Конденсоры

Многолинзовые объективы

Однолинзовый объектив имеет практически все виды аберраций, из которых особенно велики хроматизм и сферическая аберрация, поэтому основным его недостатком является плохое качество изображения. Гораздо лучшего качества можно добиться, используя простые двухлинзовые объективы.

К двухлинзовым объективам относится ахроматическая линза (рисунок 15а), состоящая из двух линз – собирающей и рассеивающей, склеенных вместе. Собирающая линза расположена со стороны объекта съемки, а диафрагма размещена впереди объектива. Диафрагма является входным зрачком системы и действующей диафрагмой, а оправа линзы – входным окном и диафрагмой поля зрения. В таком объективе устранена хроматическая аберрация положения изображения, частично исправлены сферическая аберрация и кома; дисторсия и астигматизм не исправлены. Лучшим двухлинзовым объективом является «перископ» (от греческого: смотрю кругом, осматриваю), состоящий из двух симметричных менисков с диафрагмой, расположенной между линзами (рисунок 15б).

а	б
а – ахроматическая линза, б – перископ Рисунок 15 – Примеры двухлинзовых объективов

Для достижения хорошего качества изображения при больших углах поля зрения применяют более сложные системы, которые, как правило, представляют собой комбинацию собирающих и рассеивающих линз. На рисунке 16 показан триплет – простейший анастигмат, т.е. объектив, в котором выполнена достаточно основательная коррекция практически всех аберраций, включая астигматизм и кривизну поля. Функция коррекции в таком объективе, в основном, возложена на рассеивающую линзу.

Рисунок 16 – Пример многолинзового объектива

Использование многолинзовых объективов позволяет избавиться от аберраций в оптических системах. При этом полностью устранить аберрации невозможно. Их доводят до минимально возможных значений, обусловленных техническими требованиями и ценой изготовления системы. Иногда, также, минимизируют одни аберрации за счёт увеличения других.

Поток излучения, собранный объективом, непосредственно им же может быть направлен на приемник излучения. Простейшим случаем является расположение чувствительного слоя приемника в фокальной плоскости объектива или в непосредственной близости от нее (рисунок 17). В этом случае размер приемника l зависит от фокусного расстояния f' объектива и его углового поля 2ω:

l ≈ 2f'tgω.

Однако такая простая оптическая схема имеет ряд недостатков. Во-первых, размер приемника может быть слишком большим, что увеличивает его пороговый поток (при увеличении площади чувствительного слоя возрастают шумы приемника); во-вторых, при изменении угла падения лучей на входной зрачок изображение удаленного источника, имеющее малый размер, будет переходить с одного участка чувствительного слоя приемника на другой, а при этом за счет неравномерности чувствительности по площади возникает неконтролируемое изменение выходного сигнала – так называемый шум из-за неравномерности чувствительности по слою. В-третьих, в ряде случаев в фокальной плоскости объектива необходимо располагать не чувствительный слой приемника, а устройство, анализирующее закон распределения освещенности в изображении. При этом приходится отодвигать приемник, что ведет к крайне нежелательному увеличению площади его чувствительного слоя. Иногда необходимо уменьшить влияние перемещения изображения вдоль оси системы (при взаимном сближении или удалении объектива и источника), что довольно трудно получить в системе, представленной на рисунке 17.

Для устранения перечисленных вредных явлений, т.е. для увеличения на выходе приемника отношения сигнал-шум, используют специальные оптические элементы, трансформирующие световой пучок после объектива – конденсоры. Их основное назначение – уменьшать размер чувствительного слоя приемника и устранять влияние неравномерности чувствительности по площадке.

