(Спец )Задание на самостоятельную проработку / Самостоятельная проработка. Тема 3.4. Системы оптико-электронного прибора

Тема 3.4. Системы оптико-электронного прибора

3.4.1. Понятие о системах, входящих в состав оптико-электронных приборов, их классификация и назначение.

Система (греч. – целое, составленное из частей, соединение) в технике – совокупность взаимосвязанных технических объектов (приборов, машин, процессов), объединенных единой целью и общим алгоритмом функционирования. Например: оптико-электронная система, информационно-измерительная система, система автоматического управления.

В ОЭП могут использоваться следующие системы:

• оптическая;

• механическая или электромеханическая;

• следящая;

• вычислительная.

Оптическая система (ОС) предназначена для формирования, преобразования и обработки оптического сигнала (например: ОС прибора ночного видения).

Механическая или электромеханическая система предназначена для ручного или автоматического перемещения деталей, узлов или всего ОЭП в целом с целью регулировки или наведения (например: привод оптического компенсатора).

Следящая система предназначена для управления различными процессами в ОЭП или объектами без участия оператора (например: система стабилизации яркости источника).

Вычислительная система предназначена для обработки информации, получаемой в ОЭП, и может использоваться для управления (например: микропроцессор для выработки команд системы самонаведения).

3.4.2. Оптические системы ОЭП, их классификации и назначение. Элементы оптических систем, основные понятия и терминология. Оптические детали. Типы оптических систем ОЭП. Параметры и характеристики оптических систем. Реальные оптические системы: дифракция, аберрации, дис­персия, засветки фоном и рассеянным излучением

Оптическая система (ОС) предназначена для:

• получения достаточного для работы ОЭП количества энергии излучения от источника;

• образования изображения пространства предметов необходимого качества;

• выделения полезного излучения из фонового.

Обобщенная структурная схема ОС ОЭП содержит источник оптического излучения ИОИ, передающую ОС (включающую конденсор Кон, модулятор М, оптический фильтр ОФ, объектив передающей ОС Об), объект, приемную ОС (включающую объектив приемной ОС Об, оптический фильтр ОФ, компенсатор Ком, анализатор А, конденсор Кон) и приемник оптического излучения ПОИ (рис. 3).

Рис. 3

В активном ОЭП ОС состоит из передающей ОС, служащей для перераспределения потока излучения источника с целью обеспечения наилучших условий наблюдения объекта, и приемной ОС, служащей для решения вышеуказанных задач).

В пассивном ОЭП ОС состоит только из приемной ОС.

Элементы структурной схемы ОС:

• объектив (линзовый, зеркальный, зеркально-линзовый): в передающей ОС - для направления потока излучения источника на приемную ОС; в приемной ОС – для сбора потока излучения или получения изображения пространства предметов;

• конденсор (линзовый, зеркальный) – для направления потока излучения источника определенным образом в объектив передающей ОС или на модулятор; для направления потока излучения объекта или потока излучения передающей ОС после объектива приемной ОС или анализатора на ПОИ;

• оптический фильтр – для изменения спектрального состава (спектральный) или ослабления (нейтральный) потока излучения (абсорбционный, интерференционный и др.);

• компенсатор – для компенсации изменения информационного параметра потока излучения;

• модулятор – в передающей ОС для кодирования необходимой информации в амплитуде, фазе, частоте, поляризации потока излучения источника;

• анализатор – в приемной ОС для декодирования полезной информации потока излучения и выделения полезного сигнала из фона.

Оптическая система состоит из различных оптических деталей. Основные виды оптических деталей:

• линза – деталь с криволинейными поверхностями для изменения формы проходящего пучка лучей с целью построения изображения или перераспределения энергии излучения (двояковыпуклая, плосковыпуклая, двояковогнутая, плосковогнутая, мениск);

• призма – деталь с плоскими непараллельными поверхностями для изменения направления (отражательная), разложения в спектр (диспергирующая), поляризации (поляризационная) излучения, проходящего через нее;

• зеркало – деталь с плоской или криволинейной отражающей поверхностью, выполняющая роль линзы или отражающей призмы при падении на нее потока излучения;

• клин – деталь с плоскими поверхностями, составляющими малый угол, для отклонения излучения при прохождении через нее;

• плоскопараллельная пластинка – деталь с плоскими поверхностями, параллельными друг другу, для защиты ОЭП от внешних воздействий (защитное стекло), изменения спектрального состава излучения (оптический фильтр), кодирования и декодирования информации (модулятор, анализатор);

• волоконно-оптические элементы – для передачи излучения (нерегулярные гибкие осветительные жгуты) и для передачи изображения (регулярные гибкие жгуты и жесткие пластины);

• дифракционная решетка – для разложения излучения в спектр.

Основные типы ОС ОЭП: телескопическая (зеркальная, линзовая, зеркально-линзовая), ОС микроскопа, фотопроекционная и ОС монохроматора.

