Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 22 )

Иногда интерференционные фильтры работают и на отражение, т. е. с их помощью обеспечивают разделение отраженного и проходящего потоков по длинам волн.

Наряду с основной полосой пропускания интерференционный фильтр имеет ряд «паразитных» полос, обычно находящихся в более коротковолновой области. Поэтому целесообразно дополнять интерференционный фильтр отсекающим фильтром.

Интерференционные фильтры позволяют пропускать довольно широкие пучки, причем углы падения лучей на фильтр могут достигать нескольких десятков градусов. При малых углах падения (<8°) параметры фильтра практически остаются теми же, что и для лучей, падающих перпендикулярно на фильтр. При увеличении угла падения увеличивается ширина полосы пропускания, она смещается, а также уменьшаются пропускание tmax и контрастность tmax/tmin.

При увеличении угла наклона пучка параллельных лучей, падающего на фильтр, длина волны, соответствующая максимуму пропускания для узкополосных фильтров, или граничная длина волны для отсекающих фильтров смещается в коротковолновую область. При работе фильтра в сходящихся лучах ширина полосы пропускания увеличивается заметнее у фильтров с бо́льшим числом слоев.

Характеристики интерференционного фильтра зависят также от его температуры. При уменьшении температуры спектральная характеристика фильтра смещается в коротковолновую область и, наоборот, при увеличении температуры она смещается в длинноволновую. Эта зависимость сдвига от температуры в диапазоне ±60°С часто линейна и имеет крутизну порядка (1...3)×10-5 мкм/°С. Стабильность характеристик интерференционных фильтров во времени зависит от технологии их изготовления и материалов слоев фильтра. Для ряда материалов она достаточно высока.

Поляризационные фильтры. Для получения очень узкой (в несколько ангстрем) полосы пропускания применяются поляризационные (интерференционно-поляризационные) фильтры. Их основным элементом является поляризатор, служащий для пропускания поляризованного излучения через материал, обладающий двойным лучепреломлением и расщепляющий излучение на обыкновенные и необыкновенные лучи. Эти лучи проходят через материал со скоростями, определяемыми соответствующими показателями преломления. Плоскости их поляризации взаимно перпендикулярны, а фазовый сдвиг зависит от скорости распространения луча и толщины материала. Выходящие лучи затем соединяются во втором поляризаторе, и интенсивность на выходе зависит от фазового сдвига. Интерференция дает ослабление, если фазовый сдвиг равен нечетному числу полуволн, и усиление, если сдвиг равен четному числу полуволн излучения.

Нейтральные фильтры и ослабители. Очень часто требуется ослабить излучение или разделить поток на две части, не изменяя его спектрального состава. Для этого служат так называемые нейтральные фильтры (светоделители) и ослабители. Ранее широко использовались фильтры на основе тонких пленок хрома, платины, никеля, палладия и титана. В последние годы появились новые материалы, обеспечивающие высокое пропускание фильтров в широком спектральном диапазоне [17,18].

Контрольные вопросы

1. Какие параметры и характеристики передающей и приемной оптических систем ОЭП должны быть согласованы между собой?

2. Какие параметры объектива ОЭП оказывают заметное влияние на его разрешающую способность и почему?

3. Как можно уменьшить расходимость пучка лучей на выходе передающей системы? Сравните различные способы уменьшения этой расходимости между собой.

4. Дайте сравнительную характеристику линзовых и зеркальных оптических систем ОЭП.

5. Сравните достоинства и недостатки схем, представленных на рис. 4.5 и 4.6.

6. Назовите возможные способы уменьшения площади чувствительного слоя приемника излучения путем изменения конструкции оптической системы ОЭП и ее параметров.

7. Дайте сравнительную характеристику абсорбционных и интерференционных фильтров.

8. Какие параметры и характеристики интерференционного оптического фильтра зависят от места его расположения в оптической системе?

Глава 5. ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ КАК ЗВЕНО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА

5.1. Краткая классификация приемников излучения, используемых в оптико-электронных приборах

Устройство, предназначенное для преобразования оптического сигнала в электрический, называют приемником оптического излучения (приемником излучения, фотоприемником). К приемникам оптического излучения часто относят устройства, преобразующие ИК или УФ излучение в видимое, например, электронно-оптические преобразователи, фотопленки различных видов и другие фоточувствительные материалы, а также фотоприемные устройства (ФПУ), в которых в единую конструкцию объединены собственно приемник (ПИ) и схема предварительной обработки электрического сигнала, например схема предварительного усиления.

