Оптико-электронные (квантовые) системы и устройства

Итак, для расчета радиационного контраста необходимо знать температуру объекта Т_об и фона Т_ф, которые, наряду с известными величинами _об и _ф позволяют расчитать яркость фона В_об=В(Т_об)_об и объекта В_ф=В(Т_ф)_ф на основе данных о яркости АЧТ В(Т_об) и В(Т_ф).

Введем далее следующее обозначение: - средняя интенсивность нисходящего (т.е. направленного сверху вниз) и восходящего излучений атмосферы как одной из составляющих фона. При этом расчет выполняется по формуле

(31)

Температура поверхности как препятствий, так и окружающего фона зависит от многих факторов - таких как положение Солнца на небосводе, замутненность атмосферы, наличие или отсутствие облачности, влажность атмосферы и почвы, скорость ветра и др. В связи с тем, что теплопроводность и теплоемкость объектов на естественных фонах. различаются, в условиях сильных солнечных засветок наблюдаются значительные перепады температуры объекта и имеет место достаточно высокий контраст при наблюдении Радиационные и температурные контрасты существенно снижаются приналичии облачности, сильной замутненности атмосферы. В этих ситуациях контрастность объектов определяется отличиями в величинах коэффициента черноты объектов.

Величины температурных контрастов определяются среднеинтегральной яркостной температурой объекта и фона

(32)

Если радиационная температура объекта больше радиационной температуры фонов, то наблюдается положительный температурный контраст. В противном случае - температурный контраст отрицательный. и относительного радиационного контраста по формуле приведенной выше. В дневных летних условиях разброс радиационных температур яркости естественных фонов очень велик от 15 до 50С, в связи с чем объекты могут иметь в зависимости от яркости фонов как положительные, так и отрицательные температурные контрасты, которые зависят от типа подстилающей поверхности (почва, асфальт, водная поверхность) и особенно от влажности почвы. Важно также учитывать наличие тени облаков. Только для влажной почвы (например, после обильных осадков) температурные контрасты объектов являются положительными. В ночных условиях радиационные контрасты объектов являются положительными. Большинство ОМП в сумерках приобретают заметность в основном за счет большей инерционности при радиационном выхолаживании. Большое значение приобретает здесь протяженность препятствий, от которых зависит теплоемкость ОМП и время радиационного остывания ОМП.

Наблюдение объектов препятствий всегда выгодно вести в зоне горизонта, так как рост температуры естественных фоновых ансамблей в этом случае часто приводит не к ухудшению видимости ОМП, а улучшению за счет подсветки их восходящим тепловым излучением естественных фонов.

Величины температурных контрастов объектов в различных атмосферных условиях визирования для визирования в "горизонт"

Объект	Условия наблюдения	Яркостная температура фона	Температурный контраст
1	2	3	4
Кирпичное отапливаемое здание	зима,ясно,температура атмосферы Т=-10 С	-15	=8С
Кирпичное здание, отопление отсутствует		-15	=5С
Кирпичное здание, отопление отсутствует	лето,=20С	+10	=3С
Кирпичное здание отопление отсутствует	лето,=16С	+14	=3С
Дерево одиночное	зима,ясно,температура атмосферы Т=-10С	-15	=3,5С
Дерево одиночное	лето,ясно,температура атмосферы Т=-20С	+19	=8С-солн.сторона =4С-тень
Провода обесточенные	зима,ясно,температура атмосферы Т=-10 С	-15С	=4С
Провода обесточенные	лето, Т=20С, полдень	+19С	=1,5С
Провода обесточенные	лето, ясно, ночь =16С	+14С	=0,7С
Столб железобетонный диаметром 30 см	лето,ясно,полдень =20С лето, ясно, ночь зима, Т=-10С	+19С +14С -15С	=3С =1,5С =4,5С
Столб деревянный диаметром 30 см	лето, полдень, ясно =20С лето, ясно, ночь=16С зима, полдень Т=-10С зима, ночьТ=-10С	+19С +14С -15С -15С -12С	=16Ссолн.сторона=3С-тень =2С =3С =5С
Провода	зима,облачность сплошная	-12С	=1,5С
Кирпичное отапливаемое здание	Температура атмосферы Т=-10С	-12С	=4С
Кирпичное здание отопление отсутствует		-12С	=1С
Столб железобетонный		-12С	=1С
Кирпичное здание, неотапливаемое	Лето,облачность сплошная,температура атмосферы Т=20С полдень	+19С	=2С

Величины температурных контрастов объектов в различных атмосферных условиях визирования для визирования в "надир"

Объект	Условия наблюдения	Яркостная температура фона	Температурный контраст
1	2	3	4
Кирпичное отапливаемое здание	зима,температура атмосферы Т=-10 С полдень	-12С	2,5С
Кирпичное отапливаемое здание,	зима,температура атмосферы Т=-10 С ночь	-12С	1,6 C
Кирпичное неотапливаемое здание	зима,температура атмосферы Т=-10С	+12С	-0,3C
Кирпичное неотапливаемое здание	зима,температура атмосферыТ=-10С	-12С	-0,3 C
Провода обесточенные	зима,температура атмосферы Т=-10С день зима,температура атмосферы Т=-10С	-12С -12С	-0,7C -0,7 С
Столб железобетонный	ночь зима,температура атмосферы Т=-10С		0,5С
Столб деревянный	день,ночь зима,температура атмосферы Т=-10С день, зима,температура атмосферы Т=-10С	-12С -12С -12С	3 С 0 С 30 С
Кирпичная труба действующих котельных	ночь,зима,температура атмосферы=-10С	-12С
Одинокое дерево	день, ночь,зима, температура атмосферы Т=-10С день,зима,температура атмосферы Т=-10С	-12С -12С	1,5 С 0 С

10. Оптические материалы

В данном разделе дадим краткую информацию о материалах, которые используются разработчиками ОЭС.

Оптические материалы необходимы для изготовления фильтров, дифракционных решеток , входных окон, элементов объективов - зеркал, линз.

Основными характеристиками оптичеких материалов следует считать:

показатель преломления n и дисперсия (изменения n по длинам волн);

поглощение, пропускание отражение;

физические свойства (твердость, растворимость, теплофизические свойства).

