Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 21 )

Таблица 4.2

Параметры оптических компенсаторов

4.7. Бленды. Борьба с внешними и внутриприборными засветками в оптической системе

Для борьбы с рассеянным излучением, возникающим при наличии так называемых боковых помех, находящихся за пределами углового поля ОЭП, используются оптические бленды [16,23]. Часто яркость этого рассеянного излучения заметно превышает яркость фоновых помех, находящихся в угловом поле объектива. Иногда боковые помехи создают не только рассеянное излучение, но и яркие блики на оптических поверхностях, поверхностях оправ и приемнике излучения.

Простейшая бленда, установленная соосно оптической оси объектива, показана на рис. 4.9. Излучение от боковой помехи П проходит входное окно бленды, а затем рассеивается, отражается и поглощается на ее внутренней поверхности, которая должна хорошо поглощать это излучение. Рассеянная доля излучения через выходное окно бленды попадает в объектив и может попасть на приемник. Наименьший угол j, образуемый идущими от помехи лучами с оптической осью, называется углом засветки бленды.

Рис. 4.9. Простейшая бленда

Одним из основных параметров бленды является коэффициент ослабления Ko, под которым понимают отношение освещенности от боковой помехи на входном окне бленды к освещенности рассеянного излучения на ее выходном окне. Значение Ko зависит от угла засветки j. Поэтому значение j, при котором Ko достигает заданного значения, называется углом допустимой засветки [23].

По конструкции бленды можно разделить на круговые, двойные, кольцевые, сотовые (рис. 4.10). Выбор типа бленды зависит от следующих факторов: от требуемого значения Ko, допустимых размеров и массы бленды, характеристик помех, углового поля объектива и др.

Наиболее распространены круговые бленды. Их внутренние цилиндрические поверхности имеют черное диффузно отражающее покрытие, а на полированные и оксидированные поверхности плоских диафрагм, расставляемых внутри бленды, наносятся просветляющие покрытия для подавления зеркальной составляющей рассеянного излучения в направлении выходного окна бленды.

Рис. 4.10. Оптические бленды (сечения):

а – круговая, б – двойные, в – кольцевая, г – сотовая

Расстановка диафрагм внутри бленды проводится путем геометрических построений хода лучей, которые учитывают требуемое число отражений на боковых цилиндрических поверхностях. Круговые бленды обеспечивают Kо=5×105.

Двойные бленды позволяют получить самые большие значения коэффициента ослабления (Kо£108 ). Они состоят из двух частей: основной, которая непосредственно воспринимает излучение от боковой помехи, и дополнительной, защищающей выходное окно бленды от излучения, рассеянного и отраженного основной блендой. Эти части двойной бленды могут быть цилиндрическими, коническими, эллиптическими.

В узкопольных центрированных зеркальных объективах эффективно используются кольцевые бленды (Kо£105 ). Внутри их корпуса симметрично продольной оси обычно размещаются круговые цилиндры, огибающие кромок которых образуют усеченный конус с углом 2w при вершине, равным угловому полю объектива. Такая конструкция не вносит переменного виньетирования по полю.

Наименьшие размеры имеют сотовые бленды, представляющие собой систему трубчатых элементов, расположенных перед объективом параллельно его оптической оси. Для них коэффициент Kо достигает примерно 102...103. Сотовые бленды вносят переменное виньетирование пучков лучей от наблюдаемого объекта, что является их существенным недостатком, поэтому их применяют только для очень узкопольных объективов.

Кроме описанных бленд иногда в ОЭП используются складные бленды, что заметно усложняет конструкцию прибора, а также простейшие светозащитные козырьки.

Для борьбы с засветками, источники которых находятся внутри прибора (внутриприборные засветки), например, с излучением элементов конструкции (оправ, оптических деталей и др.), находящихся в угловом поле приемника излучения, применяют специальные диафрагмы, часто охлаждаемые. Как отмечалось выше, такие диафрагмы целесообразно помещать в выходных зрачках. Если такое расположение охлаждаемой диафрагмы невозможно, то приходится применять дополнительные диафрагмы, препятствующие попаданию излучения, испускаемого или рассеиваемого элементами конструкции в направлении приемника.

4.8. Оптические фильтры

Оптическим фильтром принято называть устройство, служащее для изменения спектрального состава или ослабления проходящего через него потока излучения. Фильтры, изменяющие спектр излучения, называются спектральными, а фильтры, ослабляющие поток без заметного изменения его спектра – нейтральными.

