Ю.Г.
Я К У Ш Е Н К О В
ОСНОВЫ ОПТИКОЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Ю. Г. Я К У Ш Е Н К О В
ОСНОВЫ ОПТИКОЭЛЕКТРОННОГО ...
48 downloads
717 Views
122MB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
Ю.Г.
Я К У Ш Е Н К О В
ОСНОВЫ ОПТИКОЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Ю. Г. Я К У Ш Е Н К О В
ОСНОВЫ ОПТИКОЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов геодезических специальностей вузов
Москва «Советское радио» 1977
6Ф0.3 Я 49 УДК 621.384.31 Якушенков Ю. Г. Основы оптико-электронного приборостроения. Учебник для вузов. М., «Сов. радио», 1977, 272 с. Излагаются физические основы работы оптико-электронных приборов. Описываются принципы действия и особенности устройства важнейших узлов и элементов оптико-электронных приборов: оптических систем, приемников излучения, электронного канала и др. Рассмотрены способы приема и обработки сигнала, обеспечивающие помехозащищенность всего прибора, а также условия оптимальной фильтрации сигнала в оптической системе и электронном канале. Кратко излагаются методики расчета и выбора основных параметров оптико-электронных приборов, в частности энергетического (светотехнического) и точностного расчета, расчета дальности действия. Книга является учебником для студентов геодезических специальностей вузов. Она может также служить учебным пособием для студентов оптико-механической специальности и быть полезной для инженеров и техников, работающих в области приборостроения. Рецензенты: кафедра оптико-электронных приб.зров Ленинградского института точной механики и оптики (заведующий кафедрой доктор технических наук, профессор JT. Ф- Порфирьев); кандидат технических наук A. М. Жилкин (заведующий электронно-оптической лабораторией ЦНИИГАИК). Рис. 66, табл. 18, библ. 61 назв.
Редакция
W
©
30401-013 046(01)-77
литературы по вопросам радиоэлектроники
04-/7
Издательство «Советское радио», 1977 г.
космической
ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие общей теории оптико-электронного приборостроения, оптики, радиоэлектроники потребовало введения большого объема новых сведений в программы ряда курсов, таких, например, к а к «Геодезическое инструментоведение», «Радиогеодезические и электрооптические измерения». В этой связи во многих дисциплинах оказалось необходимым пересмотреть с о д е р ж а н и е и объем отдельных разделов программы. Появилась необходимость выделить и обобщить разделы, в которых описываются методы, элементы, устройства, являющиеся общими д л я геодезических приборов самого разнообразного назначения. Кроме того, появление ряда новых дисциплин специализации, например курса «Автоматизация высокоточных инженерно-геодезических измерений», т а к ж е потребовало изложения физических основ, основ теории и расчета оптико-электронных приборов ( О Э П ) . Курс «Основы оптико-электронного приборостроения» посвящен изложению общих физических принципов работы оптико-электронных приборов, методов приема и обработки сигнала, используемых в них, основам расчета и оценки измерительных возможностей приборов этого класса. Таким образам, этот курс является общеинженерным техническим курсом для студентов геодезических специальностей. Подробное изложение принципов действия тех или иных конкретных геодезических ОЭП, их конструкция и методика использования в геодезической практике в книге не рассматриваются, поскольку эти вопросы относятся к дисциплинам, читаемым на более старших курсах и формирующим окончательную специализацию инженера-геодезиста. Автор в ы р а ж а е т искреннюю благодарность доц., к. т. н. Ю. М. Климкову, оказавшему большую помощь в работе над книгой, Л . А. Кольбе, принявшей активное участие в подготовке рукописи к печати, а т а к ж е рецензентам — коллективу кафедры оптико-электронных приборов Ленинградского института точной механики и оптики, и особенно зав. кафедрой проф., д-ру т. н. Л . Ф. Порфирьеву и заведующему электронно-оптической лабораторией Центрального научно-исследовательского института геодезии, аэрофотосъемки и картографии к. т. н. А. М. Ж и л к и н у , чьи советы и замечания полностью учтены при написании книги.
1. ВВЕДЕНИЕ
1.1. ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК, ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ В ГЕОДЕЗИИ
Оптико-электронное приборостроение — сравнительно новая отрасль современной науки и техники, получивш а я развитие в последние 15—20 лет. Оптико-электронными принято называть приборы, в которых обработка информации об излучающем объекте сопровождается преобразованием лучистой энергии в электрическую. В этих приборах как оптические, т а к и электронные звенья выполняют основные задачи по преобразованию информации, а не являются вспомогательными, например, узлами подсветки, сигнализации и т. д. З а м е н а глаза наблюдателя приемником излучения в этих приборах позволяет автоматизировать процесс их работы. Однако часто оптико-электронные приборы ( О З П ) являются полуавтоматическими. Первичная обработка информации происходит в оптической системе, приемнике излучения, преобразующем оптический сигнал в электрический, и электронном канале, а индикация или регистрация результата осуществляется визуально. М о ж н о привести много примеров практического использования О Э П . Особенно эффективным оказалось их применение для линейных и угловых измерений, в частности в геодезических измерениях. С автоматизацией процесса измерений повышается точность измерений, устраняются субъективные ошибки наблюдателей, сокращается время измерений. По всем этим признакам ОЭП заметно превосходят оптико-механические приборы, что и обусловило большой интерес геодезистов к ним. 4
Можно привести примеры успешного применения оптико-электронных (фотоэлектрических) устройств в отечественной геодезии, астрономии, аэросъемке. 'Гак. способ фотоэлектрической регистрации моментов прохождения звезд был впервые разработан Н. Н Павловым еще в 1937 г. Свое развитие этот способ получил в работах В. Э. Б р а н д т а и Н. А. Беляева, результатом которых явилось создание и внедрение в практику астрономических наблюдений фотоэлектрического микрометра к универсальному астрономическому инструменту АУ 2"/ Ю". Первый оптико-электронный (электрооптический) дальномер был создан для геодезических целей в 1936 г. сотрудниками Государственного оптического института В. В. Б а л а к о в ы м и В. Г. В а ф и а д и под руководством акад. А. А. Лебедева. Следует отметить приоритет советских ученых и техников, поскольку аналогичные работы за рубежом проводилось только в начале 40-х гг. (Э. Б е р г с т р а н д ) . В середине 50-х гг. в нашей стране начали выпускать промышленные образцы светодальномеров. К настоящему времени эти приборы получили широкое распространение в геодезической практике. Непрерывно продолжается разработка новых светодальномеров, основанная на с а м ы х новейших достижениях оптикоэлектронного приборостроения. Первые оптические квантовые генераторы (ОКГ) были т а к ж е использованы в геодезических (дальномерных) работах. Огромное значение в геодезической практике имеют такие факторы, к а к высокая эксплуатационная надежность, простота прибора и удобство обращения с ним, малые габариты и масса. П о этим признакам О Э П долгое время не могли конкурировать с оптико-механическими приборами 'в сложных полевых условиях эксплуатации. И лишь сравнительно недавно успехи оптикоэлектронного приборостроения создали необходимые предпосылки д л я широкого внедрения этого класса приборов в геодезические работы, что привело к значительным изменениям как в качественном, т а к и в количественном отношении, а в ряде случаев — и к коренной перестройке организации геодезических работ. Следует отметить, что огромный опыт высокоточных измерений, накопленный в геодезии и астрономии, постоянно обогащает оптико-электронное приборостроение, способствуя успешному решению все усложняющих-
ся задач, связанных с повышением точности угловых и линейных измерений в самых различных областях техники, а не только в геодезии. В качестве примера м о ж н о привести оптико-электронные системы астрокоррекции и астронавигации, в которых некоторые инструментальные погрешности заметно уменьшаются в результате применения методических приемов, впервые разработанных и примененных в геодезических измерениях. М о ж н о проследить следующие основные этапы развития оптико-электронного приборостроения, которые характерны, в частности, и д л я геодезических ОЭП. Н а первом этапе, охватывающем период до конца 50-х гг. развитие шло главным образом по пути создания и отработки отдельных элементов этих приборов: приемников излучения, источников света, оптических систем, электронных звеньев. К концу 30-х гг. были достигнуты заметные успехи в создании элементов, работающих в различных областях оптического спектра. Так, в С С С Р под руководством Б. Т. Коломийца, в Германии — П. Герлахом, в Англии — Т. С. Моссом были созданы высокочувствительные фоторезисторы. Одновременно промышленность освоила производство и обработку оптических материалов, прозрачных в широком диапазоне спектра. Успехи прикладной спектроскопии позволили исследовать оптические свойства атмосферы. Объединение элементов в общую схему, т. е. создание прибора, далеко не всегда являлось оптимальным. Отсутствовали достаточно общие методические основы для расчета и проектирования ОЭП, отсутствовала их общая теория. Поэтому д а ж е скромные технологические возможности отдельных элементов не всегда использовались в полную меру. Следует сказать т а к ж е и о разобщенности усилий разработчиков ОЭП. Например, специалисты-оптики мало учитывали опыт разработки аналогичных радиолокационных систем, а специалистырадиотехники, занимавшиеся разработкой ОЭП, не знали специфики оптических систем. Вторая мировая война стимулировала усиленное развитие О Э П военной техники. К концу войны были созданы первые сложные комплексы, работавшие преимущественно в инфракрасной области спектра [29]. Но лишь в конце 50-х гг. появились обобщающие накопленный практический опыт монографии и другие публика-
пии. К настоящему времени опубликовано много работ, излагающих теоретические основы и методы проектирования этого класса приборов. Если раньше, например, расчет основных параметров светодальномера являлся достаточно сложной научной задачей, то с разработкой обобщенных методов энергетического (светотехнического) расчета оптико-электронных систем он может выполняться инженерами-разработчиками. Если не т а к давно точностной расчет оптико-электронных (фотоэлектрических) угломерных устройств основывался во многом на знании разработчиком возможностей аналогичных систем, то теперь мы имеем возможность заранее, для заданных условий работы, рассчитать предельно достижимую точность прибора, а затем рационально распределить допуски на изготовление и сборку между отдельными его узлами. Таким образом, сегодня мы имеем право говорить о новом этапе в развитии оптико-электронного приборостроения — этапе осознания внутренних связей, существующих в этой области науки и техники, их обобщения и практической реализации. Результаты этого уже сказываются и в современной геодезической практике. Отдельной вехой в развитии О Э П явилось создание оптических квантовых генераторов. Наиболее заметные успехи современного оптико-электронного приборостроения связываются именно с их появлением. Такие уникальные свойства излучения ОКГ, как, например: высокая временная и пространственная когерентность, высокая монохроматичность, хорошая направленность, — способствовали успешному решению ряда важных практических задач, в том числе и в геодезии. Однако неправильно было бы отождествлять весь класс оптико-электронных приборов и ОКГ. Более того, быстрые успехи в создании систем с О К Г во многом объясняются тем, что к моменту создания квантовых генераторов уже были разработаны основы общей теории проектирования и расчета ОЭП, а многие приборы были достаточно хорошо отработаны технологически и конструктивно, что позволило успешно сочетать их в едином комплексе с О К Г в качестве излучателя. И сами ОКГ, и приборы на их основе входят в состав более широкого класса приборов — оптико-электронных. Остановимся на тех важных для современной геодезии проблемах, в решении которых существенную роль
должны сыграть ОЭП. Отметим, что во многом эти проблемы тесно связаны между собой, решение каждой из них зависит от решения других, поэтому приведенное ниже деление во многом является условным. Повышение точности угловых и линейных измерений за счет уменьшения внутриприборных (инструментальных) погрешностей. Качество современных деталей и узлов, из которых строятся ОЭП, и опыт их конструирования достигли такого уровня, что у ж е сейчас возможно получить чувствительность к угловым перемещениям визирной цели, оцениваемую сотыми и тысячными долями угловой секунды, т. е. приблизиться к порогу чувствительности, обусловленному фотонной природой излучения. Однако процесс совершенствования отдельных элементов ОЭП отнюдь не закончен. Например, полоса пропускания лучших современных светофильтров все еще слишком велика, чтобы осуществить оптимальную спектральную селекцию почти монохроматического излучения О К Г на фоне других излучений. Непрерывно совершенствуются электрорадиоэлементы, так к а к далеко не исчерпаны возможности их микроминиатюризации, защиты от вредных внешних воздействий (паводок и шумов), уменьшения инерционности и т. п. Начинает успешно решаться з а д а ч а измерения сравнительно больших углов, а не только з а д а ч а точного определения направления на излучатель. Так например, появились сообщения о разработке интерферометрической системы для измерений углов в несколько градусов с ошибками в десятые доли угловой секунды. Применение иптерферометрических систем отсчета совместно с кодовыми отсчетными устройствами, очевидно, является весьма перспективным для получения малых (в доли угловой секунды) погрешностей при измерении больших углов (до 360°). Не менее интересным представляется использование систем оптической локации и пеленгации, основанных на методах квантовомеханической теории связи. Тенденция к автоматизации линейных измерений в геодезии, проявившаяся в создании большого числа светодальномерных систем, будет, очевидно, развиваться и в будущем. Создание О К Г у ж е сейчас позволяет широко использовать свойства когерентного излучения для высокоточных измерений расстояний. Увеличение
выходной мощности ОКГ, освоение новых спектральных диапазонов (в первую очередь средней инфракрасной области спектра — до 13 мкм), возможность получения достаточно мощных и весьма малых по длительности импульсов, наконец, р а з р а б о т к а новых оптических материалов, обладающих хорошим пропусканием, и высокочувствительных и малоинерционных приемников излучения позволяют утверждать, что разработка и внедрение в практику светодальномеров (с погрешностью измерения в доли миллиметра при измерении расстояний до нескольких километров и с относительной ошибкой менее 1 :1 ООО ООО при измерении расстояний в десятки километров) вполне реальны. Весьма актуальной является з а д а ч а повышения помехозащищенности ОЭП, особенно от влияния мощных солнечных засветок. Р а з р а б о т а н н ы е д л я некоторых групп О Э П способы уменьшения влияния помех вполне применимы к геодезическим инструментам. Использование средств спектральной и пространственной селекции в полной мере-позволит, например, повысить эффективность работы светодальномеров днем. Уменьшение вредного влияния атмосферы (ослабления излучения в атмосфере, турбулентности, рефракции). Уже сегодня точность геодезических измерений часто определяется не инструментальными погрешностями, а вредным влиянием среды (атмосферы), в которой распространяется оптический сигнал [59]. Освоение новых спектральных диапазонов (например, участка спектра с длинами волн от 8 до 13 м к м ) , заключающееся прежде всего в создании новых источников, приемников излучения и оптических материалов, позволяет заметно повысить дальность действия О Э П и точность угловых и линейных измерений благодаря меньшему ослаблению излучения в атмосфере и уменьшению вредного влияния солнечной засветки (фона). Расширение спектрального диапазона позволяет также наметить пути реализации инструментальных методов борьбы с рефракцией. Несколько в меньшей степени это относится к вредному влиянию турбулентности атмосферы, приводящей к мерцанию и д р о ж а н и ю изображений. Здесь большего можно о ж и д а т ь от развивающихся методов приема и обработки когерентных оптических сигналов. Нельзя считать исчерпанными возможности по уменьшению этого влияния путем конструк-
TliBiioro совершенствования приборов. Например, уменьшение инерционности приемников излучения и повышение стабильности работы модуляторов позволяет увеличить частоту модуляции сигнала и тем самым снизить влияние мерцания и дрожания. Как известно, эффективный учет влияния атмосферы на точность геодезических измерений путем определения среднеинтегрального значения группового показателя преломления при дальномерных работах и рефракции при угловых измерениях возможен практически только при использовании ОЭП. Высокое спектральное и временное разрешение, большая точность измерений малых угловых и линейных величин, свойственные этим приборам, позволяют найти техническое решение этих важнейших д л я геодезии проблем. Обеспечение нужд развивающейся космической геодезии. При решении больших и весьма сложных задач космической геодезии О Э П должны сыграть решающую роль. Эти задачи тесно связаны с рассмотренными выше проблемами, однако здесь есть и своя специфика. Например, при наблюдении искусственных спутников Земли ( И С З ) и других космических летательных аппаратов ( К Л А ) сейчас очень часто (а в геодезии почти всегда) используются визуальные, фотографические и радиотехнические средства. Думается, что в самое ближ а й ш е е время для этих целей будут гораздо успешнее применяться ОЭП, обладающие большей точностью и оперативностью выдачи результатов измерений, меньшей инерционностью. С повышением точности телевизионных оптико-электронных систем они т а к ж е займут подобающее им место при решении з а д а ч космической геодезии. Хорошо известна та большая роль, которую играют О Э П при исследованиях природных ресурсов, проводимых с борта самолета или КЛА. И з анализа систем, у ж е применяемых на практике для решения этих вопросов, ясно, что их структура, принцип действия, методы расчета те же, что для ОЭП, применяемых сравнительно давно в других областях техники. Поэтому пути развития оптико-электронных комплексов, используемых в космической геодезии, тесно связаны с совершенствованием всего класса ОЭП. Задачи прикладной (инженерной) геодезии. Пожалуй, невозможно отделить проблемы прикладной геодезии
от рассмотренных выше проблем. В самых разнообразных геодезических работах — при уникальном строительстве, разбивке различного рода трасс, наблюдениях за осадками сооружений, створных измерениях, при нивелировании в сложных условиях (например, над водной поверхностью) и многих других — ОЭП у ж е нашли достаточное применение. Автоматическая обработка оптической информации. Огромный объем информации, получаемой при геодезических измерениях, требования по ее скорейшей обработке привели к созданию новых принципов и технических средств, основу которых составляют ОЭП. Их применение оказывается прежде всего эффективным при автоматическом дешифрировании, при создании систем ориентации, основанных на методах оптической корреляции. Создание высокоточных фотоэлектрических отсчетных и следящих систем, разработка быстродействующих модулирующих и сканирующих устройств, быстродействующих приемников излучения, создание О К Г — все это привело к р а з р а б о т к е сложных, но полностью автоматизированных систем д л я обработки оптической информации, т. е. информации, переносимой оптическим излучением и фиксируемой либо фотоприемником, либо телевизионной трубкой, либо фотопленкой. Такие системы успешно работают в сочетании с ЭВМ. В общем плане проблема автоматического дешифрирования является частью более широкой задачи — автоматического опознавания, и если теоретические вопросы, относящиеся к этой проблеме, успешно решаются и апробируются на уровне лабораторных установок, то создание достаточно компактной, экономически эффективной, надежной и простой в эксплуатации системы только еще стоит на повестке дня. И дело здесь не только в совершенствовании отдельных элементов такой системы, но и пока еще в выборе оптимальной структурной схемы. Основные тенденции развития оптико-электронного геодезического приборостроения являются общими для всего современного приборостроения. К ним в первую очередь относятся: — дальнейшее совершенствование параметров и характеристик отдельных элементов и устройств (приемников и источников излучения, оптических узлов, электронных элементов, элементов автоматики);
— повышение эксплуатационной надежности отдельных элементов и приборов в целом; —• микроминиатюризация, особенно в а ж н а я для полевых и бортовых приборов; уменьшение массы, габаритов, энергии, потребляемой отдельными звеньями ОЭП. Н у ж н о отметить, что перспективными с точки зрения применения в геодезии являются не только полностью автоматизированные оптико-электронные комплексы. Д а л е к о не исчерпаны возможности полуавтоматических О Э П и устройств, в которых окончательная (вторичная) обработка информации ведется человекомоператором. Часто их применение является более экономичным и эффективным, чем разработка и эксплуатация более сложного автоматического устройства. Однако тенденции совершенствования их основных узлов — оптико-электронных систем, систем наведения на излучатель, регистрационных систем и т. п. являются теми же, что и перечисленные выше. Таким образом, можно сделать вполне определенный и достаточно общин вывод о том, что пути развития оптико-электронного приборостроения как большой и самостоятельной отрасли современной науки и техники полностью совпадают с путями развития геодезических приборов. Внедрение О Э П в геодезическую практику у ж е позволило советской геодезии решить ряд важнейших задач. Взаимное обогащение геодезии и приборостроения, их тесный союз позволят у ж е в ближайшем будущем полностью реализовать их большие возможности, успешно выполнить намеченные советским народом и Коммунистической партией грандиозные задачи.
