12-14 (Оптико-электронные системы)
Описание файла
Документ из архива "Оптико-электронные системы", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "радиофизика и электроника" из , которые можно найти в файловом архиве . Не смотря на прямую связь этого архива с , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "рефераты, доклады и презентации", в предмете "радиоэлектроника" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "12-14"
Текст из документа "12-14"
18
-
Оптические системы, формирующие изображения в ИК области спектра
В коротковолновой – УФ и видимой области спектра формирующая сигнал оптика ОЭП выполняется в виде системы линз –линзовых объективов. Успехи в развитии оптического материаловедения и технологии обработки материалов позволяют изготовить линзовые объективы и в ИК области спектра. Характерный пример – германиевые объективы, основной недостаток которых прежде всего высокая стоимость. С другой стороны, оптика в ИК диапазоне волн может быть чисто зеркальной. В этом случае она полностью ахроматична и может работать с очень высоким пропусканием на всех длинах волн Неудобство зеркальной оптики в том, что невозможно обеспечить большое поле из-за внеосевых геометрических аберраций. Увеличить поле можно путем введения преломляющих элементов, называемых корригирующими, т.е. применением зеркально-линзовых систем.
Коррекция ухудшает спектральное пропускание.
Наконец для широкоугольной по полю оптики применяется в основном преломляющие элементы. Введение асферических поверхностей позволяет существенно уменьшить число элементов в системах, предназначенных для решения конкретной задачи. Оптическое пропускание можно увеличить за счет просветления преломляющих поверхностей.
-
Зеркальные телескопические системы
-
Параболическое зеркало
З1
ПР
-
З1
(гиперб)
З2 (плоск)
Телескоп Ньютона
-
Телескоп Кассегрена
З2(гиперб)
П р
З1 (парабола)
-
З2 (эллипт.)
З1 (парабола)
Пр
Телескоп Грегори
-
Телескоп Гершеля (без экранирования)
Пр
-
Осевой телескоп без экранирования
Пр-к
З2
З1(параб.)
З3 (эллипс)
-
Зеркально-линзовые телескопы
-
Телескоп Шмидта
З1 (сфера)
М1 (мениск)
-
Телескоп Максутова –Бауэра
З1(сфера)
М1(толст. мениск концентр. с З1)
-
Телескоп Манжена –корригирующий элемент непосредственно на зеркале
З1+М1
-
Телескоп Кассегрена с корригирующим элементом Максутова
З1
М1
З2
-
Т елескоп Кассегрена с корригирующим элементом Манжена
З1
-
Телескоп с корригирующим элементом вблизи фокуса
З1
М
З2
-
Иммерсионная система Шмидта
ФП
-
Вспомогательная оптика
-
Обтекатели
-
Линза для спрямления поверхности изрбражения
-
Призмы
-
Делители
-
Линзы Рэлея и световыоды
/Линза Рэлея служит для перефокусировки изображения в новую более удобную плоскость. Применяется редко. Световод служит для переноса изображения без перефокусировки/. К вспомогательным элементам следует отнести бленды (рис.31).
Рис.31
-
Формирование изображения, аберрации
Попадая в ОЭС , излучение проходит внутри её ряд сред. Входная оптика – это та часть системы, которая собирает излучение и формирует изображение, анализируемое затем модулем пространственного разложения. Поэтому характеристики оптических компонентов являются одним из факторов, ограничивающих качество ОЭС по такому, например, параметру как обнаружение. Указанные ограничения связаны прежде всего с геометрическими и хроматическими аберрациями.
Хроматические аберрации
Для тонкой линзы с фокусным расстоянием f и показателем преломления n() и радиусами кривизны R и R для оптической силы
можно получить соотношение
12
11
10
9
8
о пределяющее расплывание в диапазоне =1…i изображения точки, связанное со спектральной зависимостью n()/Исправление хроматических аберраций осуществляется комбинацией линз в объективе т.о., чтобы дисперсия одной линзы компенсировалась дисперсией другой. Результатом создания такого дублета формируется ахромат. В некоторых случаях требуется применение более сложной оптической системы, составленной из трех линз (апохромат)
Продольная хроматическая аберрация dx в зависимости от длины волны иллюстрируется графическими рисунками (1-ахромат, 2-апохромат, 3-нескорригированная система).