10.1 Показатель преломления

Показатель преломления оптических материалов в общем случае комплексная величина , изменяющаяся по спектру длин волн. Существует два типа зависимостей показателя преломления m (соответственно n и к) от .

а) Материалы с нормальной дисперсией.

Эти материалы имеют хорошее пропускание в той области спектра, где они применяются. Типичный спектральный ход n и к показан на Рис.1

Рис.1

б) материалы с аномальной дисперсией.

Это материалы, которые используются в оптических элементах в области длин волн, прилегающей к спектральной полосе поглощения. Показатель преломления здесь меняет знак, так как показано на рис.29

Отметим, в частности, что материалы, имеющие спектральные области аномальной дисперсии применяются для изготовления т.н. дисперсионных фильтров, основанных на эффекте Христиансена. Суть последнего заключается в том, что при условии и для двух сред с n₁ и n₂ при величине n 0 в области аномальной дисперсии рассеяние на однородности прозрачного материала имеет ярко выраженную селективность - полосу пропускания.

10.2 Пропускание, отражение

Показатель ослабления k в области нормальной дисперсии определяет пропускание материала (поглощение в нем излучения).

Исходя из законов Френеля можно определить коэффициент отражения R, т.е. отношение отраженного излучения к величине приходящего потока излучения. При нормальном падении

(33)

В случае, если среда прозрачна, т.е. k=0

(34)



При нанесении на поверхность среды с показателем преломления n слоя, имеющего показатель преломления n, толщиной l, при условии, что nl=/, коэффициент отражения такой двухслойной системы определяется формулой:

, (35)

из которой видно, что R становится равным нулю при .

Например, для германия (n=4) при =10 мкм при нанесении слоя сульфида цинка (ZnS) с показателем преломления n=2,2 и толщиной l=/4n=10/8,8=1,14 мкм, коэффициент отражения будет равен:

, т.е. имеет место (36)

эффект просветления (без просветления R_Ge = 0,36). Многослойное просветляющее покрытие позволяет снизить отражение на границе двух сред в более широкой спектральной области и таким образом уменьшить потери излучения в рабочей спектральной области ОЭС.

В качестве просветляющих покрытий используются пленки следующих веществ:

MgF₂ - фтористый магний (n=1,38)

SiO - окись кремния (n=1,6-1,9)

СеО₂ - окись церия (n=2,2)

ZnS - сульфид цинка (n=2,2)

AlF₃-NaF-криолит (n=1,3)

Для металлов, т.е. материалов с большим k

, (37)

где с - скорость света,

- электрическая проводимость,

- круговая частота.

Из (36) видно, что для металлов R растет с ростом и . Это обстоятельство, в частности, обращает внимание на то, что зеркальная поверхность, изготовленная путем нанесения слоя алюминия, меди, серебра и золота, которую следует характеризовать, прежде всего, величиной R, будет лучше всего в случае позолоченной поверхности, несколько хуже - для серебра, затем для меди, еще хуже - для алюминия с учетом определяющих эти наиболее распространенные материалы зеркальных покрытий величин .

10.3 Физические свойства материалов

При выборе оптического материала следует учитывать их механические, теплофизические, электрические и химические свойства. В первом случае - это прежде всего твердость. Твердость обычно определяется как отношение нагрузки P к площади S и имеет размерность давления.

Определение твердости важно, когда выбирается материал для обтекателей и входных окон, а также для других деталей, которые должны подвергаться оптической полировке и сохранять свое состояние в процессе эксплуатации. Из практики следует, что твердость материалов указанных элементов должна быть не менее 15. Это качество должно сохраняться при воздействии химических реактивов, влажности, температуры. Теплофизические свойства важны для материалов, работающих при значительных перепадах температур. Здесь следует оценить теплопроводность, тепловое расширение, удельную теплоемкость.

10.4 Используемые оптические материалы

Материалы, используемые в оптике, включают стекла, керамики, природные и синтетические кристаллы, а также пластмассы и металлы.

Стекла и керамика

Большинство стекол прозрачно лишь в области 2,7 мкм из-за сильного поглощения ионами ОН. Плавленный кварц имеет длинноволновую границу ~5 мкм (далее поглощение /Si -0/. Используются специальные стекла из алюмината кальция, а также полученная горячим прессованием керамика на основе фтористого магния, InS, флюорита (CaF₂), MgO, теллурида кадмия (CdTe) и др.

Кристаллы

Наиболее употребимы монокристаллы NaCl, CaF₂, сильвин (КСl), AgCl, бромисто-йодистый калий КRS (КRS-5) и таллий (КRS-6).

Поликристаллические структуры

Кремний,германий, арсенид галлия.

Пластические материалы

Полиметилметакрилат - плексиглас, полиэтилен.

Металлы - алюминий, медь, золото, серебро. На их поверхность обычно наносится защитное покрытие - SiO (окись кремния).

Примеры характеристик оптических материалов.

1.Баросиликатный крон (SiO₂, B₂O₃, K₂O, Na₂O)

(0,2 -2,7, твердость~300,нерастворим в воде.

2.Тяжелый флинт (SiO₂, K₂O, Na₂O,РbO)

(0,25 -3,0, нерастворим )

3.Плавленный кварц (SiO₂)

(0,2 - 4,2, 460,0, нерастворим).

4.Керамика ZnS

(0,35 - 13,5, 354, нерастворимая).

5.Керамика CaF₂

(0,2 -12,0, 200, слабая растворимость)

6.Керамика ZnSе

(0,4 -20,0, 100-250, нерастворимая).

7.NaCl

(0,21 -26,0, 18, сильная растворимость)

8.NaF

(0,2 -15, 60, умеренная растворимость)

9.КСl

(0,2 -30,0, 8, сильная растворимость)

10.KBr

(0,23-40, 6 -7, сильная растворимость)

11.LiF

(0,12 -9, 110, нерастворим).

12.Хлористое серебро

(0,45 -28,0, 0,5, нерастворимо, чернеет под действием УФ).

13.Германий

(1,8 -23,0, 700, нерастворим)

14.Al₂O₃

0,17 -6,5, 1700, нерастворим).