1.2. ОБОБЩЕННАЯ СХЕМА РАБОТЫ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА
Обобщенная схема работы О Э П включает в себя источник (генератор) излучения, оптическую систему, приемник излучения и выходной блок. Источник излучения создает материальный носитель полезной информ а ц и и — лучистый поток, оптическая система формирует этот поток и направляет его на приемник. Приемник излучения превращает сигнал, переносимый лучистым 12
потоком, в электрический сигнал. Выходной блок (система вторичной обработки информации) формирует сигнал, по своим параметрам удовлетворяющий требованиям исполнительной автоматической или индикаторной системы. На к а ж д о м этапе процесса преобразования информации, к а к правило, ставится цель — к а к можно лучше отстроиться от шумов и помех, сопровождающих полезный сигнал. ....... .
Рис. 1. Обобщенная схема работы оптико-электронного прибора.
Иногда в эту схему включается и сам излучающий или облучаемый извне объект наблюдения, а т а к ж е и среда распространения лучистого потока (некоторая модель этой среды). На рис. 1 представлена обобщенная схема, причем, помимо исследуемого объекта («полезный» излучатель), на ней показаны и возможные на практике «вредные» излучатели (фон, помехи). Взаимное расположение звеньев, указанных на рис. 1, может быть и несколько иным. Отдельные звенья могут представлять собой весьма сложные устройства, например в состав источника излучения могут входить передающая оптическая систем-а, фильтры, модулятор и т. п. Иногда в составе О Э П отсутствуют некоторые из перечисленных выше звеньев. Это определяется, к а к правило, методом работы ОЭП. При активном методе работы (рис. 2,а) исследуемый или наблюдаемый объект II облучается источником /, параметрами которого может управлять оператор, проводящий исследование или наблюдение. При этом имеется возможность наилучшим образом согласовать параметры источника (передающей системы) I, объекта II, среды распространения излучения и приемной системы III. Это в большинстве случаев позволяет повысить помехозащищенность ОЭП, например эффективно отде-
лить полезный сигнал от сигнала помехи. Основным недостатком активного метода является необходимость иметь специальный источник, порой очень сложный, громоздкий и потребляющий большую мощность, что особенно неудобно при работе в сложных метеорологических условиях и на больших расстояниях.
Рис. 2. Методы р а б о т ы оптико-электронных
приборов:
а — активный; б — п а с с и в н ы й ; в — полуактивный.
При пассивном методе работы (рис. 2,6) используется собственное излучение наблюдаемого объекта //, которое и принимает ОЭП III. В целях повышения помехозащищенности здесь приходится особенно тщательно следить за оптимальным согласованием параметров ОЭП, объекта и среды распространения излучения. Отсутствие источника излучения / является большим преимуществом этого метода. Основным его недостатком является сравнительно малая мощность собственного излучения большинства естественных излучателей. При полуактивном методе работы, когда источник I облучает не один, а ряд объектов — / / , II', II" и т. д. (рис. 2,б), как правило, ОЭП III должен выделить сигнал, отраженный от одного из них. Часто параметрами излучения, облучающего объекты, управлять нельзя (например, при использовании естественной освещенности). 1.3. СПЕКТР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ. СРАВНЕНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ С РАДИОЭЛЕКТРОННЫМИ
Распределение излучения по длинам волн или частотам принято называть его спектром. В значительной степени условно принято делить спектр электромагнит14
пых колебаний на радиодиапазон (длина волны к меняется от 1 мм до десятков километров), оптический диапазон (Л меняется от 1 нм до 1 мм) и рентгеновский диапазон (Я меняется от 0,01 нм до 1 нм). Весьма широкий оптический диапазон в свою очередь подразделяется на инфракрасную область (от 0,76 до 1000 мкм), видимую (от 0,4 до 0,76 мкм) и ультрафиолетовую (от 1 нм до 0,4 мкм). Инфракрасная область делится на коротковолновый участок (от 0,76 до 1,5 мкм), средневолновый (от 1,5 до 20 мкм) и длинноволновый (от 20 до 1000 мкм). Следует указать, что границы этих диапазонов и участков т а к ж е являются в значительной степени условными и в ряде случаев можно встретить и другое деление спектра электромагнитных волн. Действие ОЭП основано па приеме и преобразовании электромагнитного излучения в различных диапазонах оптической области спектра, т. е. в ультрафиолетовом (УФ), видимом и инфракрасном ( И К ) . Очень часто ОЭП предназначены для решения тех ж е задач, что и однотипные по назначению радиоэлектронные приборы, например определения угловых координат источника электромагнитного излучения (пеленгация) или определения угловых координат источника и дальности до него (локация). М е ж д у этими двумя классами приборов имеется определенная аналогия, поскольку оба они используют электромагнитную энергию как носитель информации. Часто сходны некоторые их конструктивные элементы, и при расчете иногда можно пользоваться аналогичными методами. Однако следует отметить и существенную разницу между ними, возникающую из-за того, что они работают в различных диапазонах частот (длин волн) электромагнитного излучения. Работа на больших частотах и соответственно меньших длинах волн обусловила более высокую разрешающую способность О Э П по сравнению с радиоэлектронными. Действительно, если вспомнить, например, что минимально разрешаемый из-за дифракции угол пропорционален отношению длины волны X к диаметру входного зрачка системы D dx , ТО ЭТО положение легко объяснимо. Отсюда следует принципиально более высокая точность оптико-электронных (оптических) измерении, ограничиваемая разрешающей способностью. Отсюда ж е следует и другое преимущество оптико-электрон-
ных систем, заключающееся в меньших габаритах и массе, поскольку при одинаковых требованиях к разрешению прибора важнейший габаритный размер £>„i у* оптической системы оказывается гораздо меньшим, чем у радиоэлектронной. Следует т а к ж е отметить, что при пассивных методах работы мощность большинства источников излучения гораздо больше в оптическом диапазоне спектра (о законах излучения тепловых источников см. § 2.3). При этом существует и большая возможность опознания вида излучателя по характеристикам его излучения. Новые возможности открылись перед О Э П после создания оптических квантовых генераторов, с использованием которых стало возможным осуществить на практике принципиальное физическое преимущество работы в оптическом диапазоне спектра по сравнению с радиодиапазоиом — гораздо большую информационную емкость оптического сигнала, возникающую из-за несравнимо большей полосы частот, занимаемой оптической частью спектра. Следует указать, что многие методы расчета и проектирования ОЭП при наличии в их составе ОКГ, многие их элементы остаются теми же, что и при использовании «обычных» источников излучения. Эти методы и элементы и описываются в настоящей книге. Специфика ж е систем с ОКГ, достаточно полно изложенная в ряде монографий, например [24, 29, 40], здесь не излагается. Основными недостатками О Э П являются: большое ослабление оптического излучения в мутных средах (например в атмосфере); большое число помех, создаваемых естественными и искусственными излучателями (излучение небесных тел, л а н д ш а ф т а , деталей самого прибора и т. п.). По некоторым эксплуатационным параметрам радиоэлектронные системы до сих пор еще лучше оптико-электронных. Таким образом, сегодня ни оптико-электронные, ни радиоэлектронные приборы не о б л а д а ю т решающими преимуществами, тем более, что в некоторых случаях признаки, отмеченные выше к а к достоинства, могут стать недостатками. Например, большая мощность естественных излучателей в оптической части спектра затрудняет выделение оптическими средствами источника, температура которого незначительно отличается от температуры окружающего фона. В связи с этим в наиболее сложных
случаях обычно создают комбинированные, комплексные системы, включающие как оптико-электронные, так и радиоэлектронные к а н а л ы .
2. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ОПТИКОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ 2.1. СИСТЕМА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН
П р и любом методе работы О Э П обязательно наличие источника оптического излучения. Источник может находиться на наблюдаемом объекте, м о ж е т сам быть визирной маркой, наконец, может облучать извне наблюдаемый объект. П р е ж д е чем р а с с м а т р и в а т ь виды источников излучения, используемых в О Э П , и их особенности, остановимся на тех п а р а м е т р а х и характеристиках, которыми принято описывать сами источники и генерируемое ими излучение. Простейшим видом излучения является монохроматическое, т. е. излучение, характеризуемое испусканием или распространением электромагнитной энергии в бесконечно узком интервале длин волн Я—(Я + АЯ) при ДЯ—>-0. Монохроматическое излучение может характеризоваться т а к ж е частотой, причем длина волны X и частота электромагнитного колебания v связаны между собой через скорость распространения излучения в вакууме с 0 соотношением: Х=Со/\. В любой среде с показателем преломления п Я=Яо/п. Величины, описывающие монохроматическое излучение, обычно обозначаются индексами А. и v. Основным параметром системы энергетических величин является поток излучения (лучистый поток) — средняя мощность, переносимая оптическим излучением за время, значительно большее периода электромагнитных колебаний. Поток излучения обозначается Ф, O t ., Р . Н а и б о л е е распространенная единица измерения лучистого потока — ватт. Спектральный состав излучения описывается спектральным распределением потока излучен и я — функцией, описывающей зависимость монохроматического излучения Ф е (А) от длины волны (частоты). 2—783
17
Произведение определяет мощность, переносимую потоком в интервале длин волн dk. Таким образом, а -J
i(О >1
с ——.о
II >•4о
03
о
о
•S
и
-5
II
а*
Существуют и другие энергетические величины, которые используются при расчетах оптико-электронных систем. Энергия излучения (лучистая энергия) Qe= \фе№, (2.8) о где Ф е ( 0 — ф у н к ц и я изменения потока во времени. Единицей измерения энергии излучения является джоуль ( Д ж ) или ватт-секунда ( В т - с ) . Иногда для оценки эффективности лучистого потока вводят понятие энергетической экспозиции (энергетического количества освещения) t
He=^Ee(t)di
[Дж-м~* = Вт-с-м~ г ].
(2.9)
Если оценивать мощность излучения по производимому ею световому ощущению, т. е. реакции человеческого глаза на воздействие лучистого потока, то мы переходим к световому потоку и соответствующим световым величинам. Определения световых величин аналогичны определениям соответствующих энергетических величин. Энергетические и световые, или фотометрические, величины, а такж е их обозначения и единицы Рис. 3. Кривая относительной измерения сведены в табл. 1. спектральной чувствительности Рассмотрим переход от глаза. энергетических величин к световым. Человеческий глаз неодинаково чувствителен к излучению различных длин волн. Если измерить поток излучения в бесконечно малом диапазоне длин волн X—(А,+ДЯ) для какого-нибудь излучателя и световой поток, т. е. поток, воспринимаемый глазом в том ж е диапазоне спектра, то отношение величины светового потока ФоХ к величине потока излучения ФсХ называется спектральной световой эффективностью (2.10)
Отношение К х для какой-либо длины волны излучения к максимальному значению А ' ) т называется спектральной световой эффективностью VX = V(X) = K J K ^ .
(2.11)
Часто кривую У(Х) называют кривой спектральной чувствительности глаза или кривой видности (рис. 3). Ее максимум соответствует К т = 0 , 5 5 5 мкм. Величину К у , которая устанавливает соотношение между лучистым и световым потоками д л я Х т , называют т а к ж е световым эквивалентом лучистого потока. Численное значение его равно /СХт = 683 л м - В т " 1 . 00
Если лучистый поток определяется как Фе = ^ Ф^сй, о то, очевидно, световой поток 0,76
0,4
или с учетом (2.11) 0,76
ф 0„ == 683 j УХФ>Adl. ял
(2.12)
Пределы интегрирования определяются диапазоном значений / С г Нужно отметить, что не только для глаза, но и для любого селективного приемника излучения, т. е. приемника, обладающего неодинаковой чувствительностью к излучению различных длин волн, оценка эффективности лучистого потока может быть проведена аналогично. Вместо спектральной кривой чувствительности глаза следует взять спектральную характеристику приемника s r Ознакомившись с основными фотометрическими величинами, можно перейти к рассмотрению некоторых соотношений между ними, часто встречающихся на практике. Р а с с м а т р и в а я формулу (2.3) и учитывая, что телесный угол cffii
dA% cos 62/12,
(2.13)
i-де / — расстояние между источником излучения и облучаемым элементом поверхности dAz, расположенным под углом 0 2 к направлению облучения, получаем выраж е н и е д л я энергетической освещенности, создаваемой точечным излучателем: dEe = d®e/dA2 = die cos_02//2.
(2.14)
Определяя отсюда значение d l e и учитывая формулу (2.4), а т а к ж е то, что dQ2~ (dAJl2)cos Оь получаем следующее в ы р а ж е н и е д л я энергетической яркости Le, созд а в а е м о й излучателем dA y в месте расположения dA 2 по направлению от dAl к dAo: dEeojdQ 2. Д л я небольших углов Д£2г при L, e делах^ДЙг Ee — LeAQz-
= const в пре(2.15)
В любом расчете оптико-электронной системы следует п р е ж д е всего учитывать пространственное распределение энергетических или фотометрических величин. Если, например, известно распределение силы света 1 г в пределах телесного угла Q, то, очевидно, поток Ф 0 = f/ 0 (Q)dQ. (2.16) Q
Однако этот закон распределения не всегда известен, поэтому в практических расчетах иногда используют понятие о средних значениях энергетических и световых величин. Средним значением силы света называется величина / о с р = Ф „ / Й = J/ 0 (Q)dQ/Q,
(2.17)
т. е. отношение потока, испускаемого в пределах телесного угла, к величине этого угла. Аналогично определяются и другие величины, например средняя светимость Л1гер=Фв/А = \ А Ц А ^ А / Л ,
(2.18)
А,
средняя яркость в направлении 0i ^ c p
e
= V H ^ . c o s e ,
(2.19)
2.2. СИСТЕМА АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ЗВЕЗДНЫХ ВЕЛИЧИН
Очень часто ОЭП, например устройства автоматических телескопов, астрографы, средства звездной ориентации, работают по источнику — звезде. Поэтому необходимо учитывать специфику таких случаев и уметь переходить от описанной выше системы единиц к единицам, принятым в астрономии и астрофизике [30]. Система фотометрических величин, принятая в астрономии, основана на понятии «звездная величина». Звездная величина, обозначаемая обычно т , определяет блеск звезды. Блеском называется величина, применяемая при визуальном наблюдении удаленного точечного источника и измеряемая освещенностью, которую создает источник в плоскости зрачка наблюдателя, перпендикулярной лучам. Деление звезд на группы по их звездным величинам произошло задолго до установления рассмотренной выше системы фотометрических величин. Поскольку ощущение блеска звезды является субъективным фактором, желательно установить связь между изменением этого ощущения и объективным изменением количества света, попадающего в глаз. Психофизические исследования человеческого глаза показали, что субъективное ощущение (например, кажущийся блеск звезд) изменяется в зависимости от объективного изменения освещенности по закону Погсона: т—т0=—2,51
g (Ev/Ev0),
(2.20)
где т и т о — звездные величины двух небесных источников (звезд), a Ev и Ev0 — соответствующие им освещенности. Коэффициент 2,5 был определен по измерениям освещенностей от двух звезд, отличающихся на одну звездную величину. Принято обозначать звездную величину индексом « т » , например," 1 т ,3, 9 т Д —5 т ,1, 1 т , 2 и т. п. В соответствии с формулой (2.20) отношение освещенностей, создаваемых звездами со звездными величинами, разнящимися на I"1, равно 2,512 (действительно, lg2,512 = = 1/2,5). Специальными измерениями было установлено, что освещенность Е^, равную одному люксу, создает звезда т
0
= ~ 13™,75±0 т ,03,
(2.21) 25
если ее р а с с м а т р и в а т ь за п р е д е л а м и земной атмосферы, и звезда величины т о = —14™,01 ± 0 т , 0 4 ,
(2.22)
если ее р а с с м а т р и в а т ь на уровне моря. Р а з л и ч и е в величинах т0 объясняется потерями света в земной атмосфере, т. е. д л я создания Е 0 = 1 л к на уровне моря «требуется» более я р к а я звезда. Д л я в ы р а ж е н и я поверхностной яркости в астрофизике часто используют звездную величину, приходящуюся на телесный угол в одну к в а д р а т н у ю секунду. Воспользовавшись ф о р м у л а м и (2.20) и (2.22), м о ж н о найти связь м е ж д у этой единицей и принятой в фотометрической системе единицей яркости. Подставив в (2.20) значения п о ^ ^ — 1 4 т , 0 и Evq— = 1 лк, с учетом выведенного в ы ш е соотношения (2.15) д л я малых углов получим т + 1 4 ж , 0 = — 2 , 5 1 g (L„AQ/1 л к ) . П р и в е д я величину т и соответствующую ей освещенность к единичному телесному углу AQ в одну квадратную секунду и имея в виду, что 1 л к = 1 к д - м _ 2 - с р , получим m n p ~ — 1 4
т
— 2 , 5 1 g
(Lp/4,255-1010)
или тпр^12*4-2,51 g U
(угл. с)" 2 .
