Оптическая система оптико-электронного прибора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптическая система оптико-электронного прибора



План

1. Назначение, структура и особенности оптической системы оптико-электронного прибора

2. Критерии качества оптической системы оптико-электронного прибора

3. Передающие оптические системы

4. Объективы

5. Конденсоры приемных оптических систем

6. Оптические компенсаторы

7. Бленды. Борьба с внешними и внутриприборными засветками в оптической системе

8. Оптические фильтры

9. Материалы оптических систем оптико-электронных приборов

10. Атермализация и ахроматизация оптической системы оптико-электронного прибора путем выбора надлежащих оптических материалов



1. Назначение, структура и особенности оптической системы оптико-электронного прибора

Оптическая система является одним из наиболее важных узлов ОЭП. В общем случае она служит:

- для обеспечения требуемых энергетических (светотехнических) соотношений, т.е. для обеспечения заданного уровня сигнала (или отношения сигнал-шум) на приемнике излучения путем сбора необходимого количества энергии излучения, формирования рациональной пространственной структуры пучка лучей и его спектрального состава и т.д;

- для получения требуемого качества изображения наблюдаемых объектов или полей, что приводит к необходимости обеспечить достаточное пространственное, временноме, спектральное и энергетическое разрешение;

- для выделения полезных оптических сигналов на фоне возможных помех и определения их характерных признаков, для чего также необходимо обеспечить должное разрешение по одному или нескольким параметрам оптического сигнала.

Последнее выполняется не только оптической системой, но всем ОЭП. Однако первичная обработка информации происходит прежде всего в оптической системе, что предъявляет к ней во многих случаях достаточно специфические требования.

Схема оптической системы ОЭП, включающей передающую и приемную части, представлена на рис. 1. Такой схеме соответствует активный метод работы, при котором обеспечивается возможность управлять параметрами источника излучения, облучающего наблюдаемый объект. При пассивном методе работы ОЭП, когда используется собственное излучение объекта, имеется лишь приемная часть. В схеме на рис. 1. не показаны дополнительные устройства, которые могут входить в состав оптической системы ОЭП (например, сканирующее устройство).

Иногда элементы системы располагаются в другой последовательности. Часто функции нескольких звеньев, представленных на рис. 1, совмещены в одном, например, во многих оптико-электронных следящих системах функции оптического анализатора изображения, пространственного фильтра и модулятора выполняет оптический растр.

Рис.1. Пример структурной схемы оптической системы ОЭП

В следующих параграфах настоящей главы, а также в гл. 7-9 будут рассмотрены особенности отдельных звеньев этой схемы, а пока рассмотрим кратко их назначение.

Передающая система. Выбор источника излучения 6 обусловлен требованием обеспечить рациональные энергетические соотношения. В ряде случаев за счет правильного выбора источника можно упростить конструкцию ОЭП, например, не вводить в передающую систему оптический фильтр 5, а часто и отдельный модулятор 3.

Оптический фильтр 5 в передающей системе предназначен, как правило, для выделения из всего спектра излучения источника какой-либо его части, что способствует, например, лучшей селекции наблюдаемого объекта на фоне помех, предотвращению излишней засветки приемной системы в целом и приемника излучения, в частности, скрытности работы ОЭП, защите последующих элементов передающей оптической системы от нагрева и т.д. Конденсор 4 передающей системы служит для сбора максимально возможного количества потока излучения от источника, а в ряде случаев и для обеспечения рациональных соотношений между площадью сечения пучка и геометрическими параметрами модулятора 3. Последний выполняет особо важную роль в обеспечении помехозащищенности ОЭП при активном методе работы. Выбирая режим работы модулятора передающей системы и его параметры и кодируя передаваемую информацию, можно осуществить в приемной системе хорошую фильтрацию сигнала на фоне внешних и внутренних помех и его декодирование.

Объектив 2 передающей оптической системы формирует диаграмму направленности так, чтобы обеспечить необходимый характер облучения объекта 1, например, получить перекрытие зоны его возможных перемещений.

Приемная система. Наиболее жесткие требования с точки зрения помехозащищенности предъявляются к элементам и узлам приемной системы. Ее объектив 7 должен обеспечить одновременно и сбор необходимого количества энергии, и образование изображения требуемого качества, а в ряде случаев и защиту от вредных внешних воздействий (аэродинамического нагрева, воздействия влаги, избыточного давления и т.п.). оптический электронный ахроматизация атермализация

Во многих ОЭП для обеспечения компенсационного режима слежения за наблюдаемым объектом или измерения его параметров, например, его координат, используются специальные компенсаторы, с помощью которых можно уменьшить угловое поле объектива, увеличить быстродействие, компенсировать влияние некоторых помех. На рис.1 компенсатор условно показан в виде плоскопараллельной пластины 8, поворачивающейся в сходящемся пучке лучей после объектива.

При современном уровне технологии в большинстве случаев трудно, а иногда и невозможно синтезировать и создать на практике объектив и приемник излучения с требуемыми параметрами и характеристиками. Поэтому в состав приемной системы вводят специальные звенья - фильтры пространственных 9 и оптических 12 частот.

В приемную систему может входить также отдельный анализатор оптического изображения, с помощью которого из сигнала-изображения наблюдаемого объекта 1 извлекается информация о его пространственном положении, контурах, законе распределения освещенности и т.п. Очень часто функции такого анализатора выполняет растр - пространственный фильтр 9, а съем полезной информации происходит при относительном взаимном перемещении растра и изображения. В ряде случаев в приемной системе предусматривается отдельный модулятор 10.

