книги из ГПНТБ / Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник

Тогда

5' ш' ~ rf- ,J

и формула (6.34) примет вид

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

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

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

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.

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

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

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.

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

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

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

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

жающеп поверхности как выпуклой, так п вогнутой стороной. Менисковые системы Айаксутова явллются светосильными оптиче­ скими системами с большим полем зрения и хорошим качеством

изображения. Изготовление менисков проще, чем изготовление корректирующих пластинок в системе Шмидта.

В некоторых инфракрасных приборах роль корректирующего мениска может выполнять обтекатель прибора. Зеркально-лпнзо-

Рнс. 6.32. Зеркально-линзовая оптиче­

вая система на рис. 6.32 состоит из обтекателя, изготовленного из плавленого кварца, сферического первичного зеркала, вторич­ ного отражателя из трехсернистого мышьяковистого стекла (AS0S3 ), на заднюю поверхность которого нанесен слой серебра, и корректирующей линзы из того же стекла.

Вторичный отражатель, представляющий собой тонкую линзу с нанесенным на заднюю поверхность отражающим слоем, слу­ жит для устранения остаточной сферической аберрации и умень­ шения размеров системы. Корректирующая линза уменьшает внеосевые аберрации (кому). Разрешающая способность такой системы лучше 4 мрад.

В оптической системе, приведенной на рис. 6.33, подбором ме­ ста расположения линзы, выбором оптической силы линзы п сте­

188

пени ее кривизны кома, астигматизм и кривизна поля зрения могут быть доведены до ничтожно малых значений. Линзу при этом располагают на расстоянии, составляющем примерно 1/5 от эквивалентного фокусного расстояния. Сферическая аберра­ ция компенсируется обтекателем. Качество изображения спсте-

Рнс. 6.33. Зеркально-линзовая опти­ ческая система с высоким качеством изображения (а). Относительное от­

верстие I : 1.2:

а)

мы получается очень высоким. Если входное отверстие 1, кото­ рое определяется первичным зеркалом, переместить в положение 2, то разрешающая способность даже при отклонении пучка лучей от осп на 12° получится лучше, чем 2,5 мрад. Плоское зер­ кало, расположенное между сферическим зеркалом п обтекате­ лем, служит для уменьшения размеров системы.

Вопросы для повторения

1. Какие требования предъявляют к материалам для оптиче­ ских систем ИК-областп спектра? Назовите материалы, прозрач­ ные в коротковолновой, средневолновой и длинноволновой обла­ стях ИК-спектра.

2.Как можно изготовить селективно-отражающее покрытие? Что такое темное зеркало?

3.Для каких целей применяют ИК-фильтры, какие типы И1\- фильтров вы знаете?

4.Какую роль выполняет оптическая система в приборе ПКтехники? Что такое коэффициент оптического усиления?

5.От чего зависит облученность ИК-изображения, получае­ мого с помощью оптической системы?

6. Для чего применяют конденсоры в ПК-прнборах? Что та­

кое иммерсионный конденсор?

7. Что называется фотометрическим расстоянием зеркального отражателя?

8 . Какие преимущества имеет асферическая оптика?

9.Какая разница между оптическими системами Максутова

иШмидта? В каких ПК-приборах можно использовать эти си­ стемы?

189