(2.23)
10
Значение 4,255-10 есть число к в а д р а т н ы х секунд в одном стерадиане. В качестве примера использования этой формулы рассчитаем поверхностную яркость Солнца в астрофизических единицах. К а к известно, яркость Солнца составл я е т 1,5-10 9 кд-м~ 2 , что эквивалентно: 12 m ,4—2,51g (1,5-10 е )
10™,5 (угл. с ) - 2 .
( В и з у а л ь н а я з в е з д н а я величина Солнца равна —26 т ,8.) Яркость ночного безлунного неба в зените Lv— = 10- 4 кд-м-2 или mnp«12m,4—2,51g ( 1 0 - 4 ) = 2 2 т , 4 -2 (угл. с ) . Другой распространенной в астрофизике единицей является а б с о л ю т н а я з в е з д н а я величина М, которая соответствует освещенности, создаваемой звездой, находящейся на некотором фиксированном расстоянии I. Это расстояние равно 10 пс ( п а р с е к а м ) . Согласно закону 26
квадратов расстояний Ev—Iv/l2 абсолютная звездная величина М является, по сути дела, эквивалентом силы света Если прологарифмировать выражение E V =1J1 2 для значения / = 1 0 пс=3,086-10 1 7 м, то с учетом (2.20) и (2.22), где £ „ 0 = 1 л к и т 0 = — 14 т , можно получить формулу перехода от абсолютной звездной величины небесного источника излучения к его силе света: lg£„=0,4(AI+14«)=lg/e-21gf или l g / „ = 29,4—0,4М.
(2.24)
Например, вычисленная по этой формуле сила света Солнца, для которого Af = 4,84, составит /« = 3,07Х ХЮ 2 7 кд. Силу света звезды, выраженную в долях силы света Солнца, принято называть в астрономии светимостью L (следует отличать эту величину от приведенной в табл. 1 светимости М). П о л а г а я светимость Солнца L равной единице, после применения закона Погсона получим для звезды с абсолютной звездной величиной М: lg L = 0,4(4,84—М).
(2.25)
2.3. ТЕПЛОВЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Излучение, возникающее в результате теплового возбуждения частиц вещества (атомов, молекул, ионов и пр.), называется тепловым. Тепловой излучатель, имеющий при заданной температуре для всех длин волн максимально возможную спектральную плотность энергетической светимости, называется черным телом или полным излучателем. Черное тело полностью поглощает все падающие на него излучения независимо от длины волны, поляризации и направления падения. Технически большой интерес представляет возможность построения прибора, который обеспечивал бы возможно более точное воспроизведение излучения черного тела. Точность конструктивного осуществления такой модели определяется приближением ее коэффициента поглощения к единице. Наибольшее распространение получила модель черного тела в виде замкнутой полости с малым отверсти-
ем, например ш а р а диаметром D с отверстием днвме1?ром d < ^ D (рис. 4). Если площадь отверстия мала по сравнению с общей поглощающей поверхностью ш а р а , то любой луч, прошедший внутрь, при многократных отражениях будет практически полностью поглощаться. В качестве модели полного излучателя может быть использована т а к ж е клиновидная или коническая полости, причем излучение их будет тем б л и ж е к излучению черного тела, чем большее число отражений испытывают лучи внутри полости. Если число отражений свести к бесконечно большому, то излучение полости будет в точности равно излучению черного тела. При любом значении коэффициента отражения материала, меньшем единиРис. 4. Модель полного
цы, и при
бесконечно
большом
излучателя.
числе отражений коэффициент отражения всей полости равен нулю а коэффициент поглощения — единице. Число отражений определяется углом клина или полости. С уменьшением этого угла число отражений возрастает. Черное тело является идеальным ламбертовым (косинусным) излучателем. В практике оптико-электронных приборов очень часто следует учитывать тот факт, что любое тело, в том числе и газ, имеющее коэффициент поглощения на единицу толщины слоя меньше единицы, при увеличении толщины слоя до очень большой величины излучает как черное тело. Примером действия такого полного излучателя является излучение Солнца через хромосферу. Хотя хромосфера представляет собой газ, ее толщина достаточна, чтобы почти полностью поглощать излучение Солнца. Поэтому, будучи нагретой, она излучает как черное тело. То ж е относится и к излучению атмосферы в спектральных областях поглощения ею инфракрасных лучей (например, в диапазоне длин волн около 2 , 7 м к м ) . Если излучение какого-либо источника на этой длине волны почти полностью поглощается атмосферой, то сама атмосфера излучает к а к черное тело в этом диапазоне. Тепловой излучатель характеризуется коэффициентом излучения (коэффициентом черноты) е — отношени-
ем энергетической светимости тела к энергетической светимости черного тела при той ж е температуре, а также коэффициентом направленного излучения, являющимся отношением энергетической яркости тела в некотором направлении к энергетической яркости черного тела при той ж е температуре. Тепловой излучатель, спектральный коэффициент излучения которого в рассматриваемой области спектра не зависит от длины волны, называется неселективным. Неселективный излучатель, спектральный коэффициент излучения которого меньше единицы, называется серым излучателем. Излучатель, спектральный коэффициент излучения которого в рассматриваемой области спектра зависит от длины волны, называется селективным. Примером таких тел является вольфрамовая нить лампы накаливания. Селективным характером излучения обладают и вещества, которым свойственны селективные отражательная способность и прозрачность. Степень селективности может быть определена, если известны оптические характеристики вещества. Важно отметить, что для большинства диэлектриков поглощательная способность растет с увеличением длины волны падающего излучения Я. Это накладывает известные ограничения на выбор материалов оптических систем для работы в длинноволновой области спектра. Поглощательная способность а меняется т а к ж е и в зависимости от угла падения лучей на вещество, однако это изменение практически не столь сильно сказывается, как зависимость а от Я. Для металлов справедливо соотношение а х --= 0,365 X W
1/°эЯ,
где
оэ — электропроводность
(м-Ом" 1 -мм -2 );
Я — длина волны падающего излучения (мкм). Рассмотрим кратко основные законы излучения, свойственные черному телу. Закон Кирхгофа определяет соотношение между излучением и поглощением теплового излучателя, а именно: в точке поверхности теплового излучателя при любой температуре и любой длине волны спектральный коэффициент направленного излучения для заданного направления равен спектральному коэффициенту поглощения для противоположно направленного неполяризован-
ного излучения. Иначе, чем больше тело энергию, тем больше оно ее излучает, т. е.
поглощает
где М х чт — спектральная плотность поверхностной плотности излучения черного тела; а х — спектральный коэффициент поглощения. В соответствии с законом сохранения энергии для любого тела «х + Рх + ^ х ^ 1 ' где рх и т х — коэффициенты отражения ^ п р о п у с к а н и я соответственно. Поэтому для непрозрачных тел с т х = 0 а х = = 1 — р х , т. е. по закону Кирхгофа тела с хорошей отражательной способностью являются плохими излучателями. Закон Стефана — Больцмана определяет связь между энергетической светимостью черного тела и его температурой, а именно: энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры, т. е. Ме=аТ\ -8
2
(2.27) 4
где а = 5 , 6 6 9 7 - Ю Вт-м~ -К~ — постоянная Стефана — Больцмана. Д л я любого излучателя X
ХГ
X чт»
где ех т — спектральный коэффициент излучения данного тела. Д л я серого тела е х г = /(7^) = е т , Мест= Величина ет сильно зависит от характера поверхности и материала излучателя. Вид обработки этой поверхности во многом определяет ее излучательную способность. Например, для гладкого листа алюминия Б42ок = 0,08, а для того ж е листа, обработанного наждаком, е ш к — 0 , 7 0 . Строго говоря, в природе нет серых тел, однако в пределах сравнительно узких спектральных диапазонов многие тела могут рассматриваться к а к серые. Это положение часто используется при расчетах ОЭП.
Закон Планка. З а к о н Стефана — Б о л ь ц м а н а описывает излучение количественно, не указывая, к а к распределена энергия по спектру длин волн, т. е. не дает качественной характеристики лучистого потока. Р а с с м а т р и в а я элементарные частицы вещества как источники электромагнитных колебаний, П л а н к установил, что энергия этих частиц может принимать только дискретные значения, различающиеся на величину s=hv, где v — частота колебаний; /г=6,625-10~ 3 4 Д ж - с — постоянная П л а н к а . С использованием этого соотношения была выведена следующая формула, н а з в а н н а я законом П л а н к а : М е (Х, Т) = CiX -5 [ехр (С 2 ДГ) — l ] - i , 16
2
(2.28)
2
где Ci = 3,7415-10Вт-м ; С 2 = 1,43879-10~ м - К . При %Т< 3000 м к м - К для практических вычислений формулу (2.28) можно представить в виде MeX = CtX's ехр (— Сг(ХТ).
(2.29)
И з формулы закона П л а н к а можно получить выражение для закона Стефана — Б о л ь ц м а н а . Действительно, если проделать соответствующие преобразования, то получим ' оо
Ale = f Me. dX = О7\
(2.30)
Если задаться целью определить длину волны излучения, соответствующую максимуму кривой, т. е. найти экстремум функции М е К , то получим т а к называемый закон Голицына — Вина: Х т = 2 8 9 8 / Г [мкм].
(2.31)
Н а практике часто закон Голицына — Вина используется в следующем виде: Ят=3000/Г.
(2.32)
Закон Голицына — Вина указывает, что с увеличением температуры излучателя максимум излучения сдвигается влево по спектру, поэтому этот закон называется т а к ж е законом смещения. Формула П л а н к а может быть представлена графически в виде т а к называемых кривых П л а н к а (рис. 5), что чаще на практике более удобно. Р а с с м а т р и в а я эти кривые, можно заметить, что кривая для какой-либо температуры л е ж и т ниже кривых для больших температур,
т. е. на любом участке спектра полный излучатель с более высокой температурой дает больше лучистой энергии, чем полный излучатель с меньшей температурой. Интегрируя | выражение для М еХ в пределах от 0 до Хт, получаем V , М ' е = j M e -dX = - ^ < , T \ (2.33) о Мак
т. е. в коротковолновой части спектра (относительно km) черное тело дает только одну четверть всей энергии, а основная доля приходится на более длинноволновый диапазон. При расчетах О Э П очень часто приходится пользоваться кривыми П л а н к а . Д л я упрощения этих расчетов удобно рассматривать единую изотермическую кривую, получающуюся путем замены в формуле П л а н к а переменных к и МеХ новыми переменными: x = XjXm,
y==]MJM^m.
При этом формула П л а н к а принимает следующий вид: у= 142,32х~ 5 [exp (4,9651/jc) — 1]-*.
(2.34)
Единая изотермическая кривая представлена ня рис. 6. Д л я того, чтобы от нее вернуться к кривой Планка д л я данной температуры Т, необходимо: 1) определить Хщ=2898/7 [ м к м ] ; 2) определить М А •= 1,2864- Ю - ' Т * [ В т - с м " ' ] ; 3) для выбранных значений А, определить x=X/hm', 4) по единой изотермической кривой найти у; 5) определить соответствующие^ каждому значению X значения МеХ = М, у.
В настоящее время имеются специальные таблицы функций П л а н к а , с помощью которых можно найти полную энергию, излучаемую в данном спектральном диапазоне, длину волны, соответствующую максимуму монохроматического излучения, число квантов в излучении черного тела и ряд других данных [8]. Приведенные выше соотношения не позволяют полностью описать излучение без дополнительных данных о пространственном распределении лучистого потока. Выше говорилось об источнике, имеющем одинаковую яркость по всем направлениям. Такой излучатель часто называют ламбертовым, поскольку он подчиняется закону Л а м б е р т а . И з л у ч а ю щ а я поверхность, которая 3-783
33
точно подчиняется ему, является идеальным диффузным излучателем. Выше было приведено соотношение между облученностью Ее и яркостью излучателя Lc. Подобное ж е соотношение существует и между Le и Ме, что позволяет значительно упрощать расчеты, если источник излучения подчиняется закону Л а м б е р т а . Эти соотношения действительны не только д л я интегральных величин, но и д л я монохроматических, например: M eX = *L eX .
(2.35)
Нагретые тела не могут быть такими ж е источниками излучения, к а к идеально черное тело, т а к к а к их коэффициент излучения не равен единице на всех длинах волн. Следовательно, реальный излучатель будет излучать меньше энергии, чем черное тело при той ж е температуре. Д л я расчетов энергии излучения, испускаемой серыми и селективными излучателями, удобно воспользоваться эквивалентными им полными излучателями, поскольку все параметры излучения последнего могут быть определены по известной его температуре. В качестве признаков эквивалентности применяются яркость, цвет или энергетическая светимость, в соответствии с которыми введены понятия о яркостных, цветовых и радиационных температурах тел. Яркостная температура — это температура черного тела, при которой на какой-либо длине волны оно имеет ту ж е спектральную плотность энергетической яркости, что и рассматриваемое тело. И з определения черного тела и данного определения ясно, что яркостная температура всегда меньше реальной температуры тела. Температурой распределения называется температура эквивалентного черного тела, при которой излучение данного тела в видимой части спектра практически идентично излучению черного тела с той ж е температурой, т. е. ординаты их спектрального распределения яркости пропорциональны. Температура черного тела, при которой его излучение имеет ту ж е цветность, что и рассматриваемое излучение, называется цветовой. Цвет о в а я температура может быть больше или меньше фактической температуры тела, она может меняться с изменением этой фактической температуры. Например, цветовая температура голубого неба 7 = 2 5 0 0 0 К. Строго говоря, понятие цветовой температуры применимо только к тепловым излучателям. Д л я неба излучение 54
обусловлено молекулярным рассеянием, а не нагревом, так что этот термин здесь является условным. Следует т а к ж е отметить, что некоторые селективные излучатели на отдельных участках спектра могут рассматриваться как серые или д а ж е черные тела, т. е. к ним эти термины вполне применимы. На этих ж е участках, представляется возможным использовать их д л я моделирования черного тела. Д л я того чтобы сравнить интегральные величины излучения черного тела и селективного излучателя, введено понятие «радиационная температура», под которой понимается температура черного тела, имеющего такую ж е суммарную (по всему спектру) энергетическую светимость, к а к и данный селективный излучатель. На использовании понятий «яркостная» и «цветовая» температуры основан ряд приборов, с л у ж а щ и х д л я определения температуры излучателей, т а к называемых яркостных и цветовых пирометров. Методы, используемые при пирометрических измерениях, могут быть применены при решении ряда в а ж н ы х в практическом отношении задач. Рассмотрим в качестве примера случай определения цветовой температуры излучателя. Если цветовая температура наблюдаемого излучателя Тц, то соответствующие спектральные интенсивности лучистости эквивалентного черного тела с Т=ТА на любых двух длинах волн на основании законов теплового излучения для \Т< < 3 0 0 0 м к м - К могут быть в ы р а ж е н ы к а к (2.36)
Спектральные интенсивности яркости излучателя при яркостных температурах Ti0 и Г2о на длинах волн и Яг равны (2.37)
Согласно определению цветовой температуры отношение L x при какой-то цветовой температуре тела Т и опрез*
деляетс наследующим образом:
или после логарифмирования
где А, = 51n
= const; Bi == С, (J^-—
= const.