Геометрические аберрации.
а
dx
В соответствии с геометрической оптикой в Гауссовом приближении изображение объекта, расположенного вблизи главной оптической оси (оси вращения оптической системы) можно получить для параксиальных лучей, образующих с осью малые углы: на практике системы должны иметь достаточно большие относительные отверстия и поля зрения, т.е. работать в условиях , далеких от сформулированного выше допущения. Результатом этого является возникновение четырех видов аберраций.
-
Сферическая аберрация (СА)
СА сильно увеличивается с ростом апертурного угла, не зависит от размера изображения y. Поперечная сферическая аберрация dy имеет круговую симметрию. Причем dy=ah3 D/f, где а – коэффициент сферической аберрации, D/f- относительное отверстие объектива. Коррекция СА производится за счет достижения условия, что в объективе а0 расчетным путем (за счет достижения взаимной компенсации членов третьего порядка членами пятого порядка в полиноме, определяющем аналитическое выражениеdx.Линза, соответстующая, минимальной аберрации называется линзой оптимальной формы. Коэффициент формы
-1
0
-2 -1 0 1 2
Сферическая аберрация простых линз быстро уменьшается с уменьшением показателя преломления.
Кома проявляется вне оптической оси (в косых пучках дает изображение не обладающее круговой симметрией и увеличивается с увеличением поля и апертуры системы.
Для этого типа аберрации
здесь - угловое поле в пространстве предметов.
Так как кома в реальном объективе накладывается на СА при определенных условиях СА может скомпенсировать этот вид аберрации (изопланатизм).
-
Астигматизм и кривизна поля
Благодаря кривизне поля, к которой приводит астигматизм, уже не существует плоскости изображения, а есть кривая поверхность изображения.
-
Дисторсия
Дисторсия определяется соотношением
dy=y3d3
здесь d- коэффициент дисторсии системы и не зависит от апертуры h
Если d>0, изображение вытягивается к краям поля (подушкообразная дисторсия), если d<0 – увеличение к краям поля становится меньше и имеем дело с бочкообразной дисторсией. Дисторсия не влияет на качество изображения, но изменяет положение каждой точки.
Обычно все рассмотренные виды аберраций одновременно присутствуют в оптических системах в большей или в меньшей степени. Задача оптического расчета состоит в том, чтобы общий кружок рассеяния, обусловленный всеми аберрациями, не превосходил требуемой величины или размера чувствительной площадки приемника т.е. мгновенное поле зрения ОЭС не должно быть ограничено аберрациями.
-
Детекторы оптического излучения
Необходимость измерять или обнаруживать оптическое излучение возникла, фактически, со времени открытия ИК излучения – это исследования Гершеля 1800 г., приведшее в 1800 г. к: обнаружению теплового эффекта за пределами красной границы видимого диапазона длин волн, разложенного в спектр с помощью призмы) и УФ излучения (опыты 1801 г. Риттера по воздействию на светочувствительные материалы).
Приемник излучения преобразует поступающий на него оптический сигнал, который является функцией пространственных координат и времени F(x,y,z), в электрический сигнал или реакцию приемника в форме напряжения, тока или мощности. Существует два вида использования приемника: приемники потока (радиометрия), которые осуществляют интегрирование оптического сигнала по пространственным переменным и реакция которых является функцией времени:
-
приемники изображения (глаз, фотография, матрицы), в которых интегрирование сигналов происходит по времени и реакция которых является функцией пространственных переменных
Приемники потока дают реакцию, которая отражает изменения по времени попадающего на приемник сигнала. В частности, когда эти изменения отражают перемещение элементарного поля зрения, визируемого приемником, система сочетает в себе оба вида использования приемников, т.е. идет речь о получении телевизионного (тепловизионного) изображений.
