ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПРИЕМНИКОВ ИК - ИЗЛУЧЕНИЯ

6.1 Основные характеристики оптических систем ИК – приборов и их классификация

В составе инфракрасного информационного прибора оптическая система должна:

- уловить максимальное количество электромагнитного излучения от участка местности, где расположена цель, и пропустить это излучение к преобразователю «излучение-сигнал» с минимальными потерями;

- спроектировать на чувствительную площадку приемника излучения инфракрасного прибора участок местности с целью, площадь которого достаточна для поиска цели;

- вместе с чувствительным элементом преобразователя «излучение-сигнал» создать требуемое разрешение деталей цели для ее опознавания, автоматического захвата и автосопровождения;

- обеспечить в достаточно широком диапазоне регулирование интенсивности принятого излучения для оптимизации условий работы преобразователя «излучение-сигнал»;

- защитить аппаратуру информационного прибора от внешнего скоростного напора, возникающего при полете ЛА.

К основным техническим параметрам оптической системы информационного прибора относятся:

- угол поля зрения оптической системы;

- входной диаметр оптической системы;

- фокусное расстояние;

- входное относительное отверстие;

- спектральный диапазон работы;

- коэффициент прозрачности;

- разрешающая способность, определяемая дифракционным и аберрационным рассеиванием.

Оптические системы информационных приборов при классификации делятся на три крупные группы:

- линзовые системы, в которых лучистый поток проходит от входного объектива до чувствительного элемента «излучение-сигнал» только через преломляющие оптические среды;

- зеркальные (отражательные) системы, в которых поток перерас-пределяется путем отражения от одного или нескольких зеркал на всем пути лучистой энергии от входа в ИП до чувствительного элемента «излучение-сигнал»;

- зеркально - линзовые системы, состоящие из комбинации зеркальных и линзовых оптических элементов.

Отечественные инфракрасные объективы – линзовые и зеркальные -, как правило, имеют углы поля зрения, лежащие в пределах 1,5…40º.

Входные диаметры технически реализованных отечественных инфракрасных объективов лежат в пределах 15…100мм [2,15,17,18,21].

Диаметр наибольшего пучка лучистой энергии называют апертурой оптической системы. Обычно апертура оптической системы определяется величиной максимально открытой диафрагмы объектива. Изображение апертурной диафрагмы называют входным зрачком оптической системы.

Облученность – энергетическая освещенность – чувствительного элемента преобразователя «излучение-сигнал» ИП зависит не от величины входного зрачка ИК – объектива, а от так называемого относительного отверстия объектива.

Рассмотрим рис.6.1 и 6.2.

Рис.6.1

Рис. 6.2

Пусть наблюдаемый сюжет находится на расстоянии L, пусть входной диаметр объектива D_об, пусть фокусное расстояние объектива f_о , пусть площадь чувствительной площадки преобразователя «излучение-сигнал» есть S_ч.э. Пусть площадь наблюдаемого сюжета, попадающая на всю чувствительную площадку преобразователя «излучение-сигнал», есть S_ц.

Тогда в силу равенства телесных углов Ω, опирающихся на S_ч.э и S_ц, имеем

.

.

Отсюда

Энергетическая освещенность чувствительной площадки элемента будет равна

где Ф_Ч,Э, – мощность излучения, попадающего на чувствительную площадку.

Пусть коэффициент прозрачности (пропускания) ИК – объектива τ_об.

Пусть мощность излучения на входе объектива есть Ф_вх. Тогда

Если сила излучения от наблюдаемого сюжета есть 1, энергетическая яркость наблюдаемого сюжета В_ц, то имеем

Но Ф_вх=I∙Ω_объект∙τ_атм , где τ_атм – коэффициент прозрачности атмосферы, а телесный угол

Отсюда имеем

Сила излучения I =B_цS_ц, где B_ц – энергетическая яркость наблюдаемого сюжета местности. Это дает

Но , что окончательно дает

Из данного соотношения видно, что энергетическая освещенность чувствительного элемента преобразователя «излучение-сигнал» пропорционально квадрату отношения диаметра объектива ИП к фокусному расстоянию объектива. Это отношение и называют относительным отверстием объектива :

.

