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. 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.

Простейшая бленда, установленная соосно оптической оси объектива, показана на рис. 5.10. Излучение от боковой помехи П проходит входное окно бленды, а затем рассеивается, отражается и поглощается на ее внутренней поверхности, которая должна хорошо поглощать это излучение. Рассеянная доля излучения через выходное окно бленды попадает в объектив и может попасть на приемник. Наименьший угол j, образуемый идущими от помехи лучами с оптической осью, называется углом засветки бленды.

Рис. 5.10. Простейшая бленда

Одним из основных параметров бленды является коэффициент ослабления K_o, под которым понимают отношение освещенности от боковой помехи на входном окне бленды к освещенности рассеянного излучения на ее выходном окне. Значение K_o зависит от угла засветки j. Поэтому значение j, при котором K_o достигает заданного значения, называется углом допустимой засветки [26].

По конструкции бленды можно разделить на:

- - круговые;

- - двойные;

- - кольцевые;

- - сотовые (рис. 5.11).

Выбор типа бленды зависит от следующих факторов:

- - от требуемого значения K_o;

- - допустимых размеров и массы бленды;

- -  характеристик помех;

- -  углового поля объектива и др.

Наиболее распространены круговые бленды. Их внутренние цилиндрические поверхности имеют черное диффузно отражающее покрытие, а на полированные и оксидированные поверхности плоских диафрагм наносятся просветляющие покрытия для подавления зеркальной составляющей рассеянного излучения в направлении выходного окна бленды.

Рис. 5.11. Оптические бленды (сечения):

а — круговая, б — двойные, в — кольцевая, г — сотовая

Расстановка диафрагм внутри бленды проводится путем геометрических построений хода лучей, которые учитывают требуемое число отражений на боковых цилиндрических поверхностях. Круговые бленды обеспечивают K_о=5×10⁵.

Двойные бленды позволяют получить самые большие значения коэффициента ослабления (K_о£10⁸ ). Они состоят из двух частей: основной, которая непосредственно воспринимает излучение от боковой помехи, и дополнительной, защищающей выходное окно бленды от излучения, рассеянного и отраженного основной блендой. Эти части двойной бленды могут быть цилиндрическими, коническими, эллиптическими.

В узкопольных центрированных зеркальных объективах эффективно используются кольцевые бленды (K_о£10⁵ ). Внутри их корпуса симметрично продольной оси обычно размещаются круговые диафрагмы, огибающие кромок которых образуют усеченный конус с углом 2w при вершине, равным угловому полю объектива. Такая конструкция не вносит переменного виньетирования по полю.

Наименьшие размеры имеют сотовые бленды, представляющие собой систему трубчатых элементов, расположенных перед объективом параллельно его оптической оси. Для них коэффициент K_о достигает примерно 10²...10³. Сотовые бленды вносят переменное виньетирование пучков лучей от наблюдаемого объекта, что является их существенным недостатком, поэтому их применяют только для очень узкопольных объективов.

Кроме описанных бленд иногда в ОЭП используются складные бленды, что заметно усложняет конструкцию прибора, а также простейшие светозащитные козырьки.

Для борьбы с засветками, источники которых находятся внутри прибора (внутриприборные засветки), например, с излучением элементов конструкции (оправ, оптических деталей и др.), находящихся в угловом поле приемника излучения, применяют специальные диафрагмы, часто охлаждаемые. Как отмечалось выше, такие диафрагмы целесообразно помещать в выходных зрачках. Если такое расположение охлаждаемой диафрагмы невозможно, то приходится применять дополнительные диафрагмы, препятствующие попаданию излучения, испускаемого или рассеиваемого элементами конструкции в направлении приемника (рис. 5.12).

Если сделать зеркальной обращенную к приемнику плоскость дополнительной диафрагмы, то приемник, расположенный внутри дюара, как бы «видит» охлаждаемое пространство (мнимая охлаждаемая диафрагма), которое заштриховано на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Применение дополнительных дифрагм для борьбы с внутриприборными засветками:

1 — корпус объектива; 2 — охлаждаемая диафрагма; 3 — чувствительный слой приемника; 4 — дюар; 5 — дополнительная диафрагма; 6 — объектив

Следует также отметить, что применение конденсора в приемной оптической системе ОЭП эквивалентно применению бленды (оправа конденсора является, по сути дела, дополнительной блендой) и уменьшает долю рассеянного излучения, приходящую на приемник. Это, в свою очередь, позволяет применить на входе оптической системы с конденсором, т.е. перед объективом, более простую по конструкции бленду.