-
Характеристики детекторов оптического излучения
При определении параметров детекторов оптического излучения – фотоприемников (ФП) отмечают прежде всего характеристики чувствительности и общие характеристики. К числу последних должны быть отнесены:
-
геометрические параметры,
-
электрические (позволяют описать приемник параметрами эквивалентной схемы),
-
оптические свойства приемника-последний элемент оптической системы,
-
механические свойства, температурные свойства, временные свойства(старение).
Чувствительность ФП – это отношение изменения электрической величины на выходе ФП, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения в заданных эксплуатационных условиях. Помимо полезного регулярного сигнала на выходе ФП имеется хаотический сигнал со случайной амплитудой и частотой – шум ФП. Шум – это флуктуации напряжения или тока приемника, выражаются среднеквадратичной величиной вида:
Типичный спектр мощности шума полупроводниковых ФП приведен на рис.32. В области избыточного шума (зона f
Рис. 32.
-
Отношение сигнала (S) к шуму (N) определяют как отношение мощности сигнала к мощности шума.
-
Мощность, эквивалентную шуму Wпор.определяет столь слабый поток излучения F0,, при котором мощность сигнала Ws, эквивалентна мощности шума Wш, так что ,
где W( - величина потока излучения, S -чувствительность приемника, f- ширина полосы предусилителя, Аd – площадь ФП..
-
Интегральная чувствительность R(,f,d) характеризует преобразование оптического потока F в напряжение или ток
-
Обнаружительная способность D
Это величина обратная потоку, эквивалентному шуму (G- коэффициент усиления).
Обнаружительная способность зависит от ряда параметров:
-
спектрального состава и частоты модуляции излучения,
-
условий питания и ширины полосы системы обнаружения,
-
температуры приемника излучения.
Чтобы иметь возможность сравнивать различные приемники между собой удобно использовать обнаружительную способность отнесенную к корню квадратному из площади и полосы пропускания, называемую удельной обнаружительной способностью D
Кроме обозначенных, приемники излучения определяют:
-
Локальная чувствительность
-
Спектральная чувствительность S()
-
Чувствительность в функции частот тракта усиления S(f)
-
Полоса пропускания приемника
-
Постоянная времени
-
Температурная чувствительность
-
Типы детекторов излучения
Известны многие физические явления, которые могут использоваться для обнаружения падающего на приемник излучения. Эти явления делятся на два класса:
а - фотонные эффекты, обусловленные непосредственным воздействием фотонов излучения на энергетическое состояние атомов приемника;
б – тепловые эффекты, возникающие в результате нагревания приемника поглощенным излучением.
Здесь рассмотрим те типы приемников, которые нашли применение в практике разработки ОЭП. (см. диаграмму).
-
Фотонные приемники
В номенклатуре фотонных приемников широко представлены фотоэмиссионные приемники излучения (ФЭП).
Речь идет о фотоэлектрических приемниках с внешним фотоэффектом и прежде всего - о фотоэлементах. Наблюдаемый в ФЭП сигнал соответствует числу электронов, испущенных твердым телом под действием падающих фотонов, и зависит от приложенного к фотоэлементу постоянного напряжения.
Чувствительность и квантовый выход ФЭП зависит от работы выхода, т.е. энергии, которую необходимо сообщить электронам, чтобы они были испущены веществом в вакуум.
Некоторые фотоэлементы наполняют инертным газом для увеличения чувствительности за счет ионизации газа, но при этом шум фотоприемника возрастает. Другой путь повышения чувствительности – использование вторичной электронной эмиссии (ФЭУ) в приборах диодного и микроканального типов).
Область чувствительности ФЭП –УФ, видимая и ближняя ИК.
