ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 155
Скачиваний: 2
ляет упростить оптические системы для ряда приборов ПК-тех- нпкп. Так, например, для приемников излучения коротковолновой области НК-спектра (фотоэлектрические приемники, электроннооптические преобразователи, фотопластинки) может оказаться необходимой разрешающая способность порядка десятков мик рон, а для средне- и длинноволновой области ИК-спектра (чув ствительные элементы приемников излучения) — от 0 , 1 до не скольких миллиметров.
Неточен
излучоп
1
Р и с . 6.22. К о п р е д е л е н и ю о б л \ч е м мости п рием ни к а и зл у ч ен и я б е з л ин зы
(о ) и с л и н зо й (б )
Основными параметрами, характеризующими оптическую си стему, являются:
1 ) диаметр оптической системы;
2 ) фокусное расстояние;
3)коэффициент пропускания в рабочей области спектра;
4)разрешающая способность;
5)поле зрения;
6 ) величина аберраций.
В ряде случаев от оптической системы требуется стабиль ность оптических свойств при различных климатических усло виях, а также при работе в условиях вибраций и тряски.
Так как излучение от инфракрасных источников чаще всего является ненаправленным п распространяется во все стороны, то оптическая система, концентрируя излучение, позволяет исполь зовать его более эффективно. В то же время приемник излуче ния без оптической системы может уловить лишь ничтожную часть излучения источника. Для оценки оптической системы, ра ботающей с приемником или источником излучения, вводят по нятие коэффициента оптического усиления, характеризующего эффективность применения оптической системы.
Предположим, что точечный источник излучения с интенсив ностью I находится на расстоянии / от чувствительной площадки приемника площадью qn (рис. 6 .2 2 ).
Падающий на площадку лучистый поток равен |
|
Ф - /(И |
(6 . 9) |
177
где Мп — телесный угол, охватываемый площадкой приемника и
равный
( 6. 10)
Общий лучистый поток, излучаемый источником, равен
Ф,=/со„. (6.11)
Из отношений (6.9) и (6.11) находим, что на площадку по падает поток
Ф = Фн |
. |
(6.12) |
“'и
Если источник излучения находится на большом расстоянии от приемника, то отношение (оп/сои очень мало, и поток, попа дающий на чувствительную площадку, будет также ничтожно мал. Для повышения отношения Ф/Ф„ применяют оптическую систему. Если перед приемником излучения поставить линзу (рис. 6 .2 2 , б), то падающий на линзу поток
Ф, = |
Лог |
(6.13) |
Если пренебречь потерями в |
оптической системе, то |
весь |
этот поток полностью попадает на приемник излучения. Разде лив выражение (6.13) на (6.9), получим
Ф, = Ф -^ - = АФ. |
(6.14) |
“п |
|
Величина k называется коэффициентом оптического усиления
и характеризует выигрыш в облученности чувствительной пло щадки, получаемый благодаря применению оптической системы. Действительно, поскольку сол= 5 л//2, где 5 Л — площадь входного (светового) отверстия оптической системы, то с учетом формулы (6 .1 0 ) будем иметь
а= |
(6.15) |
u)M |
q ,j |
Облученность разных площадок одним и тем же потоком зависит только от их площади. Для оптической системы, работаю щей с источником излучения (например, с прожектором), коэф фициент оптического усиления определяет выигрыш в силе излу чения, получаемый благодаря применению оптической системы. По формуле (М3) сила излучения I = BS, где S — площадь ис точника излучения. Сила излучения источника вместе с оптиче ской системой (если пренебречь потерями в оптической систе ме) равна
/ = /гД5. |
(6.16) |
С учетом коэффициента пропускания т реальной оптической системы оптический коэффициент усиления
|
k = x —2- . |
(6 . 17) |
|
|
Яи |
|
|
Величина k |
для существующих |
оптических |
систем может |
быть равна от десятков единиц до нескольких тысяч. |
|||
Оптические системы делятся на три группы: |
поток проходит |
||
1 ) линзовые |
системы, з которых |
лучистый |
|
через преломляющие среды; 2 ) отражательные системы, в которых лучистый поток пере
распределяется путем отражения от одного или нескольких зер кал;
3) смешанные системы, состоящие из комбинации линзовых и отражательных систем.
Отдельно следует выделить так называемые волоконные опти ческие системы, состоящие из наборов светопроводящих волокон и служащие для передачи и преобразования оптических изобра жений и сигналов.
2. Линзовые оптические системы
ИК-оптические линзовые системы обычно состоят из несколь ких линз или их комбинации, каждую из которых молено рас сматривать как отдельную оптическую систему. Если в двух компонентной системе задний фокус первой системы совпадает с передним фокусом второй системы, то такая сложная система на зывается телескопической. Телескопические системы широко при меняются в приборах для наблюдения удаленных предметов (приборах ночного видения, инфракрасных телескопах и т. д.), при этом первый компонент системы называют объективом, а второй — окуляром. В оптических системах, работающих с при емниками ИК-нзлучення, вместо окуляра применяют линзу-кон денсор, собирающую поток излучения со всего поля зрения объектива на чувствительную площадку приемника.
