Оптические системы

Литература

1. Источники и приемники излучения / Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, А. Л. Адреев, Г. В. Польщиков - СПб.: Политехника, 1991. - 240 с.

2. Гуторов М. М. Основы светотехники и источники света: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 384 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.

Оптическая система является одним из наиболее важных узлов ОЭП. В общем случае она служит:

- для обеспечения требуемых энергетических (светотехнических) соотношений, т.е. для обеспечения заданного уровня сигнала (или отношения сигнал - шум) на приемнике излучения путем сбора необходимого количества энергии излучения, формирования рациональной пространственной структуры пучка лучей и его спектрального состава и т.д;

- для получения требуемого качества изображения наблюдаемых объектов или полей, что приводит к необходимости обеспечить достаточное пространственное, временное, спектральное и энергетическое разрешение;

- для выделения полезных оптических сигналов на фоне возможных помех и определения их характерных признаков, для чего также необходимо обеспечить должное разрешение по одному или нескольким параметрам оптического сигнала.

Рисунок 8 – Пример структурной схемы оптической системы ОЭП

Передающая система. Выбор источника излучения 6 обусловлен требованием обеспечить рациональные энергетические соотношения. В ряде случаев за счет правильного выбора источника можно упростить конструкцию ОЭП, например, не вводить в передающую систему оптический фильтр 5, а часто и отдельный модулятор 3.

Оптический фильтр 5 в передающей системе предназначен, как правило, для выделения из всего спектра излучения источника какой-либо его части, что способствует, например, лучшей селекции наблюдаемого объекта на фоне помех, предотвращению излишней засветки приемной системы в целом и приемника излучения, в частности, скрытности работы ОЭП, защите последующих элементов передающей оптической системы от нагрева и т.д. Конденсор 4 передающей системы служит для сбора максимально возможного количества потока излучения от источника, а в ряде случаев и для обеспечения рациональных соотношений между площадью сечения пучка и геометрическими параметрами модулятора 3. Последний выполняет особо важную роль в обеспечении помехозащищенности ОЭП при активном методе работы. Выбирая режим работы модулятора передающей системы и его параметры и кодируя передаваемую информацию, можно осуществить в приемной системе хорошую фильтрацию сигнала на фоне внешних и внутренних помех и его декодирование.

Объектив 2 передающей оптической системы формирует диаграмму направленности так, чтобы получить перекрытие зоны возможных перемещений облучаемого объекта 1.

Приемная система. Наиболее жесткие требования с точки зрения помехозащищенности предъявляются к элементам и узлам приемной системы. Ее объектив 7 должен обеспечить одновременно и сбор необходимого количества энергии, и образование изображения требуемого качества, а в ряде случаев и защиту от вредных внешних воздействий (аэродинамического нагрева, воздействия влаги, избыточного давления и т.п.).

Во многих ОЭП для обеспечения компенсационного режима слежения за наблюдаемым объектом или измерения его параметров, например его координат, используются специальные компенсаторы, с помощью которых можно уменьшить угловое поле объектива, увеличить быстродействие, компенсировать влияние некоторых помех. На рис. 5.1 компенсатор условно показан в виде плоско-параллельной пластины 8, поворачивающейся в сходящемся пучке лучей после объектива.

При современном уровне технологии в большинстве случаев трудно, а иногда и невозможно синтезировать и создать на практике объектив и приемник излучения с требуемыми параметрами и характеристиками. Поэтому в состав приемной системы вводят специальные звенья - фильтры пространственных 9 и оптических 12 частот.

В приемную систему может входить также отдельный анализатор оптического изображения, с помощью которого из сигнала-изображения наблюдаемого объекта 1 извлекается информация о его пространственном положении, контурах, законе распределения освещенности и т.п. Очень часто функции такого анализатора выполняет растр - пространственный фильтр 9, а съем полезной информации происходит при относительном взаимном перемещении растра и изображения.

В ряде случаев в приемной системе предусматривается отдельный модулятор 10.

Важную роль в борьбе с внутренними шумами играет конденсор (коллектив) 11 приемной системы. С его помощью можно уменьшить размер чувствительной площадки приемника, что снижает уровень шумов последнего. Кроме того, используя конденсор, можно за счет «размытия» размеров изображения на этой площадке устранить вредное влияние неравномерности чувствительности по площадке приемника.

Параметры и характеристики приемника излучения 13 выбирают, как правило, из условий обеспечения необходимой чувствительности и требуемой помехозащищенности всего прибора. При этом важнейшей задачей является согласование параметров приемника с параметрами оптической системы ОЭП, а также наблюдаемого объекта и среды распространения излучения. Часто помимо своих основных функций - преобразования энергии оптического излучения в электрическую - приемник выполняет и другие функции. Например, коорди-натно-чувствительные приемники являются одновременно и анализаторами изображения, а многоэлементные мозаичные приемники и фотоматрицы выполняют одновременно функции пространственных фильтров и анализаторов.

Специфическими свойствами оптической системы ОЭП являются:[С.Е.В.1]

- наличие в ее составе приемника излучения, который одновременно входит в состав электронной системы и выполняет функции согласования между собой этих звеньев прибора;

- иной, нежели у визуальных оптических систем, спектральный рабочий диапазон (часто, но не всегда). Если этот диапазон широк, то это приводит к большему влиянию некоторых аберраций, например, хроматизма, и усложняет их коррекцию, а также затрудняет выбор оптических материалов, работающих в широком спектральном диапазоне. Если же, как например, у лазерных оптических систем ОЭП, этот диапазон весьма узок, то это также обуславливает специфику их расчета и конструкции.

Линзовые и зеркально-линзовые оптические системы, работающие в ИК диапазоне, часто проще, чем системы для видимого диапазона, что объясняется большими значениями показателя преломления и меньшей дисперсией многих материалов, прозрачных в ИК области спектра. Сюда же следует отнести заметное влияние на приемник излучения потоков, испускаемых неохлажденными частями конструкции ОЭП, в том числе и оптическими элементами. Если в визуальных оптических системах для борьбы с «внутренними» бликами и засветнами, возникающими за счет рассеяния потока в оптических элементах или на их оправах, применяются специальные покрытия (чернение внутренних поверхностей, коркование и др.). то в ИК системах такие покрытия могут увеличить вредное излучение элементов конструкции и тем самым снизить чувствительность приемника и всего прибора. Поэтому во многих ОЭП, работающих в ИК диапазоне, применяют охлаждаемые диафрагмы, препятствующие поступлению на приемник излучения потока, испускаемого элементами конструкции прибора, находящимися вне его углового поля. Часто предъявляются повышенные требования к простоте и надежности конструкции оптической системы ОЭП, так как работа всего прибора часто идет без доступа оператора.

Многим оптическим системам ОЭП присуща и своя конкретная специфика. Например, весьма специфичны оптические системы, служащие для формирования или приема мощных лазерных пучков, или оптические системы радиометров, предназначенных для исследования слабо нагретых тел.