаний за допомогою голографічної технології і являє собою низку концентричних окружностей, центр яких знаходиться на приймальній площинці центрального фотоприймача матриці планарних фотоприймачів. Завдяки такій конструкції елемента введення-виведення, випромінювання, що вводиться в ОІС, фокусується в площині матриці фотоприймачів. При цьому характеристики, які впливають на процес введення хвилі в ОІС, залишаються такими самими, як і у звичайної решітки з таким самим періодом, глибиною модуляції та довжиною зв’язку. Ширина області введення у такого датчика складає величину від 10 кутових секунд до половини градуса в залежності від параметрів хвилеводу. ОІС призначена для вимірювання кутів, під якими розповсюджуються паралельні пучки випромінювання з певної довжиною хвилі. Саме на цю довжину хвилі розраховується датчик (характеристики хвилеводу та елемента введення-виведення). ОІС спроможна проводити вимірювання кутів у двох площинах. В одній площині зміна напрямку пучка призводить до зміни сигналу на будь-якому приймачі та зумовлена ступенем узгодженості напрямку опромінюючого пучка з напрямками хвилевідних мод. У другій площині зміни кута опромінення призводять до дрейфу світлової плями вздовж матриці приймачів, що також дозволяє проводити вимірювання цього кута.

Другий тип кутомірного датчика наведений на рисунку 5.1.3. Елемент введення-виведення (ЕВВ) ОІС виконаний у вигляді двовимірної решітки. Період такої решітки розрахований так, щоб для робочої довжини хвилі введення у хвилевід відбувалося під кутом, близьким до 0⁰ (див. рис. 5.1.4, пунктирна крива), тобто максимальна інтенсивність введеної хвилі спостерігається при куті опромінення . Зауважимо, що параметри елемента введення-виведення і хвилеводу розраховувалися для поляризації пучка, в якого напрямок коливання електричного вектора складав 45⁰ зі штрихами решітки, або для циркулярно-поляризованого пучка. Таке обмеження зумовлене тим, що умови введення та розповсюдження хвиль у хвилеводі різні для ТЕ0- і ТМ-мод. Тоді при нормальному падінні пучка на решітку світло вводиться в чотири протилежно спрямовані хвилевідні канали. Відповідно, інтенсивність випромінювання в усіх чотирьох каналах рівна. Як наслідок - сигнал на усіх чотирьох приймачах (Пр, див. рис. 5.1.4, а) за модулем однаковий. Напрямок падіння пучка характеризується двома кутами і (рис. 5.1.3, б) відносно нормалі до поверхні датчика.

Будемо вважати, що кут та пучок нахилений лише в площині . На рисунку 5.1.4 наведено зміну інтенсивності в каналах 1,3 в залежності від кута (рис. 5.1.4, а). Включимо приймачі 1, 3 та приймачі 2, 4 за диференціальною схемою. В цьому випадку, якщо інтенсивності хвиль у каналах однакові, то сумарний сигнал приймачів дорівнює нулю. Зміна сигналу на виході датчика в залежності від кута зображена на рис 5.1.4, б. Максимальний за модулем сигнал відповідає куту орієнтації пучка, якій лежить поблизу кута . Після цього кута вихідний сигнал датчика починає падати. Відповідно область кутів, в якій можна проводити кутові виміри, дорівнює:

. (5.1.1)

При цьому чутливість датчика підвищується у два рази порівняно з одноканальним датчиком з такою самою кутовою селективністю.

Додамо, що робота датчика практично незалежна в площинах і в широкому діапазоні кутів. При фіксованому куті кут може змінюватися в широких межах, які істотно перевищують величину . Так, зміна кутів може досягати градусів. Все сказане стосується також вимірів кутів у площині .