Важную роль в борьбе с внутренними шумами играет конденсор (коллектив) 11 приемной системы. С его помощью можно уменьшить размер чувствительной площадки приемника, что снижает уровень шумов последнего. Кроме того, используя конденсор, можно за счет «размытия» размеров изображения на этой площадке устранить вредное влияние неравномерности чувствительности по площадке приемника.

Параметры и характеристики приемника излучения 13 выбирают, как правило, из условий обеспечения необходимой чувствительности и требуемой помехозащищенности всего прибора. При этом важнейшей задачей является согласование параметров приемника с параметрами оптической системы ОЭП, а также наблюдаемого объекта и среды распространения излучения. Часто помимо своих основных функций - преобразования энергии оптического излучения в электрическую - приемник выполняет и другие функции. Например, координатно-чувствительные приемники являются одновременно и анализаторами изображения, а многоэлементные матричные приемники и фотоматрицы выполняют одновременно функции пространственных фильтров и анализаторов.

Специфическими свойствами оптической системы ОЭП являются:

- наличие в ее составе приемника излучения, который одновременно входит в состав электронной системы и выполняет функции согласования между собой этих звеньев прибора;

- иной, нежели у визуальных оптических систем, спектральный рабочий диапазон (часто, но не всегда). Если этот диапазон широк, то это приводит к большему влиянию некоторых аберраций, например, хроматизма, и усложняет их коррекцию, а также затрудняет выбор оптических материалов, работающих в широком спектральном диапазоне. Если же, как например у лазерных оптических систем ОЭП, этот диапазон весьма узок, то это также обуславливает специфику их расчета и конструкции.

Линзовые и зеркально-линзовые оптические системы, работающие в ИК диапазоне, часто проще, чем системы для видимого диапазона, что объясняется бомльшими значениями показателя преломления и меньшей дисперсией многих материалов, прозрачных в ИК области спектра. Сюда же следует отнести заметное влияние на приемник излучения потоков, испускаемых неохлажденными частями конструкции ОЭП, в том числе и оптическими элементами. Если в визуальных оптических системах для борьбы с «внутренними» бликами и засветками, возникающими за счет рассеяния потока в оптических элементах или на их оправах, применяются специальные покрытия (чернение внутренних поверхностей, коркование и др.), то в ИК системах такие покрытия могут увеличить вредное излучение элементов конструкции и тем самым снизить чувствительность приемника и всего прибора. Поэтому во многих ОЭП, работающих в ИК диапазоне, применяют охлаждаемые диафрагмы, препятствующие поступлению на приемник излучения потока, испускаемого элементами конструкции прибора, находящимися вне его углового поля.

Многим оптическим системам ОЭП присущи и свои конкретные особенности. Например, весьма специфичны оптические системы, служащие для формирования или приема мощных лазерных пучков, или оптические системы радиометров, предназначенных для исследования слабо нагретых тел [14, 21,30]. В тех случаях, когда работа прибора идет без доступа оператора, предъявляются повышенные требования к простоте и надежности конструкции оптической системы ОЭП.

2. Критерии качества оптической системы оптико-электронного прибора

В зависимости от назначения и специфики оптических систем ОЭП используются различные критерии их качества. К числу достаточно общих критериев относятся коэффициент полезного действия оптической системы ?_о (оптический КПД), определяющий потери энергии излучения в этой системе, включая и передающую и приемную ее части, коэффициент оптического усиления оптической системы k_опт, а также оптическая передаточная функция (ОПФ), разрешающая способность и ряд связанных с ними параметров, описывающих пространственное разрешение оптической системы.

Иногда для оценки качества оптической системы применяют и другие критерии, например конструктивные ее параметры или эксплуатационные свойства. Выбор этих критериев зависит от типа и назначения конкретной оптической системы и всего ОЭП.

Коэффициент полезного действия оптической системы h_о во многом определяет КПД всего ОЭП. Он учитывает потери потока при отражении его от оптических поверхностей и на поглощение в элементах оптической системы, а также ряд других факторов. Методика расчета h_о описана в § 14.5.

Коэффициент оптического усиления k_опт определяется как отношение потоков излучения, поступающих на приемник излучения при использовании оптической системы и без нее. Если удаленный источник излучения не перекрывает полностью угловое поле оптической системы, то



где t_о - коэффициент пропускания оптической системы (см. § 14.4); A_вх - площадь входного зрачка приемной оптической системы; А_пи - площадь чувствительного слоя приемника излучения. Можно отметить, что для приемных оптических систем часто t_о=h_о.

Понятия «Передаточная функция», «Частотная характеристика оптической системы» и «Оптическая передаточная функция (ОПФ)» будут описаны ниже в гл. 10, после рассмотрения правомерности использования преобразования Фурье для процессов образования оптического изображения. Пока же можно отметить, что ОПФ определяет зависимость изменения контраста изображения от пространственной частоты. Как ОПФ, так и более традиционный критерий пространственного разрешения - «разрешающая способность» во многом зависят от кружка рассеяния, т.е. картины (или функции) распределения освещенности в изображении точечного излучателя. Размер кружка рассеяния и распределение освещенности в нем определяются дифракцией, являющейся следствием волновой природы света, и аберрациями, т.е. искажениями фронта волны, зависящими от параметров оптических деталей и материалов, а также расфокусировкой и другими нарушениями идеальной оптической схемы [4,7,21 и мн.др.].

Для оценки качества оптической системы и предъявления соответствующих требований к ее конструкции необходимо четко представлять связь дифракции и аберраций с этими конструктивными параметрами.