Фотокатоды: Ag-O-Cs- 0,3 – 1 мкм
S-20 – 0,3 – 0,75 (K –Sb – Na – Cs)
GaAs – 0,3 – 0,95.
К числу ФЭП относятся также:
-
Фотосопротивления, фотодиоды, полупроводниковый ФЭП, работа которого связана с т.н. фотопроводимостью (фотодиоды кремниевые – 0,5 – 1,1 мкм, германиевые 0,8 – 1,8 мкм).
-
Фотографические слои.
-
Люминесцентные приемники (фосфоры).
-
Приемники индуцированного излучения.
-
Тепловые приемники излучения
- Болометры (полупроводниковые, металлические) – наблюдаемый сигнал формируется за счет изменения электропроводимости материала в функции его температуры. Болометры - инерционные детекторы; 10-3 с, подключаются по мостовой схеме.
- Пироэлектрики. Чувствительный элемент этих приемников – кристаллическая пластина, на поверхности которых под действием нагрева образуются электрические заряды.
-Термоэлементы – приемники излучения, в которых ЭДС возникает за счет термоэлектрического эффекта. Как правило-это батарея последовательно соединенных термопар.
- Пневматические приемники излучения.Принцип построения демонстрирует рис.33. Здесь показаны: приемная площадка, нагреваемая излучением Ф через окно 2 и нагревающая в свою очередь объем воздуха V1, М –мембрана, отделяющая объем V2 от объема V1, объемы V1,V2 связаны каналом К. При изменении уровня потока Ф газ в объеме V1 расширяется, изменение давления приводит к деформации мембраны М. Уровень сигнала можно измерить по изменению емкости конденсатора, одной из пластин которого и есть мембрана М (это так называемый приемник I сорта), или по интерференционной картине
( приемник Голея).
Обобщенные характеристики известных типов фотоприемников представлены на рис.33
-
Промышленные образцы приемников
-
Сернистый свинец (PbS). Первый массовый приемник. Представляет собой фотосопротивление, изготовленное из монокристалла PbS (1б,…3 мкм) (Сопротивление –Мом, область частот до 10 кГц, max ~ 2,6 мкм).
Охлаждаемые приемники PbS (77 К -гр 4 мкм. Д~ 101141012).
-
PbSе. Подобен предыдущему, но ещё в большей степени один образец отличается от другого
(гр 5; (77 К). гр 7 мкм, Д~ 1010)
-
PbТе. Работает только с охлаждением ( ~77 К ), гр 5,4 мкм.
-
InSb (гр~6 мкм. Низкоомный, требует согласующего трансформатора, Д~ 1011)
-
Германий, легированный золотом (медью, кадмием) - max – 5-10 мкм и до 40-100 мкм сдвигается при глубоком охлаждении, Д~ 1010- 1011.
-
Термоэлементы (пороговая чувствительность – 3-5 10-9 вт-1 при полосе 1 Гц).
-
Приемник Голея ( - 230 мсек; Д~ 2109)
-
Кремний, легированный бором, висмутом, Al, P, сурьмой и т.д. (max ~ 30 мкм Ддо 1013, обязательно охлаждаемые).
-
КРТ – приемники (кадмий – ртуть – теллур), 70-140 К, Ддо 1013.
-
Матричные приемники - ФП конца ХХ и ХХI века.
Перспективы развития оптических детекторов
-
Увеличение чувствительности.
-
Уменьшение размеров и создание многоэлементных приемников.
-
Увеличение срока службы.
-
Снижение стоимости и, безусловно, создание матричных приборов с числом чувствительных элементов сотни и тысячи.
Спектральные характеристики тепловых приемников без окна.
1- пироэлектрический приемник из триглицинсульфата (ТГС); 2- термисторный болометр.
Спектральные характеристики приемников разных типов
1-идеальный приемник с р-n-переходом; 2-идеальный фоторезистор; 3 –идеальный тепловой приемник; 4 – пироэлектрический приемник; 5 –термисторный болометр; 6 – термоэлемент; ФД- фотодиод; ФР –фоторезистор.
