ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 157
Скачиваний: 2
тельной площадки приемника и сохраняет ее облученность по стоянной при различных положениях источника излучения в поле зрения оптической системы (см. рис. 6.24, б).
Обозначим диаметр объектива г/0 и конденсора dK, фокусные расстояния объектива /о и конденсора диаметр рабочей площадки приемника dn\ рас
стояние между конденсором н рабочей площадкой /п; угол поля зрения опти ческой системы 2а и расстояние между фокальной плоскостью объектива и фокальной плоскостью конденсора Л.
Рис. 6.24. Оптическая система для приемника излучения с модулирую щим диском:
а —без конденсора; б—с конденсором; а —иммерсионный конденсор из германия
Минимальные габариты оптической |
системы получаются при /к= д. |
|
Тогда |
|
|
rfk- = 2 /0tga. |
'j |
|
, |
/ о / к - |
! |
|
|
(6.23) |
^11 |
f к |
|
do |
/о — / к |
|
Эти формулы могут служить для ориентировочных расчетов оптической системы с конденсором. Результаты расчетов по этим формулам будут приб лиженными, так как для точного выполнения услория /„ = Д конденсор дол жен находиться в фокальной плоскости объектива, где уже расположен мо дулирующий диск.
Конструктивно конденсор может быть выполнен в виде одной или нескольких линз. Чувствительная площадка приемника мо жет быть значительно уменьшена при использовании иммерсион ного конденсора без воздушного промежутка между приемником и линзой. На рис. 6.24, в показан иммерсионный конденсор из германия. Между конденсором и приемником находится тонкая
182
изоляционная пленка, прозрачная для ИК-излучения. Примене ние такого конденсора позволяет в несколько раз уменьшить ли нейные размеры приемника, повысив при этом пороговую чувст вительность.
3. Отражательные оптические системы
Простейшая отражательная оптическая система состоит из зеркального отражателя, предназначенного либо для собирания и фокусировки лучистой энергии на чувствительную площадку приемника, либо для создания направленного излучения в инф ракрасных осветительных устройствах. Отражатель в зависимо сти от формы сечения может быть сферическим, параболическим,
гиперболическим или эллиптиче ским. Наибольшее распростране ние получили сферические и па раболические вогнутые отража тели.
|
а) |
|
|
Рис. 6.25. Основные параметры |
Рис. 6.26. Глубокий (а) |
и |
неглубокий |
отражателя |
(б) отражатели |
|
|
Отражатель имеет две поверхности — лицевую |
и |
тыльную. |
Лицевая поверхность обращена к источнику или приемнику из лучения. Круг, ограниченный краями отражателя, называется световым отверстием отражателя (рис. 6.25). Вершиной отража теля О называется точка пересечения оптической оси с лицевой поверхностью отражателя. Точка, в которой собираются лучи, падающие на отражатель параллельно оптической оси, называ ется главным фокусом отражателя F, а расстояние от вершины отражателя до главного фокуса — фокусным расстоянием /. Расстояние от плоскости среза до вершины называется глуби ной отражателя 1г.
Угол, под которым из фокуса видна вся отражающая поверх ность, называется углом охвата 2ср. В зависимости от величины угла охвата (рис. 6.26) отражатели называются глубокими (2 ф ^ ^180°) или неглубокими (2ср<180°).
18а
Фокусное расстояние сферического отражателя равно
|
|
|
|
г- |
|
|
|
|
|
(6 . 24) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фокусное расстояние |
параболического |
отражателя |
можно |
|||||||
найти из уравнения параболы в полярных координатах |
|
|||||||||
|
|
г ~ |
|
|
|
|
|
|
|
(.6 . 25) |
где /•— радиус-вектор параболоида. |
|
|
|
|
|
|
||||
Так как диаметр |
отражателя |
|
c/= 2r sincp, |
то, |
подставив сюда |
|||||
выражение (6.25) для г, найдем |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
2 sin |
ср |
ср |
|
|
|
|
|
|
х / = 2 - / п а р s ia г |
|
cos |
|
|
|
|
|
|
||
У » ар |
|
|
|
|
=4 /и а Р tS |
|
|
|||
cos- |
|
|
|
c o s - |
|
|
|
|
|
|
■откуда |
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
нар |
|
|
|
|
|
|
(6.26) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тело отражателя может быть изготовлено из металла, стекла |
||||||||||
пли пластмассы. На лицевую поверхность отражателя |
наносят |
|||||||||
соответствующее отражающее покрытие |
(см. § 6 .1 , |
стр. 166). |
||||||||
Эффективность отражателен |
в большой |
степени |
зависит от |
|||||||
состояния отражающей поверхности. Нарушение |
отражающего |
|||||||||
с л о я в о т д е л ь н ы х м ест ах , |
загрязнения |
и |
влага снижают эффек |
тивность работы отражателей, поэтому при работе с отражате лем следует тщательно следить за состоянием его поверхности.
