Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 18 )

От ряда недостатков рассмотренных систем свободна система с конденсором и объективом, представленная на рис. 4.3. 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. 4.3. Схема передающей системы с конденсором и объективом

При расположении диафрагмы около конденсора диаметр последнего будет минимален. Поскольку яркость излучающей площадки большинства источников неравномерна, эта схема предпочтительнее представленной на рис. 4.2,б в тех случаях, когда важна равномерность распределения потока в плоскости облучаемых объектов.

Для обеспечения требуемого спектрального состава излучения в любую из представленных выше схем может быть введен оптический фильтр.

В качестве конденсоров и объективов передающих систем используются как линзовые, так и зеркальные элементы. Их основными параметрами являются: фокусное расстояние f¢, линейное увеличение V, относительное отверстие D/f¢ или диафрагменное число K=f¢/D, углы охвата 2sA и сходимости 2s¢A. Для конденсора с K=Kк в виде тонкой линзы при a=f¢ (см. рис. 4.2,б)

Одиночную линзу применяют в качестве конденсора при (2sА+ 2s¢A)£45°. Если а¢>20 f¢к, то обычно в качестве конденсора используют плосковыпуклую линзу, обращенную плоскостью к источнику. При V=-1 наилучшей формой линзы является двояковыпуклая с одинаковыми радиусами.

Двухлинзовый конденсор применяют при (2sА+ 2s¢A)£60°. Две плосковыпуклые линзы, соприкасающиеся сферическими поверхностями, при требуемом увеличении V должны иметь отношение фокусных расстояний f¢2к/f¢ 1к= 2V, причем f¢1к – фокусное расстояние ближайшей к источнику линзы конденсора. Более сложные конденсоры позволяют получить бо́льшие значения 2sА+ 2s¢A, 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 [5]. 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 V (до V=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 [10]. 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, монохроматичность лазерного излучения, его поляризованность, узкую диаграмму направленности и др.

Поскольку пучок лучей 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 [10]. Чаще всего такие системы аналогичны телескопическим (рис. 4.4). Их увеличение g=s¢/s, причем s – угол расхождения лучей лазера; s¢ – угол расхождения лучей на выходе передающей оптической системы. Диаметр пучка лучей на выходе телескопической системы с видимым увеличением Г равен

d¢ = d / Г,

где d – диаметр пучка на выходе лазера.

Рис. 4.4. 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 Iи, т. е. с учетом (4.3) и (4.4)

где to1 – коэффициент пропускания; А1 – площадь выходного зрачка оптической передающей системы; Аи – видимая площадь излучателя.

4.4. 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 системе 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 [2,5].

Специфичны методы и особенно порядок расчета объективов приемных оптических систем ОЭП. Они заметно отличаются от тех, которые приняты при расчете визуальных систем.

Габаритный расчет всей приемной оптической системы ОЭП и объектива, в частности, чаще всего приходится начинать с выполнения энергетического расчета, целью которого в данном случае является определение необходимого размера входного зрачка системы, обычно его диаметра D (см. гл.12). Помимо энергетических соотношений на выбор диаметра входного зрачка могут влиять такие факторы, как, например, необходимость перекрытия диапазона возможных колебаний приходящего пучка, уменьшение влияния флуктуаций прозрачности атмосферы (см. § 3.4) и др. Для увеличения уровня полезного сигнала – потока от излучателя малой площади всегда целесообразно увеличивать D, однако этому на практике препятствуют как трудности технологического или конструктивного характера (сложность изготовления, большие размеры и т. п.), так и принципиальные причины, например, трудность аберрационной коррекции при росте отношения D/f¢ [см. формулы (4.2)], увеличение влияния посторонних помех, усложнение конструкции других звеньев оптической системы.

После выбора диаметра входного зрачка, а правильнее, его площади, обычно рассчитывают или подбирают фокусное расстояние объектива f¢ и его относительного отверстия D/f¢. Фокусное расстояние объектива является вторым важнейшим габаритным параметром. На его выбор влияют также аберрационные соотношения, т. е. требования к качеству изображения, так как после выбора D фокусное расстояние остается свободным параметром, которым можно варьировать, подбирая относительное отверстие в соответствии с формулами (4.2). В измерительных оптико-электронных системах, особенно в высокоточных, фокусное расстояние, исходя из требования обеспечения необходимой точности линейных или угловых измерений [1,21], как правило, стремятся сделать возможно большим, если позволяют размеры прибора. При этом уменьшается погрешность измерения (слежения, наведения), обусловленная неточностью анализирующего или отсчетного устройства, устанавливаемого обычно в фокальной плоскости объектива. Например, если цена деления отсчетной сетки, установленной в этой плоскости, равна Dy, то соответствующий угол в угловом поле прибора составит

(4.5)

Очевидно, что по мере роста f¢ уменьшается значение Db. Если Dу – допуск на погрешность отсчетного устройства или анализатора, а Db – заданная угловая чувствительность прибора, то f¢ может быть найдено из (4.5) как f¢³Dy /Db.

Угловое поле объектива 2ω обычно определяется техническим заданием на прибор, а также способом работы системы. В ряде случаев это поле выбирается малым, что позволяет улучшить энергетические соотношения между полезным сигналом и помехами. Для обеспечения просмотра больших углов в этом случае применяют сканирующие системы, рассматриваемые в гл.7. При малых угловых полях легче обеспечить лучшее качество изображения за счет уменьшения полевых аберраций – комы, астигматизма, кривизны поля, дисторсии.

Определив значения важнейших габаритных параметров объектива, разработчик ОЭП может перейти к выбору его конструкции, после чего рассчитывается окончательное значение коэффициента пропускания объектива tо.

При выборе конструкции объектива ОЭП на практике всегда приходится искать компромиссное решение, как с точки зрения улучшения пропускания, т. е. уменьшения потерь потока, так и исходя из требований обеспечения нужного качества изображения. Первое приводит к стремлению максимально упрощать систему, уменьшать число компонентов объектива; для обеспечения второго требования приходится применять достаточно сложные, многокомпонентные объективы.