Краткие сведения об элементах обобщенной схемы электронно-оптического прибора (стр. 1 из 3)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

РЕФЕРАТ

На тему:

«КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕМЕНТАХ ОБОБЩЕННОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОГО ПРИБОРА»

МИНСК, 2008

1. Источники излучения и промежуточная среда.

В зависимости от задач, решаемых конкретной оптико-электронной системой, источник излучения может являться объектом наблюдения (целью) или фоном.

Если иметь в виду физическую природу излучения источника, то следует прежде всего различать собственное и отраженное излучение.

Однако наиболее часто классифицируют источники излучения по таким признакам, которые позволяют отнести их к одной из двух

больших групп— естественным и искусственным источникам излучения. Классификация источников излучения по этим признакам приведена на рис.3.

К искусственным источникам излучения, используемым в активных системах (источники подсветки), относятся лампы накаливания,газоразрядные и дуговые лампы, пиротехнические источники излучения и оптические квантовые генераторы (лазеры).

Эталонными источниками излучения наиболее часто являются модели абсолютно черного тела, в качестве которых могут использоваться либо специально обработанные поверхности и покрытия, либо полые излучатели. Функции эталонных источников выполняют также различные лампы и оптические квантовые генераторы, применяемые при калибровке приборов и имитации излучения фонов и целей.

К наземным естественным и искусственным источникам излучения можно отнести деревья, кусты, камни, землю, воду, песок, здания, транспортные средства, людей, животных и т. д. В атмосфере Земли существуют такие источники излучения, как атмосферные газы, пары воды, облака, пыль, полярные сияния, двигатели и обшивка самолетов, ракеты и др. Космическими источниками излучения являются Солнце, Луна, планеты, звезды,туманности, искусственные спутники Земли (ИСЗ), ракеты, космическая пыль и пр.

Отдельные детали и узлы аппаратуры могут излучать значительное количество энергии, воспринимаемой приемником. К ним относятся элементы объектива — линзы и зеркала, а также защитные окна и обтекатели. Эти источники излучения называются аппаратурными.

Между источниками излучения и прибором всегда существует некоторая среда, в которой происходит ослабление энергии за счет поглощения и рассеяния. Большей частью поглощающей и рассеивающей средой является земная атмосфера, в которой происходит поглощение излучения молекулами воды, углекислого газа и озона, а рассеяние связано с наличием скопления молекул атмосферных газов, частиц пыли и капелек воды.

2. Оптическая система.

Поток излучения от его источников (цели и фона) после прохождения через ослабляющую среду воспринимается оптической системой оптико-электронного прибора, которая состоит из различного рода комбинаций защитных стекол, линз, зеркал, призм, диафрагм, щелей, фильтров, решеток и выполняет две главные функции. Первая функция состоит в том, чтобы собрать возможно больший поток приходящего излучения и с минимальными потерями направить его на приемник.

Вторая функция оптической системы заключается в оптической фильтрации приходящего сигнала, с целью увеличения отношения величины сигнала к шуму фона. Различают два вида оптической фильтрации — спектральную и пространственную. Спектральная фильтрация осуществляется с помощью оптических фильтров (абсорбционных, дисперсионных, отражающих и интерференционных, т. е. оптических материалов — стекол и кристаллов, а также диэлектрических и металлических покрытий, нанесенных на оптические материалы) и имеет целью ограничить излучение, падающее на приемник, определенным интервалом длин волн. Фильтры могут ограничивать спектральный диапазон пропускания с одной стороны, «отрезая» коротковолновое или длинноволновое излучение, или с двух сторон, выделяя определенную полосу. Пространственная фильтрация осуществляется пространственными фильтрами — диафрагмами, щелями, растрами и служит для выделения излучения цели из излучения фона за счет отличия геометрических размеров и формы соответствующих целей от элементов фона.

Дополнительными функциями оптической системы в различных оптико-электронных приборах являются обеспечение необходимого поля обзора при заданном поле зрения, обеспечение процесса слежения за целью или получения информации о ее координатах, модуляция постоянной составляющей излучения, падающего на чувствительную площадку приемника, защита внутренней полости прибора от пыли, влаги и других вредных воздействий окружающей среды.

В процессе концентрации потока излучения на чувствительной площадке приемника неизбежно происходят его потери в обтекателе,. линзах, зеркалах, элементах, осуществляющих пространственную фильтрацию, и на поверхности приемника. Эти потери связаны с поглощением энергии в оптических материалах, неполным отражением зеркал, виньетированием и другими причинами. Тем не менее в результате применения оптической системы поток излучения, падающий на приемник, в той или иной мере усиливается. Наибольшее усиление достигается для случая наблюдения удаленных малоразмерных (точечных) объектов, когда изображение объекта наблюдения полностью вписывается в размеры чувствительной площадки приёмника излучения. При этом усиление равно отношению площади входного зрачка объектива к площади чувствительной площадки приемника с учетом всех потерь в оптической системе. Общий коэффициент пропускания оптической системы редко превышает 20 %,особенно если учесть, что более 50 % излучения теряется за счет модуляции. Дополнительные потери происходят на поверхности чувствительной площадки и в объеме приемника излучения. Например,от поверхности сернистосвинцового фоторезистора отражается и, следовательно, теряется около 35 % падающего излучения, если применяется неиммерсионная оптическая система.