-
Фотоприемники с переносом заряда (ПЗС)
Принцип действия одного из важнейших типов приборов этого класса, приборов с зарядовой связью (ПЗС) основан на использовании структуры металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) в виде линейки или матрицы фоточувствительных элементов, каждый из которых является конденсатором. Если подать на металл импульс напряжения такого знака, чтобы основные носители заряда в п/п были вытолкнуты от поверхности с образованием слоя объемного заряда, то для неосновных носителей, образуется потенциальная яма. Излучение, падающее на конденсатор, будет генерировать пары из основного и неосновного носителей заряда. Основные будут выталкиваться из ямы, а неосновные – накапливаться в ней. Пакет накопленных зарядов несет оптическую информацию, которую можно передать по всей линейке (матрице) от основного элемента к элементу, подавая на них последовательность импульсов напряжения. Вывод всех зарядов, содержащихся в линейке, осуществляется единым выходным электродом. Устройство ведет себя как многоэлементный приемник, связанный с системой мультиплексирования и считывания информации в форме видеосигнала.
-
Трехфазный ПЗС
В этом типе ПЗС управляющие напряжения, поступающие от трех генераторов, сдвинуты на треть периода. ПЗС состоит из полупроводника (например, кремния, n-типа) покрытого слоем изолятора, на который нанесена пленка металла – алюминия (рис.33) – электроды. Эти электроды присоединены группами по три к трем фазам 1, 2, 3, выдающим управляющие напряжения-команды.
Перенос заряда происходит под действием напряжения V1 и V2, третье напряжение V0 определяет направление переноса и не дает зарядам двигаться в обратном направлении. Падающее излучение индуцирует в полупроводнике положительные электрические заряды. Эти заряды задерживаются вблизи электрода, потенциал которого V2 более отрицательный, чем V0 двух соседних электродов (момент времени t1) (рис.34).
Далее, в момент времени t2 электрод, к которому осуществляется перенос, приобретает потенциал V2, между тем как потенциал V1 такой, что V0 > V1>V2 это приводит к перемещению заряда к электроду с более отрицательным потенциалом V2. Заряды задерживаются теперь около этого нового электрода, в то время как два соседних – имеют потенциал V0 (момент t3). Затем циклы последовательно повторяются. Заряды, продвигающиеся т.о. вперед, доходят до последнего электрода и попадают в выходной диод, где видеосигнал принимается и усиливается.
Рис. 33 Схема действия трехфазного ПЗС
V0
V1
V2
V0
V1
V2
V0
V1
V2
t1 t2 t3 t4 t5 t6
`
Рис.34
-
Двухфазный ПЗС
Чтобы упростить механизм управления, можно обеспечить преимущественное направление движения зарядов несимметричной конфигурацией емкостных электродов (например, сделать толщину диэлектрика переменной, что сформирует в п/п два потенциальных уровня, соответствующих одному данному потенциалу электрода) (рис.35).
Эффективность переноса заряда на практике по различным причинам (особенно из-за существования уровня захвата на границе кремний-окись кремния) уменьшается – часть зарядов теряется при каждом переносе. Обычно эффективность 90% на тысячу переносов. Разрабатывают методы, облегчающие диффузию зарядов в кремние. ПЗС регистр позволяет выделять сигналы с различных чувствительных элементов линейки приемников. Эта операция протекает в три этапа (см.рис.37).
-
этап накопления, во время которого излучение создает электрический сигнал в фоточувствительных элементах;
-
параллельный перенос сигнала с каждого элемента в ПЗС;
-
перенос сигнала вдоль ПЗС.
Рис.35. Схема действия двухфазного ПЗС
1
> t
2 > t
0
-V
время
t1
Рис. 36. Диаграмма напряжений S1,S2 к рис. 35
0>