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.5.2,а) и с конденсором (рис.5.2,б), то можно показать, что выигрыш в облученности Е в плоскости О в схеме с конденсором составит t_кА_к /А_ираз.

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. 5.2. Схемы простейших осветительных систем:

а — без конденсора; б — с конденсором

Действительно, для схемы без конденсора облученность (или освещенность)

 (5.3)

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 l»a¢ облученность в плоскости О

 (5.4)

Из сопоставления (5.3) и (5.4) следует, что для увеличения Е_О целесообразно увеличивать площадь выходного зрачка конденсора, а следовательно, и угол 2s_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 а¢ 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 (5.4) также верна для расчета облученности при а¢ > l_кр или l > l_кр, где l_кр=-D_к f¢/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. 5.3. 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. 5.3. 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. 5.2,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 светофильтр.

В качестве конденсоров и объективов передающих систем используются как линзовые, так и зеркальные элементы. Их основными параметрами являются:

- -  фокусное расстояние f¢;

- -  линейное увеличение V;

- -  относительное отверстие D/f¢ или диафрагменное число K=f¢/D;

- -  углы охвата 2s_A и сходимости 2s¢_A.

Для конденсора с K=K_кв виде тонкой линзы при a=f¢ (см. рис. 5.2,б)

Одиночную линзу применяют в качестве конденсора при (2s_А + 2s¢_A)£45°. Если а¢>20 f¢_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 + 2s¢_A)£60°. Две плосковыпуклые линзы, соприкасающиеся сферическими поверхностями, при требуемом увеличении V должны иметь отношение фокусных расстояний f¢_2к/f¢ _1к= 2V, причем f¢_1к — фокусное расстояние ближайшей к источнику линзы конденсора. Форму линз конденсора обычно определяют из условия получения минимума сферической аберрации [4, 7, 18]. Более сложные конденсоры позволяют получить большие значения 2s_А + 2s¢_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 [7]. 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 -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].

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. 5.4).

Рис. 5.4. Простейшая передающая лазерная оптическая система

Их увеличение g=s¢/s, причем s — угол расхождения лучей лазера; s¢ — 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.

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 (5.3) и (5.4)

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

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 [7 и др.].

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

Порядок габаритного расчета всей приемной оптической системы ОЭП и объектива, в частности:

1. определение необходимого размера входного зрачка системы, обычно его диаметра D .

Чаще всего начинается с выполнения энергетического расчета. 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 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 (5.2)], увеличение влияния посторонних помех, усложнение конструкции других звеньев оптической системы.);

1. расчет или подбор фокусного расстояния 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 (5.2). В измерительных оптико-электронных системах, особенно в высокоточных, фокусное расстояние, исходя из требования обеспечения необходимой точности линейных или угловых измерений [3, 10, 20], как правило, стремятся сделать возможно большим, 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 Dy, то соответствующий угол в угловом поле прибора составит

 (5.5)

Очевидно, что по мере роста f¢ уменьшается значение Db. Если Dу — допуск на погрешность отсчетного устройства или анализатора, а Db — заданная угловая чувствительность прибора, то f¢ может быть найдено из (5.5): f¢³Dy /Db.

1. 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. 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 t_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 необходимости 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 недостаткомявляется 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.

Достоинства линзовых систем по сравнению с зеркальными:

- - возможность хорошей аберрационной коррекции;

- - большие угловые поля;

- - технологическая простота конструкции (проще сборка и юстировка, большая нерасстраиваемость вследствие температурных воздействий и т. п.);

- - возможность совмещения функций защитного стекла и первого компонента.

Недостатки линзовых систем по сравнению с зеркальными:

- - 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.

Достоинства зеркальных систем:

- - возможность работы в широком спектральном диапазоне с небольшими потерями энергии излучения;

- - отсутствие хроматизма;

- - 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). При одинаковых значениях относительного отверстия зеркальная система обеспечит выигрыш в количестве собираемой энергии, если соблюдается неравенство

где t_з и t_л — коэффициенты пропускания зеркального и линзового объективов соответственно; d — диаметр экранирующей диафрагмы.

Недостатком большинства зеркальных систем является технологическая усложненность по сравнению с однотипными линзовыми объективами.

В последние годы в связи с развитием адаптивных оптических систем [23] появились зеркальные системы с управляемым в процессе работы ОЭП профилем отражающей поверхности (составные зеркала, зеркала с синтезированной апертурой, гибкие зеркала и др.).

Достоинства зеркально-линзовых систем:

- - достаточно высокое пропускание;

- - большие относительные отверстия;

- - 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 ахроматичными. 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. 5.5 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. 5.5. 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, 18].