Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 17 )

Иногда для оценки качества оптической системы применяют и другие критерии, например конструктивные ее параметры или эксплуатационные свойства. Выбор этих критериев зависит от типа и назначения конкретной оптической системы и всего ОЭП.

Коэффициент полезного действия оптической системы hо во многом определяет к. п.д. всего ОЭП. Он учитывает потери потока при отражении его от оптических поверхностей и на поглощение в элементах оптической системы, а также ряд других факторов.

Коэффициент оптического усиления kопт определяется как отношение потоков излучения, поступающих на приемник излучения при использовании оптической системы и без нее. Если удаленный источник излучения не перекрывает полностью угловое поле оптической системы, то

,

где tо – коэффициент пропускания оптической системы; Aвх – площадь входного зрачка приемной оптической системы; Апи – площадь чувствительного слоя приемника излучения. Можно отметить, что для приемных оптических систем часто tо=hо.

Понятия «Передаточная функция», «Частотная характеристика оптической системы» и «Оптическая передаточная функция (ОПФ)» будут описаны ниже в гл. 10, после рассмотрения правомерности использования преобразования Фурье для процессов образования оптического изображения. Пока же можно отметить, что ОПФ определяет зависимость изменения контраста изображения от пространственной частоты. Как ОПФ, так и более традиционный критерий пространственного разрешения – «разрешающая способность» во многом зависят от кружка рассеяния, т. е. картины (или функции) распределения освещенности в изображении точечного излучателя. Размер кружка рассеяния и распределение освещенности в нем определяются дифракцией, являющейся следствием волновой природы света, и аберрациями, т. е. искажениями фронта волны, зависящими от параметров оптических деталей и материалов, а также расфокусировкой и другими нарушениями идеальной оптической схемы.

Для оценки качества оптической системы и предъявления соответствующих требований к ее конструкции необходимо четко представлять связь дифракции и аберраций с этими конструктивными параметрами.

Аберрации можно уменьшать до допустимых значений изменением радиусов кривизны и толщин оптических деталей и промежутков между ними, подбором оптических материалов. В то же время дифракция зависит от размера диафрагм, ограничивающих пучки, и именно она определяет минимально достижимый размер кружка рассеяния, т. е. качество идеальной безаберрационной оптической системы.

Теоретически предельно оптимальным диаметром кружка рассеяния принято считать диаметр центрального яркого пятна в дифракционной картине изображения точки (диска Эри), угловой размер которого для объектива с круглым зрачком

2Δλ=2,44 λ/D (4.1)

где 2Dl измеряется в радианах, а длина волны l и диаметр входного зрачка D – в одинаковых единицах. Радиус диска Эри в фокальной плоскости объектива можно найти, умножив его угловой размер Dl на фокусное расстояние объектива.

Для раздельного восприятия (разрешения) двух точечных объектов в идеальной оптической системе часто считают необходимым, чтобы максимум яркости диска Эри для одного изображения совпадал с первым минимумом (первым темным кольцом) в изображении второго объекта. Тогда минимальный разрешаемый угол между двумя точечными объектами a=1,22l/D, где единицы измерения такие же, как и в (4.1).

В большинстве практических случаев размер кружка рассеяния определяется аберрациями системы, но не дифракционными явлениями, поэтому очень важно свести значения основных аберраций к минимуму.

Радиусы аберрационных кружков рассеяния связаны с важнейшими параметрами оптической системы следующим образом:

сферическая аберрация		(4.2,а)
кома		(4.2,б)
астигматизм		(4.2,в)
кривизна поля		(4.2,г)
дисторсия		(4.2,д)
хроматизм положения		(4.2,е)
хроматизм увеличения		(4.2,ж)

где ri – радиус кружка рассеяния; D/f¢ – относительное отверстие; w – угловое поле в пространстве предметов; aэ и bэ – оси эллиптического изображения точки; D – смещение изображения точки от положения, определяемого идеальной оптической системой, вследствие отклонения истинного увеличения от увеличения в идеальной системе; Dll – разность размеров изображений одного и того же отрезка объекта для двух лучей с различными длинами волн; ki – коэффициенты аберраций [2,5].

При выборе диапазона длин волн, в котором работает система, необходимо учитывать изменение показателя преломления п в этом диапазоне и возникающие в связи с этим хроматические аберрации отдельных компонентов системы. Устранять хроматизм можно не только обычной коррекцией, заключающейся в совместном использовании элементов с дисперсией различного знака, например ахроматизированных дублетов, но и выбором материала с постоянным значением п в интересующем разработчика диапазоне спектра.

Формулы (4.2,а) – (4.2,ж) сохраняют свой вид и для систем, образованных асферическими поверхностями, т. е. ввод асферических поверхностей не нарушает пропорциональность размера аберрационного кружка таким параметрам оптической системы, как относительное отверстие и угловое поле.

В каждом конкретном случае приходится корригировать (исправлять) оптическую систему в отношении определенных аберраций. Методы коррекции оптических систем ОЭП, как правило, ничем не отличаются от традиционных методов расчета оптических систем [2,5].

4.3. Передающие оптические системы

При работе ОЭП активным методом практически всегда источник излучения дополняют специальной оптической системой, предназначенной главным образом для пространственного перераспределения потока. Эту систему принято называть передающей, а иногда – светооптической 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.4.2,а) и с конденсором (рис.4.2,б), то можно показать, что выигрыш в облученности Е в плоскости О в схеме с конденсором составит tкАк /Аи раз. Здесь tк – коэффициент пропускания конденсора; Ак – площадь конденсора (его выходного зрачка); Аи – проекция излучающей площадки на плоскость, которая перпендикулярна оптической оси.

Рис. 4.2. Схемы простейших осветительных систем:

а - без конденсора; б – с конденсором

Действительно, для схемы без конденсора облученность (или освещенность)

(4.3)

где tc – коэффициент пропускания среды на пути от источника И до плоскости О; Lи и Iи – яркость и сила излучения (света) ламбертовского источника (принимаем, что расстояние l значительно больше размера источника dи).

Для схемы с конденсором при la¢ облученность в плоскости О

(4.4)

Из сопоставления (4.3) и (4.4) следует, что для увеличения ЕО целесообразно увеличивать площадь выходного зрачка конденсора, а следовательно, и угол 2sA, 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 tк. Кроме того, следует отметить, что при изменении расстояния а¢ в процессе работы ОЭП облученность 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 =f¢. В силу конечности размеров излучателя и в этой схеме имеет место расходимость пучка лучей и, следовательно, изменение облученности при изменении расстояния l. В этом случае формула (4.4) также верна для расчета облученности при а¢ > lкр или l > lкр, где lкр=-Dк f¢/dи, Dк – диаметр выходного зрачка конденсора. Обычно lкр= (50...70) Dк.