Аберрации можно уменьшать до допустимых значений изменением радиусов кривизны и толщин оптических деталей и промежутков между ними, подбором оптических материалов. В то же время дифракция зависит от размера диафрагм, ограничивающих пучки, и именно она определяет минимально достижимый размер кружка рассеяния, т.е. качество идеальной безаберрационной оптической системы.

Теоретически предельно оптимальным диаметром кружка рассеяния принято считать диаметр центрального яркого пятна в дифракционной картине изображения точки (диска Эри), угловой размер которого для объектива с круглым зрачком

2Д_л=2,44 л/D (1)

где 2D_l измеряется в радианах, а длина волны l и диаметр входного зрачка D - в одинаковых единицах. Радиус диска Эри в фокальной плоскости объектива можно найти, умножив его угловой размер D_l на фокусное расстояние объектива.

Для раздельного восприятия (разрешения) двух точечных объектов в идеальной оптической системе часто считают необходимым, чтобы максимум яркости диска Эри для одного изображения совпадал с первым минимумом (первым темным кольцом) в изображении второго объекта. Тогда минимальный разрешаемый угол между двумя точечными объектами a=1,22l/D, где единицы измерения такие же, как и в (1).

В большинстве практических случаев размер кружка рассеяния определяется аберрациями системы, но не дифракционными явлениями, поэтому очень важно свести значения основных аберраций к минимуму.

Радиусы аберрационных кружков рассеяния связаны с важнейшими параметрами оптической системы следующим образом:



сферическая аберрация: (2,а)

кома: (2,б)

астигматизм: (2,в)

кривизна поля: (2,г)

дисторсия: (2,д)

хроматизм положения: (2,е)

хроматизм увеличения: (2,ж)

где r_i - радиус кружка рассеяния; D/fў - относительное отверстие; w - угловое поле в пространстве предметов; a_э и b_э - оси эллиптического изображения точки; D - смещение изображения точки от положения, определяемого идеальной оптической системой, вследствие отклонения истинного увеличения от увеличения в идеальной системе; Dl_l - разность размеров изображений одного и того же отрезка объекта для двух лучей с различными длинами волн; k_i - коэффициенты аберраций [21].

При выборе диапазона длин волн, в котором работает система, необходимо учитывать изменение показателя преломления в этом диапазоне и возникающие в связи с этим хроматические аберрации отдельных компонентов системы. Устранять хроматизм можно не только обычной коррекцией, заключающейся в совместном использовании элементов с дисперсией различного знака, например ахроматизированных дублетов, но и выбором материала с постоянным значением п в интересующем разработчика диапазоне спектра.

Формулы (2,а) - (2,ж) сохраняют свой вид и для систем, образованных асферическими поверхностями, т.е. ввод асферических поверхностей не нарушает пропорциональность размера аберрационного кружка таким параметрам оптической системы, как относительное отверстие и угловое поле.

В каждом конкретном случае приходится корригировать (исправлять) оптическую систему в отношении определенных аберраций. Наиболее часто в узкопольных ОЭП требуется устранять сферическую, хроматическую аберрации и кому. Методы коррекции оптических систем ОЭП, как правило, ничем не отличаются от традиционных методов расчета оптических систем [4, 7, 21].

3. Передающие оптические системы

При работе ОЭП активным методом практически всегда источник излучения дополняют специальной оптической системой, предназначенной главным образом для пространственного перераспределения потока. Эту систему принято называть передающей, а иногда - светооптической или осветительной. Необходимость ее применения обычно возникает вследствие чрезмерно большой расходимости излучения большинства источников, что не позволяет свести к минимуму потери потока на пути от излучателя до исследуемого объекта, а затем до приемной оптической системы. Иногда передающая оптическая система необходима для обеспечения условий качественной модуляции потока непосредственно у источника, для выделения оптимального участка спектра излучения источника до посылки сигнала к объекту и т.п.

Для увеличения потока излучения, направляемого от источника И на освещаемый объект О, в передающих системах часто применяют специальные оптические элементы - конденсоры. Если сопоставить две оптические осветительные системы - без конденсора (рис.2,а) и с конденсором (рис.2,б), то можно показать, что выигрыш в облученности Е в плоскости О в схеме с конденсором составит t_кА_к /А_и раз. Здесь t_к - коэффициент пропускания конденсора; А_к - площадь конденсора (его выходного зрачка); А_и - проекция излучающей площадки на плоскость, которая перпендикулярна оптической оси.

Рис. 2. Схемы простейших осветительных систем: а без конденсора; б - с конденсором

Действительно, для схемы без конденсора облученность (или освещенность)

(3)

где t_c - коэффициент пропускания среды на пути от источника И до плоскости О; L_и и I_и - яркость и сила излучения (света) ламбертовского источника (принимаем, что расстояние l значительно больше размера источника d_и).

Для схемы с конденсором при la? облученность в плоскости О

(4)

Из сопоставления (3) и (4) следует, что для увеличения Е_О целесообразно увеличивать площадь выходного зрачка конденсора, а следовательно, и угол 2?_A, в котором собирается поток, испускаемый источником. Однако при этом усложняется конструкция и растут аберрации конденсора, что приводит к увеличению расходимости выходного пучка и ухудшению равномерности облученности (освещенности) в плоскости О. Расходимость, обусловленная аберрациями, может превысить геометрическую расходимость пучка вследствие конечности размеров излучающего тела источника. При уменьшении аберраций за счет усложнения конструкции конденсора происходит уменьшение его коэффициента пропускания t_к. Кроме того, следует отметить, что при изменении расстояния аў в процессе работы ОЭП облученность в плоскости О будет меняться, а это часто весьма нежелательно.