В ряде случаев в ОЭП, например в тепловизорах, работающих в ИК диапазоне длин волн 8...14 мкм, приходится бороться с явлением, называемым эффектом Нарцисса [14]. Это явление состоит в том, что при сканировании на приемник попадают отраженные от поверхностей оптических деталей, диафрагм и оправ потоки излучения, создаваемые охлаждаемым чувствительным слоем приемника и деталями его корпуса. При попадании на приемник изображения этих холодных поверхностей сигнал, снимаемый с приемника, заметно меньше, чем в те моменты, когда на приемник попадает излучение от более нагретых объектов. В видеосигнале, образующемся при сканировании, возникает провал (темная зона). Для ослабления эффекта Нарцисса необходимо: уменьшать излучающую площадь холодной поверхности; уменьшать отражение путем нанесения просветляющих покрытий на задние, отражающие поверхности линз; расфокусировать отраженное от этих поверхностей излучение, не применяя вогнутых задних поверхностей в предшествующих приемнику компонентах; наклонять плоские окна и пластины, располагающиеся в оптической системе перед охлаждаемым приемником.

Оптические фильтры

Оптическим фильтром принято называть устройство, служащее для изменения спектрального состава или ослабления проходящего через него потока излучения. Фильтры, изменяющие спектр излучения, называются спектральными, а фильтры, ослабляющие поток без заметного изменения его спектра — нейтральными.

Роль оптического фильтра в современном ОЭП чрезвычайно велика. Фильтр является важнейшим средством спектральной селекции, позволяющей выделить излучение исследуемого объекта на фоне других излучений. Выбирая фильтр, мы, с одной стороны, увеличиваем отношение сигнал/помеха, но, с другой стороны, уменьшаем общее количество принимаемого приемником излучения от объекта. Задача конструктора ОЭП состоит в том, чтобы благодаря правильному выбору фильтра получить максимально возможное отношение сигнал/по меха при минимальных потерях полезного сигнала.

Основной характеристикой фильтра является его спектральная характеристика — зависимость коэффициента пропускания t_l от длины волны проходящего через фильтр излучения. Интегральный коэффициент пропускания фильтра в диапазоне l₁...l₂ определяется соотношением

где F_l — спектральное распределение потока, падающего на фильтр.

Для однородного поглощающего слоя толщиной l для t_l действует экспоненциальный закон ослабления, т.е. t_l=ехр (-a_l1l), где a_l1 — показатель ослабления на единицу пути.

Иногда пропускание фильтра оценивают его оптической плотностью: D_l=lg (1/t_l).

По виду спектральной характеристикиоптические фильтры можно подразделить на следующие группы:

- -  полосовые, пропускающие излучение в узкой полосе длин волн;

- -  длинноволновые отсекающие, пропускающие излучение с длинами волн, большими заданного предела l_min;

- -  коротковолновые отсекающие, пропускающие излучение с длинами волн, меньшими заданного предела l_max.

Спектральная характеристика полосового фильтра, полученного сложением длинноволнового фильтра с l_min=l₁ и коротковолнового фильтра с l_max=l₂, показана на рис. 5.13.

Обычно к параметрам фильтра предъявляют следующие требования:

- - высокая контрастностьt_max/t_min;

- - большая граничная крутизна, при которой Dl составляет десятые, а иногда и тысячные доли микрометра;

- - малые потери (t³80%);

- - возможность получения заданных спектральных границ;

- - стабильность спектральной характеристики для заданных условий;

- - эксплуатационные и технологические требования к вибростойкости, истиранию, габаритным размерам и т.д.

Граничную длину волны обычно выбирают на уровне 10% максимума t_l. Иногда говорят о полуширине характеристики, имея в виду границы, соответствующие 50% максимума t_l.

Рис. 5.13. Типовая характеристика полосового оптического фильтра

Оптический фильтр выбирают с учетом ряда факторов, важнейшим из которых обычно является стремление подобрать такую кривую t_l, при которой с учетом спектра приходящего излучения и спектральной чувствительности s _l приемника, стоящего за фильтром, будет получено максимальное отношение сигнал/помеха (см. гл. 11).

Важными критериями для выбора фильтра являются требования к его физико-механическим свойствам, стабильности его характеристик в различных условиях работы. Часто к числу немаловажных факторов следует отнести технологичность и стоимость оптического фильтра.

По физическому принципу работы фильтры можно классифицироватьследующим образом.

1) Фильтры, основанные на избирательном поглощении (абсорбционные). Все вещества обладают избирательным поглощением в одной или нескольких областях спектра, что позволяет создавать длинноволновые и коротковолновые отсекающие фильтры.

Примерами таких фильтров являются фильтры из цветного оптического стекла, окрашенных пластмасс, фильтры из Ge, PbS, РЬТе и других оптических материалов.

У фильтров этого типа контрастность и крутизна недостаточно высокие. Для них применяется просветление. Эти фильтры относительно просты в изготовлении и эксплуатации, характеристики их стабильны. Габаритные размеры таких фильтров могут изменяться в широких пределах.

2) Интерференционные фильтры. Используя интерференцию света, можно получить фильтр с очень хорошими параметрами Dl и t_max/t_min. Простейший фильтр подобного рода состоит из тонкой пленки прозрачного диэлектрика, покрытой с обеих сторон полуотражающими металлическими слоями. Этот фильтр подобен широко известному интерферометру Фабри-Перо.

