Приемники оптического излучения

Литература

Методы спектрального разделения светового потока

Методы пространственного разделения светового потока

Разделение светового потока необходимо для выделения полезного сигнала на фоне действующих на вход прибора оптических помех (фильтрация). Также разделение светового потока используется при проектирование двух- и многоканальных оптико-электронных приборов и систем.

Пространственное разделение светового потока осуществляется с помощью специальных устройств – диспергирующего элемента. В качестве диспергирующего элемента используются диафрагмы, щели, растры, спектральные призмы, дифракционные решетки и др.

Схема прибора с пространственным разделением светового потока приведена на рисунке 20.

Щ1 – входная щель; Л1, Л1 – линзы или объективы; Щ2 – выходная щель или фотопластинка, ДЭ – диспергирующий элемент

Рисунок 20 – Схема спектрального прибора с пространственным разделением светового потока с помощью угловой дисперсии

Освещаемая исследуемым излучением входная щель Щ1 находиться в фокальной плоскости коллиматорного объектива Л1, который направляет на диспергирующий элемент ДЭ параллельный пучок лучей. Второй объектив Л2 фокусирует вышедшие из ДЭ параллельные пучки, создаваемые параллельными пучками изображения входной щели – спектральные линии – получаются в разных местах фокальной плоскости Л2 в зависимости от длины волны.

Спектральное разделение светового потока осуществляется с помощью оптических фильтров. Цель использования оптических фильтров – ограничение излучения, падающего на фотоприемник, определенным интервалом длин волн.

Один из возможных способов построения приборов со спектральным разделением (спектральной фильтрацией) светового потока приведен на рисунке 21.

Lλc и Lλп – яркости источника сигнала и помех;

Ф – оптический цветоделительный фильтр; БЛ – блок логики

Рисунок 21 – Схема прибора, реализующего способ

двухцветной спектральной фильтрации

По принципу действия оптические фильтры делятся на:

- абсорбционные;

- отражательные;

- дисперсные;

- интерференционные.

Абсорбционные светофильтры обладают спектральной избирательностью, обусловленной различным поглощением различных участков спектра электромагнитного излучения. Наиболее массовые фильтры. Производятся на основе окрашенных оптических стёкол или органических веществ (например, из желатина).

Стеклянные фильтры отличаются стабильностью характеристик, высокой устойчивостью к температурным и иным воздействиям.

Желатиновые фильтры, несмотря на большее разнообразие оптических характеристик, механически непрочны, быстро выцветают, и потому намного менее распространены, чем стеклянные.

Пластмассовые фильтры находят применение благодаря намного большей лёгкости окраски и разнообразия получаемых свойств по сравнению со стеклянными. Они долговечнее желатиновых.

Жидкостные светофильтры – сосуды со стеклянными стенками, заполненные растворами красителей. Используются редко, в основном в научных исследованиях, при наличии у используемого вещества уникальных характеристик.

Действие отражательных фильтров основано на спектральной зависимости отражения непрозрачного материала. Преимуществом отражательного фильтра перед абсорбционными является единственность участвующей в оптической системе поверхности и отсутствии хроматических аберраций, вносимых преломляющими прозрачными средами.

Дисперсные светофильтры основаны на зависимости показателя преломления от длины волны. В сочетании с отражающими и/или интерференционными фильтрами, а также растром часто служат для создания расщепляющих оптических систем — дихроических призм. Находят применение в современных мультимедийных проекторах, где являются основным инструментом разделения светового потока мощной лампы накаливания на три спектральных диапазона. Применяются в качестве эффектных фильтров для получения радужных изображений.

Интерференционные фильтры отражают одну и пропускают другую часть спектра падающего излучения, благодаря явлению многолучевой интерференции в тонких диэлектрических плёнках. Также называются дихроичные фильтры. Простейшая конструкция такого фильтра представляет собой тонкую пленку, обладающую требуемыми спектральными характеристиками и имеющую определенную толщину и два стекла, расположенные по обе стороны от пленки. Толщина пленки напрямую связана с центральной длиной волны полосы пропускания такого фильтра. Пленка наносится на одно из стекол путем напыления в глубоком вакууме, затем сверху эта пленка закрывается вторым стеклом для защиты пленки от внешних воздействий. Пленка состоит из металла, обладающего требуемыми спектральными характеристиками, чаще это серебро или золото. В последнее время в качестве материала стали использовать диэлектрики.