15.Кварц - природный аристал (0,2 - 4,5, 741, нерастворим)

16.Полиэтилен

(0,2 - 3,2; 35 - 7; 7,5-13, 14-30)

10.5 Нетрадиционные оптические материалы на основе стекла

Общее требование к оптическому стеклу (ОС) - химическая и структурная однородность. В новейших производственных процессах изготовления ОС совершенствуется технология `золь-гель", в которой используется раствор кремнезёма, однородный на уровне, близком к молекулярному с исключением стадии плавления. Другое направление - управляемое создание в однородном оптическом стекле структурно-химических неоднородностей, придающих стеклу новые свойства, в частности, выделение в объеме стекла кристаллической фазы с формированием композиционного материала, который сочетает свойства стекла и кристалла. Это- ситаллы (доля кристаллической фазы ~ 70…80%), обладающие высокой механической и тепловой стойкостью, термостойкостью и коэффициентом термического расширения близким к 0 (астроситаллы). Перспективно также создание стекол с микродисперсной полупроводниковой фазой, в которых концентрация кристаллической фазы 1% в связи с малой растворимостью полупроводниковых соединений в стеклообразной матрице. Эти композиты обладают, в частности, фотохромными нелинейно-оптическими свойствами и создаются с добавлением галогенидов серебра и меди на основе сульфоселенидов кадмия.

11. Оптические фильтры

Задача улучшения отношения сигнал/шум, выделения полезной информации на фоне помех не может быть решена без применения методов оптической фильтрации. Т.о. оптические фильтры - один из основных элементов ОЭС.

11.1 Классификация оптических фильтров

Оптические фильтры с учетом выделяемой области спектра разделяются на полосовые и отрезающие. Для классификации фильтров по физическому принципу их взаимодействия с излучением необходим учет не только оптических постоянных материала, но и отношения длины волны фильтруемого излучения к размерам конструктивных элементов фильтра. Лишь в простейшем случае, когда оптический фильтр (ОФ) представляет собой плоскопараллельную пластинку от соотношения показателей преломления и поглощения зависит, какая часть спектра излучения пройдет через пластинку. При этом, если пластинка имеет области селективного отражения, то она может использоваться как отражающий фильтр, при сильном поглощении в отдельных участках длин волн пластинка будет фильтровать проходящее излучение, т.е. являться поглощающим фильтром.

В том случае, если одно измерение пластинки, например, толщина уменьшается, наступают условия, при которых становятся существенными волновые эффекты. В частности, если размеры пластинки в двух измерениях велики по сравнению с длиной волны, а в одном сравнимы, т.е. она обращается в тонкую пленку и наблюдается интерференция волн в отраженном и прошедшем потоках. Система таких пленок с соответствующим образом подобранными оптическими постоянными позволяет реализовать интерференционный фильтр.

Если два измерения пластинки сравнимы с длиной волны и она преобразуется в полоску или нить, то наступит более сложный характер интерференционного взаимодействия излучения с объектом - дифракция. Система таких полос, представляющих собой совокупность неоднородностей в поле излучения, составляет дифракционный фильтр.

Наконец, если все три измерения пластинки сранимы с длиной волны и пластинка обращается в частицу, форма которой может быть произвольной - то наступает самый сложный случай взаимодействия - рассеяние излучения. Совокупность частиц, а также шероховатая поверхность раздела двух сред, размеры неоднородностей которых сравнимы с длиной волны могут служить рассеивающими фильтрами. Вообще говоря, оптические неоднородности, в рассеивающем фильтре обладают дисперсией оптических постоянных. Если, например, показатель преломления совпадает с показателем преломленияокружающей среды лишь для одного узкого участка длин волн, то такая система фильтрует проходящее излучение и называется рассеивающим дисперсионным фильтром. Т.о. спектральная характеристика ОФ зависит как от спектрального хода оптических постоянных, так и от соотношения между конструктивными элементами фильтра и длиной волны фильтруемого излучения. В некоторых случаях удается использовать оба эти фактора.

11.2 Характеристики ОФ

Выше отмечалось, что ОФ разделяется на полосовые и отрезающие.

Полосовые фильтры характеризуют ₀(_max), Т_max, полушириной на уровне 0,5 Т_max, Т_min в крыльях, контрастностью (см. Рис.2).

Соответственно для отрезающего фильтра: T_min, _0,1, _0,1Tmax, _0,5Tmax, _0,9Tmax, _Tmax и их положение в центре.

Крутизна полосового ОФ

(38)

Для полосовых П - образных фильтров должны быть заданы граничные длины волн.

T_min

T_0,1

T_0,5

T_0,9

T_max

T

Т_мах

Т_мин

_0,1

_0,5

_0,9

_max

_max

Рис. 2

Заметим, что, если область чувствительности приемника излучения значительно шире ОФ, величина T_min должна быть прослежена во всем интервале .

11.3 Основные типы оптических фильтров.

11.3.1 Отражающие фильтры

Здесь должны быть выделены:

фильтры для выделения достаточно широких участков длин волн, работающие по методу остаточных лучей. В таком фильтре используется наличие у его материала области с резко заниженным коэффициентом отражения. В этом случае организуется схема, в которой от материала фильтра (кристаллов) после двух -трехкратного отражения в спектре остаются только те лучи, которые относятся к области максимального отражения (схема Уайта). Материалы: LiF, CaF₂, NaCl и т.д. для области >50 мкм.

Диэлектрические зеркала можно отнести к фильтрам, работающим по методу остаточных лучей и образуются за счет использования многократного отражения от зеркал, изготовленных из многослойных диэлектрических покрытий.

Фильтры полного внутреннего отражения.

Простейшее конструктивное исполнение: излучение с длиной волны большей чем зазор между призмами проходит в прямом направлении. С меньшими длинами волн - отражается от воздушного промежутка.

Отражение от дифракционных решеток и сеток.

Матированные зеркала - используется зеркальная составляющая рассеянного излучения, амплитуда которого зависит от дисперсности частиц на поверхности зеркал.

11.3.2 Поглощающие фильтры

Конструктивно - это пластинки (кристаллические, стекла, оптическая керамика, пластмассы), а также кюветы, наполненные жидкостью или газом: жидкостные и газовые фильтры.

11.3.3 Интерференционные фильтры

Узкополостные и отрезающие представляют собой пластину из оптического материала, на которую наносится последовательность пленок других оптических материалов.Интерференция излучения в такой системеи определяет требуемые характеристики ОФ.

11.3.4 Рассеивающие дисперсионные фильтры

Представляют собой пластины оптического материала с нанесенным слоем мелкодисперсных частиц с заданным n() и спектром размеров.