Таким образом, измеряя логарифм отношения яркостей объекта на каких-либо длинах волн (для ЪТ< < 3 0 0 0 м к м - К ) , можно легко определить его цветовую температуру. По этому принципу, зная приборные постоянные Ai и Bi, можно проводить опознавание какоголибо излучателя с известной Тц среди других излучателей с отличными от Гц цветовыми температурами, например, осуществить автоматическое спектральное дешифрирование в процессе съемки местности. 2.4. ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ, ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
Д о л г о е время электрические л а м п ы накаливания были едва ли не единственными источниками, используемыми в геодезических инструментах. Появление сначала газоразрядных ламп, а затем оптических квантовых генераторов и светодиодов нарушило эту монополию. Все ж е в настоящее время лампы накаливания применяются на практике достаточно широко, хотя часто и не для выполнения основных, принципиальных задач, стоящих перед прибором. Широкому распространению л а м п накаливания способствует их дешевизна, неплохие эксплуатационные качества (высокая надежность, простота включения, достаточно большой срок службы и т. д.), большая промышленная номенклатура, возможность изменения энергетических параметров л а м п путем изменения питающего напряжения. Электрические лампы накаливания имеют обычно излучающий элемент в виде нити или спирали из вольфрама, который является селективным излучателем. Энергетическая светимость его может быть вычислена по
формуле: Ме=
•хгоГ*=
[1 -
ехрфТ)]оГ,
где о = 5,67- Ю _ 8 В т - м " г - К " 4 ; § = 1 , 4 7 - Ю ^ К " 1 . При увеличении Т коэффициент излучения вольфрама е х г стремится к единице. Это позволяет использовать в расчетной практике законы излучения черного тела путем ввода понятий цветовой, яркостной температуры и др. В а ж н ы м и параметрами, с л у ж а щ и м и для оценки эффективности различных искусственных излучателей, в частности л а м п накаливания, являются энергетический к. п. д. излучения — отношение потока излучения, испускаемого в каком-либо спектральном диапазоне, ко всему потоку излучения, а т а к ж е световая отдача — отношение светового потока ко всему лучистому потоку, испускаемому источником (или ко всей потребляемой им мощности). Следует отметить, что световая отдача увеличивается при увеличении напряжения питания, а следовательно, и температуры тела н а к а л а . Однако при увеличении напряжения увеличивается потребляемая мощность, и срок службы лампы резко сокращается. Д л я увеличения срока службы л а м п ы целесообразно уменьшать напряжение питания, при этом значительное увеличение срока службы окупает небольшое уменьшение величины светового потока. Расчетные соотношения и графики для этих случаев приведены в литературе, например [12, 57]. Д л я стабилизации параметров л а м п накаливания перед установкой их в прибор рекомендуется производить «тренировку» (отжиг) л а м п ы при номинальных режимах в течение 5—10% от общего срока службы. Д л я увеличения светоотдачи и срока службы колбы некоторых ламп накаливания заполняют газообразными соединениями галогенов. Присутствие галогена заметно уменьшает осаждение распыленного вольфрама на внутренней поверхности колбы лампы, что снижает ее потемнение, а главное, высокое давление уменьшает скорость испарения вольфрама, что позволяет увеличить - пературу т е л а н а к а л а и к а к следствие светоотдачу, качестве наполнителей И С П О Л Ь З У Ю Т С Я пары иода, соединения брома (дибромметан, бромоводород). В лите-
ратуре приводятся сведения о п а р а м е т р а х галогенных ламп, выпускаемых отечественной промышленностью. Их светоотдача достигает 26—27 л м - В т - 1 , срок службы — нескольких тысяч часов, габаритная яркость — ЗОХ ХЮ6 кд-м-2. В каталогах ламп накаливания, выпускаемых нашей промышленностью, можно найти л а м п ы самых различных типов: приборные, автомобильные, прожекторные, кинопроекционные и многие другие, отличающиеся размерами, формой тела н а к а л а , сроком службы, диаграммой распределения силы излучения и т. п. В табл. 2 в качестве примера приведены параметры некоторых часто используемых на практике ламп. Н е б о л ь ш а я световая отдача л а м п накаливания, больш а я тепловая инерционность тела н а к а л а , не позволяющ а я модулировать их излучение д а ж е с относительно небольшой частотой питающего напряжения, и ряд других недостатков этих л а м п стимулировали появление большого числа газоразрядных ламп. В этих источниках используется излучение газов или паров металлов, возникающее при прохождении через них электрического тока. Параметры некоторых Номинальные световые и электрические параметры Тип лампы юпряжение,
в
мощность, Вт
осевая сила J света, кд
световой поток, лм
220
300
2800
К12—40 СЦ-62 СЦ-61
12 12 8
40 100 20
750
ОП6-25+25 А 12-80 ОП-13-50
6 12 13
25 80 50
312 1440 1500
90 15 1000
1980 210 26000
НЗК 220-300
КИМ 10-90 КГМ 6-3-15 КИМ 220-1000-1
10 6,3 220
—
1750 250
—
Б о л ь ш о е число г а з о в или п а р о в м е т а л л о в , в которых можно получить достаточно мощный р а з р я д , позволило создать много разновидностей г а з о р а з р я д н ы х л а м п , которые о т л и ч а ю т с я друг от д р у г а к а к спектром излучения, т а к и конструктивным о ф о р м л е н и е м . К числу общих достоинств этих источников м о ж н о отнести б о л ь ш у ю световую отдачу, т а к к а к путем подбора г а з а и условий р а з р я д а м о ж н о сосредоточить н а и б о л е е м о щ н ы е линии излучения в видимом д и а п а з о н е , а т а к ж е в о з м о ж н о с т ь получения очень больших значений силы излучения и яркости. В р я д е случаев у д а е т с я и с п о л ь з о в а т ь цепь пит а н и я л а м п ы д л я м о д у л я ц и и потока, испускаемого ею. К н е д о с т а т к а м г а з о р а з р я д н ы х источников относятся сложность схем включения, небольшой срок с л у ж б ы , большие по с р а в н е н и ю с л а м п а м и н а к а л и в а н и я г а б а р и ты и д р . П о в р е м е н н о м у х а р а к т е р у излучения эти источники обычно п о д р а з д е л я ю т на л а м п ы непрерывного излучения и импульсные л а м п ы . П е р в ы е р а б о т а ю т от сети постоянного или переменного тока, вторые используются в импульсном р е ж и м е , причем чем б о л ь ш е частота вспышек, тем меньше их мощность. Таблица
2
Габариты (наибольшие), мм лампы диаметр
тела накала длина
ширина
127
185
—
94 56 21
140 91 56
48 2,8
26 36 19
47 60 57
10,75 6 14
45 30 100
высота
—
2 —
Срок службы, ч
ламп накаливания
Г Примечание
1500
Зеркальная лампа направленного излучения
800 75 100
Имеет крытие
зеркальное по-
100
Лампа с двойной нитью
200 200 50
Галогенные лампы
—
1,9 1,0 3,5
3.5 1.6 4,0
Параметры некоторый Номинальные световые и электрические параметры Тип лампы
напряжение сети, В
мощность, амшпр-удная сила света, Вт *Д
ДКсШ-200 ДКсШ-1000 ДКсШ-ЗООО ДАЦ-50
70 45—65 60 220
200 1000 3000 50
ИСШ-15 ИСШ-100-3 ИСК-250
450 4500 450
15 100 250
* В таблице приведены значения яркости.
яркости
Яркость*, кд-м" 2
Длительлость вспышки, МКС
90-10 е (180—450). 10е 500 30
4-10 3 106 10е в
1,5-10» 10" 9-Ю 8
1,5 2,5 300
центре газового разряда или амплитудной
Среди л а м п непрерывного действия, используемых в ОЭП, можно отметить ртутно-кварцевые лампы высокого давления, циркониевые лампы и неоновые лампы тлеющего р а з р я д а . Ртутные и ртутно-кварцевые лампы высокого давления излучают энергию в относительно широком спектральном диапазоне. Яркость и х ' р а з р я д ного промежутка велика, например, у лампы ДКСШ-ЗООО она достигает 5-10 8 к д - м - 2 . Эти л а м п ы требуют осторожного обращения, т а к к а к давление в их колбе достигает нескольких десятков атмосфер, и они являются взрывоопасными. В некоторых геодезических О Э П применяются циркониевые лампы типа Д А Ц , потребляющие сравнительно небольшие мощности. П а р а м е т р ы ДАЦ-50, а т а к ж е других газоразрядных л а м п приведены в табл. 3. В качестве сигнальных индикаторных ламп широко используются малогабаритные неоновые лампы тлеющего р а з р я д а , которые потребляют малую мощность и соответственно создают небольшие световые потоки. Импульсные г а з о р а з р я д н ы е лампы могут служить как для создания редких, но мощных импульсов, т а к и д л я получения частых, хотя и слабых вспышек. Длительность вспышки импульсных л а м п мала, поэтому несмотря на огромную силу света в импульсе (до десятков миллионов кандел) энергия сигнала в виде последовательности импульсов весьма невелика. 40
Таблица
3
газоразрядных ламп Габариты, мм Частота вспышек. Гц
—.
—
500 50 3
Срок расстояние меж- службы, ч ду электрода™
Примечание
диаметр наибольший
длина
26 40—44 58 38
149 258 330 115
2,0—3,5 2,5-4,3 3,9—4,9 1
500 70—250 100 75
Лампы непрерывного излучения
33 35 68
79 97 118
2.5 5 51
300 5 30
Импульсные лампы
2.5. СВЕТОДИОДЫ
В 1923 г. советский ученый О. В. Лосев обнаружил, что при прохождении тока через кристаллы карборунда наблюдается их зеленоватое свечение. Позднее удалось объяснить это явление, названное излучательной рекомбинацией в р — п-переходах или инжекционной электролюминесценцией в полупроводниках. П р и приложении к р — л-переходу напряжения в прямом направлении инжектируемые носители (электроны и д ы р к и ) , попадая в область перехода, где они являются неосновными, рекомбинируют с основными носителями. Межзонные переходы почти всегда сопровождаются испусканием квантов с энергией, близкой к ширине запрещенной зоны, поэтому в некоторых полупроводниках прохождение тока сопровождается достаточно интенсивным свечением области р—«-перехода. Н а основе этого явления были созданы малогабаритные экономичные излучатели — светодиоды. Эти излучатели обладают довольно высоким к. п. д.— коэффициентом преобразования мощности тока, проходящего через р — «-переход, в видимое или инфракрасное излучение. При охлаждении светодиода до 77 К этот к. п. д. достигает 50%. Основными материалами, используемыми в настоящее время для изготовления светодиодов, являются арсенид и фосфид галлия, а т а к ж е трой-
Цые соединения типа G a l n P или G a A s P . При напряжении около 10 В, токе 10 мА и квантовом выходе 0,5% такие светодиоды обеспечивают яркость около 1500 к д - м - 2 . Наиболее выгодно использовать светодиоды в ближней инфракрасной области спектра, хотя они используФ\ , отн. од. Рис. 7. Спектры излучения светодиодов: 1 — к р и в а я видности; 2 — электролюминесценция в зеленой области спектра в о б р а з ц а х на G a P ; 3 — электролюминесценция в a SiC м о д и ф и к а ц и и 6Н, л е г и р о в а н н о г о бором и а з о т о м ; 4 — э л е к т р о л ю м и н е с ц е н ц и я в красной области спектра в о б р а з ц а х на G a P , легированных цинком, теллуром и кислородом; 5 — электролюминесценция в GaAs, легированном цинком и теллуром; 6 — электролюминесценция в арсениде галлия, легированном кремнием и т е л л у р о м .
ются и в видимом диапазоне. Хотя монохроматичность светодиодов и меньше монохроматичности ОКГ, но все ж е она довольно высока. Длиной волны излучения светодиода можно управлять, изменяя состав его материала. В табл. 4 и на рис. 7 приведены спектральные параметры и характеристики различных светодиодов [13]. Таблица
4
Спектральные параметры некоторых светодиодов
Материал светодиода
Цвет свечения
GaP, легированный Zn, О Красный GaP, легированный N Зеленый GaAs, . Л Красный SiC Желтый
'да
нм
698 565 640 590
Ширина полосы излучения на уроше 50% интенсивности, нм
h
93 30 28 155
20,7 392,0 97,9 293,0
К достоинствам светодиодов, помимо их малых габаритов и экономичности, относятся хорошая эксплуатационная надежность, дешевизна, а т а к ж е возможность модуляции излучения путем питания их переменным током. Номенклатура светодиодов, выпускаемых про42
мышленностью, не с л и ш к о м велика, но непрерывно возрастает. В т а б л . 5 п р и в о д я т с я п а р а м е т р ы некоторых светодиодов. В видимом д и а п а з о н е я р к о с т ь светодиодов КЛ-101 составляет 20—60 к д - м - 2 при т о к а х 10—40 мА, а светодиода АЛ-102 — несколько сотен к а н д е л на к в а д р а т н ы й метр. Таблица
5
Параметры некоторых светодиодов
Тип светодиода
ДИ-ЗА ДИ-ЗБ ДИ-4 Б-51А КЛ-101 АЛ-102
Рабочая длина волны, им
Ток возбуждения, мА
920—960 920—960 920—960 900—920 600 680
100 100 20 100 20 10—40
Мощность излучения, мВт
Длительность фронта импульса излучения, не
6—12 20—100 10—25 100—2500 1,3—3,5 20—2500 0,6—4,0 10—20 3 5-Ю" (100—250) 103 1 100—500 10"
Прямое падение напряжения, в
1,1—1,2 М—1,2 1,1—1,2 1,1—1,26 2,0 1,0
2.6. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КВАНТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
В последние годы в О Э П в качестве источников излучения широко п р и м е н я ю т с я О К Г — приборы, в которых используется я в л е н и е индуцированного излучения д л я генерации когерентных э л е к т р о м а г н и т н ы х колебаний в оптическом д и а п а з о н е спектра. П о с к о л ь к у физические основы О К Г и з л а г а ю т с я в курсе физики, а вопросам их проектирования и применения посвящены отдельные курсы, здесь в к р а т ц е рассмотрим л и ш ь основные особенности их к а к источников излучения в п р и б о р а х д л я линейных и угловых измерений. И з л у ч е н и е О К Г в значительной степени я в л я е т с я монохроматическим, когерентным, н а п р а в л е н н ы м и поляризованным. И м е н н о эти свойства в совокупности с достаточной интенсивностью излучения обеспечивают эффективность применения их в О Э П . Т а к и е в а ж н е й ш и е п а р а м е т р ы , как, например, д а л ь н о с т ь действия и точность измерений, з а в и с я т от отношения полезного сигнала к ш у м а м и помехам, в о з н и к а ю щ и м вне прибора и внутри его. Одним из средств уменьшения ш у м а я в л я е т -
ся спектральная селекция полезного сигнала, которая осуществляется установкой узкополосных оптических фильтров в приемной оптической системе. При использовании некогерентных источников (ламны накаливания, газоразрядные лампы) полоса пропускания фильтра не может быть выбрана очень узкой, т а к как спектр излучения этих источников широк. Поэтому через фильтр проходит и вредное излучение от фонов и помех. При использовании О К Г можно применять наиболее узкополосные фильтры, выпускаемые промышленностью. При этом отношение сигнал/помеха заметно возрастает, что Позволяет, например, проводить геодезические светодальномерные измерения днем. Свойство монохроматичности дает возможность рассчитывать скорость света в среде д л я фазового показателя преломления, а не группового, что очень важно при высокоточных интерферометрических геодезических измерениях. Когерентность излучения О К Г позволяет вести передачу и прием информации на оптических частотах, создавать эталоны длины и времени. Расстояние, на котором можно получать интерференционную картину при использовании некогерентных источников, не превышает нескольких метров. Д л я О К Г оно возрастает весьма заметно и практически ограничивается лишь искажающим влиянием флуктуаций атмосферы. Свойство когерентности используется для приема оптического сигнала методом гетеродинирования. При этом увеличивается помехозащищенность измерительной системы. Подробнее об этом методе будет сказано в гл. 9. Излучение обычных некогерентных источников распространяется в пространстве в пределах большого телесного угла, т. е. оно не является направленным. В то ж е время уменьшение расходимости пучка света, создаваемого источником, необходимо и для повышения дальности действия ОЭП, и для получения высокого углового разрешения. Излучение О К Г обладает небольшой расходимостью, что часто позволяет получить гораздо лучшие параметры световых пучков, чем при использовании более мощных некогерентных излучателей. П о л я р и з а ц и я излучения О К Г т а к ж е находит применение на практике. Например, при использовании модуляции по поляризации снижаются потери энергии в модуляторе. Она ж е позволяет улучшить помехозащищен-
ность прибора благодаря применению поляризационных светофильтров. J Специфика О К Г как излучателей заключается не только в перечисленных выше свойствах. В О К Г отсутствует привычная д л я нас и з л у ч а ю щ а я поверхность. Очень часто по отношению к О К Г неприменимы представления об источнике, к а к о точечном излучателе или источнике параллельных лучей. Кроме того, при работе с мощными О К Г необходимо помнить о возможности повреждения и выхода из строя элементов прибора под воздействием интенсивного излучения и особенно тщательно соблюдать необходимые требования техники безопасности. \ Основные параметры О К Г можно разделить на две группы: параметры излучения, знание которых необходимо при оценке принципиальной физической возможности решения той или иной задачи, и.эксплуатационные параметры, определяющие технико-экономическую эффективность применения О К Г в качестве излучателя. К первым относятся энергетические, пространственные и частотно-временные параметры. Ко вторым — к. п. д., потребляемая мощность, рабочая температура, время готовности к работе, время непрерывной работы, долговечность, габариты и масса, надежность. П а р а м е т р ы излучения зависят от р е ж и м а излучения ОКГ, который может быть непрерывным, пульсирующим, режимом одиночных импульсов. В непрерывном режиме работают большинство газовых О К Г при комнатной температуре, а т а к ж е некоторые твердотельные и полупроводниковые О К Г при охлаждении до 77 К и ниже. При импульсном (пульсирующем) режиме излучение О К Г происходит в виде регулярной последовательности импульсов с частотой f, причем длительность импульсов т гораздо меньше периода их повторения. Пульсирующий режим характерен для полупроводниковых и некоторых газовых ОКГ. В режиме одиночных импульсов период их повторения определяется временем, необходимым для зарядки элементов блока питания или охлаждения прибора. Длительность импульса обычно не превышает 10~3 с, а промежутки между ними гораздо больше и достигают десятков минут. Этот режим характерен для твердотельных ОКГ. Разновидностью его является режим
Тип ОКГ
Параметры
Название и марка ОКГ
Гелий-неоновый ЛГ-55
2 0 МВт > 0 , 4 Дж
3 6 0 X 7 0 X 6 0 мм; 1,5 кг 296X160X150 5 кг
1 Вт
0 , 5 - 1 0 ' Вт в импульсе
Габариты и масса головки О К Г и источника питания
—
Охлаждение проточной водой
Охлаждение проточной водой или воздухом
220 В, 50 Гц, 2 кВт
—
—
—
1800X150X150 мм, 1100X650X850 мм
—
-—
—
• U 1 5 В, 400 Гц, 3 кВт
Один блок 1400X600X800 мм; 150 кг
220 В, 50 Гц, 1,5 кВт
Один блок 523X915X1390 мм; 110 кг
3 кВт
200 кг
Тин ОКГ
Твердотельные Полупроводниковые
Назвавие и марка ОКГ
Рубиновый ГОР-ЗОО На флюорите диспрозием ИТ-102 Рубиновый дан-2А*
Режим работы
0,6943
Импульсный f = 0 , 0 0 3 Гц
с
2,3600
„Раз-
0,6943
Импульсный •с = 0 , 5 мс, / = 2 Гц
0,89—0,91 ДХд=
2,9 D ~ , / 3 / C V
Можно отметить линейную зависимость о2,, от расстояния до излучателя. В работе [60] приведены значения Сп для случаев слабой (8-10- 9 м _ 1 / 3 ), средней ( 4 - Ю - 8 м~ 1/3 ) и сильной ( 5 - Ю - 7 м - 1 " ) турбулентности свободной атмосферы, которые могут быть использованы для ориентировочных расчетов дисперсии дрожания. В той ж е работе приведены выражения, определяющие зависимость Сп от давления и температуры среды для различных длин волн излучения. Максимальные значения спектральной плотности мощности д р о ж а н и я ф д (f) (распределение дисперсии по частотам f) смещены в сторону низких частот. Максимум этого спектра наблюдается при частоте f= = 0,22v J D ^ , где v^ — скорость ветра в направлении, перпендикулярном трассе наблюдений. Влияние д р о ж а ния на точность оптико-электронных угломеров можно оценить по методике, описанной в [59]. Мерцание, т. е. случайное изменение яркости излучателя, т а к ж е наблюдается в основном в области низких частот. Дисперсия флуктуаций логарифма интенсивности потока в приземном слое о»м = InIjJTo)* или в виде функции от структурной постоянной С„ и волнового числа k = 2n/X: о 2 „ = 1,23 С2^^1'6 [47]. 5—783
65
Эти формулы верны для расстояний I, меньших некоторого критического 1 кр , определяемого дифракцией на местных неоднородностях среды: /нр=' 2 оМ> где fo — р а з мер неоднородности. Максимум временного спектра мерцания л е ж и т на частоте [47] f„ = 0,Э2о
(УЛ.
