Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов (4-е изд., 1999) (1095908), страница 20
Текст из файла (страница 20)
5.6). В этом случае размер приемника г зависит от фокусного расстояния / ' объектива и его углового поля 2ш: 1= 21 сйш ° (5.6) Однако такая простая оптическая схема имеет ряд недостатков. Во-первых, размер приемника может быть слишком большим, что увеличивает его пороговый поток (при увеличении площади чувствительного слоя возрастают шумы приемника); во-вторых, 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.
В-третьих, 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. 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 Глава 5. Оптическая система оптико. электронного прибора после объектива — конденсоры. Их основное назначение — уменьшать размер чувствительного слоя приемника и устранять влияние нерав- номерности чувствительности по площадке. Рис. 5.7. Приемная оптическая система с конленсором 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 1,, является полевой диафрагмой. Очевидно, что расстояние Л 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 1 '„по абсолютной величине может быть больше, меньше или равно г5.
Целесообразно иметь | '„< Л, так как при /т > Л пучок на выходе конденсора расширяется, что противоречит самому смыслу применения конденсора. При /'„=Л ходлучей в системе телецентрический (телескопическая система). Используя принятые на рис. 5.7 обозначения и применяя формулу отрезков 1/а' — 1/в = 1/1 ',, найдем положение выходного зрачка на оси: а'= а/'„/(та+1'„), где а = -г(/'тб). Для системы, находящейся в воздухе, диаметр выходного зрачка Ю.Г. Якушвнков.
Теория и расчет оптико-электронных приборов а диаметр конденсора Р„=2~ — '+й ', ! =2(/'+Л)С8то+Л вЂ”,. (1, 1,+Р) Р ~2 2/' / /'' (5.8) 2/'„Сает — Р„-2/'„Са При Р„>) 2/'„Ся от размер площади приемника 1в = Р'= 2РК„Сяго, (5.9) где К, = /'„/Є— диафрагменное число конденсора. Если нет коллектива (см. рис. 5.6), 1 = 2/ Сйго = 2Р КС8го (5.10) где К = / '/Р— диафрагменное число объектива. Сравнивая (5.9) с (5.10), можно увидеть, что изменение размера чувствительного слоя приемника при использовании коллектива происходит в К„/Х раз. Как рассчитать или выбрать важнейшие габаритные параметры и расположение конденсора2 Если заданы или известны параметры объектива (Р.
/ ', Ся от) н из конструктивных соображений выбрано значение б, то диаметр конденсора (его апертуру) определяют по формуле (5.8). Из формулы (5.7) находят фокусное расстояние конденсора (/ И ) (5. 11) после чего, используя (5.8) и (5.11), легко определить относительное отверстие Р„Р+Р Р+Р Р Ь /„Р '"' ' /'/' (5.12) Из анализа (5.7) следует, что для уменьшения размера чувствительного слоя приемника, располагаемого в плоскости выходного зрачка, т.е.
для уменьшения Р '. необходимо увеличивать б и уменьшать / '„. Однако зто невыгодно на практике, так как с увеличением Ь растет диаметр конденсора Р„что следует из формулы (5.8), т.е. увеличивается относительное отверстие конденсора Р„// '„. Кроме того, увеличиваются продольные размеры системы. Предельным случаем является тот, когда Л = О.
Такой конденсор часто называют коллекптивом. При использовании коллектива растр анализатора уже невозможно поместить в фокальной плоскости объектива. Для коллектива Р, = 2/ ' С8 от, а диаметр выходного зрачка систе- мы Глава 5. Оптическая система оптико-электронного прибора Из анализа (5.12) ясно, что уменьшение Р'. а следовательно, и размера чувствительного слоя приемника приводит к увеличению отношения Р„//'„. 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: пув1по„= и'у'э1пол = сопвС =,Г, (5.13) который определяет предельные соотношения между показателем преломления среды и, размером сечения пучка у и апертурным углом о,.
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 2оэ„= 2оэР/Р ' не превышает 45...60'. Ввод более сложного коиденсора (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 Штраубелят пт т1 Ат соевт т1»лт =...= п~ к(А, совет т11)т, (5.14) где в, — угол между осью пучка и нормалью к сечению пучка площади ттА,; т»к л, — апертурный телесный угол; л, — показатель преломления в к-м сечении. 106 107 Ю,Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов Глава 5.
Оптическая система оптико-электронного прибора Если задаться целью уменьшить размер приемника, т. е. параметр у в выражении (5.13), то для сохранения / = сопеб 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 гнперполусферической линзы на чувствительный слой приемника.
В этом случае значение величины пг 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. Рнс. 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