Рисунок 17 – Простейшая приемная оптическая система ОЭП

Рисунок 18 – Приемная оптическая система с конденсором

Общая схема оптической системы (в тонких компонентах) с конденсором представлена на рисунке 18. 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, оправа которого размером l_a, является полевой диафрагмой. Очевидно, что расстояние Δ между плоскостью анализа (плоскость, в которой строится и анализируется изображение) и главной плоскостью конденсора не может быть отрицательным, так как в последнем случае нельзя осуществить анализ изображения в фокальной плоскости объектива. Фокусное расстояние конденсора f'_к по абсолютной величине может быть больше, меньше или равно Δ. Целесообразно иметь f'_к ≤ Δ, так как при f'_к > Δ пучок на выходе конденсора расширяется, что противоречит самому смыслу применения конденсора. При f'_к = Δ ход лучей в системе телецентрический (телескопическая система).

Используя принятые на рисунке 18 обозначения и применяя формулу отрезков 1/s' - 1/s = 1/f'_к, найдем положение выходного зрачка на оси:

s' = sf'_к / (s+f'_к), где s = –(f'+Δ).

Для системы, находящейся в воздухе, диаметр выходного зрачка

, (6)

а диаметр конденсора

. (7)

Из анализа (6) следует, что для уменьшения размера чувствительного слоя приемника, располагаемого в плоскости выходного зрачка, т.е. для уменьшения D', необходимо увеличивать Δ и уменьшать f'_к. Однако это невыгодно на практике, так как с увеличением Δ растет диаметр конденсора D_к что следует из формулы (7), т.е. увеличивается относительное отверстие конденсора D_к / f'_к. Кроме того, увеличиваются продольные размеры системы.

Предельным случаем является тот, когда Δ = 0. Такой конденсор часто называют коллективом. При использовании коллектива растр анализатора уже невозможно поместить в фокальной плоскости объектива. Для коллектива D_к = 2f'_кtgω, а диаметр выходного зрачка системы

.

При D_к >> 2f'_кtgω размер площади приемника

, (8)

где K_к = f'_к / D_к – диафрагменное число конденсора. Если нет коллектива (рисунок 18),

(9)

где K = f' / D – диафрагменное число объектива.

Сравнивая (8) с (9), можно увидеть, что изменение размера чувствительного слоя приемника при использовании коллектива происходит в K_к / K раз.

Как рассчитать или выбрать важнейшие габаритные параметры и расположение конденсора? Если заданы или известны параметры объектива (D, F', tgω) и из конструктивных соображений выбрано значение Δ, то диаметр конденсора (его апертуру) определяют по формуле (7). Из формулы (6) находят фокусное расстояние конденсора

(10)

после чего, используя (7) и (10), легко определить относительное отверстие

(11)

Из анализа (11) ясно, что уменьшение D', а следовательно, и размера чувствительного слоя приемника приводит к увеличению отношения D_к / f'_к.

В оптической системе, представленной на рисунке 18 и используемой в ОЭП, работающих по низкотемпературным излучателям, т.е. в ИК области спектра, в плоскости выходного зрачка удобно располагать охлаждаемую диафрагму, которая служит для устранения облучения приемника элементами конструкции, находящимися вне пространства предметов. В этом случае чувствительный слой приемника излучения приходится отодвигать от этой плоскости. Например, в тепловизионных системах этот слой помещается в плоскость, куда конденсор «переносит» изображение из задней фокальной плоскости объектива. Это, конечно, ведет к увеличению размеров чувствительного слоя приемника.

Во всех случаях использования конденсора, как впрочем и других оптических компонентов, необходимо соблюдать обобщенное условие синусов - инвариант Лагранжа-Гельмгольца:

,

(12)

который определяет предельные соотношения между показателем преломления среды n, размером сечения пучка y и апертурным углом σ_A.

Наряду с уменьшением шумов приемника схеме с конденсором свойственно и уменьшение полезного сигнала, определяемое коэффициентом пропускания конденсора. Поэтому целесообразность применения конденсора определяется тем, увеличивается ли или уменьшается отношение сигнал-шум на выходе схемы.