Сравнительно большое число теоретических и экспериментальных исследований посвящено мерцанию и дрож а н и ю изображений звезд при наблюдении их для различных зенитных расстояний. Некоторые результаты этих исследований имеются в [34]. Помимо перечисленных выше факторов, характеризующих прохождение излучения в атмосфере, существует ряд физических процессов, например атмосферная рефракция, рассматриваемая в курсах геодезии и высшей геодезии, биения плотности излучения по сечению распространяющегося пучка, изменение плоскости поляризации, описание которых не входит в круг вопросов, рассматриваемых в настоящей книге. Н у ж н о указать, что влияние атмосферы на распространение излучения, создаваемого ОКГ, т а к ж е имеет некоторые дополнительные особенности, объясняемые большой монохроматичностью, высокой направленностью и рядом других специфических особенностей излучения ОКГ. Д л я знакомства со всеми этими вопросами следует обратиться к специальной литературе, например [23, 61].
4. ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА 4.1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА
Одним из наиболее важных узлов ОЭП является оптическая система. В общем случае она предназначена для того, чтобы собрать достаточное для работы всего прибора количество лучистой энергии от источника и способствовать выделению полезного сигнала на фоне сигналов от других излучателей (помех и фонов), а такж е для образования изображения пространства объек66
тов или источника. В случае активного метода работы ОЭП оптическая система д о л ж н а сформировать требуемую диаграмму направленности пучка, посылаемого от источника к исследуемому объекту. Обычно все эти задачи неразрывно связаны между собой и лишь иногда оптическая система решает отдельно какую-нибудь одну из них. Спецификой оптической системы О Э П является: — наличие приемника излучения в ее составе, который входит одновременно и в состав электронной системы и служит для согласования между собой этих звеньев прибора; — более широкий по сравнению с видимым спектральный диапазон, в пределах которого может работать ОЭП. Это иногда приводит к большему влиянию некоторых аберраций, например хроматизма, к большим трудностям по их коррекции и к трудностям выбора оптических материалов. Некоторые материалы, обладающие хорошими оптическими свойствами, по своим физико-механическим характеристикам часто не могут быть использованы в полевых ОЭП, например некоторые кристаллы, о б л а д а ю щ и е хорошим спектральным пропусканием, но имеющие большую гигроскопичность и малую механическую прочность; — требование к большей простоте и надежности конструкции, что особенно важно для геодезических полевых ОЭП. Структура оптической системы ОЭП может быть различной в зависимости от способа работы всего прибора и стоящих перед ним задач. При активном методе работы прибора оптическая система часто состоит из двух самостоятельных частей: из передающей и приемной системы. Обобщенные структурные схемы представлены на рис. 10. При пассивном методе работы, когда отсутствует специальный источник, а используется собственное излучение объекта, обобщенная схема оптической системы ОЭП может быть представлена только приемной частью (рис. 10,6). В ряде случаев некоторые звенья (4, 6, 8, 10) могут отсутствовать или располагаться в другом порядке (2, 3, 6, 7), т. е. может иметь место иная последовательность прохождения сигнала через звенья оптической системы. (Такие звенья на рис. 10 показаны пунктиром.) 5*
67
Рассмотрим назначение отдельных звеньев типовой оптической системы ОЭП. Важнейшей частью оптической системы любого ОЭП является объектив, который служит для сбора лучистой энергии и образования изобра-
V
/
Г - - 1
И т
)
Г - - 1
Г - 1
Г - - 1
I
1 I
1 I
1
и f w Ы 7 W i W 3 ы } U /ffi I II II 1 I II II II I Ж
Р и с . 10. С т р у к т у р н ы е с х е м ы о п т и ч е с к и х с и с т е м о п т и к о - э л е к т р о н н ы х п р и б о р о в при а к т и в н о м (а) и пассивном (б) м е т о д а х р а б о т ы : / — п е р е д а ю щ а я система (осветитель): / — источник излучения (света). 2 — модулятор, 3 — ф и л ь т р , 4 — оптическая система осветителя; / / — о б ъ е к т исслед о в а н и я : / / / — приемная система: 5 — объектив, 6 — компенсатор, 7 — а н а л и затор, 8 — конденсор; IV — э л е к т р о н н а я система. 9 — приемник излучения. 10 — у с и л и т е л ь сигнала.
Рис.
11. П р о с т е й ш а я
схема оптической системы
ОЭП.
жения наблюдаемого объекта (или пространства объектов). Лучистый поток, собранный объективом, непосредственно им ж е может быть направлен на приемник излучения. Простейшим случаем является расположение чувствительного слоя приемника в фокальной плоскости объектива или в непосредственной близости от нее (рис. 11). Однако такой простой оптической схеме присущ ряд недостатков. Во-первых, размер приемника должен быть 68
слишком большим, что ухудшает его порог чувствительности (при увеличении площади чувствительного слоя возрастают шумы приемника); во-вторых, при изменении угла падения лучей р на входной зрачок изображение удаленного источника, имеющее малый размер, будет переходить с одного участка чувствительного слоя приемника на другой, а при этом из-за неравномерности чувствительности по площади возникает неконтролируемое изменение выходного сигнала — т а к называемый шум из-за неравномерности чувствительности по слою. Наконец, в ряде случаев в фокальной плоскости объектива необходимо располагать не чувствительный слой приемника, а устройство, анализирующее закон распределения освещенности в изображении и называемое оптическим анализатором. При этом приходится отодвигать приемник, что ведет к нежелательному увеличению площади его чувствительного слоя. Иногда необходимо уменьшить влияние перемещения изображения вдоль оси системы (при взаимном сближении или удалении объектива и источника) на сигнал, чего довольно трудно достичь в схеме, представленной на рис. 11. Д л я устранения всех указанных вредных явлений, т. е. д л я увеличения на выходе приемника отношения сигнал/шум, в приемной оптической системе используют специальные оптические элементы, трансформирующие световой пучок после объектива. Эти элементы принято называть конденсорами. Их основное назначение состоит в уменьшении площади чувствительного слоя приемника и в устранении влияния неравномерности чувствительности. О б щ а я схема оптической системы (в тонких компонентах) с конденсором представлена на рис. 12. В данном случае конденсор переносит изображение входного зрачка, положение которого принято близким к главной плоскости объектива, в плоскость чувствительного слоя приемника. В плоскости изображения удаленного источника помещается растр анализатора изображений. Расчет габаритных параметров оптической системы с конденсором описан в [58]. Д л я уменьшения площади чувствительного слоя и устранения влияния неравномерности чувствительности приемника в приемной оптической системе иногда используют т а к ж е иммерсионные приемники, волоконно-оптические световоды, оптические ловушки [58].
При перемещении наблюдаемого объекта в поле зрения объектива приемной оптической системы его изображение будет т а к ж е перемещаться. Д л я осуществления точного наведения на излучатель желательно компенсировать это перемещение, приводя изображение излучателя к центру поля зрения. Д л я этого часто применяется специальный оптический компонент, поворотом или смещением которого достигается компенсация сдвига изображения. Такое устройство (оптический компонент) называется компенсатором.
f'
A
S
•-S
Рис. 12. Приемная оптическая система с конденсором.
Применение компенсатора в ОЭП позволяет проводить измерения так называемым нулевым методом, например осуществлять точное наведение на излучающий объект по минимуму выходного сигнала. При этом возможно отказаться от прямого метода измерений, для которого точность определяется постоянством амплитудных параметров системы (яркости излучателя, прозрачности среды, пропускания оптических элементов, чувствительности приемника и др.). Кроме того, применение компенсатора позволяет иногда увеличить размеры линейной зоны статической (пеленгационной) характеристики измерительного ОЭП — зависимости выходного сигнала от рассогласования на входе, что является существенным при работе ОЭП в составе автоматического комплекса. В качестве компенсаторов применяются плоскопараллельные пластинки, помещаемые перед объективом или после него, вращающиеся или поступательно перемещающиеся вдоль оптической оси клинья и другие оптиче-
ские элементы. Формулы для расчета параметров некоторых компенсаторов, а т а к ж е для расчета точности компенсации приведены в литературе [18, 58]. Д л я получения информации о свойствах излучателя иногда необходимо провести анализ закона распределения освещенности в его изображении. В одних случаях целью этого анализа является определение энергетического центра тяжести изображения, в других необходимо выявить периодичность пространственной структуры изображения и т. д. Решение этих з а д а ч производится с помощью всего ОЭП, однако образование оптического сигнала, параметры которого определенным образом связаны с параметрами изображения излучателя, часто происходит в специальном узле оптической системы — анализаторе изображения. После прохождения анализатора лучистый поток преобразуется по одному из своих параметров таким образом, что изменение этого параметра функциональным образом соответствует изменениям отслеживаемого параметра излучателя. Например, изменения амплитуды потока соответствуют изменениям угла между направлением на излучатель и оптической осью объектива. Поскольку полученный на выходе анализатора оптический сигнал в виде потока должен быть преобразован в приемнике в электрический сигнал, являющийся функцией времени, параметр оптического сигнала (потока), несущий полезную информацию, должен быть т а к ж е функцией времени. Преобразование потока в функцию времени осуществляется обычно путем периодического изменения прозрачности анализатора или путем последовательного обзора пространства объектов (с помощью сканирования). С этой целью многие оптические анализаторы выполняют в виде растров (диафрагм с периодическим изменением прозрачности). При относительном взаимном перемещении такого растра и изображения излучателя анализ изображения сопровождается модуляцией лучистого потока. Поэтому такие растры анализаторов иногда являются т а к ж е модуляторами. Анализаторы можно классифицировать по тому параметру сигнала, который с их помощью видоизменяется для получения полезной информации. Наиболее распространены амплитудные анализаторы в виде светоделительных блоков и пирамид (двумерные а н а л и з а т о р ы ) , амплитудно-фазовые анализаторы в виде полудиска и
периодических радиально-звездных и линейных растров, фазовые анализаторы в виде узких сканирующих щелей. Конструкции некоторых анализаторов будут описаны в § 4.4. Весьма перспективным представляется создание анализаторов, совмещенных с приемником излучения. В этом случае упрощается оптическая схема прибора, уменьшаются потери энергии, увеличивается помехозащищенность системы. Практически в любом ОЭП присутствует оптический фильтр. Оптическим фильтром принято называть устройство, с л у ж а щ е е для изменения спектрального состава или ослабления проходящего через него лучистого потока. Фильтры, изменяющие спектр излучения, называются спектральными, а фильтры, ослабляющие поток без заметного изменения его спектра, — нейтральными. Р о л ь оптического фильтра в современном О Э П чрезвычайно велика. Фильтр является важнейшим элементом спектральной селекции, позволяющей выделить излучение исследуемого объекта на фоне других излучений. Используя фильтр, мы, с одной стороны, увеличиваем отношение сигнал/шум, но с другой стороны, уменьшаем поток, попадающий на приемник излучения. З а д а ч а конструктора ОЭП состоит в том, чтобы путем правильного выбора фильтра получить максимально возможное отношение сигнал/шум при минимальных потерях полезного сигнала.
4.2. ПЕРЕДАЮЩИЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ОПТИКОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
При работе ОЭП активным методом практически всегда приходится дополнять источник излучения специальной оптической системой, предназначенной, главным образом, д л я пространственного перераспределения потока. Эту систему принято называть передающей, светооптической или осветительной. Необходимость ее использования возникает из-за значительной расходимости излучения большинства источников, что не позволяет свести к минимуму потери потока на пути от излучателя до исследуемого объекта, а затем до приемной оптической системы. В ряде случаев передающая оптическая система необходима для обеспечения условий ка-
чественной модуляции потока непосредственно у источника, для выделения оптимального участка спектра излучения источника до посылки сигнала к объекту и т. п. В состав передающей оптической системы могут входить формирующие пучок оптические звенья (объективы, конденсоры), модуляторы, оптические фильтры. Иногда сам источник конструктивно входит в состав оптической передающей системы (например, оптический квантовый генератор, зеркальные лампы н а к а л и в а н и я ) .
Наиболее часто передающая оптическая система д о л ж н а формировать параллельный или близкий к параллельному пучок. При этом достигается увеличение силы излучения в направлении оси выходящего пучка, что позволяет улучшить энергетические соотношения в системе, например увеличить дальность действия прибора, уменьшить габариты приемной системы. При работе оптико-электронной системы с параллельными пучками стабилизируется положение изображения при изменении расстояния до объекта, исключается ряд нежелательных явлений. Простейшая передающая оптическая система может состоять из источника (излучающего тела, тела н а к а л а лампы и т. д.) и формирующего пучок объектива. Источник располагается вблизи фокуса объектива. На рис. 13 представлена схема такой системы, причем главные плоскости объектива и плоскость выходного зрачка взяты совпадающими. Облученность в плоскости изображения источника d' определяется выражением Е ' = TttoXcL' sin 2 U', (4.1) где То и т с — коэффициенты пропускания оптики и среды соответственно; L'= (п'/п)2Ь-, п и п' — показатели пре-
Ломления оптических сред по обе стороны обьектива; L — яркость источника, имеющего размер d\ sin U'^ ~-Овых/2/'. При круглой форме выходного зрачка (4.1) можно переписать: Е ' = xcx0L' ^
=
±
-
-Ь-,
(4.2)
т. е. такая система эквивалентна точечному источнику с осевой силон излучения / 0 = т 0L'sBUX.
(4.3)
Рис. 14. Схема передающей системы с конденсором.
Формула (4.3) хорошо известна в светотехнике как формула М а н ж е н а — Чиколева. Она оправедлива для больших расстояний, т. е. для / ' > / ' к р . Обычно /'кр= = ( 5 0 — 7 0 ) / ) в ы х . Из этой формулы очевидна целесообразность увеличения площади выходного зрачка системы Явых и яркости источника L. Методы расчета оптических передающих систем подробно изложены в специальной литературе, в частности в [12]. Следует иметь в виду, что в большинстве ОЭП в отличие от проекционных систем размеры проецируемой в пространство объектов диафрагмы весьма невелики. Поэтому в ОЭП часто можно использовать сравнительно несложные конструкции конденсоров и объективов. В общем виде наиболее распространенная оптическая схема передающей части ОЭП при использовании некогерентных источников состоит из конденсора, предназначенного для сбора максимального количества энергии, создаваемой источником, и объектива, формирующего выходной пучок. На рис. 14 приведена одна из типовых подобных схем. В качестве конденсора передающих систем (или их части) иногда используются зеркальные о т р а ж а т е л и с большим углом охвата, достигающим порой 270—300° (при асферической форме отражающей
поверхности). Однако из-за сравнительно небольших апертур объективов достичь малой расходимости выходного пучка лучей в таких системах весьма трудно, так как аберрации здесь из-за большого увеличения велики. Поэтому линзовые конденсаторы, имеющие меньшие углы охвата, позволяют порой создать более направленные пучки, причем потери энергии в конденсаторе компенсируются благодаря уменьшению расходимости выходного пучка, а т а к ж е б л а г о д а р я лучшему согласованию апер-
Рис. 15. Передающая система с ОКГ.
тур конденсора и объектива. (О потерях потока при отсутствии такого согласования см., например, [57].) При использовании в качестве источника излучения О К Г передающая оптическая система необходима для уменьшения или увеличения угла расхождения пучка лучей, выходящих из ОКГ. Иногда она используется для фокусировки этих лучей. Поскольку пучок лучей О К Г не является гомоцентрическим, проектирование передающей оптической системы в этом случае обладает определенной спецификой. Часто выходное отверстие О К Г рассматривают как диафрагму, из которой выходят осевые и наклонные пучки параллельных лучей. Д л я уменьшения угла расхождения этих пучков используются афокальные линзовые, зеркальные и зеркально-линзовые системы [5, 24]. Ч а щ е всего такие системы аналогичны телескопическим системам (рис. 15). Их увеличение равно Г = 2р'/2р, причем 2(5 — угол расхождения лучей О К Г ; 2(5' — угол расхождения лучей на выходе передающей оптической 75
системы. Д и а м е т р пучка лучей на выходе телескопической системы равен
d'=dir, где d — диаметр пучка на выходе ОКГ.
4.3. ЗАВИСИМОСТЬ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ ОТ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
От качества изображения наблюдаемого объекта, например визирной марки, зависят важнейшие параметры и характеристики всего прибора, например дальность действия, точность измерения, помехозащищенность. Д а леко не всегда необходимо стремиться к получению изобр а ж е н и я очень высокого качества, однако всегда следует четко представлять связь качества изображения, создаваемого оптической системой, и в первую очередь объективом, с параметрами оптических элементов. Поскольку некогерентный источник можно рассматривать как совокупность отдельных точечных излучателей, качество изображения, создаваемого оптической системой, можно оценить кружком рассеяния — картиной (или функцией) распределения освещенности в изображении точечного излучателя. Р а з м е р к р у ж к а рассеяния и распределение освещенности в нем определяются дифракцией, являющейся следствием волновой природы света, и аберрациями, т. е. искажениями фронта световой волны, зависящими от геометрических параметров оптических компонентов и от дисперсии оптических материалов. Аберрации могут быть уменьшены до допустимых пределов путем изменения радиусов кривизны и толщины оптических деталей и промежутков между ними путем подбора оптических материалов. В то ж е время дифракция определяется размером диафрагм, ограничивающих световые пучки, и именно она определяет минимально достижимый размер к р у ж к а рассеяния, т. е. качество идеальной безаберрационной оптической системы. Теоретически предельно минимальным диаметром к р у ж к а рассеяния принято считать диаметр центрального яркого пятна в дифракционной картине изображения точки (диска Эри), угловой размер которого для объек76
тива с круглым входным зрачком 2 Д Х = 1,22A/Dbx.
