называют также коэффициентом светопоглощения к а на 1 см длины хода луча в оптической среде.

Известно [99], что коэффициент пропускания оптической системы можно вычислить по формуле:

Здесь: N - количество поверхностей раздела оптических сред, рк- коэффициент отражения на к-й поверхности раздела оптических сред, Р - количество оптических сред, проходимых потоком излучения, ос^ - коэффициент поглощения на единицу пути лучей в m-й оптической среде, 1т - длина пути излучения в m-й оптической среде, р3п - коэффициент отражения на n-й зеркальной поверхности, N3 - количество зеркальных поверхностей.

1.2. Физическая оптика

Физической оптикой называют науку, изучающую природу оптического излучения, законы его распространения и взаимодействие с другими материальными объектами [1].

1.2Л. Источники оптического излучения

Оптическим излучением (светом) называют электромагнитные колебания, испускаемые каким-либо физическим телом, в указанном диапазоне длин волн. В общем спектре электромагнитных колебаний к оптическому излучению относятся колебания с длинами волн от X = 1 нм до X = 1 мм [17]. Спектр оптического излучения показан на рис. 1.

Границы спектра показаны условно.

Инфракрасная область спектра также условно делится на коротковолновую область (0,76-И,5 мкм), средневолновую область (1,5-^20 мкм) и длинноволновую область (20 мкм-И мм).

Если излучение происходит только с одной длиной волны, его называют монохроматическим излучением.

Основными характеристиками источников излучения (ИИ) являются поток излучения (мощность излучения) Фе (Вт), энер-

11

Оптическое излучение

ультрафиолетовое видимое инфракрасное

Рис. 1. Спектр оптического излучения

гия излучения Qe (Дж = 1 Втс), яркость Le<27 (1 Втм2 срл )), энергетическая освещенность Ее (1 В той"2) - плотность потока излучения на облучаемой им поверхности, распределение и флуктуации этих величин в пространстве, а также спектральное распределение мощности излучения.

Вкачестве ИИ используют лампы накаливания, газоразрядные лампы, светодиоды и лазеры (газовые и полупроводниковые), их устройство, принцип действия и характеристики описаны в литературе, например, [1, 37].

Внастоящее время широко используются лазерные ИИ. Лазерным источникам излучения свойственны такие важ-

ные для геодезических приборов особенности, как большая мощность излучения, узкая направленность излучения, большая спектральная яркость, монохроматичность, пространственная и временная когерентность (способность создавать неподвижную и контрастную интерференционную картину в пространстве [82]), линейная поляризация излучения.

Когерентность складывается из пространственной и временной составляющих. Когерентность во времени означает, что максимумы излучения следуют один за одним с постоянным периодом Т, при изменении длины волны интервалы между следованиями максимумов становятся нерегулярными и длина когерентности уменьшается. При пространственной когерентности волны, излучаемые лазером, образуют

12

плоский фронт, перпендикулярный к оптической оси генерации лазера. Излучение при этом линейно поляризовано [45, 95].

В настоящее время в геодезических приборах (например, светодальномерах и электронных тахеометрах) наиболее часто используются полупроводниковые лазеры, которые имеют малые габариты, в них наиболее просто управлять выходным излучением. Изменяя питающее напряжение в соответствии с требуемой частотой, получают модуляцию выходного излучения. Излучение может быть как импульсное, так и непрерывное.

Выбор типа и марки источника излучения определяется на основе энергетического расчета с учетом требуемых точности измерения, дальности действия и других характеристик прибора.

1,2.2. Приемники оптического излучения

Приемник излучения (ПИ) является важнейшим элементом оптико-электронного прибора, он осуществляет связь между оптической и электрической частями прибора. От его параметров зависит полнота передачи информации в усилитель- но-преобразующий электрический тракт для последующей обработки.

Приемниками оптического излучения называют элементы и устройства, которые реагируют на воздействие потока излучения, при этом лучистая энергия преобразуется ими в ка- кой-либо другой вид энергии. С их помощью поток излучения может быть обнаружен и оценен количественно.