Если облучаемый объект находится на большом расстоянии от источника, и значительные изменения его облученности при изменениях этого расстояния недопустимы, то передающую систему строят по схеме коллиматора или прожектора, в которой стремятся обеспечить параллельность выходящих лучей, для чего источник помещают в переднем фокусе конденсора, т.е. а =f?. В силу конечности размеров излучателя и в этой схеме имеет место расходимость пучка лучей и, следовательно, изменение облученности при изменении расстояния l. В этом случае формула (4) также верна для расчета облученности при аў > l_кр или l > l_кр, где l_кр=-D_к fў/d_и, D_к - диаметр выходного зрачка конденсора. Обычно l_кр= (50...70) D_к.

От ряда недостатков рассмотренных систем свободна система с конденсором и объективом, представленная на рис. 3. За конденсором 2 помещается полевая диафрагма 3, в качестве которой иногда используют марку, сетку или другой оптический элемент. Нужно отметить, что во многих ОЭП размер полевой диафрагмы весьма невелик в отличие от проекционных систем. Это позволяет упростить конструкции конденсоров и объективов. Конденсор 2 создает изображение источника 1 во входном зрачке объектива 4.



Рис. 3. Схема передающей системы с конденсором и объективом

При расположении диафрагмы около конденсора диаметр последнего будет минимален. Поскольку яркость излучающей площадки большинства источников неравномерна, эта схема предпочтительнее представленной на рис. 2,б в тех случаях, когда важна равномерность распределения потока в плоскости облучаемых объектов.

Для обеспечения требуемого спектрального состава излучения в любую из представленных выше схем может быть введен оптический фильтр.

В качестве конденсоров и объективов передающих систем используются как линзовые, так и зеркальные элементы. Их основными параметрами являются: фокусное расстояние fў, линейное увеличение V, относительное отверстие D/fў или диафрагменное число K=fў/D, углы охвата 2s_A и сходимости 2sў_A. Для конденсора с K=K_к в виде тонкой линзы при a=fў--(см. рис. 2,б)

Одиночную линзу применяют в качестве конденсора при (2s_А+ 2sў_A)Ј45°. Если аў>20 fў_к, то обычно в качестве конденсора используют плосковыпуклую линзу, обращенную плоскостью к источнику. При V=-1 наилучшей формой линзы является двояковыпуклая с одинаковыми радиусами.

Двухлинзовый конденсор применяют при (2s_А+ 2sў_A)Ј60°. Две плосковыпуклые линзы, соприкасающиеся сферическими поверхностями, при требуемом увеличении V должны иметь отношение фокусных расстояний fў_2к/fў _1к= 2V, причем fў_1к - фокусное расстояние ближайшей к источнику линзы конденсора. Форму линз конденсора обычно определяют из условия получения минимума сферической аберрации [4, 7, 21]. Более сложные конденсоры позволяют получить бомльшие значения 2s_А+ 2sў_A, например, трехлинзовые - до 100°. Однако их конструкции сложны, а потери потока в них велики. Поэтому часто для увеличения угла охвата выгоднее включать в состав системы добавочное зеркало, как это делается в прожекторах, или использовать линзу Френеля [21]. Реже в передающих системах ОЭП применяются оптические линзовые растры.

Меньшие потери энергии имеют место в зеркальных и зеркально-линзовых передающих системах. Одиночное сферическое зеркало редко используют на практике вследствие большой сферической аберрации, а следовательно, и большой расходимости и неоднородности пучка, хотя угол охвата его может превышать 100° при увеличении V (до V=5). Чаще конденсорами служат эллипсоидные зеркала, в один из фокусов которых помещают малоразмерный (точечный) излучатель, а в другой - центр входного зрачка объектива передающей системы. Угол охвата таких зеркал может превышать 180°.

Специфичны оптические системы лазерных передающих систем. В зависимости от назначения и принципа работы конкретного ОЭП такие системы могут фокусировать лазерные пучки на постоянном или переменном расстояниях, коллимировать их, изменять диаграмму направленности. Оптические элементы, применяемые в лазерных системах (линзы, пластины, призмы и т.д.), принципиально ничем не отличаются от элементов систем с некогерентными излучателями. В то же время при их выборе и расчете следует учитывать ряд особенностей, например, монохроматичность лазерного излучения, его поляризованность, узкую диаграмму направленности и др. [11, 21].

Поскольку пучок лучей лазера не является гомоцентрическим, проектирование передающей оптической системы в этом случае имеет ряд особенностей. Часто выходное отверстие лазера рассматривают как диафрагму, из которой выходят осевые и наклонные пучки параллельных лучей. Для уменьшения угла расхождения этих пучков используют афокальные линзовые, зеркальные и зеркально-линзовые системы [11, 18]. Чаще всего такие системы аналогичны телескопическим (рис. 4). Их увеличение g=sў/s, причем s - угол расхождения лучей лазера; sў - угол расхождения лучей на выходе передающей оптической системы. Диаметр пучка лучей на выходе телескопической системы с видимым увеличением Г равен

d = d / Г

где d - диаметр пучка на выходе лазера.

Рис. 4. Простейшая передающая лазерная оптическая система

Критерием качества передающей оптической системы часто может быть коэффициент оптического усиления, определяемый для передающей системы как отношение осевой силы излучения на выходе системы к осевой силе излучения источника I_И, т.е. с учетом (3) и (4)



где t_o1 - коэффициент пропускания; А₁ - площадь выходного зрачка оптической передающей системы; А_И - видимая площадь излучателя.

