Лекция № 3: Преобразование световых полей элементами оптических систем

Обязательной составной частью практически любого оптоэлектронного устройства является оптическая система. Это отдельные элементы: линзы, призмы, зеркала, световоды, фильтры и комбинации этих элементов.

Независимо от вида конкретной реализации оптических элементов в оптоэлектронном приборе его оценка как чисто оптической системы почти всегда обязательна.

Фактически назначение оптической системы состоит в формировании пространства изображений адекватного пространству отображаемых предметов или процессов.

Типичные преобразования, выполняемые оптической системой:

• увеличение (уменьшение) изображений;

• изменение пространственного положения изображений;

• поворот изображений на тот или иной угол;

• расщепление изображений и передача по нескольким каналам;

• изменение поляризации светового потока или выделение его отдельных спектральных составляющих и др.

Отметим, что оптическая система выполняет свои функции в пределах своей апертуры, которая аналогична динамическому диапазону радиотехнических устройств.

Основные параметры оптической системы:

1. Апертура – интерференционно действующее отверстие (зрачок) оптической системы. Количественно она характеризуется:

– линейными размерами зрачка (для крупного зрачка его диаметр D);

– угловой апертурой А, определяемой половиной максимального угла конического светового пучка:

, (3.1)

где n – показатель преломления в пространстве предметов; N – число, определяемое по F-алгоритму при преобразовании светового пучка в определенной оптической системе.

2. Коэффициент (показатель) преобразования Г(γ) – может быть величиной положительной, отрицательной (зеркальное отображение) и в общем случае является комплексной. При линейном преобразовании:

(3.2)

при угловом преобразовании:

(3.3)

Здесь , ,, – линейные и угловые размеры элемента в пространстве изображений (u) и предметов (n).

Любой оптоэлектронный прибор характеризуется угловой дисперсией:

(3.4)

или линейной дисперсией:

(3.5)

Значения и – угловое и линейное отклонение лучей с различными значениями .

3. Затухание сигнала. Вводят коэффициент пропускания системы, состоящей из i различных оптических элементов, тогда:

, (3.6)

где m – число зеркал; , – показатель поглощения и толщина i-ого элемента; – коэффициент отражения на i-ой границе; – коэффициент отражения m-го зеркала. В оптике величину Т выражают в %.

4. Избирательность. Речь идет о внеапертурных лучах, потоках, обладающих поляризацией, отличной от заданной. Все эти сигналы должны отсекаться и подавляться оптической системой.

5. Пороговые характеристики. К их числу относятся пределы разрешения по каждому из параметров, т.е. их минимальные значения: , , и т. д., при которых два луча могут различаться оптической системой (восприниматься регистрирующим устройством как два различных луча). Сюда же относится

6. Нелинейные искажения. Нарушения линейности преобразования, вызывающие искажения формируемых изображений, называется в оптике аберрациями. Различают геометрические аберрации, обусловленные неодинаковостью преобразования лучей в различных апертурных областях. Хроматические аберрации, связанные с дисперсионными явлениями.

Основные виды аберраций:

• сферическая. Лучи, выходящие из одной точки, попадающие на входной зрачок на разных расстояниях от оси, образуют различный

• кана или аберрация наклона немеридианального пучка лучей (фигура имеет вид вытянутого искривленного неравномерно освещенного пятна, вносящего ассиметрию в пространство изображений);

• астигматум, возникающий вследствие различия передачи лучейлужащих во взаимно перпендикулярных плоскостях, проявляющийся в том, что каждая точка пространства отражается в виде «крестика»;

• кривизна поля. Та же природа, что и у астигматума, но отличие в том, что плоскость пространства предметов превращается в поверхность параболоида в пространстве изображений;

• дисторция, приводящая к искривлению прямых линий и нарушению подобия изображения и предметов. Обусловлена неравномерностью увеличения по полю зрачка.

Совместное действие всех видов аберраций приводит к тому, что изображение оказывается расплывчатым, иногда раздвоенным. А при добавлении хроматической аберрации еще и с радужной оболочкой.