Важнейшей частью оптической системы любого оптико-электронного прибора является объектив (рис.4), который служит в первую очередь для сбора (фокусирования) энергии и образования изображения наблюдаемого объекта и всего поля излучения. Требования к качеству этого изображения определяются задачами, стоящими перед всем прибором, условиями его работы и конструктивными особенностями. При выборе конструкции объектива всегда приходится искать компромиссное решение с точки зрения улучшения пропускания, т. е. уменьшения потерь излучения, и обеспечения заданного качества изображения.

Простейшим объективом является одна линза со сферическими поверхностями. Линза характеризуется четырьмя параметрами: радиусами кривизныR₁ и R₂, показателем преломления п и толщиной /\. Параллельный пучок лучей, падающих на линзу от бесконечно удаленного точечного источника, фокусируется за линзой на расстоянии f' от нее. Отрезок f', называемый задним фокусным расстоянием линзы, определяется выражением f' = R₁R₂/(n — 1) (R₂ — R₁).

В первом приближении можно считать, что линза со сферическими поверхностями преобразует падающую на нее плоскую волну в сферическую. Однако практически даже при идеально сферических поверхностях линзы фронт волны на выходе будет иметь отклонения от идеальной сферы, называемые аберрациями. Для улучшения сферичности волнового фронта, т. е. уменьшения аберраций, поверхностям линз придается несферическая или асферическая форма. Но и при полном уничтожении аберраций изображение точечного источника излучения, создаваемое оптической системой, представляет собой не точку, а пятно конечных размеров в связи с ограниченными размерами отверстия объектива, приводящими к дифракции падающей световой волны. Качество изображения менее совершенных систем определяется расфокусировкой, сферической аберрацией, комой, астигматизмом и т. д.

Однолинзовый объектив имеет практически все виды аберраций, из которых особенно велики хроматизм и сферическая аберрация, поэтому основным его недостатком является плохое качество изображения. Гораздо лучшего качества можно добиться, используя простые двухлинзовые объективы. Их относительное отверстие (отношение диаметра к/фокусному расстоянию) обычно не превышает 1 : 3 при угле поля зрения до 10° и диаметре входного зрачка не более 100—150 мм. Для достижения хорошего качества изображения при больших" углах поля зрения применяют более сложные системы — триплеты и многолинзовые объективы, которые, однако, обладают относительно худшим пропусканием.

В качестве материала для изготовления линз и окон в тепловидении обычно используются различные оптические среды: полупроводниковые материалы кремний и германий в виде моно- и поликристаллов; поликристаллические соединения, полученные горячим прессованием, — оптическая керамика («Иртран» в США); селенид цинка (ZnSe) и сульфид цинка (ZnS), полученные путем химического осажде- ния из газовой фазы; а также халькогенидные стекла типа ИКС (Т11173 фирмы «Тексас инструменте» в США). Особенно широко используются кремний и германий, благодаря высоким показателям преломления (4,0 для германия и 3,4 для кремния) и механической прочности.

Многие недостатки линзовых оптических систем отсутствуют у зеркальных объективов. В качестве простейшего объектива в этом случае часто используется одиночное (сферическое) зеркало. Для сферического зеркала с радиусом кривизны поверхности, равным R, приближенное значение фокусного расстояния равно R/2. Если. вместо зеркала со сферической поверхностью применить асферическое зеркало (параболическое, гиперболическое и т. д., можно устранить сферическую аберрацию и улучшить качество изображения. Довольно широко используются и более сложные зеркальные объективы, например двухзеркальные, включающие в себя кроме основного вогнутого зеркала с отверстием в центральной зоне контррефлектор, который может быть плоским, вогнутым или выпуклым, в том числе и по асферической поверхности. Зеркальные объективы не обеспечивают хорошего качества изображения в широком поле зрения. Нали-чие контррефлектора приводит к экранированию части приемной поверхности зеркального объектива. Многие достоинства линзовых и зеркальных систем объединены в зеркально-линзовых оптических системах, в которых, наряду с достаточно хорошим пропусканием,можно достичь больших относительных отверстий и значительных углов поля зрения. К зеркально-линзовым системам относятся системы Шмидта, Максутова и другие. Применение в зеркально-линзовых системах зеркал Манжена (с внутренним отражением) позволяет значительно уменьшить сферическую аберрацию.