В геодезических приборах наиболее часто используют фотоэлектрические как одноэлементные, так и многоэлементные ПИ (их принцип действия основан на использовании фотоэффекта): фотоэлементы с внешним фотоэффектом (фотоэлектронные умножители (ФЭУ)), фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы) и фотодиоды с запирающим сло-

монохроматический поток излучения Фя (Sя = — ) ,

13

2) интегральная чувствительность S = — - мера реакции

ПИ на немонохроматический (сложный) поток излучения, 3) пороговый поток Фп ор . Зависит от уровня собственных

4)уровень собственных шумов иш - наибольшее за конечный промежуток времени амплитудное значение флуктуаций тока или напряжения на сопротивлении нагрузки ПИ при отсутствии внешнего потока излучения,

5)инерционность (постоянная времени) т - время, в течение которого сигнал на выходе ПИ достигает значения, равного 0,63 от его установившегося значения при неизменном потоке излучения,

6)частотная характеристика - зависимость чувствительности ПИ от частоты модуляции потока излучения (максималь-

но допустимая частота модуляции fr p зависит от постоянной времени т),

7)температурные характеристики - зависимость параметров ПИ от изменения температуры.

На рис. 2-Л показаны схемы включения одноэлементных ПИ [36, 99].

Фотодиоды

Так как фотодиоды (ФД) избирательно реагируют на излучение разного спектрального состава, их выбор определяется используемым ИИ.

Различают два режима работы ФД: фотогальванический и фотодиодный (последовательно с ФД включается источник питания (ИП) и сопротивление нагрузки RH).

Преимуществом фотогальванического режима включения ФД является меньшее значение темнового тока и, соответственно, более низкий уровень собственных шумов; недостатком является нелинейная зависимость амплитуды сигнала на сопротивлении нагрузки от облученности фоточувствительной площадки ПИ.

14

Рис.2. Типовые схемы включения фотодиодов:

а - в фотодиодном режиме; б - в фотогальваническом режиме; в - схема включения лавинного фотодиода

Так как лавинные фотодиоды (ЛФД) работают в пробойном режиме (очень высокая крутизна вольт-амперной характеристики ЛФД в рабочей области), то необходимо очень точно поддерживать рабочее напряжение питания на диоде. Схема включения ЛФД показана на рис. 2,в. Здесь напряжение

15

питания подается на ПИ через термостабилизированную цепь [38]. ЛФД являются полупроводниковыми аналогами ФЭУ с лучшим, чем у ФЭУ отношением сигнал/шум.

Фоторезисторы

В фоторезисторах (ФР) под действием светового потока изменяется сопротивление. Наиболее распространенной схемой включения ФР является схема фотопотенциометра (рис. 3,а), широко используют мостовую схему включения ФР (см. рис. 3,6). Здесь выходной сигнал зависит от приложенного напряжения питания U„MW. При изменении световых потоков в широких предварительно мост балансируют так, чтобы при отсутствии потока излучения на сопротивлении нагрузки ток Iq был равен нулю. При освещении ФР мост разбалансируется. Для регистрации малых световых потоков используют дифференциальную схему включения с двумя ФР (см. рис. 3,в), при этом один из ФР освещается суммарным световым потоком полезного и фонового излучения, а второй ФР - только фоновым световым потоком. На сопротивлении нагрузки фоновый поток компенсируется и остается только полезный сигнал. Для развязки сопротивления нагрузки с напряжением питания и повышения чувствительности иногда используют трансформаторную схему включения ФР.

16

FR1 FR2

Рис. 3. Схемы включения фоторезисторов: а - фотопотенциометр:

1 - резистивный слой, 2 - фотопроводящий слой, 3 - омический контакт (коллектор), 4 - полоска светового зонда; б - мостовая; в - дифференциальная; г - делитель напряжения

Фотоэлектронные умножители

Схема включения ФЭУ показана на рис. 4.