(4.4)
Здесь 2ДХ измеряется в радианах, а длина волны Я и диаметр входного зрачка D B I — в одинаковых единицах. Радиус диска Эри в фокальной плоскости объектива можно найти, умножив его угловой размер Д х на фокусное расстояние объектива. Д л я раздельного восприятия (разрешения) двух точечных объектов в идеальной оптической системе часто считают необходимым, чтобы максимум диска Эри для одного изображения совпадал с первым минимумом (первым темным кольцом) в изображении второго объекта. Тогда минимальный разрешаемый угол между двумя точечными объектами а = 1 , 2 2 X/Djsx,
(4.5)
где единицы измерения такие же, как и в (4.4). Из анализа этой простейшей формулы очевидно преимущество по разрешающей способности оптической угломерной системы перед радиолокационной, так как при сравнимых габаритах, т. е. одинаковых DBX, длина волны X в оптическом диапазоне гораздо меньше. В большинстве практических случаев размер кружка рассеяния определяется аберрациями системы, но не дифракционными явлениями, поэтому очень важно свести значения основных аберраций к минимуму. К этим аберрациям относятся. Монохроматические
аберрации:
1) сферическая аберрация, состоящая в том, что лучи, выходящие из одной точки на оси и проходящие через оптическую систему на различных расстояниях от оси, не собираются вновь в одну точку; 2) кома, з а к л ю ч а ю щ а я с я в том, что изображение точечного объекта, расположенного вне оси, несимметрично; кружок рассеяния приобретает форму кометы; 3) астигматизм, состоящий в том, что внеосевая точка дает изображение в виде двух взаимно перпендикулярных линий, расположенных в различных плоскостях; 4) кривизна поля, з а к л ю ч а ю щ а я с я в том, что изображение плоского объекта л е ж и т на криволинейной поверхности;
5) дисторсия, состоящая в том, что прямые линии, не проходящие через центр поля зрения, изображаются кривыми. Хроматические
аберрации:
1) хроматизм положения, заключающийся в том, что положение изображения точки на оси различно для разных длин волн; 2) хроматизм увеличения, заключающийся в зависимости поперечного размера изображения от длины волны. Д. Д. Максутов [32] приводит следующие формулы аберраций для простых систем: сферическая аберрация — pi = 0,125 kl (DBJf)3; 2 кома — р 2 = 0 , 2 5 £ 2 (£>вх/П Р; астигматизм — р3 = а э — b 3 = k 3 { D B J f ) р2; кривизна поля — р 4 = 0 , 2 5 ki(DBXff') р2; (4.6) дисторсия — А = &5р3; хроматизм положения — рx = £eD B x//'; хроматизм увеличения — Д/ х =& 7 [3, где DBX/f' — относительное отверстие; р — угол поля зрения; ая и ba — оси эллиптического изображения точки; Pi — радиус кружка рассеяния; — коэффициенты аберраций; А — смещение изображения точки от положения, определяемого идеальной оптической системой, вследствие отклонения истинного увеличения от увеличения в идеальной системе; Д/ х —разность размеров изображений одного и того же отрезка объекта для двух лучей различных цветов. Приведенные формулы помогают определить влияние тех или иных аберраций в каждом конкретном случае. Например, в узкопольной системе с малым р в первую очередь обычно нужно устранять сферическую аберрацию, которая при больших значениях относительного отверстия может достигать десятых долей миллиметра. При увеличении диапазона длин волн, в котором работает система, необходимо учитывать изменение показателя преломления п и возникающие в связи с этим хроматические аберрации отдельных компонентов системы. Устранять хроматизм возможно не только обычной коррекцией, заключающейся в совместном использовании элементов с дисперсией различного знака (напри78
мер, ахроматизированные дублеты), но и выбором материала с постоянным значением п в интересующем разработчика диапазоне спектра. Одним из наиболее перспективных путей улучшения качества изображения, т. е. уменьшения аберраций без увеличения общего числа компонентов оптической системы, является применение асферических поверхностей, например параболических. Формулы (4.6) сохраняют свой вид и для систем, образованных асферическими поверхностями, при этом изменяются выражения коэффициентов аберраций. Методы расчета этих коэффициентов и уменьшения аберраций описаны в специальной литературе [42]. Здесь важно отметить, что при использовании асферических поверхностей размер аберрационного к р у ж к а рассеяния пропорционален относительному отверстию и углу поля зрения т а к же, как и в случае сферических поверхностей. В простейших оптических системах (одиночная линза, зеркало) невозможно устранить одновременно все упомянутые виды аберраций. Увеличивая число элементов, т. е. у с л о ж н я я оптическую систему, можно, варьируя большим числом радиусов кривизны, толщин, материалами, уменьшить большее число аберраций. Поэтому оптические системы, дающие хорошее качество изображения, являются достаточно сложными. Д л я оценки качества оптической системы ОЭП часто необходимо знать не только размер к р у ж к а рассеяния, но главное — распределение освещенности в этом кружке. Если это распределение известно, то можно найти передаточную функцию оптической системы. Эта функция описывает изменение контраста в изображении идеальной черно-белой синусоидальной решетки (решетки, яркость которой меняется по синусоидальному закону вдоль одной из осей координат) при изменении частоты решетки, т. е. частоты штрихов. Эта частота, обратная периоду решетки, называется пространственной частотой. Оптическую передаточную функцию называют т а к ж е частотно-контрастной характеристикой ( Ч К Х ) . Закон распределения освещенности в изображении точечного источника и ЧКХ связаны между собой преобразованием Фурье. Использование оптической передаточной функции позволяет применить к оптической системе и электронным звеньям единую теорию.
4.4. ТИПОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
В § 4.1 было кратко рассмотрено назначение отдельных элементов оптической системы ОЭП. Остановимся подробнее на конструктивных особенностях типовых элементов. Объективы. При выборе конструкции объектива на практлке всегда приходится искать оптимальное решение как с точки зрения надежности и стабильности конструкции, улучшения пропускания, т. е. уменьшения потерь потока, так и исходя из требований обеспечения нужного качества изображения. Первые условия приводят к необходимости максимально упрощать систему, уменьшать количество компонентов объектива, но для обеспечения хорошего качества изображения приходится применять достаточно сложные, многокомпонентные системы. Поэтому при выборе конструкции объектива необходимо установить разумный компромисс. Д л я оценки возможностей обеспечения этого компромисса кратко рассмотрим наиболее распространенные схемы объективов оптико-электронных систем. Их можно разделить на три большие группы: линзовые, зеркальные и зеркально-линзовые. Простейшим объективом является одна линза. Основным ее недостатком является плохое качество изображения, т а к как ей присущи все виды аберраций, из которых особенно велики хроматизм и сферическая аберрация. Гораздо лучшего качества изображения в результате устранения хроматизма и уменьшения сферической аберрации и комы позволяют добиться сравнительно простые двухлинзовые склеенные и расклеенные объективы. Их относительное отверстие DBX/f обычно не превышает 1 : 3 при угле поля зрения около 10° и диаметре входного зрачка не более 100—150 мм. Д л я достижения хорошего качества изображения при больших углах поля зрения следует применять более сложные системы (триплеты, многокомпонентные объективы и т. д.), обладающие, правда, худшим пропусканием. Достоинствами линзовых систем являются: возможность хорошей аберрационной коррекции, большие поля зрения, технологическая простота конструкции (проще сборка и юстировка, больше нерасстраиваемость из-за темнературных воздействий и т. п.), возможность совме-
щения функции защитного стекла и первого компонента. В то ж е время линзовым системам присущи такие недостатки, как большое селективное поглощение в ряде участков оптического спектра, сравнительно большие хроматические аберрации, большие продольные габариты. Эти недостатки отсутствуют у зеркальных систем, основными достоинствами которых являются возможность работы в широком спектральном диапазоне с малыми потерями потока, а т а к ж е отсутствие хроматизма и меньшие продольные габариты. Одиночное зеркало часто используется в качестве простейшего объектива, особенно, если оно является параболическим. Довольно широко используются и более сложные зеркальные системы (система Гершеля, з е р к а л ь н а я система Кассегрена и др.) [32], основным недостатком которых является экранирование части приходящего на объектив пучка лучей либо приемником, либо вторичными о т р а ж а т е л я м и (контррефлекторами). Кроме того, д л я большинства зеркальных систем характерна некоторая технологическая усложненность по сравнению с однотипными линзовыми объективами. При использовании зеркальных асферических поверхностей возможно получить хорошее качество изображения для довольно больших относительных отверстий ( 1 : 2 ) при углах поля зрения в несколько градусов. Многие достоинства линзовых и зеркальных систем как бы объединены в зеркально-линзовых системах, где наряду с хорошим пропусканием можно достичь больших относительных отверстий и значительных углов поля зрения. Простейшей зеркально-линзовой системой является зеркало М а н ж е н а — зеркало, у которого отражающий слой помещен на заднюю поверхность. Более сложными являются системы Шмидта (рис. 16,а) и Максутова (рис. 16,6). В системе Шмидта в центре кривизны сферического з е р к а л а помещена асферическая пластина, устраняющая сферическую аберрацию з е р к а л а . В системе Максутова все поверхности являются сферическими, что существенно упрощает ее изготовление. В обеих системах хорошее качество изображения достигается при относительных отверстиях 1 : 1 и углах поля зрения до 25° [32]. В табл. 9 приведены параметры некоторых распространенных на практике объективов. 6—783
81
Конденсоры. В § 4.1 указывалось, что конденсоры в приемных оптических системах О Э П с л у ж а т д л я уменьшения размера чувствительной площадки приемника и устранения влияния неравномерности чувствитель-
Рис. 16. Система Шмидта (а) и Максутова (б).
ности по этой площадке. В [58] приведены формулы д л я расчета важнейших габаритных параметров конденсора. Если в системе без конденсора, где приемник излучения Таблица
9
П-5 Р-109-1А СЖП-2-70-1 Орион-15 Рус cap МР-2 Юпитер-12 Гелиос-44 МТО-500 МТО-ЮОО Таир-11 Триплет Т-43 Индустар-11М1 Индустар-50
120,3 49,93
70,08 27,94 19,71 35,7
58,6 500,7 1000,8 133,2 41,78
301,24 52,4
°вх
V
1 2 1 1,2
1 2 1 6 1 5,6 1 2,8 1 2 1 8 1 10 1 2,8 1 4 1 9 1 3,5
2?. град
14 14 42 75 95
63 40 5 2,5 18 55 45 45
0,9
0,82 0,7 0,8 0,7 0,75 0,81 0,58 0,58 0,8 0,87 —
0,8
ЛИН -•1М f"
в цент- на краю ре поля поля
16 12
4 6 10 4 6 6 6 4 4 4
19
3
227
8
4 4
665 126
90 90 90
40 45 45
45
18 20 18
32
36 35 35 28 28 45 20 38
Масса, г
/ ' , мм
Разрен лающая спосо(5ность, 1
Число лщэ
Тип объектива
Коэффициент пропускания
Параметры некоторых объективов
14 22
22
1430 350 7100 80 95 130
230 1500 3900 560
располагается в фокальной плоскости (рис. 11), размер его чувствительной площадки h определяется фокусным расстоянием объектива f и углом поля зрения 2р, т. е. /i = 2 / ' t g р,
то в схеме с конденсором (рис. 12) этот р а з м е р совпадает с р а з м е р о м выходного з р а ч к а с? вых всей системы. З н а я р а з м е р чувствительного слоя п р и е м н и к а dBЫх, диаметр входного з р а ч к а о б ъ е к т и в а D BX и в ы б и р а я расстояние А м е ж д у ф о к а л ь н о й плоскостью о б ъ е к т и в а и конденсором из конструктивных с о о б р а ж е н и й , н а п р и м е р из условия р а з м е щ е н и я в этом п р о м е ж у т к е оптического а н а л и з а т о р а 1 а , фокусное расстояние конденсора f'„ м о ж но определить из ф о р м у л ы (4.7)
где / ' — фокусное расстояние о б ъ е к т и в а . денсатора
Диаметр
DK = 2 ( / ' + A ) t g ( 3 - f Д О в х / Г
кон(4-8)
Н а п р а к т и к е часто применяется схема с телецентрическим ходом лучей, подробно р а с с м о т р е н н а я в [57]. Д л я этого частного с л у ч а я ^ В ых=-ОвхГк/Г> о т к у д а f'K=f'd™JDBX. Д л я с р а в н и т е л ь н о простых конденсоров ное значение у г л а поля зрения 2pK = 2pD B x/d BH x
(4.9) максималь(4.10)
не п р е в ы ш а е т 45—60°. В в о д более с л о ж н о г о конденсора (трехлинзового и более) приводит к б о л ь ш и м потерям лучистой энергии. П о э т о м у д л я решения з а д а ч , поставленных в н а ч а л е н а с т о я щ е г о п а р а г р а ф а , помимо конденсоров, используются и другие средства, н а п р и м е р иммерсионные системы (иммерсионные п р и е м н и к и ) , волоконно-оптические светопроводы, оптические л о в у ш к и [58]. Оптические а н а л и з а т о р ы . Д л я получения информации о пространственном положении н а б л ю д а е м о г о о б ъ е к т а в приемную оптическую систему О Э П вводятся спец и а л ь н ы е элементы, с л у ж а щ и е д л я а н а л и з а распределения освещенности в плоскости и з о б р а ж е н и й и н а з ы в а е мые а н а л и з а т о р а м и . Р а с с м о т р и м некоторые из них. П у с т ь в поле з р е н и я о б ъ е к т и в а 1 (рис. 17,а) имеются три п р я м о у г о л ь н ы х визирных цели. В плоскости изображ е н и я 2 о б ъ е к т и в а они и з о б р а ж а ю т с я так, к а к это пок а з а н о на рис. 17,6. П р е д п о л о ж и м , что освещенность их одинакова. Тогда, п о м е щ а я перед приемником излучения 3 непрозрачный э к р а н с узкой прозрачной щ е л ь ю 4 и п е р е м е щ а я эту щ е л е в у ю д и а ф р а г м у вдоль оси х с постоянной скоростью v, м о ж н о на входе приемника 6*
83
получить световые импульсы, соответствующие визирным целям. Их форма и расположение на временной оси показаны на рис. 17,е. При постоянстве v временные координаты импульсов ti строго соответствуют их линейным координатам U, т. е. измеряя временную координату или временные промежутки между импульсами, можно найти координаты це-
lA tf
н
+
3
Рис. 17. К объяснению работы анализатора-щели.
лей в поле зрения (по оси л:) или расстояние между ними. Иначе говоря, в такой системе информация о положении визирной цели з а л о ж е н а в фазе соответствующего импульса, отсчитываемой от выбранного нами начала отсчета t= О (/ = 0). Щ е л ь здесь выполняет функции время-импульсного анализатора, способствующего выделению полезной информации. Нетрудно заметить, что из-за неидентичности ориентации среднего изображения и крайних форма и амплитуда среднего импульса отличаются от формы и амплитуды крайних. С помощью щелевого анализатора и довольно несложных электронных устройств можно выделять информацию об ориентации изображения в поле зрения, содержащуюся, например, в амплитуде импульса. Однако по ряду причин такие анализаторы в виде узких щелей, «просматривающих» (сканирующих) поле зрения, используются на практике преимущественно как время-импульсные анализаторы. 84
П р и м е р о м распространенного амплитудного а н а л и з а тора, т. е. а н а л и з а т о р а , п о з в о л я ю щ е г о выделить полезную и н ф о р м а ц и ю , с о д е р ж а щ у ю с я в а м п л и т у д е с и г н а л а , м о ж е т с л у ж и т ь светоделительный блок. Схема простейшего О Э П д л я определения н а п р а в л е н и я на энергетический центр и з л у ч а т е л я , в котором используется т а к о й 11 г г
,0ff-a 15
У
\
Фц'О-
/
X 1
Фа=Ф'
ж
ФятВ в Рис. 18. К блока.
объяснению
работы
б анализатора — светоделительного
а н а л и з а т о р , п р е д с т а в л е н а на рис. 18,а. Изображение прямоугольной визирной м а р к и строится объективом / в ф о к а л ь н о й плоскости, где помещено ребро светоделительного блока п р и з м ы - а н а л и з а т о р а 2. Весь поток Ф делится а н а л и з а т о р о м 2 на две части — Ф а и Фб, попад а ю щ и е на идентичные фотоприемники 3. С и г н а л ы с при85
емников поступают на блок сравнения 4, на выходе которого образуется их разность. Пропорциональный этой разности Ф а - б сигнал с выхода блока сравнения поступает на индикатор 5. Очевидно, что при смещении визирной марки с оптической оси системы ее изображение будет смещаться относительно ребра анализатора (рис. 18,6). Разность потоков Ф а и Фб будет меняться пропорционально этому смещению, т. е. пропорционально угловому рассогласо-
ванию между оптической осью и направлением на энергетический центр марки, до тех пор, пока изображение не перейдет целиком на одну из граней светоделительного блока. При равномерной освещенности изображения зависимость выходного сигнала от входного рассогласования (статическая, или пеленгационная характеристика) имеет вид, представленный на рис. 18,е. Примером анализатора, использующего фазу сигнала для кодирования и выделения полезной информации, является вращающийся полудиск, устанавливаемый в плоскости изображений (рис. 19). При вращении полудиска 1 вокруг оптической оси происходит периодическое изменение амплитуды сигнала, поступающего на приемник излучения 2. При смещении изображения в виде круга с оптической оси, т. е. от центра полудиска, будет меняться амплитуда и форма сигнала (положения /—IV на рис. 20). При изменении фазового угла изобр а ж е н и я ф (угла между начальным положением ф = 0 ребра полудиска и положением ребра при пересечении центра изображения) меняется ф а з а сигнала. На рис. 20 86
фаза сигнала изменилась от Ev2>Evi
EV2 *>i
Evi
A^ri i i *i1*iZ Чъ
Рис. 21. Семейство статических (пеленгационных)
X
характеристик.