4. Объективы

Важнейшей частью как приемной, так и передающей оптической системы любого ОЭП является объектив. В передающей системе объектив окончательно формирует пучок лучей, направляемый на исследуемый объект или в приемную оптическую систему. В приемной системе объектив служит в первую очередь для сбора энергии излучения и образования изображения исследуемого или наблюдаемого объекта (или пространства объектов). Требования к качеству этого изображения, а следовательно, и к объективу определяются задачами, решаемыми с помощью прибора, условиями его работы и конструктивными особенностями, свойственными каждому конкретному случаю. Общие вопросы габаритного и аберрационного расчетов объективов достаточно подробно рассматриваются в литературе [4, 7, 21и др.].

Специфичны методы и особенно порядок расчета объективов приемных оптических систем ОЭП. Они заметно отличаются от тех, которые приняты при расчете визуальных систем.

Габаритный расчет всей приемной оптической системы ОЭП и объектива, в частности, чаще всего приходится начинать с выполнения энергетического расчета, целью которого в данном случае является определение необходимого размера входного зрачка системы, обычно его диаметра D (см. гл. 14). Помимо энергетических соотношений на выбор диаметра входного зрачка могут влиять такие факторы, как, например, необходимость перекрытия диапазона возможных колебаний приходящего пучка, уменьшение влияния флуктуаций прозрачности атмосферы (см. § 4.4) и др. Для увеличения уровня полезного сигнала - потока от излучателя малой площади всегда целесообразно увеличивать D, однако этому на практике препятствуют как трудности технологического или конструктивного характера (сложность изготовления, большие размеры и т.п.), так и принципиальные причины, например, трудность аберрационной коррекции при росте отношения D/f? [см. формулы (2)], увеличение влияния посторонних помех, усложнение конструкции других звеньев оптической системы.

После выбора диаметра входного зрачка, а правильнее, его площади, обычно рассчитывают или подбирают фокусное расстояние объектива f? и его относительного отверстия D/f?. Фокусное расстояние объектива является вторым важнейшим габаритным параметром. На его выбор влияют также аберрационные соотношения, т.е. требования к качеству изображения, так как после выбора D фокусное расстояние остается свободным параметром, которым можно варьировать, подбирая относительное отверстие в соответствии с формулами (2). В измерительных оптико-электронных системах, особенно в высокоточных, фокусное расстояние, исходя из требования обеспечения необходимой точности линейных или угловых измерений [3], как правило, стремятся сделать возможно бо?льшим, если позволяют размеры прибора. При этом уменьшается погрешность измерения (слежения, наведения), обусловленная неточностью анализирующего или отсчетного устройства, устанавливаемого обычно в фокальной плоскости объектива. Например, если цена деления отсчетной сетки, установленной в этой плоскости, равна ?y, то соответствующий угол в угловом поле прибора составит

(5)

Очевидно, что по мере роста f? уменьшается значение ??. Если ?у - допуск на погрешность отсчетного устройства или анализатора, а ?? - заданная угловая чувствительность прибора, то f? может быть найдено из (5): fўіDy /Db.

Угловое поле объектива обычно определяется техническим заданием на прибор, а также способом работы системы. В ряде случаев это поле выбирается малым, что позволяет улучшить энергетические соотношения между полезным сигналом и помехами. Для обеспечения просмотра больших углов в этом случае применяют сканирующие системы, рассматриваемые в гл. 8. При малых угловых полях легче обеспечить лучшее качество изображения за счет уменьшения полевых аберраций - комы, астигматизма, кривизны поля, дисторсии.

Определив значения важнейших габаритных параметров объектива, разработчик ОЭП может перейти к выбору его конструкции, после чего рассчитывается окончательное значение коэффициента пропускания объектива ?_о.

При выборе конструкции объектива ОЭП на практике всегда приходится искать компромиссное решение, как с точки зрения улучшения пропускания, т.е. уменьшения потерь потока, так и исходя из требований обеспечения нужного качества изображения. Первое приводит к стремлению максимально упрощать систему, уменьшать число компонентов объектива; для обеспечения второго требования приходится применять достаточно сложные, многокомпонентные объективы.

Для оценки возможностей обеспечения этого компромисса кратко рассмотрим наиболее распространенные разновидности конструкций объективов ОЭС. Их можно разделить на три большие группы: линзовые, зеркальные и зеркально-линзовые.

Простейший объектив - это одиночная линза. Основным ее недостатком является плохое качество изображения, так как ей присущи все виды аберраций, среди которых особенно существенны хроматизм и сферическая аберрация. Гораздо лучшее качество изображения за счет устранения хроматизма и уменьшения сферической аберрации и комы обеспечивают сравнительно простые двухлинзовые склеенные и несклеенные объективы. Их относительное отверстие обычно не превышает 1:3 при угловом поле около 10° и диаметре входного зрачка не более 100...150 мм.

Для обеспечения хорошего качества изображения при больших угловых полях следует применять более сложные системы (триплеты, многокомпонентные объективы и т.д.), обладающие меньшим пропусканием.

Преимущества линзовых систем по сравнению с зеркальными следующие: возможность хорошей аберрационной коррекции, бомльшие угловые поля, технологическая простота конструкции (проще сборка и юстировка, бомльшая нерасстраиваемость вследствие температурных воздействий и т. п.), возможность совмещения функций защитного стекла и первого компонента.