12. Оптические системы, формирующие изображения в ИК области спектра

В коротковолновой - УФ и видимой области спектра формирующая сигнал оптика ОЭП выполняется в виде системы линз -линзовых объективов. Успехи в развитии оптического материаловедения и технологии обработки материалов позволяют изготовить линзовые объективы и в ИК области спектра. Характерный пример - германиевые объективы, основной недостаток которых прежде всего высокая стоимость. С другой стороны, оптика в ИК диапазоне волн может быть чисто зеркальной. В этом случае она полностью ахроматична и может работать с очень высоким пропусканием на всех длинах волн Неудобство зеркальной оптики в том, что невозможно обеспечить большое поле из-за внеосевых геометрических аберраций. Увеличить поле можно путем введения преломляющих элементов, называемых корригирующими, т.е. применением зеркально-линзовых систем.

Коррекция ухудшает спектральное пропускание.

Наконец для широкоугольной по полю оптики применяется в основном преломляющие элементы. Введение асферических поверхностей позволяет существенно уменьшить число элементов в системах, предназначенных для решения конкретной задачи. Оптическое пропускание можно увеличить за счет просветления преломляющих поверхностей.

12.1 Зеркальные телескопические системы

Параболическое зеркало



Зеркально-линзовые телескопы



12.3 Вспомогательная оптика

Обтекатели

Линза для спрямления поверхности изрбражения

Призмы

Делители

Линзы Рэлея и световыоды

/Линза Рэлея служит для перефокусировки изображения в новую более удобную плоскость. Применяется редко. Световод служит для переноса изображения без перефокусировки/. К вспомогательным элементам следует отнести бленды (Рис.3).

Рис.3

12.4 Формирование изображения, аберрации

Попадая в ОЭС , излучение проходит внутри её ряд сред. Входная оптика - это та часть системы, которая собирает излучение и формирует изображение, анализируемое затем модулем пространственного разложения. Поэтому характеристики оптических компонентов являются одним из факторов, ограничивающих качество ОЭС по такому, например, параметру как обнаружение. Указанные ограничения связаны прежде всего с геометрическими и хроматическими аберрациями.

Хроматические аберрации

Для тонкой линзы с фокусным расстоянием f и показателем преломления n() и радиусами кривизны R и R для оптической силы

можно получить соотношение

, (39)

определяющее расплывание в диапазоне =₁…_i изображения точки, связанное со спектральной зависимостью n()/

Исправление хроматических аберраций осуществляется комбинацией линз в объективе т.о., чтобы дисперсия одной линзы компенсировалась дисперсией другой. Результатом создания такого дублета формируется ахромат. В некоторых случаях требуется применение более сложной оптической системы, составленной из трех линз (апохромат)

Продольная хроматическая аберрация dx в зависимости от длины волны иллюстрируется графическими рисунками (1-ахромат, 2-апохромат, 3-нескорригированная система).

Геометрические аберрации.

В соответствии с геометрической оптикой в Гауссовом приближении изображение объекта, расположенного вблизи главной оптической оси (оси вращения оптической системы) можно получить для параксиальных лучей, образующих с осью малые углы: на практике системы должны иметь достаточно большие относительные отверстия и поля зрения, т.е. работать в условиях , далеких от сформулированного выше допущения. Результатом этого является возникновение четырех видов аберраций.

Сферическая аберрация (СА)

СА сильно увеличивается с ростом апертурного угла, не зависит от размера изображения y. Поперечная сферическая аберрация dy имеет круговую симметрию. Причем dy=ah³ D/f, где а - коэффициент сферической аберрации, D/f- относительное отверстие объектива. Коррекция СА производится за счет достижения условия, что в объективе а0 расчетным путем (за счет достижения взаимной компенсации членов третьего порядка членами пятого порядка в полиноме, определяющем аналитическое выражениеdx.Линза, соответстующая, минимальной аберрации называется линзой оптимальной формы. Коэффициент формы

Сферическая аберрация простых линз быстро уменьшается с уменьшением показателя преломления.

Кома - определяется отклонением условия Аббе для апланатических систем. Её характеризует отношение

Кома проявляется вне оптической оси (в косых пучках дает изображение не обладающее круговой симметрией и увеличивается с увеличением поля и апертуры системы.

Для этого типа аберрации

здесь - угловое поле в пространстве предметов.

Так как кома в реальном объективе накладывается на СА при определенных условиях СА может скомпенсировать этот вид аберрации (изопланатизм).

Астигматизм и кривизна поля

При астигматизме вблизи изображения пучок излучения образует две узкие зоны.



Эти зоны или геометрическое место "фокусов" астигматизма состоят из двух взаимно перпендикулярных сегментов, называемых соответственно тангенциальным (меридиональным, перпендикулярным плоскости симметрии пучка) и сагиттальным (лежащим в этой плоскости) геометрическим местом точек схода лучей.

Для этого вида аберрации

.

Благодаря кривизне поля, к которой приводит астигматизм, уже не существует плоскости изображения, а есть кривая поверхность изображения.

Дисторсия

Дисторсия определяется соотношением

dy=y³d³

здесь d- коэффициент дисторсии системы и не зависит от апертуры h

Если d>0, изображение вытягивается к краям поля (подушкообразная дисторсия), если d<0 - увеличение к краям поля становится меньше и имеем дело с бочкообразной дисторсией. Дисторсия не влияет на качество изображения, но изменяет положение каждой точки.

Обычно все рассмотренные виды аберраций одновременно присутствуют в оптических системах в большей или в меньшей степени. Задача оптического расчета состоит в том, чтобы общий кружок рассеяния, обусловленный всеми аберрациями, не превосходил требуемой величины или размера чувствительной площадки приемника т.е. мгновенное поле зрения ОЭС не должно быть ограничено аберрациями.