сование на входе прибора (Р) — с и г н а л на выходе индикатора рассогласования (а)», можно измерить сдвиг или рассогласование р. М а с ш т а б этого преобразования может быть сделан достаточно большим, т. е. малым значениям р могут соответствовать большие значения а. Основными параметрами компенсатора, з н а я которые можно оценить целесообразность его использования в ОЭП, являются крутизна K=da/dр статической (пеленгационной) характеристики а = / ( Р ) (для линейной зоны этой характеристики ее иногда называют масштабом преобразования), а т а к ж е диапазон линейной статической характеристики. Величины р и а необходимо представлять в одних и тех ж е единицах, например для углоизмерительных приборов в угловых. В табл. 10 даны формулы для вычисления параметров некоторых компенсаторов [18]. В этой таблице и на рис. 22 обозначено: р — угол рассогласования на входе оптической системы, а — угол поворота компенсатора, ДРл — допуск на линейность статической характеристики, f — фокусное расстояние объектива системы, s — шаг винта, п — показатель преломления материала, из которого изготовлен оптический компенсатор, d — толщина
плоскопараллельной пластинки, а — преломляющий угол клина, х — линейное смещение компенсатора, е = Г—1 (Г — видимое увеличение телескопической линзы с фокусным расстоянием f'n), i — угол падения лучей на прел о м л я ю щ у ю грань клина, Др м — методическая погрешность вычисления параметров компенсатора. Приведенные в табл. 10 формулы позволяют рассчитать ошибку, вносимую компенсатором в результат измерения угла р, по минимальному числу параметров. Возможно т а к ж е по заданному значению этой ошибки определить оптимальные с точки зрения точности параметры компенсатора. Эти ж е формулы могут служить для сравнения различных типов компенсаторов.
Рис. 22. Оптико-механические компенсаторы.
X r S 4CN X
-
с | в sA ~
1 1
x с s A За
P о |
X Я
4 Ш
goi? О к Оо в р - 5ass *s ёhs 4 Яга
CO
о с > С S и§ д s £ IV о Й гаJ3 Ф (2 SЭ ч ->> ч а) Ч Ч
СО
81i ьо о V гс-
к ' . ^ Jс к к" Й 0щ а- ки хо я JJ Z §Э ч>>gгака. о С о »=sc= О £ s ^oО вЯ-г s: -г х 5: л 3 3 и Яг ч СЯ С иs с0J яв-О. f- sс=о к < а. cl н я ч о со с« ос 5. S
Оптические фильтры. Оптический фильтр присутствует практически в любом ОЭП. С его помощью осуществляется выделение наблюдаемого излучателя на фоне других, мешающих источников излучения. При этом используется различие в спектрах излучения разных источников. Часто оптический фильтр является средством защиты приемника от чрезмерно больших засветок, разрушающих его чувствительный слой. Основной характеристикой фильтра является его спектральная характеристика — зависимость пропускает длины волны Я проходящего через фильтр излучения. Иногда пропускание фильтра оценивается его оптической плотностью
По виду спектральной характеристики оптические фильтры можно подразделить на полосовые — пропускающие излучение в узкой полосе длин волн; длинноволновые отсекающие — пропускающие излучение с длинами волн, большими заданного предела Лишь коротковолнов ы е — пропускающие излучение с длинами волн, меньшими заданного предельного значения А,МаксВыбор фильтра производится с учетом ряда факторов, важнейшим из которых обычно является стремление подобрать такую кривую х х , при которой с учетом спектра приходящего излучения и спектральной чувствительности приемника, стоящего за фильтром, будет получено максимальное отношение сигнал/помеха. В а ж н о осуществить выбор спектральной характеристики фильтра таким образом, чтобы он не только «отделял» область превышения полезного сигнала над помехой от области преобладания помехи, но и подавлял (ослаблял) спектр излучения помехи. Другими критериями выбора фильтра являются требования к его физико-механическим свойствам, стабильности его характеристик в различных условиях работы. Н е м а л о в а ж н ы м и являются технологичность и стоимость фильтра. Классифицируя оптические фильтры по принципу их работы, можно, в первую очередь, отметить следующие группы: абсорбционные фильтры, интерференционные и поляризационные фильтры, нейтральные фильтры и ослабители. 94
]
•
, * :
{
Все вещества о б л а д а ю т избирательным поглощением в одной или нескольких областях спектра, благодаря чему можно создавать длинноволновые и коротковолновые отсекающие абсорбционные фильтры. Примерами таких фильтров являются фильтры из цветного оптического стекла, окрашенных пластмасс, фильтры из германия, кремния и других оптических материалов. У фильтров этого типа трудно достичь хорошей контрастности и крутизны фронтов спектральной характеристики. Д л я таких фильтров широко применяется просветление. Эти фильтры относительно просты в изготовлении и эксплуатации, характеристики их стабильны, габариты могут изменяться в широких пределах. Интерференционные фильтры. Используя принцип интерференции .света, можно получить фильтр с очень узкой полосой пропускания и высокой контрастностью. Простейший фильтр подобного рода состоит из тонкой пластинки прозрачного диэлектрика (подложки), покрытой с обеих сторон полуотражающими металлическими слоями. Этот фильтр подобен широко известному интерферометру Фабри — Перо. Максимальное пропускание фильтра соответствует длинам волн X, для которых оптическая толщина диэлектрического слоя / кратна Х/2. Из-за потерь в полуотражающих слоях и диэлектрике коэффициент пропускания сильно уменьшается. Пропускание излучения с длиной волны X для простого фильтра можно вычислить по формуле [51]:
Тф
~~ (1 - т„ V ^ Y + 4тр V ^ s l n * ф '
где Ti, Т2 и т р — энергетические коэффициенты пропускания первого и второго полуотражающих слоев и разделяющего их диэлектрического слоя; pi и рг — энергетические коэффициенты отражения металлических слоев со стороны диэлектрика; 2ф = - 4 р У п г - sin5 а* п + ф0 — разность фаз между двумя последовательно интерферирующими лучами; I — толщина подложки из диэлектрика; п — показатель преломления подложки; а* п — угол падения излучения; ч|)0 — фазовый сдвиг при отражении на полупрозрачном слое.
Ширина полосы пропускания интерференционного фильтра может быть уменьшена при увеличении отражающей способности полуотражающего слоя и толщины диэлектрика, но это ведет к уменьшению пропускания Кроме того, возникают побочные полосы пропускания Поэтому простой однослойный интерференционный фильтр заменяется многослойным, где металлические пол у о т р а ж а ю щ и е пленки заменяются несколькими слоями диэлектрических материалов (криолит, сернистый цинк, фтористый магний, германий и др.). Многослойные интерференционные фильтры трудны в расчете и изготовлении, но позволяют получить очень узкие полосы в инфракрасной области (порядка Ю - 3 — Ю - 4 мкм). Иногда интерференционные фильтры работают и на отражение, т. е. с их помощью можно .разделять отраженный и проходящий потоки по длинам волн. Н а р я д у с основной полосой пропускания интерференционный фильтр имеет ряд «паразитных» полос, обычно находящихся в более коротковолновой области. Поэтому целесообразно дополнять интерференционный фильтр отсекающим. Интерференционные фильтры позволяют пропускать довольно широкие световые пучки, причем углы падения лучей на фильтр могут достигать нескольких десятков градусов. Однако при увеличении угла падения свыше нескольких градусов происходит расширение полосы пропускания, ее смещение, а т а к ж е уменьшение максимального пропускания Т м а к с И К О И Т р а С Т Н О С Т И Т М а к с / Т м и н . Характеристики интерференционного фильтра зависят т а к ж е от его температуры. При уменьшении температуры спектральная характеристика фильтра смещается в коротковолновую область, и наоборот, при увеличении температуры — в длинноволновую. Эта зависимость сдвига от температуры в диапазоне ± 6 0 ° С линейна и имеет крутизну (1—3)-10~ 5 мкм/°С. Стабильность характеристик интерференционных фильтров во времени зависит от технологии их изготовления и материалов слоев фильтра. Д л я ряда материалов она достаточно высока [51]. Поляризационные фильтры. Д л я получения очень узкой полосы пропускания (в несколько ангстрем) стали применяться поляризационные (интерференционно-поляризационные) фильтры. Основным элементом таких фильтров является поляризатор, который служит для
пропускания поляризованного излучения через материал, обладающий двойным лучепреломлением и расщепляющий излучение на обыкновенные и необыкновенные лучи. Эти лучи проходят через материал со скоростями, определяемыми соответствующими показателями преломления. Плоскости их поляризации взаимно перпендикулярны, а фазовый сдвиг зависит от скорости распространения луча и толщины материала. Выходящие лучи затем соединяются во втором поляризаторе, и интенсивность пучка на выходе зависит от фазового сдвига между ними. Интерференция дает ослабление, если фазовый сдвиг равен нечетному числу полуволн, и усиление, если он равен четному числу полуволн излучения. Нейтральные фильтры и ослабители. Очень часто требуется уменьшить лучистый поток или разделить его на части, не изменяя спектрального состава. Д л я этих целей с л у ж а т так называемые нейтральные фильтры (светоделители) и ослабители. Наиболее распространенными являются фильтры, в которых используются тонкие пленки хрома, платины, никеля, п а л л а д и я и титана. В области от 0,4 до 1,2 мкм все эти материалы, нанесенные на подложку из стекла, обеспечивают коэффициент пропускания 15—25%. Наилучшими характеристиками в отношении постоянства спектрального коэффициента пропускания о б л а д а ю т платина и титан.
5. ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ОПТИКОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ 5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
Устройство (элемент), предназначаемое для преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию, называется приемником излучения. Иногда к приемникам относятся т а к ж е устройства, преобразующие инфракрасное или ультрафиолетовое излучение в видимое, например электронно-оптические преобразователи, эвапорографы, специальные фотопленки. Приемник излучения является важнейшим элементом любого ОЭП. Именно он осуществляет связь между оптической и электрической частями прибора; в нем происходят 7—783
97
основные физические процессы превращения энергии. В большинстве современных ОЭП приемник определяет требования ко всей системе, т. е. в основе конструирования прибора часто л е ж и т выбор приемника излучения. Приемники излучения можно разделить на две большие группы: фотоэлектрические (фотонные, или селективные) и тепловые (неселективные). Принцип действия фотоэлектрических приемников основан на непосредственном изменении их электрических свойств под воздействием излучения. Типичным фотонным приемником излучения является фотоэмиссионный элемент, основанный на явлении внешнего фотоэффекта, при котором электроны вырываются с поверхности чувствительного слоя при его освещении. Свободные электроны могут т а к ж е появиться в твердом теле при поглощении квантов излучения. Это явление называется внутренним фотоэффектом и проявляется, например, в увеличении электропроводности твердого тела (так н а з ы в а е м а я фотопроводимость), что используется в фоторезисторах, в возникновении фото-э. д. с. в области р—я-перехода, образованного определенными веществами, при его освещении, что используется в работе фотодиодов и фототранзисторов. Если ж е носители тока разделяются под действием внешнего магнитного поля, то такие приемники относятся к фотомагнитоэлектрическим. Тепловые приемники излучения т а к ж е можно подразделить на ряд групп. Так, приемники, в которых используется термоэлектрический эффект, отличаются от приемников, в которых используется изменение сопротивления чувствительного элемента при изменении температуры. Первые обычно называются просто термоэлементами, вторые — болометрами. Существуют приемники, в которых используется расширение объема газа при повышении температуры под действием падающего излучения (оптико-акустические приемники). В последнее время находят практическое применение тепловые диэлектрические приемники, использующие зависимость диэлектрической постоянной вещества от температуры, а т а к ж е пироэлектрические приемники, по сути дела, являющиеся разновидностью диэлектрических. В пироэлектрических приемниках на поверхности пластины сегнетодиэлектрика при механических деформациях, происходящих из-за неравномерного нагрева приемника под действием облучения, появляются электрические заряды.
Существует т а к ж е классификация приемников по следующим признакам: — по области спектральной чувствительности — приемники, работающие в ультрафиолетовой области спектра (до 0,4 мкм), в видимой (от 0,4 до 0,76 м к м ) , ближней и средней инфракрасной областях (от 1,5 до 20 мкм) и в длинноволновой области спектра (свыше 20 м к м ) ; — по рабочей температуре чувствительного слоя — неохлаждаемые приемники (работающие при температуре около 300 К ) , о х л а ж д а е м ы е (Г = 78—195 К) и глубокоохлаждаемые ( Т < 2 0 К). Возможно провести классификацию по конструктивному признаку (одноплощадочные и многоплощадочные, мозаичные приемники). В отдельную группу иногда выделяют позиционно-чувствительные приемники, сигнал на выходе которых изменяется в зависимости от места падения потока на чувствительный слой приемника. К ним относятся, например, инверсионные, разрезные, многоилощадочные приемники, приемники с радиальнотянущим полем, а иногда и передающие телевизионные трубки. Большинство из них будет рассмотрено в данной главе. 5.2. ПАРАМЕТРЫ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
Чувствительность. В общем случае чувствительность определяется реакцией приемника на единицу входного сигнала. Интегральная чувствительность определяется отношением изменения одного из параметров собственно приемника к вызвавшему это изменение воздействию (потоку или облученности). Это определение действительно к а к в случае линейной зависимости между входным и выходным сигналами, так и в случае, когда эта зависимость нелинейна. При этом интегральная чувствительность определяется как отношение малых приращений выходного и входного сигналов. В тех случаях, когда рассматривается реакция приемника на монохроматическое излучение, говорят о монохроматической чувствительности. В зависимости от типа приемника реакция его на воздействие излучения может быть различной. Д л я фотоэмиссионных приемников мерой реакции является фототок, и выражение для интегральной чувствительности 7*
99
имеет следующий вид: s = Д»/ДФе [А-Вт"Ч, s = Д1/ДФ0 [А-лм - 1 ] или s—Ai/AEv
[А-лк - 1 ].
(5.1)
Д л я фоторезисторов интегральная чувствительность равна отношению величины относительного изменения сопротивления приемника к изменению его облученности: (5.2) Часто интегральная чувствительность характеризуется отношением числа квантов, вызвавших фотоэффект, к общему числу квантов излучения, попавших на чувствительную площадку приемника. Это отношение принято называть квантовой эффективностью или квантовым выходом. Н а практике часто пользуются понятиями «чувствительность по напряжению» или «чувствительность по току» (вольтовая или токовая ч у в с т в и т е л ь н о с т ь ) — п а р а метрами, которые характеризуют чувствительность приемника применительно к реальной схеме его включения. Отношение амплитуды эффективного напряжения, снимаемого с приемника при оптимальном режиме его питания, к амплитуде синусоидально-модулированного лучистого потока называется вольтовой чувствительностью, или чувствительностью по напряжению: su = Аи/АФе [В - В т - 1 ] или s u = Ды/ДФ0 [В-лм~>].
(5.3)
Синусоидальная модуляция лучистого потока необходима из-за того, что выходной сигнал Ди при одном и том ж е значении амплитуды ДФ может довольно значительно изменяться в зависимости от вида модуляции потока. Вольтовая чувствительность зависит не только от свойств самого приемника, но и от схемы, в которую он включен. Схема этого включения для различных приемников неодинакова, поэтому связь между интегральной и вольтовой чувствительностью зависит от типа приемника. В том случае, когда на выходе цепи приемника измеряется ток, а не напряжение, приемник характеризуется чувствительностью по току sf. s , = Д//ДФ е [А • Вт - 1 ] или Si = Дг/ДФ„ [А • лм - 1 ].
(5.4)
Иногда приемник включают в цепь постоянного тока, а не переменного. Тогда данное выше определение теряет смысл из-за отсутствия модуляции сигнала. В таких случаях принято определять токовую (или вольтовую) чувствительность как отношение приращения сигнала (тока или напряжения) к вызвавшему его приращению лучистого или светового потока. Поскольку сигнал на выходе цепи включения для некоторых типов приемников может зависеть от напряжения питания (например, у фоторезисторов и фотодиодов), иногда вводят понятие «удельная чувствительность» s 0 , которая представляет собой вольтовую или токовую чувствительность, отнесенную к одному вольту питающего напряжения, т. е. М 1 Ди 1 /с с\ (5 5) мП^Т и л и = Шумы приемника (уровень шума, среднее квадратическое значение шума). Помимо полезного регулярного сигнала, на выходе приемника всегда имеет место хаотический сигнал со случайными амплитудой и частотой — шум приемника излучения. Источники шума могут быть как внутренними, так и внешними но отношению к приемнику и прибору в целом. Шум не позволяет регистрировать сколь угодно малые сигналы, которые становятся незаметными на его фоне, т. е. ограничивает предельные возможности прибора. По этой причине разработчики ОЭП стремятся свести шум к минимуму, и он часто определяется шумом приемника излучения. В рационально сконструированном ОЭП чувствительность к малым входным сигналам определяется только уровнем собственных шумов приемника. Поскольку шумы, или флуктуации, являются случайными процессами, их принято обычно описывать такими числовыми характеристиками, как математическое ожидание (средний уровень шума) и среднее квадратическое значение К м 2 ш или дисперсия и2ш. Распределение мощности шума по спектру часто определяется спектральной плотностью шума — дисперсией, приходящейся на единицу полосы частот. Основными видами шумов для приемников излучения являются следующие. Тепловой шум вызывается хаотическим тепловым движением свободных электронов. Дисперсия его в полосе частот Д/ опреде-
ляется по формуле и^- — 4kTR&f,
(5.G)
где k = 1,38-Ю - 2 3 Д ж ' К - 1 — постоянная Больцмана; Т — температура приемника; R — его сопротивление. Дробовой шум определяется тем, что электрический ток является потоком дискретных частиц и зависит от их числа, которое флуктуирует во времени. Протекая по нагрузочному сопротивлению RB, ЭТОТ флуктуирующий ток создает напряжение, дисперсия которого ^\ n ~7 P = 2ei 0 R 2 H Af, (5.7) где е — заряд электрона; io — среднее значение тока; Д/ — полоса частот. Несколько видов шумов часто объединяют единым термином токовый шум (1//-шум, избыточный шум). Составляющими его являются генерационно-рекомбинационный, модуляционный и контактный шум [43]. На практике часто принимают следующее выражение для токового шума
й ^ - ATi*R*hfjf,
(5.8)
где /4т — численная постоянная, значение которой определяется для каждого типа приемника, например для фоторезисторов типа PbS Л 1 = 1 0 - 1 1 — ю - 1 2 . Радиационный (фотонный) шум определяется флуктуациями сигнала, попадающего на приемник, т. е. флуктуациями числа фотонов, приходящих на чувствительный слой как от внешних излучателей (цель, фон), так и от элементов самого приемника. Кроме того, в тепловых приемниках появляются флуктуации температуры из-за непостоянства процесса теплообмена между чувствительной площадкой и окружающей средой. Последние часто называют тепловыми флуктуациями. Флуктуации мощности излучения, поступающего от фона — черного тела с температурой Тф на приемник площадью q для полосы частот Д/ описываются выражением вида ДФ г и = 8егЛ7'«ф09Д/,
(5.9)
где Вт — излучательпая (поглощательная) способность чувствительного слоя приемника; а — постоянная Стефана — Больцмана. Поскольку приемник является, в свою очередь, излучателем с температурой Г пи , то флуктуации «уходящего» от него потока описываются выражением Д Ф > = 8 е 7kT'm,qbf. Общая флуктуация, шума, равна
определяющая
(5.10) дисперсию
ДФ*р = 8 « т А в ? Д / ( Г » ф + 7 , % ) .