В то же время линзовым системам присущи такие недостатки, как высокое селективное поглощение в ряде участков оптического спектра, сравнительно большие хроматические аберрации, значительные продольные размеры и масса, большая стоимость некоторых оптических материалов, из которых изготовляют линзы для УФ и ИК диапазона, трудность осуществления оптико-механического сканирования.

Многих из этих недостатков нет у зеркальных систем; основными достоинствами их являются возможность работы в широком спектральном диапазоне с небольшими потерями энергии излучения, отсутствие хроматизма и меньшие продольные размеры. Одиночное зеркало часто служит в качестве простейшего объектива, особенно если оно является параболическим. Довольно широко используются и более сложные зеркальные системы (система Гершеля, зеркальная система Кассегрена и др.), основным недостатком которых является экранирование части входного зрачка либо приемником, либо вторичными отражателями (контррефлекторами).

Для большинства зеркальных систем характерна некоторая технологическая усложненность по сравнению с однотипными линзовыми объективами.

В последние десятилетия в связи с развитием адаптивных оптических систем появились зеркальные системы с управляемым в процессе работы ОЭП профилем отражающей поверхности (составные зеркала, зеркала с синтезированной апертурой, гибкие зеркала и др.).

Многими преимуществами линзовых и зеркальных систем обладают зеркально-линзовые системы, которые кроме достаточно высокого пропускания могут иметь большие относительные отверстия и значительные угловые поля. В ряде таких систем довольно просто осуществляется оптико-механическое сканирование.

Широко используются в ОЭП зеркально-линзовые системы Максутова и Максутова-Кассегрена с мениском в качестве первого компонента. Мениски позволяют исправить сферическую аберрацию, кроме того, их можно сделать ахроматическими. Иногда поверхности зеркал в этих системах выполняются асферическими, а в ряде случае в них вводят и корригирующие линзы, помещаемые обычно вблизи фокальной плоскости объектива.

В качестве примера на рис. 5 приведена схема объектива, в котором одна из отражающих поверхностей выполнена с отклонениями от сферы порядка 38...57 мкм, что позволило при относительном отверстии 1: 1,5, диаметре входного зрачка 16,6 см и угловом поле 5,8° сосредоточить 75% собираемой энергии в кружок диаметром 15 мкм.



Рис. Схема зеркально-линзового объектива

За последние годы внимание разработчиков привлекли зеркала Манжена, в которых используется отражение от внутренней, а не от наружной поверхности зеркала. В них сферическая аберрация легко сводится к минимуму.

В заключение можно указать, что перечисленные достоинства и недостатки линзовых и зеркальных систем свойственны во многом не только объективам ОЭП, но и другим их оптическим звеньям, т е. всей оптической системе ОЭП.

Методы аберрационного расчета объективов ОЭП принципиально ничем не отличаются от общепринятых методов [4, 7].

5. Конденсоры приемных оптических систем

Поток излучения, собранный объективом, непосредственно им же может быть направлен на приемник излучения. Простейшим случаем является расположение чувствительного слоя приемника в фокальной плоскости объектива или в непосредственной близости от нее (рис. 6). В этом случае размер приемника l зависит от фокусного расстояния fў объектива и его углового поля 2?:

(6)

Однако такая простая оптическая схема имеет ряд недостатков. Во-первых, размер приемника может быть слишком большим, что ухудшает его пороговую чувствительность (при увеличении площади чувствительного слоя возрастают шумы приемника); во-вторых, при изменении угла падения лучей на входной зрачок изображение удаленного источника, имеющее малый размер, будет переходить с одного участка чувствительного слоя приемника на другой, а при этом за счет неравномерности чувствительности по площади приемника возникает неконтролируемое изменение выходного сигнала - так называемый шум из-за неравномерности чувствительности по слою. В-третьих, в ряде случаев в фокальной плоскости объектива необходимо располагать не чувствительный слой приемника, а устройство, анализирующее закон распределения освещенности в изображении. При этом приходится отодвигать приемник, что ведет к крайне нежелательному увеличению площади его чувствительного слоя. Иногда необходимо уменьшить влияние перемещения изображения вдоль оси системы (при взаимном сближении или удалении объектива и источника), что довольно трудно получить в системе, представленной на рис. 6.

Рис. 6. Простейшая приемная оптическая система ОЭП

Для устранения перечисленных вредных явлений, т. е. для увеличения на выходе приемника отношения сигнал-шум, используют специальные оптические элементы, трансформирующие световой пучок после объектива - конденсоры. Их основное назначение - уменьшать размер чувствительного слоя приемника и устранять влияние неравномерности чувствительности по площадке.

Рис. 7. Приемная оптическая система с конденсором

Общая схема оптической системы (в тонких компонентах) с конденсором представлена на рис. 7. В данном случае конденсор переносит изображение входного зрачка, положение которого принято близким к главной плоскости объектива, в плоскость чувствительного слоя приемника. В плоскости изображения удаленного источника помещается растр анализатора изображений, оправа которого размером l_а, является полевой диафрагмой. Очевидно, что расстояние D между плоскостью анализа (плоскость, в которой строится и анализируется изображение) и главной плоскостью конденсора не может быть отрицательным, так как в последнем случае нельзя осуществить анализ изображения в фокальной плоскости объектива. Фокусное расстояние конденсора fў_к по абсолютной величине может быть больше, меньше или равно D. Целесообразно иметь fў_кЈD, так как при fў_к>D пучок на выходе конденсора расширяется, что противоречит самому смыслу применения конденсора. При fў_к=D ход лучей в системе телецентрический (телескопическая система).