Поскольку линзовые ИК-системы принципиально не отлича ются от оптических систем для видимого света, не будем на них подробно останавливаться. Рассмотрим только некоторые зако номерности прохождения лучистого потока через оптическую си стему, что имеет существенное значение для оценки чувствитель ности ИК-приборов.
ПРОХОЖДЕНИЕ ЛУЧИСТОГО ПОТОКА ЧЕРЕЗ ОПТИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ
При использовании инфракрасных оптических систем иногда необходимо знать лучистость изображения, даваемого системой.
179
Пусть объект площадью 5 имеет лучистость В и расположен перпендикулярно оптической оси системы (линзы) на расстоя нии / (рис. 6.23); на рисунке со — телесный угол, в котором рас пространяется поток Ф, поступающий в оптическую систему.
При достаточно большом расстоянии / (малом телесном угле со) лучистый поток, попадающий на оптическую систему, может быть определен по формулам (1.8) и (1.13):
Ф= 55со cos а. |
(6.18) |
В нашем случае cosu=l, так как площадка S по условию пер пендикулярна оптической оси системы.
При прохождении через оптическую систему поток уменьша ется вследствие потерь лучистой энергии в системе. Эти потери возникают как в результате отражения некоторой части лучистого потока, так и при поглощении его материалом оптической си стемы. С учетом коэффициента пропускания т лучистый поток, прошедший через систему, будет
равен
Ф'=_ гФ.
|
|
Этот поток создает изображе |
|
Рис. 6.23. К расчету лучистого по |
ние объекта площадью S' |
и лучи |
|
тока, проходящего через оптиче |
стостью В': |
|
|
скую систему |
|
Ф' = 5'5'../ = т/?5ч), |
(6.19) |
|
|
||
откуда |
|
|
|
В' = х В — — |
( 6. 20) |
||
|
S' |
101 |
|
Так как каждая из сторон объекта увеличивается оптическим устройством в (3 раз, где (3 — линейное увеличение, равное от ношению размера изображения к соответствующему размеру предмета, то S'/S = $s, a S/S'= 1/[32. Телесные углы со и о/ равны отношению площади поверхности входного отверстия системы S„ к квадрату соответствующих расстояний / п I' [см. формулу
(6 .1 0 )].
Отношение
и __ s j ’’ __ V
ш ' — г-s., ~ г-
Из формул геометрической оптики имеем
]_____ 02
/2 ' iJ '
180
Тогда
•S |
Ц ____ 1 _ 0 2 ___ J |
5' ш' ~ rf- ,J
и формула (6.34) примет вид
В' = хВ. |
(6 .21} |
Так как коэффициент т зависит только от потерь излучения в оптическом устройстве, то лучистость изображения В' опреде ляется коэффициентом пропускания т и лучистостью объекта В и не зависит ни от размеров оптической системы, ни от ее уве личения. Так как т всегда меньше единицы, то лучистость изо бражения всегда меньше лучистости объекта. Приблизить лучи стость изображения к лучистости объекта можно только путемуменьшения потерь излучения в оптической системе. В сложных оптических системах потерн излучения могут быть довольно большими. Потерн, обусловленные поглощением, сводят к мини муму, выбирая достаточно прозрачный для данной области спект ра материал линз, а потери, вызываемые отражением, уменьша ют, применяя просветление оптических поверхностей.
В ряде случаев для оценки оптической системы з приборах: инфракрасной техники важно знать не лучистость изображения,, а облученность £', создаваемую в пределах изображения опти ческой системой. Облученность согласно определению (1.14) равна
£ ' = — . S'
Подставляя вместо Ф' его значение из (6.19), получим
£ |
' |
= т£ А - . |
(6.22) |
5' |
|
|
v |
Из формулы (6 .2 2 ) видно, что облученность изображения, да ваемого оптической системой, зависит от лучистости объекта и те лесного угла со', под которым видно входное отверстие оптиче ской системы из места расположения изображения.
К о н д е н с о р ы. В некоторых приборах инфракрасной тех ники в фокальной плоскости оптической системы располагают вращающийся диск для модуляции излучения, попадающего на чувствительную площадку приемника. Чувствительную площад ку при этом располагают на некотором расстоянии от фокуса системы (рис. 6.24, а). Если источник излучения будет смещать ся с оптической оси, то часть энергии уже не будет попадать на приемник. Увеличение размеров чувствительной площадки прием ника приведет к уменьшению его пороговой чувствительности, поэтому приходится устанавливать дополнительную линзу — конденсор. Конденсор позволяет уменьшить размеры чувстви
181