,

(13)

где ε_i – угол между осью пучка и нормалью к сечению пучка площади dA_i; dΩ_i – апертурный телесный угол; n_i – показатель преломления в i-м сечении.

Если задаться целью уменьшить размер приемника, т.е. параметр y в выражении (12), то для сохранения J = const можно увеличить показатель преломления. Для этого чувствительный слой приемника наносится непосредственно на последнюю поверхность конденсора, или оптический контакт между линзой и чувствительным слоем создается каким-либо другим путем, т.е. используется принцип оптической иммерсии.

Часто оптический контакт создается путем наклейки полусферической или гиперполусферической линзы на чувствительный слой приемника. В этом случае значение величины n_i в (13) определяется показателем преломления оптического клея.

В последнее время для передачи изображения из плоскости анализа к чувствительному слою приемника с минимальными потерями широко применяют волоконные световоды. Если в световод - цилиндр с внутренними отражающими поверхностями - входит луч, то после ряда отражений он выйдет из противоположного торца цилиндра под углом, абсолютное значение которого равно углу входа (рисунок 19). Такой цилиндр можно выполнить из стекла, причем здесь используется принцип полного внутреннего отражения на границе стекла и окружающей его среды. Такие волокна, являющиеся очень хорошими световодами, могут иметь сечение самого различного профиля и быть изогнутыми. Придавая торцу жгута волокон форму криволинейной поверхности, можно изменять кривизну поля изображений.

Выгода от применения волоконной оптики заключается в том, что отдельные волокна выделяют элементы изображения и переносят их в требуемую плоскость, которая может находиться на сравнительно большом расстоянии от плоскости изображений объектива. Очевидно, что можно передавать только те детали изображения, размер которых больше диаметра волокна или равен ему. В настоящее время изготовляются волокна диаметром в несколько микрометров. Предел уменьшения диаметра определяется дифракцией.

Рисунок 19 – Прохождение луча через оптическое волокно

Волокна формируются в виде плотного пучка. Чтобы на соприкасающихся волокнах не происходил переход энергии из одного волокна в другое, апертура волокна (рисунок 19) должна удовлетворять условию.

,

где n₀, n₁, n₂ – показатели преломления окружающей среды, материала волокна и материала наружного покрытия; σ_A – угол при вершине входного пучка.

Для улучшения условий работы волокна на его торцовую поверхность часто наносят просветляющее покрытие. Если обозначить показатель преломления этого покрытия через n₃, то можно легко показать, что коэффициент пропускания волокна увеличивается при возрастании n₁ и отношения n₁ / n₂ и при уменьшении n₃.

Коэффициент пропускания жгута оптических волокон можно рассчитать по формуле

,

где A₁ – суммарная полезная площадь торцов волокон; A₀ – общая площадь входного торца жгута, включающая и промежутки между волокнами; τ_в1 – коэффициент пропускания волокна; ρ – коэффициент отражения на торцах волокна; σ_A – апертурный угол на входе.

Для конических волокон отношение синусов апертурных углов на входе и выходе определяется отношением диаметров волокна, т.е. sin σ'_A / sin σ_A = D / D'.

Высокий коэффициент пропускания, возможность просто осуществлять разложение изображения на элементы, а также передавать энергию с малыми потерями по криволинейному пути открыли широкие перспективы применения таких световодов. Примерами применения волоконных систем может служить перенос изображения с люминесцирующего экрана электронно-лучевой трубки или электронно-оптического преобразователя в любую произвольно взятую плоскость, причем здесь полностью устраняются ореолы и блики.

Особое значение имеет возможность перестройки углового поля прибора. Применяя различные варианты расположения входных и выходных окон волокон, можно реализовать любой нужный закон кодирования или декодирования сигналов, переход от одного вида развертки к другому, а также от двумерного представления пространства к одномерному и многое другое. Используя конические волокна, можно добиться увеличения или уменьшения изображения. Большой интерес представляет совместное использование волоконной оптики и мозаичных приемников.