Роль оптического фильтра в ОЭП чрезвычайно велика. Фильтр является важнейшим средством спектральной селекции, позволяющей выделить излучение исследуемого объекта на фоне других излучений. Выбирая фильтр, мы, с одной стороны, увеличиваем отношение сигнал-помеха, но, с другой стороны, уменьшаем общее количество принимаемого приемником излучения от объекта. Задача состоит в том, чтобы благодаря правильному выбору фильтра получить максимально возможное отношение сигнал-помеха при минимальных потерях полезного сигнала.

Основной характеристикой фильтра является его спектральная характеристика – зависимость коэффициента пропускания tl от длины волны проходящего через фильтр излучения. Интегральный коэффициент пропускания фильтра в диапазоне l1...l2 определяется соотношением

где Fl – спектральное распределение потока, падающего на фильтр.

Для однородного поглощающего слоя толщиной l для tl действует экспоненциальный закон ослабления, т. е. tl=ехр (-al1l), где al1 – показатель ослабления на единицу пути.

Иногда пропускание фильтра оценивают его оптической плотностью: Dl=lg (1/tl).

По виду спектральной характеристики оптические фильтры можно подразделить на следующие группы: полосовые, пропускающие излучение в узкой полосе длин волн; длинноволновые отсекающие, пропускающие излучение с длинами волн, большими заданного предела lmin; коротковолновые отсекающие, пропускающие излучение с длинами волн, меньшими заданного предела lmax.

Спектральная характеристика полосового фильтра, полученного сложением длинноволнового фильтра с lmin=l1 и коротковолнового фильтра с lmax=l2, показана на рис. 4.11.

Обычно к параметрам фильтра предъявляют следующие требования:

-  высокая контрастность tmax/tmin;

-  большая граничная крутизна спектральной характеристики, при которой Dl составляет десятые, а иногда и тысячные доли микрометра;

-  хорошее пропускание (t³80%);

-  возможность получения заданных спектральных границ;

-  стабильность спектральной характеристики для заданных условий;

-  эксплуатационные и технологические требования к вибростойкости, истиранию, габаритным размерам и т. д.

Граничную длину волны обычно выбирают на уровне 10% максимума tl. Иногда говорят о полуширине характеристики, имея в виду границы, соответствующие 50% максимума tl.

Рис. 4.11. Типовая характеристика полосового оптического фильтра

Оптический фильтр выбирают с учетом ряда факторов, важнейшим из которых обычно является стремление подобрать такую кривую tl, при которой с учетом спектра приходящего излучения и спектральной чувствительности sl приемника, стоящего за фильтром, будет получено максимальное отношение сигнал-помеха (см. §11.1).

Важными критериями для выбора фильтра являются требования к его физико-механическим свойствам, стабильности его характеристик в различных условиях работы. Часто к числу немаловажных факторов следует отнести технологичность и стоимость оптического фильтра.

По физическому принципу работы фильтры можно классифицировать следующим образом.

Фильтры, основанные на избирательном поглощении (абсорбционные). Все вещества обладают избирательным поглощением в одной или нескольких областях спектра, что позволяет создавать длинноволновые и коротковолновые отсекающие фильтры. Примерами таких фильтров являются фильтры из цветного оптического стекла, окрашенных пластмасс, фильтры из Ge, PbS, РЬТе и других оптических материалов. У фильтров этого типа контрастность и крутизна недостаточно высокие. Для них применяется просветление. Эти фильтры относительно просты в изготовлении и эксплуатации, характеристики их стабильны. Габаритные размеры таких фильтров могут изменяться в широких пределах.

Интерференционные фильтры. Используя интерференцию света, можно получить фильтр с очень хорошими параметрами Dl и tmax/tmin. Простейший фильтр подобного рода состоит из тонкой пленки прозрачного диэлектрика, покрытой с обеих сторон полуотражающими металлическими слоями. Этот фильтр подобен широко известному интерферометру Фабри-Перо.

Максимальное пропускание фильтра соответствует длинам волн l, для которых оптическая толщина диэлектрического слоя кратна l/2. Вследствие потерь в полуотражающих слоях коэффициент пропускания сильно уменьшается.

Ширину полосы пропускания простейшего интерференционного фильтра можно уменьшить, увеличив отражающую способность полуотражающего слоя и толщину диэлектрика. Но это, в свою очередь, ведет к уменьшению пропускания, и, кроме того, возникают побочные полосы пропускания. Поэтому простой однослойный интерференционный фильтр заменяют многослойным, в котором металлические полуотражающие пленки заменяются несколькими слоями диэлектрических материалов (криолит, сернистый цинк, фтористый магний, германий и др.). Многослойные интерференционные фильтры позволяют получить очень узкие полосы (около 10-3...10-4 мкм) в ИК области спектра при высоких значениях контрастности tmax/tmin.