Зеркальные (отражательные) оптические системы

Зеркальные оптические системы применяют в ИК – технике для увеличения относительного входного отверстия ИП и существенного уменьшения потерь лучистой энергии в ИК – объективе.

Зеркальные отражатели в зависимости от формы сечения отражающего зеркала могут быть сферическими и параболическими.

В ИК – технике практически всегда используется зеркальная оптическая система Кассегрена. Она иллюстрируется рис. 6.4.

Рис.6.4.

На рис. 6.4. 1 – отражающее зеркало;

2 – контррефлектор;

3 – приемник лучистой энергии.

Зеркальная оптическая система Кассегрена позволяет сделать инфракрасный ИП наиболее компактным по сравнению с оптическими системами других типов.

Первичное зеркало для уменьшения сферической аберрации делают параболическим; вторичное зеркало (контррефлектор) – гиперболическим или плоским.

Существенным недостатком зеркальной системы Кассегрена является вынужденное экранирование центральной части лучистого потока, падающего на входную апертуру ИП.

Если диаметр действующего отверстия оптической системы D_вх , D_заm – диаметр контррефлектора, то относительное отверстие зеркальной (отражающей) оптической системы имеет вид:

Коэффициент затемнения зеркальных оптических систем не превышает 0,3.

6.4. Комбинированные зеркально – линзовые оптические системы

В зеркально – линзовых системах обеспечивается более высокая разрешающая способность за счет применения корректирующих линз. При этом количество линз в зеркально – линзовой системе примерно 3…4, количество зеркал 2.

Структурно зеркально – линзовую систему можно представить в виде, изображенном на рис.6.5.

Рис. 6.5.

На рис. 6.5. 1 – отражающее сферическое зеркало;

2 – контррефлектор;

3 – корректирующая линза;

4 – охлаждаемый приемник излучения;

5 – защитный обтекатель;

6 – холодильник.

Численные значения основных технических параметров зеркально – линзовых объективов ИК – систем для космических аппаратов характеризуется табл. 6.3.

Таблица 6.3.

Как видно из табл. 6.3. зеркально – линзовые объективы ИК – систем позволяют реализовать значительные входные параметры оптической системы.

6.5. Дифракция в оптических системах приемников ИК – излучения

Практически идеальный источник яркости в картинной плоскости наблюдаемой местности представляется в плоскости преобразователя «излучение - сигнал» не точкой, а кружком рассеивания.

Величина этого кружка рассеивания определяется дифракционными явлениями.

Эти явления не связаны с какими-то технологическими дефектами изготовления объективов и зеркал. Они возникают у идеально выполненных объективов и зеркал и связаны с преломлением или отражением электромагнитной волны на сферических поверхностях.

Дифракция является следствием волновой природы излучения. Размер кружка рассеивания определяет максимальное разрешение ИП на местности, обеспечиваемое оптической системой.

Рассмотрим яркий точечный объект в картинной плоскости наблюдаемой цели. Вследствие дифракции даже идеальный объектив на чувствительной площадке приемника излучения дает изображение яркой точки в виде системы пятен конечных размеров.

Распределение освещенности в этих пятнах соответствует дифракционной функции

где λ – длина волны падающего излучения;

α – апертурный угол объектива в радианах;

J₁ – функция Бесселя первого рода.

В плоскости чувствительного элемента можно принять координату первого нуля освещенности за границу кружка рассеивания.

Первый нуль функции Бесселя J₁(Z) = 0 наступает при Z=3,83.

За радиус дифракционного кружка рассеивания примем , радиус окружности, на которой пропадает освещенность чувствительной площадки.

Это дает

Отсюда

Так как в оптической системе D=fα, то для величины диаметра дифракционного кружка рассеивания имеем

Угловой размер диаметра дифракционного кружка рассевания равен

Минимальное угловое расстояние между точечными источниками на местности в мрад., которые разрешаются ИП, есть

где λ – длина волны, мкм;

D – диаметр объектива, см.

Минимальный линейный размер в картинной плоскости цели, который может разрешить оптическая система ИП из-за дифракционного рассеивания, есть

;

где ∆L – разрешение на местности, м;

L – дальность до цели, км;

λ – длина волны, мкм;

D – диаметр объектива, см.

Следует помнить, что это разрешение на местности, ограниченное светотехническими характеристиками только оптической системы ИП. На самом деле разрешение будет еще меньше из-за ограничений в других функциональных блоках информационного прибора.

Весьма часто разрешающая способность оптических систем определяется не через величину кружка рассеивания, а в оптических линиях на миллиметр ψ_л.

Эта оценка эквивалентна числу

или

.

Обтекатели инфракрасных ИП

В объектах управления приемники излучения, стоящие, как правило, на гиростабилизированном координаторе, защищены от набегающего воздушного потока сферическими прозрачными обтекателями.

Материал прозрачного обтекателя должен обладать высокой механической прочностью, хорошей прозрачностью в рабочем диапазоне длин волн приемника излучения.

При полете ЛА с большой скоростью обтекатели должны выдерживать достаточно высокий кинетический нагрев, не создавая помех, при нагреве, датчику цели.

Как правило, сферический обтекатель имеет радиус 100…200 мм, толщину около 5 мм. Сферический обтекатель входит в оптический тракт ИП, являясь линзой с фокусным расстоянием 125 метров.

В качестве материалов обтекателей применяют плавленый кварц, германий, кремний и другие.

Плавленый кварц SiO₂ обладает хорошей спектральной прозрачностью до 4,5 мкм. Коэффициент пропускания обтекателя при этом выше 0,95.

Флюорит (фтористый кальций CaF₂) хорошо пропускает одновременно оптическое, ближнее и среднее ИК – излучение до λ<6 мкм.

Его прозрачность достигает 93…95%.

Однако поверхность флюорита легко царапается, что требует тщательности при длительной эксплуатации ИП в составе ЛА.

Основные параметры материалов, применяемых для обтекателей, приведены в табл. 6.4.

Таблица 6.4.

Выбор данных материалов связан с необходимостью выполнения прозрачных обтекателей с диаметром не менее 150,200 мм.