Помимо преобразования одного вида энергии (оптической) в другой (электрическую) многие специальные приемники излучения и ФПУ выполняют в ОЭП и другие функции: преобразуют закон распределения освещенности (а не просто поток излучения) в соответствующий электрический сигнал, служат для анализа закона распределения освещенности в изображении, служат для определения координат изображений и их отдельных зон, служат для фильтрации полезного сигнала на фоне помех и т. д. Типичными ПИ такого типа являются электровакуумные передающие телевизионные трубки, а также их твердотельные аналоги, например ПЗС-матрицы.

Приемники излучения разделяются на два основных класса - фотоэлектрические (фотонные) и тепловые. Принцип действия фотоэлектрических ПИ основан на внешнем (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители и др.) или внутреннем (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и др.) фотоэффекте. Внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия) состоит в испускании электронов с поверхности фоточувствительного слоя в вакуум или другое вещество под действием падающего излучения. Внутренний фотоэффект – это процесс взаимодействия оптического излучения с веществом, в результате которого энергия квантов излучения передается электронам вещества, изменяющим в результате этого свое энергетическое состояние. Все фотоэлектрические приемники являются селективными, т. е. их чувствительность зависит от частоты (или длины волны) излучения, падающего на приемник.

В тепловых ПИ энергия оптического излучения сначала преобразуется в тепловую, а лишь затем происходят изменения свойств приемника: возникает термоЭДС (термоэлементы), изменяется проводимость (болометры) или диэлектрическая постоянная (пироэлектрические ПИ), формируется чувствительный слой (эвапорографы) и т. д. Тепловые приемники неселективны.

Отдельными видами ПИ являются: многодиапазонные (многоспектральные), работающие в двух или более диапазонах оптического спектра; многоэлементные ПИ; координатные (позиционно-чувствительные) ПИ, у которых выходной сигнал зависит от координат изображения на чувствительном слое, и ряд других.

Классификация ПИ проводится также по области спектральной чувствительности, степени охлаждения чувствительного слоя, быстродействию, физическим принципам действия (лавинные, инжекционные, гетеродинные, иммерсионные и др.).

5.2. Параметры приемников излучения

Параметрами ПИ обычно называют величины, характеризующие свойства приемника при работе его в определенных условиях и служащие критериями оценки его качества. Рассмотрим основные параметры современных ПИ.

Чувствительность. В общем случае чувствительность приемника – это отношение изменения электрической величины на выходе ПИ, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения в заданных эксплуатационных условиях.

В зависимости от характеристики излучения различают чувствительность к потоку излучения sFe, чувствительность к световому потоку sFv, чувствительность к облученности sEe или к освещенности sEv.

Токовой чувствительностью sI называется чувствительность ПИ, у которого измеряемой электрической величиной является сила фототока, а вольтовой sυ – чувствительность при измерении напряжения на выходе ПИ.

Интегральной чувствительностью ПИ называется чувствительность к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава, а монохроматической чувствительностью sl – чувствительность к монохроматическому излучению с длиной волны l.

Различают также статическую чувствительность, определяемую отношением постоянных значений измеряемых на выходе и на входе ПИ величин, и дифференциальную – отношение малых приращений этих величин.

Иногда чувствительность характеризуется отношением числа квантов, вызвавших фотоэффект, к общему числу квантов излучения, попавших на чувствительную площадку ПИ. Это отношение принято называть квантовой эффективностью или квантовым выходом.

Поскольку сигнал на выходе цепи включения для некоторых типов ПИ может зависеть от напряжения питания (например, у фоторезисторов), иногда вводят понятие об удельной чувствительности, которая представляет собой чувствительность, отнесенную к одному вольту питающего напряжения.

Пороговые и шумовые параметры. Помимо полезного регулярного сигнала на выходе ПИ всегда имеется хаотический сигнал со случайными амплитудой и частотой – шум приемника излучения. Источники шума могут быть как внутренними, так и внешними по отношению к ПИ и ОЭП в целом. Шум не позволяет регистрировать сколь угодно малые сигналы, которые становятся незаметными на его фоне, т. е. ограничивает предельные возможности прибора. Поэтому стремятся свести шум к минимальному, который часто определяется шумом ПИ. В рационально сконструированном ОЭП чувствительность к малым входным сигналам зависит только от уровня собственных шумов ПИ.

Током или напряжением шума ПИ называется среднее квадратическое значение флуктуации тока, протекающего через ПИ, или напряжения на заданной нагрузке в его цепи в указанной полосе частот.

Основные виды шумов для ПИ следующие.

Тепловой шум вызывается хаотическим тепловым движением свободных электронов. Дисперсия его в полосе частот Df определяется по формуле