Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов (4-е изд., 1999) (1095908), страница 18

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 18)

Эту систему принято называть передающей, а иногда — свето- оптической 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 т„г1„/Аи раз. Здесь т„— коэффициент пропускания конденсора; А„— площадь кон- 96 Ю.Г. Якушенков, Теория и расчет оптико-электронных приборов денсора (его выходного зрачка); А„— проекция излучающей площадки на плоскость, которая перпендикулярна оптической оси. Рис.

5.2. Схемы простейших осветительных систем: а — без коидеисора; б — с коидеисором Действительно, для схемы без конденсора облученность (или освещенность) Ео = т, Ь„Ая /1 = т, 1„ /1, (5.3) где т, — коэффициент пропускания среды на пути от источника И до плоскости О; Ь„и 1„— яркость и сила излучения (света) ламбертовского источника (принимаем, что расстояние 1 значительно больше размера источника к(„). Для схемы с конденсором при 1 = а' облученность в плоскости О Е~ —— , „1ыА„/и' .

(5.4) Из сопоставления (5.3) и (5.4) следует, что для увеличения Ео целесообразно увеличивать площадь выходного зрачка конденсора, а следовательно, и угол 2ал, 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 т„. Кроме того, следует отметить, что при изменении расстояния а' в процессе работы ОЭП облу- 96 Глава 5, Оптическая система оптико-электронного прибора ченность 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 = / '. В силу конечности размеров излучателя и в этой схеме имеет место расходимость пучка лучей и, следовательно, изменение облученности при изменении расстояния 1. В этом случае формула (5.4) также верна для расчета облученности при а' > 1„или 1 > 1„, где 1„= -1)„/ '/с(„, 1х„— диаметр выходного зрачка конденсора. Обычно 1„= (50Я..70) 1т„. От ряда недостатков рассмотренных систем свободна система с конденсором и объективом, представленнаи 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 коидеисором и объективом При расположении диафрагмы около конденсора диаметр последнего будет минимален. Поскольку яркость излучающей площадки большинства источников неравномерна, эта схема предпочтительнее представленной на рис. 5.2,6 в тех случаях, когда важна равномерность распределения потока в плоскости облучаемых объектов. Для обеспечения требуемого спектрального состава излучения в любую из представленных выпте 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 /', линейное увеличение 4 Лхтычнхов Ю г Ю.Г.

Якушенков. Теория и расчет оптико-злвктроннык приборов Тг, относительное отверстие Р// ' или диафрагменное число К= /'/Р, углы охвата 2сг„и сходимости 2а'„. Для конденсора с К = К„в виде тонкой линзы при а = /' (см. рис. 5.2,б) баа„=Р„У/[2(1-~ )/'„)=Т /~2(1-~ )К„~. Одиночную линзу применяют в качестве конденсора при (2о„+ 2а'„) < 45 . Если а' > 20/ '„, то обычно в качестве конденсора используют плосковыпуклую линзу, обращенную плоскостью к источнику.

При Тг= -1 наилучшей формой линзы является двояковыпуклая с одинаковыми радиусами. Двухлинзовый конденсор применяют при (2а„+ 2п'л) < 60'. Две плосковыпуклые линзы, соприкасающиеся сферическими поверхностями, при требуемом увеличении Тгдолжиы иметь отношение фокусных расстояний / 'т„// ',„= 2)г, причем / ',„— 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 ббльшие значения 2о + 2аяо 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 и 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, монохроматичности лазерного излучения, его Глава б.

Оптическая система оптико-электронного прибора поляризованность, узкую диаграмму направленности и др. [11]. П оскольку пучок лучеи 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). Их увеличение у = а'/о, причем а — угол расхождения лучей лазера; о' — угол расхождения лучей на выходе передающей оптической системы. Диаметр пучка лучей на выходе телескопической системы с видимым увеличением Г кГ= к(/Г, где гк — диаметр пучка на выходе лазера. Рис. 5.4. Простейшая передающая лазерная оптическая система 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 !и, т.е. с учетом (5.3) и (5.

4) й,„,=.г, А, /Ан, где т„— коэффициент пропускания; А, — площадь выходного зрачка оптической передающей системы; Аи — видимая площадь излучателя. 6.4. 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 сис- Ю.Г.

Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов теме 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.

Характеристики

Список файлов книги