13. Детекторы оптического излучения

Необходимость измерять или обнаруживать оптическое излучение возникла, фактически, со времени открытия ИК излучения - это исследования Гершеля 1800 г., приведшее в 1800 г. к: обнаружению теплового эффекта за пределами красной границы видимого диапазона длин волн, разложенного в спектр с помощью призмы) и УФ излучения (опыты 1801 г. Риттера по воздействию на светочувствительные материалы). Приемник излучения преобразует поступающий на него оптический сигнал, который является функцией пространственных координат и времени F(x,y,z), в электрический сигнал или реакцию приемника в форме напряжения, тока или мощности. Существует два вида использования приемника: приемники потока (радиометрия), которые осуществляют интегрирование оптического сигнала по пространственным переменным и реакция которых является функцией времени:

;

приемники изображения (глаз, фотография, матрицы), в которых интегрирование сигналов происходит по времени и реакция которых является функцией пространственных переменных

Приемники потока дают реакцию, которая отражает изменения по времени попадающего на приемник сигнала. В частности, когда эти изменения отражают перемещение элементарного поля зрения, визируемого приемником, система сочетает в себе оба вида использования приемников, т.е. идет речь о получении телевизионного (тепловизионного) изображений.

13.1 Характеристики детекторов оптического излучения

При определении параметров детекторов оптического излучения - фотоприемников (ФП) отмечают прежде всего характеристики чувствительности и общие характеристики. К числу последних должны быть отнесены:

геометрические параметры,

электрические (позволяют описать приемник параметрами эквивалентной схемы),

оптические свойства приемника-последний элемент оптической системы,

механические свойства, температурные свойства, временные свойства(старение).

Чувствительность ФП - это отношение изменения электрической величины на выходе ФП, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения в заданных эксплуатационных условиях. Помимо полезного регулярного сигнала на выходе ФП имеется хаотический сигнал со случайной амплитудой и частотой - шум ФП. Шум - это флуктуации напряжения или тока приемника, выражаются среднеквадратичной величиной вида:

Типичный спектр мощности шума полупроводниковых ФП приведен на Рис.4. В области избыточного шума (зона f<f₁), обусловленного главным образом контактными явлениями, спектр шума подчиняется закону 1/f при =1. Причем, обычно f₁ ~ 1000 Гц. Широкая область f₁-f₂ область белого шума.



Рис. 4.

Отношение сигнала (S) к шуму (N) определяют как отношение мощности сигнала к мощности шума.

Мощность, эквивалентную шуму W_пор.определяет столь слабый поток излучения F₀,, при котором мощность сигнала W_s, эквивалентна мощности шума W_ш, так что ,

где W( - величина потока излучения, S -чувствительность приемника, f- ширина полосы предусилителя, А_d - площадь ФП..

Интегральная чувствительность R(,f,d) характеризует преобразование оптического потока F в напряжение или ток



Обнаружительная способность D

Это величина обратная потоку, эквивалентному шуму (G- коэффициент усиления).

, [Вт^-1]

Обнаружительная способность зависит от ряда параметров:

спектрального состава и частоты модуляции излучения,

условий питания и ширины полосы системы обнаружения,

температуры приемника излучения.

Чтобы иметь возможность сравнивать различные приемники между собой удобно использовать обнаружительную способность отнесенную к корню квадратному из площади и полосы пропускания, называемую удельной обнаружительной способностью D

Кроме обозначенных, приемники излучения определяют:

Локальная чувствительность

Спектральная чувствительность S()

Чувствительность в функции частот тракта усиления S(f)

Полоса пропускания приемника

Постоянная времени

Температурная чувствительность

13.2 Типы детекторов излучения

Известны многие физические явления, которые могут использоваться для обнаружения падающего на приемник излучения. Эти явления делятся на два класса:

а - фотонные эффекты, обусловленные непосредственным воздействием фотонов излучения на энергетическое состояние атомов приемника;

б - тепловые эффекты, возникающие в результате нагревания приемника поглощенным излучением.

Здесь рассмотрим те типы приемников, которые нашли применение в практике разработки ОЭП. (см. диаграмму).

13.3 Фотонные приемники

В номенклатуре фотонных приемников широко представлены фотоэмиссионные приемники излучения (ФЭП).

Речь идет о фотоэлектрических приемниках с внешним фотоэффектом и прежде всего - о фотоэлементах. Наблюдаемый в ФЭП сигнал соответствует числу электронов, испущенных твердым телом под действием падающих фотонов, и зависит от приложенного к фотоэлементу постоянного напряжения.

Чувствительность и квантовый выход ФЭП зависит от работы выхода, т.е. энергии, которую необходимо сообщить электронам, чтобы они были испущены веществом в вакуум.

Некоторые фотоэлементы наполняют инертным газом для увеличения чувствительности за счет ионизации газа, но при этом шум фотоприемника возрастает. Другой путь повышения чувствительности - использование вторичной электронной эмиссии (ФЭУ) в приборах диодного и микроканального типов).

Область чувствительности ФЭП -УФ, видимая и ближняя ИК.

Фотокатоды:

Ag-O-Cs- 0,3 - 1 мкм

S-20 - 0,3 - 0,75 (K -Sb - Na - Cs)

GaAs - 0,3 - 0,95.

К числу ФЭП относятся также:

Фотосопротивления, фотодиоды, полупроводниковый ФЭП, работа которого связана с т.н. фотопроводимостью (фотодиоды кремниевые - 0,5 - 1,1 мкм, германиевые 0,8 - 1,8 мкм).

Фотографические слои.

Люминесцентные приемники (фосфоры).

Приемники индуцированного излучения.

13.4 Тепловые приемники излучения

- Болометры (полупроводниковые, металлические) - наблюдаемый сигнал формируется за счет изменения электропроводимости материала в функции его температуры. Болометры - инерционные детекторы; 10^-3 с, подключаются по мостовой схеме.

- Пироэлектрики. Чувствительный элемент этих приемников - кристаллическая пластина, на поверхности которых под действием нагрева образуются электрические заряды.

-Термоэлементы - приемники излучения, в которых ЭДС возникает за счет термоэлектрического эффекта. Как правило-это батарея последовательно соединенных термопар.

- Пневматические приемники излучения.Принцип построения демонстрирует рис.33. Здесь показаны: приемная площадка, нагреваемая излучением Ф через окно 2 и нагревающая в свою очередь объем воздуха V₁, М -мембрана, отделяющая объем V₂ от объема V₁, объемы V₁,V₂ связаны каналом К. При изменении уровня потока Ф газ в объеме V₁ расширяется, изменение давления приводит к деформации мембраны М. Уровень сигнала можно измерить по изменению емкости конденсатора, одной из пластин которого и есть мембрана М (это так называемый приемник I сорта), или по интерференционной картине

( приемник Голея).