Для получения более качественных характеристик интерференционного фильтра используют поочередное напыление пленок разных толщин из разных материалов.

Дисперсные фильтры, как и интерференционные обладают одним недостатком – полоса пропускания фильтра сдвигается при изменении угла падения света на фильтр. Например, при изготовлении интерференционных фильтров заранее оговаривается диапазон углов падения лучей на фильтр (как правило: 0±15^о или 45±15^о). Если угол падения луча на интерференционный фильтр больше заявленного, то полоса пропускания смещается в коротковолновую область. В дисперсных фильтрах наблюдается тот же эффект. При этом чувствительность к изменению угла падения у дисперсного фильтра выше чем у интерференционного, поэтому предпочтительнее использовать интерференционные фильтры.

Особенностью интерференционного фильтра является то, что он пропускает не только ту полосу длин волн, для которой изготавливался (основная полоса пропускания), но и полосы с центральными длинами волн, отстоящими на октаву от предыдущей полосы. Таким образом, интерференционный фильтр с основной длиной волны равной λ является многополосным фильтром с центральными длинами волн: λ, 2λ, 4λ, 8λ, и т.д. Следует заметить, что вторичные максимумы пропускания меньше основного и убывают с увеличением «расстояния» до основного максимума (рисунок 21). На рисунке основной максимум обозначен как «0».

Рисунок 22 – Максимумы пропускания интерференционного фильтра

Это свойство может быть легко устранено путем сочетания интерференционного фильтра с абсорбционным при условии, что оба фильтра имеют одну и ту же центральную длину волны. В этом случае абсорбционный фильтр обеспечивает удаление из пропускаемого спектра длины волн, далеко отстоящих от центральной длины волны (отстоящие на октаву и дальше), а интерференционный фильтр улучшает крутизну среза полосы пропускания абсорбционного фильтра. В результате такой сдвоенный фильтр имеет узкую полосу пропускания. Следует заметить, что применение сочетания таких фильтров приводит к уменьшению коэффициента пропускания в полосе пропускания. Кроме того, в случае если свет падает на сочетание таких фильтров со стороны абсорбционного фильтра, то свет, непрошедший через фильтр, будет поглощаться абсорбционным фильтром, если свет падает со стороны интерференционного фильтра, непрошедший свет будет отражаться.

1. Годжаев, Н.М. Оптика: Учебное пособие для физических специальностей вузов /Н.М. Годжаев: учебное пособие / Н.М. Годжаев. - М.: Выcшая школа, 1977. - 432 с.

2. Оптика, 6-е изд. / Ландсберг Г.С. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 848 с.

3. Якушенков, Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: учебник для приборостроит. спец. ВУЗов / Ю. Г. Якушенков. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989. - 359 с.: ил. - Б. ц.

Устройство, предназначенное для преобразования оптического сигнала в электрический, называют приемником оптического излучения (приемником излучения, фотоприемником). К приемникам оптического излучения часто относят устройства, преобразующие ИК или УФ излучение в видимое, например, электронно-оптические преобразователи, фотопленки различных видов и другие фоточувствительные материалы, а также фотоприемные устройства (ФПУ), в которых в единую конструкцию объединены собственно приемник ПИ и схема предварительной обработки электрического сигнала, например схема предварительного усиления.

Помимо преобразования одного вида энергии (оптической) в другой (электрическую) многие специальные приемники излучения и ФПУ выполняют в ОЭП и другие функции: преобразуют закон распределения освещенности (а не просто поток излучения) в соответствующий электрический сигнал, служат для анализа закона распределения освещенности в изображении, определения координат изображений и их отдельных зон, фильтрации полезного сигнала на фоне помех и т.д. Типичными ПИ такого типа являются электровакуумные передающие телевизионные трубки, а также их твердотельные аналоги, например ПЗС-матрицы.