Рассмотрим работу зеркального отражателя в прожекторной системе. Если источник излучения, помещенный в фокусе отра жателя, не является точечным, а имеет конечные размеры, излу чение, отраженное от зеркала, будет идти не строго параллель но, а расходиться под некоторым небольшим углом 2сх (см.
рис. 6.25), который называется углом расхолсдения, или угловой шириной пучка.
Осевую силу излучения прожектора определяют по формуле
Манжена: |
|
/ = rBSuV = x B ~ - , |
(6.27) |
где В — лучистость источника излучения; |
|
т — потери излучения, зависящие от коэффициента |
отраже- |
184
ння н потерь в инфракрасном фильтре, если прожектор работает с фильтром;
S„,, — площадь светового отверстия прожектора.
Из формулы следует, что осевая сила излучения зависит толь ко от площади светового отверстия отражателя и лучистости ис точника излучения. Поэтому для увеличения дальности действия прожектора, зависящей от силы излучения, необходимо увели чить лучистость источника и диаметр отражателя прожектора.
Рис. 6.27. |
Кривая рас- |
Рис. 6.28. Сложные зеркальные системы: |
||
преде.пения |
СИЛЫ 1ГЗ- |
о—предфокальная удлиняющая |
система; о— |
|
лучения |
предфокальная |
укорачивающая система; |
||
|
|
в —зафокальная |
удлиняющая система; г — за- |
|
|
|
фокальная |
укорачивающая |
система |
Так как отдельные кольцевые зоны отражателя не одинаково участвуют в формировании пучка лучей, то осевая сила излуче ния не остается неизменной на различных расстояниях от отра жателя. Только начиная с определенного расстояния / 0 все коль цевые зоны отражателя дадут свою составляющую в осевую силу излучения, которая при дальнейшем увеличении расстояния будет оставаться постоянной. Это расстояние / 0 называется дистанцией формирования пучка. Закон обратных квадратов для расчета облученности поверхности [см. формулу (1.15)] можно приме нять только начиная с дистанции формирования. Фотометриче ские измерения излучения с отражателями также следует про водить только за пределами расстояния 4 , которое иногда назы вают фотометрическим расстоянием.
Чем больше диаметр отражателя и меньше размер тела на кала, тем дальше от прожектора будет сформирована его осевая сила излучения. Для приближенных расчетов можно принять
|
/0= (50-70) d. |
|
(6.28) |
Угол, в пределах которого сила излучения / 0 |
не |
снижается |
|
менее чем до 0 , 1 |
своего первоначального значения, |
называется |
|
углом действия |
прожектора. Прожектор можно |
охарактеризо |
вать кривой распределения силы излучения; примерный вид та кой кривой представлен на рис. 6.27.
185
Отражательная оптическая система может состоять из не скольких зеркальных отражателен. На рис. 6.28 показаны четыре основных типа сложных зеркальных систем. Большее зеркало I является основным, определяющим входное действующее отвер стие системы. Вторичные малые отражатели 2 являются вспомо гательными; в зависимости от положения и параметров вторич ного отражателя молено удлинять пли укорачивать фокусное рас стояние системы. В системах а и в основные зеркала имеют сле пое центральное отверстие для пропускания потока излучения. Если вторичное зеркало помещено перед фокусом основного зер кала, система называется предфокальной, если же за фокусом, тс зафокальной. Сложные зеркальные системы при работе с прием ником излучения позволяют получить значительно большее поле зрения, чем оптическая система с одним отражателем.
4. Комбинированные зеркально-линзовые оптические системы
Как линзовые, так и зеркальные оптические системы всегда имеют различного вида аберрации. Качество изображения, давае мого оптической системой, определяется следующими основными видами аберраций; сферической, комой, астигматизмом, дпеторспей, кривизной поверхности изображения и хроматической абер рацией.
Величина аберрации зависит от величины относительного от
верстия оптической системы Л (или фокусного числа |
— = — |
|
|
A |
d |
утла наклона пучка к оптической оси и материала, |
из которо |
|
го изготовлена оптическая система, а также от радиусов |
кри |
визны поверхностей линз, их толщины и воздушных промежутков между ними.