Телескопическая ОС состоит из объектива и окуляра, объект находится на практической бесконечности. ОС может быть системой Галилея или Кеплера (рис. 4), а также линзовой, зеркальной или зеркально-линзовой. Ее главный параметр – видимое увеличение:

Г_т = f'_об / f'_ок .

где f'_об – фокусное расстояние объектива; f'_ок – фокусное расстояние окуляра.

Рис. 4:

Об – объектив; Ок – окуляр; F’_об – задний фокус объектива; F_ок – передний фокус окуляра

Возможности телескопической ОС растут с увеличением диаметра объектива. Предельные параметры телескопов по угловой разрешающей способности ограничены дифракцией и составляют около 0,1".

ОС микроскопа тоже состоит из объектива и окуляра, но предмет находится на конечном расстоянии (рис. 5). Ее главный параметр - угловое увеличение:

 = V_об Г_ок = (s'/s)(250/f'_ок),

где V_об - линейное увеличение объектива, равное отношению расстояний от предмета до объектива и от объектива до изображения; 250 - расстояние наилучшего видения в сантиметрах. Детали объекта, меньшие 1 мкм, из-за дифракции уже неразличимы. Поэтому визуальный микроскоп имеет увеличение не более 2000^х.

Проекционная ОС предназначена для проектирования объекта (кадра, диафрагмы) в определенную плоскость (экран, зрачок объектива). Эта ОС показана на рис. 6.

Рис. 5:

Об – объектив; Ок – окуляр; О – объект; О’ – изображение объекта;

F_ок – передний фокус окуляра

Рис. 6:

Конд – конденсор; Сл – слайд; Об – объектив; Э – экран; ИИ – источник излучения;

ИИ’ – изображение источника излучения

Конденсор проектирует источник излучения на объектив, равномерно освещая слайд. Объектив проектирует освещенный слайд на экран.

ОС монохроматора (спектроскопа) предназначена для выделения узкого спектрального интервала (разложения белого света в спектр) и содержит диспергирующие элементы (диспергирующая призма, дифракционная решетка). ОС монохроматора показана на рис. 7.

F₂’

Рис. 7:

ВхЩ – входная щель; Об1- входной объектив; Пр – призма; Об2 – выходной объектив; ВыхЩ – выходная щель; F­₁ – передний фокус входного объектива;

F­₂’ – задний фокус выходного объектива

Типовая передающая ОС ОЭП может быть без конденсора или с конденсором (рис. 8). Бесконденсорная ОС проще, зато конденсорная ОС позволяет эффективно использовать модулятор.

а

б

Рис. 8:

а – бесконденсорная схема; б – конденсорная схема:

ИИ – источник излучения; ИИ' – изображение источника излучения; Об – объектив;

Конд – конденсор; Мод – модулятор; F’_об – задний фокус объектива;

В бесконденсорной схеме объектив создает изображение источника излучения на заданном расстоянии. В конденсорной схеме конденсор создает промежуточное изображение источника, и в этой плоскости располагается модулятор, а объектив строит изображение источника.

Типовая приемная ОС ОЭП тоже может быть с конденсором или без конденсора (рис. 9).

а

б

Рис. 9:

а – бесконденсорная схема; б – конденсорная схема:

Об – объектив; ПОИ – приемник оптического излучения; ИИ' – изображение источника излучения, находящегося на оптической оси; ИИ'’ – изображение внеосевого источника излучения;  – угловое поле в пространстве предметов; F’_об – задний фокус объектива;

А – анализатор; Конд – конденсор

Недостатком бесконденсорной схемы является перемещение изображения объекта по фоточувствительному элементу (ФЧЭ) ПОИ при смещении объекта с оптической оси. Это явление отсутствует в ОС с конденсором. Кроме того, в задней фокальной плоскости такой ОС можно разместить анализатор.

Параметры и характеристики ОС можно разбить на 3 группы: габаритные, энергетические и технико-экономические.

К группе габаритных параметров относятся диаметр входного зрачка, фокусное расстояние, относительное отверстие, угловое поле, числовая апертура в пространстве предметов, линейное увеличение.

К группе энергетических параметров и характеристик относятся коэффициент пропускания, спектральная характеристика пропускания, физическая светосила.

К группе технико-экономических параметров и характеристик относятся аберрационные характеристики, пространственно-частотная характеристика, масса ОС, материал и форма оптических деталей, число компонентов и их расположение, технология изготовления, чувствительность к внешним воздействиям, надежность, стоимость и пр.

Реальные ОС не могут дать идеального изображения точечного источника. Вследствие дифракции на оправе объектива точка изображается виде дифракционных колец. При использовании сферических поверхностей у линз фокусные расстояния для лучей, идущих на разном расстоянии от оптической оси, различны, и возникает сферическая аберрация (расфокусировка). Явление дисперсии (фокусные расстояния для разных длин волн различны) вызывает хроматическую аберрацию (цветной ореол вокруг изображения). Как правило, в ОС, кроме полезного излучения (от исследуемого объекта), попадает излучение фона (окружающих объектов), а также рассеянное излучение от оптических деталей ОС. Все это приводит к нарушению правильного функционирования ОЭП.