Обобщенные характеристики известных типов фотоприемников представлены на рис.33

13.5 Промышленные образцы приемников

Сернистый свинец (PbS). Первый массовый приемник. Представляет собой фотосопротивление, изготовленное из монокристалла PbS (1б,…3 мкм) (Сопротивление -Мом, область частот до 10 кГц, _max ~ 2,6 мкм).

Охлаждаемые приемники PbS (77 К -_гр 4 мкм. Д~ 10¹¹410¹²).

PbSе. Подобен предыдущему, но ещё в большей степени один образец отличается от другого

(_гр 5; (77 К). _гр 7 мкм, Д~ 10¹⁰)

PbТе. Работает только с охлаждением ( ~77 К ), _гр 5,4 мкм.

InSb (_гр~6 мкм. Низкоомный, требует согласующего трансформатора, Д~ 10¹¹)

Германий, легированный золотом (медью, кадмием) - _max - 5-10 мкм и до 40-100 мкм сдвигается при глубоком охлаждении, Д~ 10¹⁰- 10¹¹.

Термоэлементы (пороговая чувствительность - 3-5 10^-9 вт^-1 при полосе 1 Гц).

Приемник Голея ( - 230 мсек; Д~ 210⁹)

Кремний, легированный бором, висмутом, Al, P, сурьмой и т.д. (_max ~ 30 мкм Ддо 10¹³, обязательно охлаждаемые).

КРТ - приемники (кадмий - ртуть - теллур), 70-140 К, Ддо 10¹³.

Матричные приемники - ФП конца ХХ и ХХI века.

Перспективы развития оптических детекторов

Увеличение чувствительности.

Уменьшение размеров и создание многоэлементных приемников.

Увеличение срока службы.

Снижение стоимости и, безусловно, создание матричных приборов с числом чувствительных элементов сотни и тысячи.

Спектральные характеристики приемников разных типов

1-идеальный приемник с р-n-переходом; 2-идеальный фоторезистор; 3 -идеальный тепловой приемник; 4 - пироэлектрический приемник; 5 -термисторный болометр; 6 - термоэлемент; ФД- фотодиод; ФР -фоторезистор.

14. Фотоприемники с переносом заряда (ПЗС)

Принцип действия одного из важнейших типов приборов этого класса, приборов с зарядовой связью (ПЗС) основан на использовании структуры металл - диэлектрик - полупроводник (МДП) в виде линейки или матрицы фоточувствительных элементов, каждый из которых является конденсатором. Если подать на металл импульс напряжения такого знака, чтобы основные носители заряда в п/п были вытолкнуты от поверхности с образованием слоя объемного заряда, то для неосновных носителей, образуется потенциальная яма. Излучение, падающее на конденсатор, будет генерировать пары из основного и неосновного носителей заряда. Основные будут выталкиваться из ямы, а неосновные - накапливаться в ней. Пакет накопленных зарядов несет оптическую информацию, которую можно передать по всей линейке (матрице) от основного элемента к элементу, подавая на них последовательность импульсов напряжения. Вывод всех зарядов, содержащихся в линейке, осуществляется единым выходным электродом. Устройство ведет себя как многоэлементный приемник, связанный с системой мультиплексирования и считывания информации в форме видеосигнала.

14.1 Трехфазный ПЗС

В этом типе ПЗС управляющие напряжения, поступающие от трех генераторов, сдвинуты на треть периода. ПЗС состоит из полупроводника (например, кремния, n-типа) покрытого слоем изолятора, на который нанесена пленка металла - алюминия (рис.33) - электроды. Эти электроды присоединены группами по три к трем фазам ₁, ₂, ₃, выдающим управляющие напряжения-команды.

Перенос заряда происходит под действием напряжения V₁ и V₂, третье напряжение V₀ определяет направление переноса и не дает зарядам двигаться в обратном направлении. Падающее излучение индуцирует в полупроводнике положительные электрические заряды. Эти заряды задерживаются вблизи электрода, потенциал которого V₂ более отрицательный, чем V₀ двух соседних электродов (момент времени t₁) (рис.34).

Далее, в момент времени t₂ электрод, к которому осуществляется перенос, приобретает потенциал V₂, между тем как потенциал V₁ такой, что V₀ > V₁>V₂ это приводит к перемещению заряда к электроду с более отрицательным потенциалом V₂. Заряды задерживаются теперь около этого нового электрода, в то время как два соседних - имеют потенциал V₀ (момент t₃). Затем циклы последовательно повторяются. Заряды, продвигающиеся т.о. вперед, доходят до последнего электрода и попадают в выходной диод, где видеосигнал принимается и усиливается.

14.2 Двухфазный ПЗС

Чтобы упростить механизм управления, можно обеспечить преимущественное направление движения зарядов несимметричной конфигурацией емкостных электродов (например, сделать толщину диэлектрика переменной, что сформирует в п/п два потенциальных уровня, соответствующих одному данному потенциалу электрода) (рис.35).

Эффективность переноса заряда на практике по различным причинам (особенно из-за существования уровня захвата на границе кремний-окись кремния) уменьшается - часть зарядов теряется при каждом переносе. Обычно эффективность 90% на тысячу переносов. Разрабатывают методы, облегчающие диффузию зарядов в кремние. ПЗС регистр позволяет выделять сигналы с различных чувствительных элементов линейки приемников. Эта операция протекает в три этапа (см.рис.37).

этап накопления, во время которого излучение создает электрический сигнал в фоточувствительных элементах;

параллельный перенос сигнала с каждого элемента в ПЗС;

перенос сигнала вдоль ПЗС.

Рис.5. Диаграмма напряжений S₁,S₂ к рис. 35

Изображение с помощью матрицы ПЗС можно получить двумя способами.

В первом случае (рис.38 а) облучаемая матрица ПЗС считывается путем переноса индуцированных зарядов вдоль каждой строки к выходному регистру, представляющему столбец элементов ПЗС, используемых в мультиплексном режиме. Заряды каждого столбца одновременно передаются соседнему столбцу. В результате каждого такого шага выходной регистр заполняется новой информацией, которая тут же считывается и передается видеоусилителю. Рабочая частота устройства очень высока, поскольку требуется очень большая скорость переноса.