Используя принятые на рис. 7 обозначения и применяя формулу отрезков 1/sў-1/s = 1/fў_к, найдем положение выходного зрачка на оси:



где

Для системы, находящейся в воздухе, диаметр выходного зрачка

(7)

а диаметр конденсора

(8)

Из анализа (7) следует, что для уменьшения размера чувствительного слоя приемника, располагаемого в плоскости выходного зрачка, т.е. для уменьшения Dў, необходимо увеличивать D и уменьшать fў_к. Однако это невыгодно на практике, так как с увеличением D растет диаметр конденсора D_к, что следует из формулы (8), т.е. увеличивается относительное отверстие конденсора D_к/fў_к. Кроме того, увеличиваются продольные размеры системы.

Предельным случаем является тот, когда D = 0. Такой конденсор часто называют коллективом. При использовании коллектива растр анализатора уже невозможно поместить в фокальной плоскости объектива. Для коллектива D_к=2fўtg w, а диаметр выходного зрачка системы

.

При D_к>> 2fў_к tg w размер площади приемника

(9)

где K_к =fў_к/D_к - диафрагменное число конденсора. Если нет коллектива (см. рис. 6),

(10)

где K=fў/D - диафрагменное число объектива.

Сравнивая (9) с (10), можно увидеть, что изменение размера чувствительного слоя приемника при использовании коллектива происходит в K_к/K раз.

Как рассчитать или выбрать важнейшие габаритные параметры и расположение конденсора? Если заданы или известны параметры объектива (D, fў, tg w) и из конструктивных соображений выбрано значение D, то диаметр конденсора (его апертуру) определяют по формуле (8). Из формулы (7) находят фокусное расстояние конденсора

(11)

после чего, используя (8) и (11), легко определить относительное отверстие

(12)

Из анализа (12) ясно, что уменьшение D?, а следовательно, и размера чувствительного слоя приемника приводит к увеличению отношения D_к/fў_к .

В оптической системе, представленной на рис. 7 и используемой в ОЭП, работающих по низкотемпературным излучателям, т.е. в ИК области спектра, в плоскости выходного зрачка удобно располагать охлаждаемую диафрагму, которая служит для устранения облучения приемника элементами конструкции прибора. В этом случае чувствительный слой приемника излучения приходится отодвигать от этой плоскости. Например, в тепловизионных системах этот слой помещается в плоскость, куда конденсор «переносит» изображение из задней фокальной плоскости объектива. Это, конечно, ведет к увеличению размеров чувствительного слоя приемника.

Во всех случаях использования конденсора, как впрочем и других оптических компонентов, необходимо соблюдать обобщенное условие синусов - инвариант Лагранжа-Гельмгольца:

(13)

который определяет предельные соотношения между показателем преломления среды п, размером сечения пучка y и апертурным углом ?_A.

Наряду с уменьшением шумов приемника схеме с конденсором свойственно и уменьшение полезного сигнала, определяемое коэффициентом пропускания конденсора. Поэтому целесообразность применения конденсора определяется тем, увеличивается ли или уменьшается отношение сигнал-шум на выходе схемы.

Для сравнительно простых конденсоров максимальное значение углового поля 2?_к=2?D/D ? не превышает 4..60°. Ввод более сложного конденсора (например, трехлинзового и сложнее) приводит к большим потерям энергии излучения. Поэтому для решения задач, поставленных в начале настоящего параграфа, помимо конденсоров применяются и другие средства, например иммерсионные системы (иммерсионные приемники), волоконно-оптические световоды, оптические ловушки и т. д. Во всех случаях при их расчете можно пользоваться инвариантом (13) или более общим (для телесных, а не плоских углов) инвариантом Штраубеля:

(14)

где ?_i - угол между осью пучка и нормалью к сечению пучка площади dA_i; d?_i - апертурный телесный угол; n_i - показатель преломления в i-м сечении.

Если задаться целью уменьшить размер приемника, т. е. параметр у в выражении (13), то для сохранения J=const можно увеличить показатель преломления. Для этого чувствительный слой приемника наносится непосредственно на последнюю поверхность конденсора, или оптический контакт между линзой и чувствительным слоем создается каким-либо другим путем, т.е. используется принцип оптической иммерсии.

Часто оптический контакт создается путем наклейки полусферической или гиперполусферической линзы на чувствительный слой приемника. В этом случае значение величины п_i в (14) определяется показателем преломления оптического клея.

В последнее время для передачи изображения из плоскости анализа к чувствительному слою приемника с минимальными потерями широко применяют волоконные световоды. Если в световод - цилиндр с внутренними отражающими поверхностями - входит луч, то после ряда отражений он выйдет из противоположного торца цилиндра под углом, абсолютное значение которого равно углу входа (рис. 8). Такой цилиндр можно выполнить из стекла, причем здесь используется принцип полного внутреннего отражения на границе стекла и окружающей его среды. Такие волокна, являющиеся очень хорошими световодами, могут иметь сечение самого различного профиля и быть изогнутыми. Придавая торцу жгута волокон форму криволинейной поверхности, можно изменять кривизну поля изображений.

Рис. 8. Прохождение луча через оптическое волокно

Выгода от применения волоконной оптики заключается в том, что отдельные волокна выделяют элементы изображения и переносят их в требуемую плоскость, которая может находиться на сравнительно большом расстоянии от плоскости изображений объектива. Очевидно, что можно передавать только те детали изображения, размер которых больше диаметра волокна или равен ему. В настоящее время изготовляются волокна диаметром в несколько микрометров. Предел уменьшения диаметра определяется дифракцией.