Таким образом, относительное отверстие объектива характеризует способность оптической системы ИП «собирать» лучистый поток на преобразователе «излучение-сигнал». Величину, обратную относительному отверстию, называют фокусным числом

.

Относительное отверстие обычно пишут в виде дроби с числителем, равным единице.

Для отечественных технически реализованных ИК – объективов относительные отверстия объективов лежат в пределах 1: 0,75…1:2[2,15,17,18,21].

В зеркальных оптических системах относительное отверстие объектива всегда существенно больше, чем в линзовых ИК – объективах.

Пучок лучей в оптической системе имеет минимальное поперечное сечение в фокальной плоскости. Однако на небольшом расстоянии по обе стороны от фокальной плоскости площадь поперечного сечения пучка лучей практически одинакова. Таким образом, на оптической оси ИП имеется небольшой отрезок, в пределах которого фокусировка оптической системы представляется одинаково резкой. Преобразователь «излучение – сигнал» можно конструктивно помещать в любую точку этого небольшого отрезка.

Величина этого отрезка называется глубиной резкости оптической системы.

Глубина резкости равна .

Если оптическая система точно сфокусирована на бесконечность, так, что плоскость изображения лежит посередине интервала глубины резкости, то наименьшее расстояние L_min , на котором цель еще будет изображаться резко, определятся соотношением

Практически при автосопровождении цели, учитывая, что в блоках обработки информации существенно понижается частотный диапазон сигнала, не требуется четкого, резкого изображения цели.

Четкость изображения необходима от ИП только для работы оператора. Режим автосопровождения цели может быть обеспечен, если резкого изображения нет. Отношение сигнал/шум вблизи цели очень высок. Практически в качестве минимальной дальности, на которой на чувствительной площадке еще формируется изображение цели, можно принять следующее:

Линзовые оптические системы

Линзовые оптические системы применяются главным образом в телевизионных и лазерных ИП, работающих в оптическом и ближнем ИК – диапазоне длин волн.

Линзовые системы этого спектрального диапазона достаточно просты, обладают минимальными габаритными размерами. Для них хорошо отработана технология изготовления.

Линзовые оптические системы обычно состоят из нескольких линз, совокупная роль которых сводится к приему внешнего излучения из бесконечности и к фокусировке потока излучения со всего поля зрения входного объектива на фоточувствительную площадку чувствительного приемника излучения.

В средней и дальней ИК области при длине волны электромагнитного излучения более 3 мкм создание линзовых объективов затруднительно из-за специфичности материала линз – кремний, германий и т.д. – и высокого поглощения излучения в линзах.

Обобщенная схема линзовой оптической системы может быть представлена в следующем виде (рис.6.3.). Здесь D_об – диаметр объектива; f_о – фокусное расстояние объектива; D_к – диаметр конденсора; f_к – фокусное расстояние конденсора; d_пл – диаметр площадки чувствительного элемента приемника излучения.

Рис 6.3.

Обычно f_к << f_{о ,}и для инженерных оценок значением f_к пренебрегают.

В Российской Федерации до 98% работ по проектированию создаваемых ИК – объективов приходится на Государственный оптический институт (ГОИ им. С.И. Вавилова, г. С.-Петербург) и Государственный институт прикладной оптики (ГИПО, г Казань).

Благодаря очень высокому показателю преломления кремния и германия, учитывая высокую стоимость этих материалов, в ИК – технике реализуются объективы с небольшим числом линз или даже однолинзовые.

В качестве примера в табл. 6.1 приведены технические характеристики линзовых ИК – объективов, выполненных ГИПО [14].

Таблица 6.1

В табл. 6.2 приведены технические характеристики линзовых ИК – объективов, выполненных ГОИ им. С.И. Вавилова.

Таблица 6.2

Как видно из табл. 6.1 и 6.2, линзовые технически реализованные ИК – объективы, работающие в среднем и дальнем ИК – диапазоне, имеют углы поля зрения от 40 до 3 градусов, входной диаметр объектива от 24 до 100 мм, фокусное расстояние от 24 до 100 мм, относительное входное отверстие от 1:0,7 до 1:2, коэффициент прозрачности от 0,5 до 0,8, разрешающую способность, определяемую кружком рассеивания объектива, от 0,05 до 0,17 мм.