Тема 10 . Оптические системы ОЭП. Назначение оптической системы. Линзовые, зеркальные и зеркально-линзовые системы в приемном и передающем трактах ОЭП

Оптические системы ОЭП

Оптическая система является одним из наиболее важных узлов ОЭП обеспечивающим:

- требования энергетических соотношений, заданного уровня сигнала, заданного отношения сигнал/шум, формирование рациональной структуры пучка лучей, спектральный состав потока, приходящего на фотодетектор;

- получение изображения наблюдаемых объектов или ролей требуемого качества, то есть обеспечение достаточного пространственного, спектрального, временного и энергетического разрешения;

- выделение полезных оптических сигналов на фоне помех и определение их характерных признаков (необходимо достаточное разрешение по одному или нескольким параметрам оптического сигнала).

В зависимости от решаемой задачи ОЭС содержит как передающую, так и приемную оптические системы.

Рис. 1. Приемно-передающая система ОЭС

Передающая оптическая система используется для формирования диаграммы излучения определенной формы, для обеспечения сбора максимально возможного потока излучения от источника, для рационального обеспечения соотношения между площадью сечения пучка и геометрическими параметрами модулирующего элемента.

Оптическая система содержит конденсор, установленный перед источником излучения и объектив, формирующий это излучение в направлении облучаемого объекта. В оптическую схему могут быть введены оптический фильтр, между конденсором и излучателем и модулятор, устанавливаемый между конденсором и объективом.

Приемная оптическая система используется для сбора потока излучения, отраженного от исследуемого объекта и формирования его на чувствительной площадке фотодетектора, обеспечивает пространственную и спектральную фильтрацию потока излучения, разделение потока на несколько каналов, либо суммирование потоков от различных источников, обеспечивает первичную обработку с целью снижения фоновых излучений и повышения отношения сигнал/помеха. В оптическую схему входят объектив, оптический фильтр, конденсор, делительное (суммирующее) устройство.

Оптические системы оптико-электронных приборов используемых в современной технике создаются на базе линзовых, зеркальных и зеркально-линзовых оптических систем (иногда называемых диоптрическими, катоптрическими и катодиоптрическими).

Линзовые системы

Наиболее часто используемая линзовая система состоит из объектива и конденсора. Иногда применяется и более простая, содержащая только линзовый объектив.

Для простой линзовой системы характерно смещение изображения в фокальной плоскости при смещении объекта в пространстве предметов.

Поэтому при работе по движущимся объектам необходимо либо значительно увеличивать площадь чувствительной площадки фотодетектора, либо перемещать ее синхронно с изображением, либо использовать многоэлементные фотодетекторы. Для преодоления перечисленных трудностей применяют оптическую схему с конденсором. Конденсор собирает энергию излучения, прошедшую через растр анализатора изображения на чувствительную площадку фотодетектора, которая засвечивается полностью, снижая влияние неравномерности чувствительного слоя фотодетектора.

Рис. 2. Линзовая система

Линзовые системы чаще применяются в видимой часть спектра и ближнем ИК-диапазоне. На длинах волн более 3 мкм, применение затруднительно из-за больших хроматических аберраций и ограниченного выбора материала с разнообразными показателями преломления, для компенсаций аберраций.

Зеркальные системы

Схема однозеркального оптического устройства показана на рис. 3. Она представляет собой вогнутое зеркало с диаметром действующего отверстия D, расстоянием f от поверхности отражателя до главного фокуса (точка схождения всех лучей), телесным углом охвата с вершиной в главном фокусе и опирающемся на площадь круга действующего отверстия равным W_охв=2p[1-Сos(j_охв/2)], где j_охв- плоский угол охвата.

Так как приемник излучения обычно устанавливается в главном фокусе отражателя, то конечные размеры чувствительной площадки определяют прием излучения и части потока, приходящего с направлений составляющих угол с оптической осью равный 2w_мгн = D_п/f, который называют углом мгновенного поля зрения.

Для создания зеркальных систем используются зеркала сферической, параболической и других форм. Наибольшее распространение получили сферические зеркала в силу более простого изготовления. Однако они обладают существенными сферическими аберрациями. Основным критерием качества зеркала при изготовлении является размер кружка рассеяния. Для идеальной оптической системы угловой размер кружка рассеяния определяется дифракционным рассеянием и равен a_диф=2,44l/D .При наличии сферической аберрации угловой размер кружка рассеяния можно оценить по формуле a_сф=7,8(D/f)³10^-3 (с оценками порядка 3% при (D/f)=1). Обычно, в реальных системах, размер кружка рассеяния за счет сферической аберрации существенно превышает значение этого угла для дифракционного предела. Другой важной аберрацией вогнутых зеркал является кома. Эта аберрация возникает в наклонных пучках, вследствие неравенства фокусных расстояний различных кольцевых зон.

Снижение угловых размеров кружка рассеяния достигается в параболических системах, в них сферические аберрации практически отсутствуют, а влияние астигматизма значительно меньше, чем комы. Дисторсия у одиночного параболического зеркала отсутствует.

Максутов для расчета аберраций параболического зеркала рекомендует формулы - для комы (рад.) a_к=0,125(D/f)²w; - для астигматической разности a_аст=Dw²f , где w - угол наклона луча от изображенной точки.

Существенным недостатком однозеркальных оптических систем является трудность аберрационной коррекции, затенение потока излучения, необходимость установления анализатора изображения и фотодетектора перед зеркалом на пути потока излучения. Введение второго зеркала позволяет установить фотодетектор за основным зеркалом. В простейшем виде такая система состоит из основного зеркала с отверстием в центральной зоне и второго зеркала (плоское, либо криволинейное) называемое контр рефлектором. Контррефлектор позволяет удовлетворительно компенсировать сферическую аберрацию, а при параболическом основном отражателе применить плоский контррефлектор.

Такое решение позволяет существенно сократить габариты всего прибора. К недостаткам такого решения следует отнести необходимость совмещения в одной плоскости изображения модулирующего растра и фотодетектора.

Рис. 3. Зеркальные системы

Зеркально-линзовые системы

Эти системы обладают большими возможностями коррекции параметров, так как добавляется показатель преломления линзовой системы и дисперсия прозрачности материала линзы. Прозрачные материалы линз можно использовать в качестве фильтров, ограничивающих рабочую полосу длин волн потока излучения.

Рис. 4. Зеркально - линзовые оптические системы