2.1.6 Приемник излучения

В проектируемом приборе в качестве приемника излучения выбран германиевый фотодиод ФД - 10Г.

Достоинствами фотодиодов, определяющими их использование в данном приборе, являются:

-линейная зависимость тока от освещенности в большом диапазоне освещенностей;

-крайне малая зависимость фототока от температуры;

-относительно малая инерционность;

-малые габариты;

-потребность в небольших источниках питания или возможность вообще обходиться без них (вентильный режим);

-стабильность свойств (при надежной герметизации чувствительного элемента).

Фотодиод ФД - 10Г имеет следующие параметры и характеристики:

-диаметр чувствительного элемента - 1.13 мм;

-спектральный диапазон чувствительности - 0.5…1.8 мкм;

-λ_max = 1.06 мкм;

-рабочее напряжение U_р = 10 В;

-темновой ток I_Т = 10 мкА;

-токовая интегральная чувствительность S_{I инт} = 8 мА/лм;

-порог чувствительности Ф_п = 5·10^-5 лм;

-постоянная времени r = 0.2·10^-6 с;

-темновое сопротивление R_m = 100 МОм.

В проектируемом приборе установлено два фотоприемника, на каждый из которых с помощью светоделителя поступают одинаковые потоки излучения. Приемники включены по схеме вычитания.

На одном из приемников установлена точечная диафрагма, закрывающая центр светочувствительной площадки, на втором – кольцевая диафрагма, открывающая центр и перекрывающая периферию светочувствительной площадки.

Приемники работают следующим образом. Когда эталонное и текущее изображения совпадают, сигнал на выходе приемника с открытой центральной частью значительно превышает сигнал на выходе другого приемника, регистрирующего в данном случае помеху, и прибор сигнализирует об обнаружении объекта. В случае несовпадения, или частичного совпадения сравниваемых объектов, сигналы на обоих приемниках равны или близки по значению. После вычитания этих сигналов на входе порогового устройства сигнал или отсутствует, или ниже порога обнаружения (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Сигнал на входе порогового устройства

2.1.7 Зеркала и светоделители

Зеркала и светоделители в приборе ответственны за компоновку схемы и обеспечивают требования по ограничению габаритов.

Зеркала и светоделители выполнены из стекла марки К8. Зеркала имеют внешнее отражающее покрытие с коэффициентом отражения 0.96. Коэффициент отражения светоделителей – 0.5.

2.2 Габаритный расчет

2.2.1 Расчет афокальных систем

В качестве афокальных насадок для лазеров чаще всего используют двух-компонентные телескопические системы, построенные по схеме обращенной системы Галилея или Кеплера.

Основными характеристиками афокальной насадки являются:

-угловое увеличение ;

-угловое поле 2 (угол расходимости пучка лучей) в пространстве изображений;

-диаметр входного зрачка D;

-положение входного зрачка р относительно первого компонента;

-длина волны излучения лазера ;

-длина насадки L.

В проектируемом приборе из-за ограничения габаритов целесообразно применение обращенной системы Галилея.

Расчетная схема лазерной афокальной насадки представлена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - Расчетная схема лазерной афокальной насадки

На первом этапе расчета будем полагать компоненты системы тонкими.

Определим угловое увеличение системы:

 = D/D', (2.6)

где D - диаметр лазерного пучка на входе афокальной системы;

D- диаметр рабочей площадки ОУТ,

При D = 0.3 мм и D = 20 мм,  = 0.04^x.

Полученное угловое увеличение обеспечивается двумя афокальными системами с увеличениями  = 0.2^х каждая, расположенных последовательно.

Определим угловое поле систем.

В проектируемом приборе используется лазер с плоским резонатором. Вид пучка излучения, сформированного таким резонатором на различных расстояниях от выходного зеркала лазера, будет определятся дифракцией на этом зеркале [3]. Приближенно дифрагирующую волну можно считать плоской с расходимостью, определяемой по формуле:

. (2.7)

При  = 1.06 мкм и D = 0.8 мм 2 = 3.23310^-3 рад (11'6.85").

Угловое поле в пространстве предметов:

- первой афокальной системы - 2₁ = 2 = 3.233-10-3 рад;

- второй афокальной системы - 2₂ = ₁2₁ =6.46610^-4 рад (2'13.37").

Угловое поле в пространстве изображений:

Определим фокусные расстояния компонентов:

( 2.8)

,

(2.9)

,

где f₁- фокусное расстояние 1-го компонента системы;

f₂ - фокусное расстояние 2-го компонента системы;

Выберем длину систем L₁ =L₂ = 50 мм.

Для обеих систем получим:

f₁ = -12.5 мм;

f₂ = 62.5 мм.

Определим световые диаметры компонентов.

Для первой афокальной системы.

Учитывая малый угол расходимости пучка лучей, принимаем световой диаметр первого компонента равным диаметру пучка лучей на выходе лазера, т.е. D_1св = 0.8 мм.