Волокна формируются в виде плотного пучка. Чтобы на соприкасающихся волокнах не происходил переход энергии из одного волокна в другое, апертура волокна (см. рис. 8) должна удовлетворять условию

где п₀, n₁, n₂ - показатели преломления окружающей среды, материала волокна и материала наружного покрытия; ?_A - угол при вершине входного пучка.

Для улучшения условий работы волокна на его торцовую поверхность часто наносят просветляющее покрытие. Если обозначить показатель преломления этого покрытия через п₃, то можно легко показать, что коэффициент пропускания волокна увеличивается при возрастании n₁ и отношения n₁/n₂ и при уменьшении п₃.

Коэффициент пропускания жгута оптических волокон можно рассчитать по формуле

где А₁ - суммарная полезная площадь торцов волокон; A₀ - общая площадь входного торца жгута, включающая и промежутки между волокнами; ?_в1 - коэффициент пропускания волокна; ? - коэффициент отражения на торцах волокна; ?_A - апертурный угол на входе.

Для конических волокон отношение синусов апертурных углов на входе и выходе определяется отношением диаметров волокна, т.е.

sin sў_A/sin s_A=D/Dў

Высокий коэффициент пропускания, возможность просто осуществлять разложение изображения на элементы, а также передавать энергию с малыми потерями по криволинейному пути открыли широкие перспективы применения таких световодов. Примерами применения волоконных систем может служить перенос изображения с люминесцирующего экрана электронно-лучевой трубки или электронно-оптического преобразователя в любую произвольно взятую плоскость, причем здесь полностью устраняются ореолы и блики.

Особое значение имеет возможность перестройки углового поля прибора. Применяя различные варианты расположения входных и выходных окон волокон, можно реализовать любой нужный закон кодирования или декодирования сигналов, переход от одного вида развертки к другому, а также от двумерного представления пространства к одномерному и многое другое. Используя конические волокна, можно добиться увеличения или уменьшения изображения. Большой интерес представляет совместное использование волоконной оптики и матричных приемников излучения.

6. Оптические компенсаторы

Во многих ОЭП носителем полезной информации об исследуемом или наблюдаемом объекте является амплитуда потока излучения, собираемого объективом, или изменения этой амплитуды. В реальных условиях работы ОЭП полезный сигнал F может меняться не только при изменении контролируемых параметров объекта (рассогласования х), например его координат, но и по другим причинам, например, вследствие изменений яркости источника, прозрачности среды на пути от источника к объективу, пропускания оптики, чувствительности приемника и т.п. Поэтому одному и тому же сигналу ? может соответствовать множество рассогласований х_i. Для достижения однозначной связи между рассогласованием х_i и сигналом ?_i необходимо, чтобы крутизна статической характеристики k=d?/dx была постоянной.

Эту задачу можно решить, введя в состав оптической системы компенсатор - устройство для компенсации сдвига изображения излучателя. Компенсатор располагается перед объективом или между объективом и анализатором. Примеры некоторых компенсаторов приведены на рис. 9.

Обычно компенсация сдвига изображения осуществляется изменением положения компенсатора (поворот, линейное смещение), что приводит к изменению направления или смещению лучей, образующих изображение излучателя. При этом независимо от значения ?_i изображение возвращается в исходное, нулевое положение. Чем больше сдвиг, тем больше должен повернуться или сместиться компенсатор. Измеряя этот поворот или смещение ? и зная масштаб преобразования «рассогласование на входе прибора (?)- сигнал на выходе индикатора рассогласования (?)», можно измерить сдвиг или рассогласование ?. Масштаб этого преобразования можно сделать достаточно большим, т.е. малым значениям ? могут соответствовать большие значения ?.

Основными параметрами компенсатора, на основании которых можно оценить целесообразность его использования в ОЭП, являются крутизна k=da/db статической характеристики a=f(b) (для линейной зоны этой характеристики ее иногда называют масштабом преобразования), а также диапазон линейности статической характеристики.

Величины a и b необходимо представлять в одних и тех же единицах, например, для углоизмерительных приборов - в угловых.

В табл. 1 даны формулы для вычисления параметров некоторых компенсаторов. Эти формулы могут служить для сравнения различных типов компенсаторов.

Рис. 9. Оптические компенсаторы

В табл. 1 и на рис. 9 обозначено: А - анализатор; b - угол рассогласования на входе оптической системы; a - угол поворота компенсатора; Db_л - допуск на линейность статической характеристики; fў - фокусное расстояние объектива системы; s - шаг винта; п - показатель преломления материала, из которого изготовлен оптический компенсатор; ? - преломляющий угол клина; х - линейное смещение компенсатора; о=Г-1 (Г - видимое увеличение телескопической линзы с фокусным расстоянием f?_л); ? - угол падения лучей на преломляющую грань клина; ??_м - методическая погрешность вычисления параметров компенсатора.

Таблица 1. Параметры оптических компенсаторов



7. Бленды. Борьба с внешними и внутриприборными засветками в оптической системе

Для борьбы с рассеянным излучением, возникающим при наличии так называемых боковых помех, находящихся за пределами углового поля ОЭП, используются оптические бленды [21, 26]. Часто яркость этого рассеянного излучения заметно превышает яркость фоновых помех, находящихся в угловом поле объектива.

Иногда боковые помехи создают не только рассеянное излучение, но и яркие блики на оптических поверхностях, поверхностях оправ и приемнике излучения.