На рис. 6.29 показана зависимость угловой величины б круж ка размытия, которую можно получить со сферическими линза ми оптимальной формы, от фокусного числа Ай Однако даже при наиболее удачном выборе радиусов кривизны преломляющих по верхностен размер изображения может быть больше допустимо го. В этом случае для устранения аберраций применяют асфери ческую оптическую систему. В зеркальных отражателях сферу заменяют параболоидом. В линзах переднюю поверхность вы полняют в виде выпуклого эллипсоида, а заднюю — в виде во гнутой сферы с центром в фокусе. Иногда характеристики сфери ческой линзы улучшают путем асферической коррекции одной из ее поверхностен.
При работе с инфракрасным излучением на различных дли нах волн из-за изменения показателя преломления с изменением длины волны могут появляться искажения изображения вслед-
186
ствпе хроматическом аберрации. Диаметр кружка размытия с учетом хроматическом аберрации
|
|
|
|
S = |
* |
|
£ |
|
|
|
|
|
|
|
|
(6.29) |
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Здесь 6 |
измеряется в тех же единицах, |
что и фокусное расстоя |
|||||||||||||||
ние, |
К2 — множитель, зависящий от изменения показателя пре |
||||||||||||||||
|
|
|
|
ломления материала. Так, |
например, |
||||||||||||
о, миллирадианы |
|
для |
германия |
при работе в диапазоне |
|||||||||||||
|
|
|
|
от 2,5 |
до 9 |
мкм |
|
множитель |
/С2 = 0,11; |
||||||||
|
|
|
|
для кремния ЛТ = 0,003 (?,= 3-^-9 мкм); |
|||||||||||||
|
|
|
|
для |
трехсернистого |
мышьяковистого |
|||||||||||
|
|
|
|
стекла |
|
(As2S3) / ( 2 = 0,006 |
|
(Л = 2,5-ь- |
|||||||||
|
|
|
|
9 мкм). |
|
|
|
углах |
поля |
зрения |
|||||||
|
|
|
|
При |
больших |
||||||||||||
|
|
|
|
оптической |
системы |
начинают |
сказы |
||||||||||
|
|
|
|
ваться влияние комы и астигматизма |
|||||||||||||
|
|
|
|
линз. Для уменьшения аберраций при |
|||||||||||||
|
|
|
|
меняют |
комбинированные |
зеркально- |
|||||||||||
|
|
|
|
линзовые системы, в которых один |
из |
||||||||||||
|
|
|
|
элементов |
системы |
(обычно |
линза) |
||||||||||
|
|
|
|
служит для уменьшения аберраций, |
|||||||||||||
|
|
|
|
создаваемых основной линзой или зер |
|||||||||||||
|
|
|
|
калом. |
|
|
|
|
сферического |
зеркала |
|||||||
|
|
|
|
Аберрации |
|
||||||||||||
|
|
|
|
могут |
|
быть |
исправлены |
|
с |
помощью |
|||||||
|
|
|
|
тонкой корректирующей пластинки, со |
|||||||||||||
Рис. 6.29. |
Зависимость |
от |
держащей |
асферическую |
|
составляю |
|||||||||||
щую |
|
(система |
Шмидта), |
или |
с по |
||||||||||||
фокусного числа N углово |
|
||||||||||||||||
го диаметра изображении, |
мощью мениска |
(система Максутова). |
|||||||||||||||
создаваемых линзами из ти |
В системе Шмидта |
(рис. |
6.30) |
специ |
|||||||||||||
повых |
инфракрасных |
ма |
ально |
рассчитанную |
корректирующую |
||||||||||||
|
|
териалов |
|
пластинку, |
прозрачную |
для |
исполь |
||||||||||
|
|
|
|
зуемого излучения, помещают в плос |
|||||||||||||
кости, проходящей через центр кривизны зеркала. |
|
|
|
|
а |
||||||||||||
Одна сторона корректирующей пластинки обычно плоская, |
|||||||||||||||||
другая |
сторона обрабатывается по сложной |
кривой |
таким обра |
||||||||||||||
зом, |
чтобы было обеспечено уменьшение |
сферической |
аберра |
ции, комы и астигматизма. Системы Шмидта дают очень хоро шее качество изображения при большом поле зрения (несколь ко десятков градусов).
Недостаток системы Шмидта — сложность изготовления кор ректирующей пластинки. В системе Максутова (рис. 6.31) абер рации сферического зеркала исправляются специально рассчитан ным мениском. Правильным выбором знака сферической аберра ции, толщины и расположения мениска устраняется одновременно сферическая аберрация и кома всей зеркально-линзовой системы. Мениск может быть расположен по отношению к отра-
187