Во втором случае информация с элементов облученной матрицы передается в матрицу памяти, имеющую ту же структуру и затем мультиплексируется выходным ПЗС-регистром. Этот метод позволяет согласовать время накопления сигнала от излучения в течениие одного кадра, время очень быстрой передачи информации в матрицу памяти и время считывания. Таким образом рабочая частота оказывается существенно сниженной (рис.38 б).

14.3 Приборы с инжекцией заряда (ПЗИ) (рис.39, 40)

ПЗИ работают аналогично ПЗС с той лишь разницей, что в случае ПЗИ возникает ток в подложке благодаря инжекции зарядов, составляющих видеосигнал. Этот ток пропорционален числу принятых фотонов.

Мозаичные структуры ПЗИ состоят из набора элементарных ячеек - два прозрачных электрода нанесены на подложку п-типа и разделены полученной диффузией областью р-типа.

15. Системы охлаждения приемников излучения

Чтобы повысить обнаружительную способность ИК ФП нужно "заглушить" собственное излучение чувствительного элемента и примыкающих к нему элементов (подводящих электродов, диафрагму поля зрения) Это достигается охлаждением приемника до температур, при которых шум собственного излучения становится пренебрежимо малым.

Кроме того охлаждение очень маленьких чувствительных элементов с малой теплоемкостью позволяет предотвратить чрезвычайный их нагрев под действием интенсивного и продолжительного облучения, наконец охлаждение примеников уменьшает шум от теплового возбуждения носителей заряда внутри чувствительного элемента, т.е. повышает обнаружительную способность.

В настоящее время существует три способа охлаждения:

сжиженными газами;

криогенными машинами;

за счет эффекта Джоуля - Томсона;

за счет термоэлектрического эффекта.

15.1 Охлаждение сжиженными газами

Обычная конструкция

сосуд Дьюара (рис.41).

Хладоагенты:

жидкий азот (77 К)

жидкий гелий (4,2 К)

жидкий водород (20,3 К)

Сосуды Дьюара обеспечивают одной заливкой 3-4 ч. работы приемника.

15.2 Охлаждение за счет эффекта Джоуля - Томсона

Этот метод охлаждения основан на эффекте понижения температуры при быстром дросселировании газа под высоким давлением (20-40 Мпа). Получаемый перепад Т невелик, поэтому необходим теплообменник, использующий полученный холод для понижения температуры газа перед дросселированием.

Выпущенный охлажденный газ, поднимаясь к выходу из сосуда Дьюара, отбирает тепло (рис.42) от спирали, охватывающей трубку с газом высокого давления и охлаждает её. Через насколько минут вблизи чувствительного элемента приемника образуется несколько капель жидкого азота.

15.3 Криогенные машины

Это машины с замкнутым циклом для непрерывной выработки холода механическим путем за счет расширения предварительно сжатого газа. Машины работают на основе различных термодинамических циклов.

Цикл Стерлинга

Это замкнутый цикл, основанный на процессе регенерации при постоянном объеме; фазы сжатия и расширения изотермические.

Цикл имеет четыре фазы:

сжатие при постоянной температуре Т, в камере А (рис.43);

переход газа через регенератор (здесь газ охладится до температуры Т₂) в камеру В;

расширение газа в камере В при Т₂ с поглощением тепла из окружающей среды;

возврат газа в камеру А.

Вытесняемый поршнем камеры В при прохождении через регенератор газ отбирает тепло. Поглощение тепла от окружающей среды происходит благодаря тепловому контакту с металлическим стержнем, находящемся в сосуде Дьюара.Особенность машины данного цикла - малые габариты и малое потребление мощности.

Цикл Джифорда Мак - Магона

Фазы цикла этой машины основаны на тех же принципах сжатия и расширения, что и в цикле Стерлинга.

Поршень находится в нижней части цилиндра, впускной клапан V₁, открыт, давление в регенераторе резко поднимается (рис.44)

Впускной клапан V₁ закрыт, и поршень перемещается в верхнюю часть цилиндра (расширение-генерация холода).

Выпускной клапан V₂ открыт, поршень перемешается в нижнюю часть цилиндра, газ отбирает тепло в регенераторе и понижает его температуру.

Следующий цикл такой же, но газ предварительно охлаждается, проходя через регенератор.

Следует упомянуть и машины с разомкнутым циклом, которые включают фильтр, компрессор, осушитель и теплообменник с использованием эффекта Джоуля -Томпсона. Эти устройства по существу заменяют в системах раздела 14.2 баллон со сжатым воздухом на компрессор, выигрывая в габаритах и надежности.

Термоэлектрический эффект Пелтье состоит в поглощении или выделении тепла на спае двух различных металлов или полупроводников, когда по этим проводникам протекает электрический ток . Если Е₁ и Е₂ термоэдс первого и второго спаев, то количество тепла, получаемого на спае при температуре Т(К) выражается формулой : Q=(Е₁ - Е₂)xTxI.



Один каскад конструкции на основе Bi₂Te₃ позволяет получить температуру

(-30)С, два каскада (-75 ), шесть (-100)

16. Сканирующие системы

Для преобразования многомерного оптического сигнала в одномерный электрический, содержащий адекватную информацию о распределении параметров оптического сигнала, в ОЭП используется сканирование - процесс последовательной, непрерывной или дискретной, выборки значений оптического сигнала. Наиболее часто в ОЭП выполняется преобразование пространственного распределения потока излучения в видеосигнал. Поэтому процесс сканирования в этом случае есть последовательный просмотр сравнительно большого поля обзора малым мгновенным полем.

Важной функцией сканирования является повышение помехозащищенности ОЭП. Действительно, применение малого мгновенного поля зрения при обзоре большого пространства, содержащего малоразмерный объект на фоне помех, безусловно более предпочтительно, чем выполнение той же операции прибором с большим полем зрения.

Сканирующие системы могут быть классифицированы различным образом:

по способу разложения поля обзора (одноэлементное, параллельное, последовательное, комбинирование).

по физической сущности явлений, лежащих в основе работы сканирующей системы (механические, оптико-механические, фотоэлектронные, ультразвуковые и т.д.)

по пространственному признаку (одномерные, двумерные).

При одноэлементном сканировании малое мгновенное поле зрения может быть просмотрено , как показано ниже на рисунке, по самым различным траекториям.



