Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 20 )

Предельным случаем является тот, когда D = 0. Такой конденсор часто называют коллективом. При использовании коллектива растр анализатора уже невозможно поместить в фокальной плоскости объектива. Для коллектива Dк=2f¢tg w, а диаметр выходного зрачка системы

.

При Dк>> 2f¢к tg w размер площади приемника

, (4.9)

где Kк =f¢к/Dк – диафрагменное число конденсора. Если нет коллектива (см. рис. 4.5),

, (4.10)

Где K=f¢/D – диафрагменное число объектива.

Сравнивая (4.9) с (4.10), можно увидеть, что изменение размера чувствительного слоя приемника при использовании коллектива происходит в Kк/K раз.

Во всех случаях использования конденсора, как впрочем и других оптических компонентов, необходимо соблюдать обобщенное условие синусов – инвариант Лагранжа-Гельмгольца:

(4.11)

который определяет предельные соотношения между показателем преломления среды п, размером сечения пучка y и апертурным углом sA.

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 2wк=2wD/D ¢ не превышает 45...60°. Ввод более сложного конденсора (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 (4.11) или более общим (для телесных, а не плоских углов) инвариантом Штраубеля:

, (4.12)

где ei – угол между осью пучка и нормалью к сечению пучка площади dAi; dWi – апертурный телесный угол; ni – показатель преломления в i-м сечении.

Если задаться целью уменьшить размер приемника, т. е. параметр у в выражении (4.11), то для сохранения J=const 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 гиперполусферической линзы на чувствительный слой приемника. В этом случае значение величины пi в (4.12) 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. 4.7). 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.

Рис. 4.7. 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. 4.7) должна удовлетворять условию

,

где п0, n1, n2 – показатели преломления окружающей среды, материала волокна и материала наружного покрытия; sA – угол при вершине входного пучка.

Для улучшения условий работы волокна на его торцовую поверхность часто наносят просветляющее покрытие. Если обозначить показатель преломления этого покрытия через п3, то можно легко показать, что коэффициент пропускания волокна увеличивается при возрастании n1 и отношения n1/n2 и при уменьшении п3.

Коэффициент пропускания жгута оптических волокон можно рассчитать по формуле

,

где А1 – суммарная полезная площадь торцов волокон; A0 – общая площадь входного торца жгута, включающая и промежутки между волокнами; tв1 – коэффициент пропускания волокна; r – коэффициент отражения на торцах волокна; sA – апертурный угол на входе.

Для конических волокон отношение синусов апертурных углов на входе и выходе определяется отношением диаметров волокна, т. е.

sin s¢A/sin sA=D/D¢.

Высокий коэффициент пропускания, возможность просто осуществлять разложение изображения на элементы, а также передавать энергию с малыми потерями по криволинейному пути открыли широкие перспективы применения таких световодов. Примерами применения волоконных систем может служить перенос изображения с люминесцирующего экрана электронно-лучевой трубки или электронно-оптического преобразователя в любую произвольно взятую плоскость, причем здесь полностью устраняются ореолы и блики.

Особое значение имеет возможность перестройки углового поля прибора. Применяя различные варианты расположения входных и выходных окон волокон, можно реализовать любой нужный закон кодирования или декодирования сигналов, переход от одного вида развертки к другому, а также от двумерного представления пространства к одномерному и многое другое. Используя конические волокна, можно добиться увеличения или уменьшения изображения. Большой интерес представляет совместное использование волоконной оптики и матричных приемников излучения.

4.6. Оптические компенсаторы

Во многих ОЭП носителем полезной информации об исследуемом или наблюдаемом объекте является амплитуда потока излучения, собираемого объективом, или изменения этой амплитуды. В реальных условиях работы ОЭП полезный сигнал F может меняться не только при изменении контролируемых параметров объекта (рассогласования х), например его координат, но и по другим причинам, например, вследствие изменений яркости источника, прозрачности среды на пути от источника к объективу, пропускания оптики, чувствительности приемника и т. п. Поэтому одному и тому же сигналу F может соответствовать множество рассогласований хi. Для достижения однозначной связи между рассогласованием хi и сигналом Fi необходимо, чтобы крутизна статической характеристики k=dF/dx была постоянной.

Эту задачу можно решить, введя в состав оптической системы компенсатор – устройство для компенсации сдвига изображения излучателя. Компенсатор располагается перед объективом или между объективом и анализатором. Примеры некоторых компенсаторов приведены на рис. 4.8.

Обычно компенсация сдвига изображения осуществляется изменением положения компенсатора (поворот, линейное смещение), что приводит к изменению направления или смещению лучей, образующих изображение излучателя. При этом независимо от значения Fi изображение возвращается в исходное, нулевое положение. Чем больше сдвиг, тем больше должен повернуться или сместиться компенсатор. Измеряя этот поворот или смещение a и зная масштаб преобразования «рассогласование на входе прибора (b)– сигнал на выходе индикатора рассогласования (a)», можно измерить сдвиг или рассогласование b. Масштаб этого преобразования можно сделать достаточно большим, т. е. малым значениям b могут соответствовать большие значения a.

Основными параметрами компенсатора, на основании которых можно оценить целесообразность его использования в ОЭП, являются крутизна k=da/db статической характеристики a=f(b) (для линейной зоны этой характеристики ее иногда называют масштабом преобразования), а также диапазон линейности статической характеристики.

Величины a и b необходимо представлять в одних и тех же единицах, например, для углоизмерительных приборов – в угловых.

В табл. 4.2 даны формулы для вычисления параметров некоторых компенсаторов. Эти формулы могут служить для сравнения различных типов компенсаторов.

Рис. 4.8. Оптические компенсаторы

В табл. 4.2 и на рис. 4.8 обозначено: А – анализатор; b – угол рассогласования на входе оптической системы; a – угол поворота компенсатора; Dbл – допуск на линейность статической характеристики; f¢ – фокусное расстояние объектива системы; s – шаг винта; п – показатель преломления материала, из которого изготовлен оптический компенсатор; s – преломляющий угол клина; х – линейное смещение компенсатора; ξ=Г-1 (Г – видимое увеличение телескопической линзы с фокусным расстоянием f¢л); e – угол падения лучей на преломляющую грань клина; Dbм – методическая погрешность вычисления параметров компенсатора.