радиационного (5.11)
Спектр этого шума является равномерным (белым). Поскольку радиационный шум в значительной степени зависит от параметров источника излучения и условий работы приемника, он определяет предел пороговой чувствительности приемников излучения. Часто за идеальный приемник принимают тот, у которого все шумы незначительны по сравнению с радиационным.
Если отдельные виды шумов некоррелированы, то случайные флуктуации вызовут шум, дисперсия которого
« ^ S ^ ^ m
+ S ^ V
(5Л2)
Порог чувствительности (пороговая чувствительность). М и н и м а л ь н ы й лучистый поток, который вызывает на выходе приемника сигнал, н а х о д я щ и й с я в з а д а н ном отношении т к сигналу шумов (среднему к в а д р а т и ческому значению ш у м а ) , н а з ы в а е т с я порогом чувствительности: Ф n — m V u^n/su [Вт] или Ф„ = т | / V^fsi [Вт].
(5.13)
И н о г д а пороговую чувствительность приемника характеризуют не значением лучистого или светового потока, эквивалентного ш у м а м , а величиной эквивалентной ш у м а м облученности чувствительного слоя Еп. На практике Фп или Еа часто определяют, измеряя уровень шумов в схеме включения приемника иш = Yu*ш и выходной сигнал Ди, заметно превышающий иш и соответствующий потоку ДФ или облученности ДЕ. Действительно, п о д с т а в л я я в (5.13) в ы р а ж е н и е (5.3), получаем Фп
Ди
или
Еп
п
=пХ^-АЕ. Ли
Поскольку шум зависит от ширины полосы частот Д/, в которой он измеряется, то и порог чувствительности зависит от А/. Д л я более удобного сравнения различных приемников принято порог чувствительности определять к а к минимальное эффективное значение потока синусоидально-модулированного излучения с з а д а н ным спектральным распределением, взятое по отношению к единице эффективной полосы пропускания Af 8 , т. е. шум берется приведенным к виду ы 2 ш / Д / э = « 2 ш о и порог чувствительности определяется в ы р а ж е н и е м Ф„ = т
y W Z j S u [Вт-Гц-,/2].
(5.14)
Обнаружительной (детектирующей) способностью принято н а з ы в а т ь обратную Ф п величину, т. е. D—1 / Ф п [ В т - 1 - Г ц ' / 2 ] , которую н а з ы в а ю т способностью к о б н а р у ж е н и ю гистрирующая способность, detectivity).
D
(5.15) (ре-
Неоднозначность этой х а р а к т е р и с т и к и д л я различных конструкций одного и того ж е типа приемника все ж е сохраняется, если учесть, что д л я р а з л и ч н ы х п л о щ а д е й чувствительного с л о я п а р а м е т р ы su и и2ш непостоянны. Поэтому более удобно пользоваться нормированной, или удельной, о б н а р у ж и т е л ь н о й способностью D * D* — su Y ^ f l
m
(5.16)
П о р о г чувствительности приемника д л я полосы пропускания А/ и р а з м е р а чувствительной п л о щ а д к и q определяется как Фn = V W l D * .
(5.17)
Следует у к а з а т ь , что все перечисленные п а р а м е т р ы о п р е д е л я ю т с я по отношению к и з л у ч а т е л ю с одной и той ж е температурой и при постоянной т е м п е р а т у р е чувствительного с л о я приемника. Ч а с т о измерение Ф ш D и D* проводится по отношению к монохроматическому излучению, при этом вводится индекс, о б о з н а ч а ю щ и й д л и н у волны, н а п р и м е р D
\-
Если поток поступает на приемник в виде импульсов со с к в а ж н о с т ь ю более двух, т. е. импульс з а н и м а е т широкий спектр частот, ц е л е с о о б р а з н о воспользоваться понятием «пороговой чувствительности по энергии»: D9--=umJQV^», г
(5.18)
Д е "пик ~ пиковое значение выходного сигнала; Q — энер-
гия входного сигнала; \ / и ? ш — уровень шума на выходе. Постоянная времени. П р о м е ж у т о к времени от начал а облучения приемника до момента, когда в ы х о д н а я величина достигает 63% установившегося з н а ч е н и я при д л и т е л ь н о м облучении, н а з ы в а е т с я постоянной времени приемника т п и . П о с т о я н н а я времени к а к п а р а м е т р опред е л я е т м а к с и м а л ь н о в о з м о ж н у ю частоту модуляции потока, п а д а ю щ е г о на приемник, а т а к ж е в о з м о ж н о с т ь применения данного приемника в схемах быстродействующей а п п а р а т у р ы . Р а з б р о с т п и д л я р а з л и ч н ы х обр а з ц о в одного типа приемника не п р е в ы ш а е т обычно 5-10%.
Коэффициент использования (спектральный к. п. д. приемника). Эффективность приема излучения черного 104
тела может быть оценена с помощью величины, называемой коэффициентом использования: J sxMxd\
jj
о
о
? =
sxMy
'
(5.19)
Mxd\
где s x — относительная спектральная чувствительность приемника; М г — с п е к т р а л ь н а я интенсивность плотности излучения черного тела, имеющего температуру Т; а — постоянная Стефана — Больцмана. Введение этого параметра объясняется тем, что с изменением температуры излучателя, по которому работают приемники, происходит не только количественное изменение лучистого потока, но и изменение его спектрального распределения, что при неизменной спектральной чувствительности приемника приводит к изменению выходного сигнала. Сопротивление приемника. Этот параметр особенно важен при выборе или расчете цепи включения приемника излучения. З н а я его, можно выбрать оптимальное сопротивление нагрузки приемника. Д л я различных типов приемников принято использовать различные параметры, с помощью которых можно оценить сопротивление чувствительного элемента. Например, для фоторезисторов в качестве параметра рассматривается темновое сопротивление R T — сопротивление фотослоя при отсутствии облучения приемника. Д л я фотодиодов обычно приводят значение динамического сопротивления /?д, которое равно отношению изменения напряжения сигнала к изменению фототока при заданной облученности приемника. Сопротивление приемника является весьма важным параметром, влияющим на свойства как самого приемника, так и цепи его включения. Действительно, от этого сопротивления зависит постоянная времени приемника, а т а к ж е уровень его шумов. Д л я некоторых типов фоторезисторов в качестве параметра используется кратность изменения сопротивлен и я — отношение темнового сопротивления к сопротивлению при освещенности 200 лк и температуре 2 0 ± 5 ° С .
Температура чувствительного слоя. К а к следует из приведенных выше выражений для ряда составляющих шума, уменьшение температуры чувствительного слоя ведет к заметному улучшению пороговой чувствительности приемника. При охлаждении заметно расширяется спектральный диапазон чувствительности фотоэлектрических приемников, причем максимум спектральной характеристики смещается обычно (но не всегда) в область больших длин волн. Можно отметить, что у ряда приемников, особенно у фоторезисторов, с уменьшением температуры увеличиваются сопротивление чувствительного слоя и постоянная времени. По рабочей температуре приемники подразделяются на четыре группы: 1) приемники, работающие без охлаждения, 2) приемники, о х л а ж д а е м ы е до температуры возгонки двуокиси углерода (сухого льда) (Т = = 1 9 5 К ) ; 3) приемники, о х л а ж д а е м ы е до точки кипения жидкого азота (Т=78 К ) ; 4) глубокоохлаждаемые приемники ( Г = 4 — 2 7 К ) . Параметры конструкции. Д л я оценки конструктивных особенностей приемника при работе его в составе ОЭП необходимо знать такие его параметры, к а к площадь и конфигурация чувствительного слоя, оптические свойства (коэффициенты преломления и отражения, апертурный угол), напряжение питания, температура чувствительного слоя и ряд других параметров, описывающих его механические, температурные, динамические свойства. 5.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
Спектральная характеристика. Из-за избирательности поглощения лучистой энергии большинством приемников чувствительность (интегральная, вольтовая, токовая, пороговая) к монохроматическому излучению меняется с изменением длины волны падающего потока. Эту чувствительность принято называть спектральной чувствительностью, а зависимость ее от длины волны падающего на приемник монохроматического лучистого потока — спектральной характеристикой чувствительности. На рис. 23 приведены спектральные характеристики ряда приемников. Частотная характеристика. В зависимости от частоты модуляции лучистого потока, приходящего на прием106
ник, м о ж е т изменяться его чувствительность (интег р а л ь н а я , в о л ь т о в а я или п о р о г о в а я ) . Эта функциональн а я зависимость н а з ы в а е т с я частотной х а р а к т е р и с т и кой. Ч а с т о т н а я х а р а к т е р и с т и к а теснейшим о б р а з о м связ а н а с постоянной времени приемника т п и . М а к с и м а л ь н о д о п у с т и м а я частота м о д у л я ц и и f M зависит именно от величины Тпи. Эту частоту о п р е д е л я ю т по-разному, в за-
Рис. 23. Спектральные характеристики некоторых приемников излучения: / — кремниевый фотодиод; 2 — германиевый фотодиод; 3 — г л у б о к о о х л а ж д а е мый фоторезистор Ge : Au; 4 — н е о х л а ж д а е м ы й фоторезистор PbS 293 ; 5 — о х л а ж д а е м ы й фоторезистор PbS 7 8 ; 6 — о х л а ж д а е м ы й фоторезистор PbSe 7 8 ; 7 — охлаждаемый фоторезистор РЬТе 78 ; 8 — охлаждаемый фоторезистор InSb 7 8 .
висимости от допуска на падение чувствительности s. Так, при s ( f M ) = 0 , 1 6 s ( 0 ) / М =1/Тпи, а при s ( f M ) = = 0 , 7 I s ( 0 ) /м=1/2я15пи. Ч а с т о принимают f M = l / 3 w Энергетическая ( с в е т о в а я ) х а р а к т е р и с т и к а . Энергет и ч е с к а я х а р а к т е р и с т и к а s=f(Ee) или s=/(CD e ) выр а ж а е т з а в и с и м о с т ь чувствительности приемника от его облученности. С е л е к т и в н ы е приемники излучения с увеличением потока, п а д а ю щ е г о на них, ведут себя подобно г л а з у — их чувствительность резко п а д а е т с увеличением облученности (рис. 24). П р и этом шум изменяется в значительно меньшей степени, в р е з у л ь т а т е чего порог чувствительности ухудшается.
Вольтовые характеристики. Важными зависимостями являются вольтовые характеристики, которые в ы р а ж а ю т зависимость таких параметров приемников, как интегральная, вольтовая и пороговая чувствительность, а т а к ж е уровня шума от питающего напряжения. Вольтовая чувствительность с увеличением напряжения питания увеличивается, но увеличивается т а к ж е и напряжение шумов приемника. Поэтому питающее напряжение должно быть подобрано так, чтобы создать Si,MA-m
1
Рис. 24. Энергетическая характеристика фоторезистора.
Рис. 25. Типичный спектр мощности шума приемника.
оптимальные условия включения приемника в измерительную цепь, например обеспечить максимальное отношение сигнал/шум. Спектр мощности шума. Одной из наиболее важных характеристик является спектр мощности шума (спектр плотности мощности ш у м а ) — з а в и с и м о с т ь , описывающ а я распределение дисперсии шума по частотам. Типичная зависимость такого рода для полупроводниковых приемников приведена на рис. 25. В области так называемого избыточного шума, обусловленного, главным образом, контактными явлениями и флуктуациями скорости рекомбинации носителей (от / = 0 до /1), спектр шума подчиняется закону 1 / / \ причем Обычно граница этой области fi лежит в пределах до 1000 Гц. В области / 1 — f 2 , где имеет место практически равномерное распределение, основную роль играет генерационно-рекомбинационный шум, а в области свыше f2 (де-
сятки килогерц и выше) преобладающим является тепловой шум. З н а я подобные характеристики для конкретных приемников, можно выбрать частоту модуляции сигнала и полосу пропускания системы так, чтобы по возможности уменьшить влияние собственных шумов приемника на чувствительность прибора. С точки зрения уменьшения уровня шума, определяемого в полосе А/ как fo-Hf/2
и»ш = 0 * 4 f =
Г
?Ш
(М,
(5.20)
fo-Af/2
целесообразно увеличивать рабочую частоту модуляции /о и уменьшать полосу пропускания Af системы. Температурные характеристики. Это зависимости, указывающие, к а к изменяются различные параметры приемника (например, сопротивление чувствительного слоя, шумы, чувствительность) при изменении температуры его чувствительного слоя. Некоторые другие характеристики приемников лучистой энергии. К ним, в первую очередь, следует отнести фоновые характеристики — зависимость параметров приемника от облученности, создаваемой равномерным излучающим фоном на их чувствительной площадке при заданной величине полезного сигнала. Важными характеристиками конструкции являются зависимости параметров приемника от механических, радиационных, климатических и других воздействий. Д л я некоторых типов приемников (особенно фоторезисторов) важны временные характеристики, описывающие стабильность их параметров во времени. С точки зрения согласования приемника с оптической системой очень важны характеристики, описывающие распределение чувствительности по площадке приемника (зонные характеристики), а также зависимости, определяющие изменение чувствительности при изменении угла падения потока на чувствительный слой приемника. Таким образом, в зависимости от типа и назначения приемника разработчику часто приходится анализировать довольно большое число его характеристик, а иногда и самому определять их. В связи с зависимостью параметров и характеристик приемников от большого числа параметров внешней среды и условий, в которых происходит регистрация лучистого потока, необходимо четко оговорить некоторые
стандартные (нормальные) условия, в которых следует проводить их измерения. Так как различные типы приемников могут резко отличаться по ряду параметров и характеристик, например по области спектральной чувствительности, по инерционности (постоянной времени), по сопротивлению, невозможно ограничиться для всех приемников одними и теми ж е условиями. Приемники, работающие в средней части инфракрасного спектра, т. е. от 1,5 до 20 мкм (обычно это охлаждаемые приемники), калибруют по черному телу с температурой Т — 3 7 3 К- Н е о х л а ж д а е м ы е фоторезисторы, работающие в первом, а иногда и во втором атмосферных окнах, калибруют по черному телу с температурой Т — 5 7 3 К- П а р а м е т р ы приемников, работающих в видимом диапазоне, определяют по л а м п е накаливания — источнику «А» с цветовой температурой вольфрамовой нити Г ц = 2 8 5 0 К. В зависимости от инерционности приемников и спектра шумов различаются частоты модуляции и полосы пропускания при определении паспортных параметров. Чувствительность многих фоторезисторов определяется при частотах модуляции в несколько сотен герц (400 и 500 Гц) и полосе пропускания измерительной установки в несколько десятков герц. Весьма инерционные тепловые приемники калибруются при частотах модуляции лучистого потока в несколько герц, а малоинерционные фотоэмиссионные и другие приемники — при частотах 900—1000 Гц. 5.4. ПЕРЕСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПРИЕМНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ
В реальных условиях работы оптико-электронного прибора приемник излучения принимает поток, к а к правило, отличающийся по своему спектральному составу от потока, который он принимает при определении его параметров, например, чувствительности, т. е. при калибровке. Ч а щ е всего это происходит из-за того, что температура излучателя, по которому работает ОЭП, отличается от температуры источника, по которому калибруется приемник. В ряде случаев приемник, откалиброванный по отношению к излучению со сплошным спектром (например, по отношению к излучению черного т е л а ) , работает с монохроматическим потоком (например, потоком, приходящим от оптического квантового 110
генератора). Поэтому в к а ж д о м таком случае параметры приемника д о л ж н ы быть пересчитаны д л я новых условий. Рассмотрим характерный пример пересчета чувствительности приемника. Пусть имеется приемник с чувствительностью su 1 к излучению со спектральной характеристикой ФХ1. Требуется определить его чувствительность su2 к излучению источника, описываемому функцией ФХ2, т. е., например, к излучателю с другой температурой. При измерении чувствительности sul работа происходит в среде со спектральным пропусканием тХ1 в диапазоне Я1 — Я», а при работе по излучателю, свойства кото рого описываются функцией Ф )2 , — в среде с пропусканием тХ2 в диапазоне Я» — Я4, причем х х2 может учитывать и пропускание оптики прибора. Выражение д л я чувствительности приемника в общем виде можно записать как xxsx®xdA jл т
где Фх — функция, описывающая распределение потока пришедшего на приемник в диапазоне Я т — Я,„ по спектру длин волн; х, — спектральный коэффициент пропускания среды; s x — относительная спектральная чувствительность приемника; s l 2 — абсолютное значение спектральной чувст. вительности в максимуме спектральной характеристики приемника. Если как в случае калибровки приемника, так и при его работе в реальных условиях, рабочая точка энергетической характеристики для монохроматического потока л е ж и т в линейной зоне, т. е. sXm1 = а Ы 2 = sXm, то очевидно
s
« i — SXM . >.,
х. j" «ХхХ2ФХ2 SU2
S
J
Хм Xj
X.
J S
J
XM==,S('1 х г
= 5
«
2
х Х2 Ф Х2