Фотокатод Анод

-Unum

Рис. 4. Схема включения фотоэлектронного умножителя:

ил ы т - напряжение питания;

Rj - сопротивления делителя напряжения; RH - сопротивление нагрузки

ФЭУ используют в основном для регистрации очень малых световых потоков (порядка 10"13н-10"14 лм). Однако, они требуют иметь высокое стабилизированное питающее напряжение (сотни и тысячи вольт), в них возможна потеря эмисси-

17

онной способности при освещении большими световыми потоками, кроме того, они имеют большие, по сравнению с другими ПИ, габариты - поэтому в современных геодезических приборах они используются все реже (использованы в светодальномерах типа СТ5, 2СТ10, ДК-001 и КГД-2).

Многоэлементные приемники излучения

Многоэлементные (или позиционно-чувствительные) ПИ получили широкое распространение в геодезических приборах. Для измерений по одной координате используют разрезной ПИ, представляющий собой два разделенных между собой зазором ПИ (рис. 5), на чувствительные площадки которых проецируется изображение светящейся марки [1].

На рис. 6 показано расположение изображения светящейся марки 5 относительно чувствительных площадок 1-4 ПИ.

Рис. 5. Функциональная схема разрезного фотодиода

тА У

Рис. 6. Двухкоординатный амплитудный анализатор

18

С целью устранения зависимости крутизны статической характеристики от изменения освещенности при измерении смещения значения Дх и AY обычно нормируют путем деления на сумму световых потоков Ф, [99]:

На рис. 7 показана схема включения четырех площадочного ПИ, который может быть использован при угловых измерениях по двум координатам в соответствии с формулами (11).

Рис. 7. Схема включения четырехплощадочного приемника излучения:

R1-R4 - резисторы; А1-А4, А5-А7 - дифференциальные операционные усилители; А6 - суммирующий усилитель; 1 , 2 - делители напряжения; С - конденсатор

В геодезических приборах с цифровым считыванием информации (например, в цифровых нивелирах, приборах ориентации спутников и т.д.) широкое распространение получают многоэлементные линейные и матричные ПИ (приборы с зарядовой связью (ПЗС)).

Принцип действия ПЗС подробно описан в лит. [8, 36, 73]. Он основан на том, что между близко расположенными МОП - конденсаторами возможен обмен зарядами (МОП - металл-окисел- полупроводник). Изменяя напряжения, прикладываемые к таким МОП - конденсаторам, можно накапливать заряды, возникаю-

19

щие при освещении чувствительной площадки ПИ, их перемещать, объединять, разделять, иными словами осуществлять аналоговую и цифровую обработку информации.

Информация в ПЗС передается без промежуточных преобразований заряда (или тока), в них достигается высокая степень интеграции простых по топологии элементов.

В настоящее время отечественной промышленностью освоено производство как линейных (с количеством элементов 1024 и 2048), так и матричных (с количеством элементов 288x232, 580x360, 576x512) ПЗС.

Из них можно собирать гибридные линейки с количеством элементов до нескольких тысяч [73].

ПЗС могут работать как фоточувствительные ПИ, запоминающие устройства и линии задержки. Наибольшее применение нашли фоточувствительные ПЗС, работающие как в видимой, так и инфракрасной областях спектра. Существует два типа приборов с переносом заряда: приборы с зарядовой связью (ПЗС) и приборы с инжекцией (впрыскиванием) зарядов (ПЗИ).

На рис. 8 приведена классификация ПЗС [73].

Рис. 8. Основные типы приборов с переносом зарядов

20

KmflKfigfl.

Рис. 9. Процесс накопления и переноса заряда в трехфазном ПЗС

В практике нашли применение одно-, двух-, трех-, четырехфазные ПЗС, наиболее распространены трехфазные.

На рис. 9 показан принцип действия трехфазного сдвигового ПЗС-регистра. Здесь одноименные электроды объединены электрически шинами. Допустим, что высокий уровень потенциала подан на вторую шину, при этом на первой и третьей шине существует низкий уровень (см. рис. 9,а). После на-

21