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. 5.6). В этом случае размер приемника l зависит от фокусного расстояния f¢ объектива и его углового поля 2w:

 (5.6)

Недостатки приведенной выше оптической схемы:

1. 1. Размер приемника может быть слишком большим, что увеличивает его пороговый поток (при увеличении площади чувствительного слоя возрастают шумы приемника);

2. 2. 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 возникает неконтролируемое изменение выходного сигнала — так называемый шум из-за неравномерности чувствительности по слою;

3. 3. 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.

4. 4. 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. 5.6.

Рис. 5.6. 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. 5.7. Приемная оптическая система с конденсором

Общая схема оптической системы (в тонких компонентах) с конденсором представлена на рис. 5.7. 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 f¢_к по абсолютной величине может быть больше, меньше или равно D. Целесообразно иметь f¢_к£D, так как при f¢_к>D пучок на выходе конденсора расширяется, что противоречит самому смыслу применения конденсора. При f¢_к=D ход лучей в системе телецентрический (телескопическая система).

Используя принятые на рис. 5.7 обозначения и применяя формулу отрезков 1/s¢ - 1/s = 1/f¢_к, найдем положение выходного зрачка на оси:

, где

Для системы, находящейся в воздухе, диаметр выходного зрачка

 (5.7)

а диаметр конденсора

 (5.8)

Из анализа (5.7) следует, что для уменьшения размера чувствительного слоя приемника, располагаемого в плоскости выходного зрачка, т.е. для уменьшения D ¢, необходимо увеличивать D и уменьшать f¢_к. Однако это невыгодно на практике, так как с увеличением D растет диаметр конденсора D_к что следует из формулы (5.8), т.е. увеличивается относительное отверстие конденсора D_к/f¢_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=2f¢ tg w, а диаметр выходного зрачка системы

При D_к>> 2f¢_к tg w размер площади приемника

 (5.9)

где K_к =f¢_к/D_к — диафрагменное число конденсора. Если нет коллектива (см. рис. 5.6),

 (5.10)

где K=f¢/D — диафрагменное число объектива.

Сравнивая (5.9) с (5.10), 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, f¢, tg w) и из конструктивных соображений выбрано значение D, то диаметр конденсора (его апертуру) определяют по формуле (5.8). Из формулы (5.7) находят фокусное расстояние конденсора

 (5.11)

после чего, используя (5.8) и (5.11), легко определить относительное отверстие

 (5.12)

Из анализа (5.12) ясно, что уменьшение D¢, а следовательно, и размера чувствительного слоя приемника приводит к увеличению отношения D_к/f¢_к .

В оптической системе, представленной на рис. 5.7 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, находящимися вне пространства предметов. 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:

 (5.13)

который определяет предельные соотношения между показателем преломления среды п, размером сечения пучка y и апертурным углом s_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 2w_к=2wD/D ¢ не превышает 45...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 (5.13) или более общим (для телесных, а не плоских углов) инвариантом Штраубеля:

 (5.14)

где e_i — угол между осью пучка и нормалью к сечению пучка площади dA_i; dW_i — апертурный телесный угол; n_i — показатель преломления в i-м сечении.

Если задаться целью уменьшить размер приемника, т. е. параметр у в выражении (5.13), 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 (5.14) 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. 5.8). 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. 5.8. 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. 5.8) должна удовлетворять условию

где п₀, n₁, n₂ — показатели преломления окружающей среды, материала волокна и материала наружного покрытия; s_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; t_в1 — коэффициент пропускания волокна; r — коэффициент отражения на торцах волокна; s_A — апертурный угол на входе.

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

sin s¢_A /sin s_A=D/D¢.

Достоинства световодов:

- - высокий коэффициент пропускания;

- - возможность просто осуществлять разложение изображения на элементы;

- - возможность передавать энергию с малыми потерями по криволинейному пути.

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 мозаичных приемников.