Максимальное пропускание фильтра соответствует длинам волн l, для которых оптическая толщина диэлектрического слоя кратна l/2. Вследствие потерь в полуотражающих слоях коэффициент пропускания сильно уменьшается.

Пропускание излучения с длиной волны l для простого (однослойного) фильтра

где t₁, t₂ и t_p — энергетические коэффициенты пропускания первого и второго полуотражающих слоев и разделяющего их диэлектрического слоя; r₁ и r₂ — энергетические коэффициенты отражения металлических слоев со стороны диэлектрика; 2 j — разность фаз между двумя последовательно интерферирующими лучами:

Здесь l — толщина подложки из диэлектрика; п — показатель преломления подложки; s_п — угол падения излучения; j₀ — фазовый сдвиг при отражении на полупрозрачном слое.

Ширину полосы пропускания интерференционного фильтра можно уменьшить, увеличив отражающую способность полуотражающего слоя и толщину диэлектрика. Но это, в свою очередь, ведет к уменьшению пропускания, и, кроме того, возникают побочные полосы пропускания. Поэтому простой однослойный интерференционный фильтр заменяют многослойным, в котором металлические полуотражающие пленки заменяются несколькими слоями диэлектрических материалов (криолит, сернистый цинк, фтористый магний, германий и др.). Многослойные интерференционные фильтры позволяют получить очень узкие полосы (около 10^-3...10^-4 мкм) в ИК области спектра при высоких значениях контрастности t_max/t_min.

Иногда интерференционные фильтры работают и на отражение, т.е. с их помощью обеспечивают разделение отраженного и проходящего потоков по длинам волн.

Наряду с основной полосой пропускания интерференционный фильтр имеет ряд «паразитных» полос, обычно находящихся в более коротковолновой области. Поэтому целесообразно дополнять интерференционный фильтр отсекающим фильтром.

Интерференционные фильтры позволяют пропускать довольно широкие пучки, причем углы падения лучей на фильтр могут достигать нескольких десятков градусов. При малых углах падения (s_п<8°) параметры фильтра практически остаются теми же, что и для лучей, падающих перпендикулярно на фильтр. При увеличении угла падения увеличивается ширина полосы пропускания, она смещается, а также уменьшаются пропускание t_max и контрастность t_max/t_min.

При увеличении угла наклона пучка параллельных лучей, падающего на фильтр, длина волны, соответствующая максимуму пропускания для узкополосных фильтров, или граничная длина волны для отсекающих фильтров смещается в коротковолновую область. При работе фильтра в сходящихся лучах ширина полосы пропускания увеличивается заметнее у фильтров с большим числом слоев.

Характеристики интерференционного фильтра зависят также от его температуры. При уменьшении температуры спектральная характеристика фильтра смещается в коротковолновую область и, наоборот, при увеличении температуры она смещается в длинноволновую. Эта зависимость сдвига от температуры в диапазоне ±60°С линейна и имеет крутизну (1...3)×10^-5 мкм/°С. Стабильность характеристик интерференционных фильтров во времени зависит от технологии их изготовления и материалов слоев фильтра. Для ряда материалов она достаточно высока.

3) Поляризационные фильтры. В последнее время для получения очень узкой (в несколько ангстрем) полосы пропускания стали применять поляризационные (интерференционно-поляризационные) фильтры. Их основным элементом является поляризатор, служащий для пропускания поляризованного излучения через материал, обладающий двойным лучепреломлением и расщепляющий излучение на обыкновенные и необыкновенные лучи. Эти лучи проходят через материал со скоростями, определяемыми соответствующими показателями преломления. Плоскости их поляризации взаимно перпендикулярны, а фазовый сдвиг зависит от скорости распространения луча и толщины материала. Выходящие лучи затем соединяются во втором поляризаторе, и интенсивность на выходе зависит от фазового сдвига. Интерференция дает ослабление, если фазовый сдвиг равен нечетному числу полуволн, и усиление, если сдвиг равен четному числу полуволн излучения.

4) Нейтральные фильтры и ослабители. Очень часто требуется ослабить излучение или разделить поток на две части, не изменяя его спектрального состава. Для этого служат так называемые нейтральные фильтры (светоделители) и ослабители. Наиболее широко используются фильтры на основе тонких пленок хрома, платины, никеля, палладия и титана. В области 0,4...1,2 мкм все эти материалы, нанесенные на подложку из стекла, обеспечивают коэффициент пропускания 15...25%. Наилучшими характеристиками с точки зрения постоянства спектрального коэффициента пропускания обладают платина и титан. Титановые фильтры позволяют создавать светоделители и нейтральные ослабители для ИК области спектра (до 12 мкм), причем их спектральное пропускание остается однородным для пленок разных толщин, в то время как у пленок из других материалов эта однородность нарушается. Большим преимуществом титановых покрытий является также их повышенная устойчивость к изменению внешних условий (температура, влажность и т. п.).