При параллельном сканировании все поле OYLX просматривается одновременно по горизонтальным строкам, например, путем перемещения линейки ФП , ориентированной перпендикулярно направлению сканирования.

При последовательном сканировании линейка ФП ориентирована параллельно направлению сканирования каждую точку пространства просматривают все элементы. Сигналы от них поступают на линию задержки и в сумматор. В этом случае возможно не только осреднение сигнала, но и получение большого разрешения в (n) раз при усложнении электронной схемы и повышении стоимости ОЭП, которые могут быть несопоставимы с достижимым преимуществом.

При параллельно-последовательном сканировании просмотр поля зрения обеспечивается матрицей.



16.1 Траектории сканирования при регулярном поиске

В оптико-электронных приборах используются различные траектории сканирования. Вид конкретной траектории определяет прежде всего форму контролируемой области поля обзора (форму растра).

Круглая форма поля образуется осесимметричными траекториями, которые создаются за счет двух составляющих сканирования. Одной из них является вращательное движение с постоянной скоростью, второй - как вращательные, так и колебательные движения.

Прямоугольная форма поля создается двумя колебательными перемещениями, хотя в некоторых случаях используются сочетания вращательного и поступательного движения.

Осесимметрические траектории сканирования могут быть разделены на ряд классов в зависимости от типа слагающих движений и соотношения между их скоростями. При этом различают спиральную и розеточную траектории сканирования.

Траектории сканирования при колебательно-вращательном движении сканирующего поля.

Архимедова спираль образуется, когда за время одного колебания вдоль некоторой оси ОУ последняя совершает несколько оборотов вокруг неподвижной точки О (Рис.6).



Рис.6

Для осмотра поля обзора без (2r) пропусков размер мгновенного поля зрения должен быть равен (а).

Если при колебательно-вращательном движении сканирующего поля за время одного оборота совершается несколько колебаний, то создается розеточная траектория (Рис.7)

Рис.7.

Розеточная траектория характеризуется числом лепестков N, которое определяется угловой скоростью вращения , линейной скоростью и амплитудоколебания r

,

где

В зависимости от соотношения между r, радиусом поля обзора R, а также направления и начала сканирующего колебания изменяется характер заполнения поля линиями сканирования изменяется.

Траектории сканирования при вращательно-вращательном движении достаточно наглядно представлены на рис. 49-51.

Траектории сканировании при колебательных перемещениях.

Колебательные перемещения сканирующего поля в двух взаимно перпендикулярных направлениях позволяют осуществить так называемую построчную и прогрессивную траекторию сканирования. В этом случае в процессе развертки сканирующее поле (СП) перемещается слева направо и одновременно смещается на ширину строки вниз. Пройдя одну строку, СП быстро перемещается влево и затем процесс повторяется до заполнения кадра -поля обзора. Для получения равномерного движения СП вдоль строки или кадра перемещения его в исходное положение необходимо обеспечить пилообразный закон движения (Рис.8). В заключении приведём рис.53, который иллюстрирует некоторые специальные траектории сканирования.

16.2 Типы сканирующих устройств

Обычно различают ОЭП с фотоэлектронным сканированием, сканирование электронным лучом, сканирование световым лучом, оптико-механическое сканирование.

Сканирование электронным лучом (СЭЛ)

СЭЛ осуществляется в телевизионных передающих трубках (иконоскоп, супериконоскоп, ортикон, диссектор, видикон и др.).

Большинство современных передающих трубок являются фотоэлектрическими приемниками излучения с внешним фотоэффектом,обладающим достаточной чувствительностью в области длин волн до ~1,2 мкм.

В ряде случаев в качестве фотокатода в трубках используются фоторезистор, т.е.явление внутреннего фотоэффекта, что сдвигает область чувствительности до 2-2,5 мкм.

Рис. 8. Построчная или прогрессивная траектория сканировании

Наибольшее распространение в автоматических ОЭП получили диссектор и видикон, соответственно системы мгновенного действия с накоплением.

В системах мгновенного действия энергия излучения каждой точки обозреваемого поля преобразуется в сигнал только в течение времени прохождения через неё сканирующего луча. Это время существенно меньше времени обзора всего поля, т.е. здесь не используется возможность накопления энергии.

В системах c накоплением осуществляется суммирование энергии излучаемой данной точкой поля в течении всего времени обзора, что позволяет повысить их чувствительность по сравнению с системами мгновенного действия.

Пояснить работы системы с накоплением удобно на примере устройства иконоскопа.

Фотокатод телевизионной трубки (мишень) можно представить в виде большого количества отдельных, изолированных друг от друга фотоэлементов, соединенных последовательно с источником э.д.с. [(см. рис. 54), R- сопротивление нагрузки, С - распределенная емкость фотокатода].

Под действием излучения одной из точек i поля обзора происходит заряд конденсатора С_i фототоком I₃ в течение времени работы ключа К- времени экспозиции.

Системы с накоплением относительно сложны в эксплуатации, требуют стабилизации источников питания и боятся сильных засветок. В связи с этим, несмотря на меньшую чувствительность, в ОЭП широко используются диссекторы.

Диссектор

Его принцип действия заключаетсяв следующем. Полупрозрачный фотокатод (рис.55), на котором проектируется изображение светящегося объекта, испускает внутрь трубки фотоэлектроны в количестве, пропорциональном его освещенности. Образовавшееся электронное изображение переносится с фотокатода к электронному умножителю с помощью электрического и магнитного поля.

Для получения сигналов от всех элементов изображения производится развертка с помощью магнитной системы (5)/ 4- ускоряющее поле/.

Диссекторы выпускаются с различными типами фотокатодов, обеспечивающих чувствительность от УФ до ближней ИК области длин волн.

Видикон (рис.56)

На полупрозрачную сигнальную пластину (металлическую) 1 нанесен слой полупроводника 2. Фотоизображение считывается электронным лучом. Нормальное падение последнего обеспечивается сеткой вблизи сигнальной пластины. Электронный луч, перемещаясь по мишени, оставляет на ней электроны, приводя потенциал участка полупроводника к потенциалу катода. Чем меньше освещенность участка мишени, тем больше сопротивление полупроводника, тем меньше, следовательно, необходимо электронов для компенсации изменения заряда, т.е. считывания рельефа изображения.