Световой диаметр второго компонента D_2св = D_1св/₁ = 4 мм.

Для второй афокальной системы:

D_1св = 4 мм;

D_2св = D_1св/₁ = 20 мм.

Определим полные диаметры компонентов.

Из технологических соображений возьмем D_2св = D_1св = 6 мм. Тогда с учетом крепления первого компонента в оправе завальцовкой [4]:

D_1полн = D_1св + 0.8 = 6.8 мм.

Округляем значение до D_1полн = 7 мм.

С учетом крепления второго компонента в оправе резьбовым кольцом [4]:

D_2полн = D_2св + 1 = 7 мм.

Из технологических соображений возьмем D_1св = 6 мм, тогда с учетом крепления первого компонента в оправе завальцовкой [4]:

D_1полн = 7 мм.

Второй компонент крепится в оправе резьбовым кольцом и его полный диаметр при этом должен быть равен [4]:

D_2полн = D_2св + 1.8 = 21.8 мм.

Округляем значение до D_2полн = 22 мм.

Определим толщины компонентов по оси.

Толщина отрицательных компонентов выбирается из таблиц [4]. Толщина положительных компонентов должна удовлетворять условию [5]:

( 2.10)

,

где t - толщина линзы по краю (выбирается из таблиц [4]).

Первый компонент системы отрицательный и его толщина d₁ = 1.5 мм. Второй компонент положительный и его толщина d₂ = 1.5 мм.

Толщины компонентов второй афокальной системы: d₁ = 1.5 мм, d₂ = 3 мм.

В ходе последующего расчета определим радиусы кривизны компонентов афокальных насадок, исходя из обеспечения необходимого качества систем (не хуже дифракционного).

Оптика для лазеров почти всегда предназначена для использования в аксиальных (распространяющихся вдоль оптической оси) пучках. Поэтому основное значение имеет только сферическая аберрация. Хроматизм вследствие монохроматичности лазерного излучения несущественен.

Так как рассчитываемые афокальные системы имеют малое угловое поле (доли градуса) и светосилу оптических компонентов порядка 1:10, можно получить значение угловых аберраций, не превышающих дифракционную расходимость, используя однолинзовые компоненты.

Расчет начинают со второго компонента.

Воспользуемся методикой для расчета однокомпонентных оптических систем на минимум сферической аберрации, изложенной в литературе [5].

Для основных параметров одиночной тонкой линзы Р и W имеем следующие выражения:

( 2.11)

(2.12)

п ри:

После преобразования получим:

(2.13)

( 2.14)

.

Для нахождения минимального значения Р = P_min из формулы (2.13) имеем следующее уравнение:

о ткуда значение при котором Р достигает своего минимума, будет равно

(2.15)

.

В еличины Р_min и W₀ при принимают вид:

(2.16)

( 2.17)

Выберем для второго компонента стекло марки ТФ5 с показателем преломления n = 1.727 для длины волны  = 1.06 мкм, тогда Р_min = 1.295; W₀ = 0.134.

Зная значение W₀, можно найти значение угла луча с осью внутри линзы по формуле (2.14), а именно

( 2.18)

.

Радиусы кривизны линз определяем по формуле:

При этом:

₁ = 0;

₃ = 1;

n₁ = n₃ = 1;

h = f_'линзы = 62.5 мм;

n₂ = 1.727.

Для первой афокальной системы:

r₁ = 43.997 мм; r₂ = 1367.66 мм.

Выбираем радиусы по ГОСТ 1807-75:

r₁ = 43.95 мм; r₂ = 1367.7 мм.

Для второй афокальной системы:

r₁ = 43.997 мм; r₂ = 1347.745 мм.

Выбираем радиусы по ГОСТ 1807-75:

r₁ = 43.95 мм; r₂ = 1349 мм.

Далее рассчитываем радиусы кривизны первого компонента. Первый компонент состоит из одиночной отрицательной линзы и должен компенсировать аберрации второго компонента, т.е. величина Р^∞ должна быть равна Р^∞ = Р_min/ = 6.475, а величина W₀ = W₀ - 0.134.

Выберем для первого компонента стекло марки ЛК4 с n = 1.48075 при  = 1.06 мкм.

Используя формулу (2.18), получим следующее уравнение:

22.247₂² - 25.324₂² + 2.992 = 0,

имеющее два корня:

1) ₂ = 1.004; 2) ₂ = 0.134.

Выбираем второй вариант, т.к. в этом случае получаются менее крутые радиусы.

r₁ = - 30.286 мм; r₂ = 7.617 мм.

Выбираем радиусы по ГОСТ 1807-75:

r₁ = - 30.27 мм; r₂ = 7.621 мм.

Выполняем проверочный аберрационный расчет лазерных афокальных систем с помощью программы "Призма".