1. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ (ОИУ)

Оптические преобразующие системы оптико-электронных измерительных устройств (ОИУ) предназначаются для преобразования параллельного лучистого потока, излучаемого объектом и несущего информацию о его угловых координатах, и формирования изображения объекта в картинной плоскости ОИУ автоматических систем сопровождения и самонаведения.

При автоматическом слежении за удаленными объектами угловые размеры последних, как правило, малы. Точность слежения в значительной степени определяется размером точечного изображения объекта в картинной плоскости ОИУ, так как этот размер лимитирует выбор разрешающей способности приемника лучистой энергии (ПЛЭ) и общую разрешающую способность устройства по отношению к угловым координатам объекта. Чем меньше размер изображения объекта, тем точнее определяются его угловые координаты. Следовательно, в первую очередь преобразующая оптическая система должна обеспечить минимальные размеры изображения объекта в своей картинной плоскости.

Так как на завершающем этапе сопровождения обычно необходимо обеспечить наивысшую точность определения угловых координат объекта, то в этом случае, исходя из свойств центрированных оптических систем, имеющих наилучшее качество изображения на оси, наиболее выгодно иметь изображение объекта в центре поля зрения.

В распространенных на практике преобразующих оптических системах ОИУ с диаметром входного зрачка 50—300 мм и сферическими поверхностями размер кружка рассеяния достигает нескольких десятых долей миллиметра. Это объясняется наличием аберраций особенно сферической и хроматической, а также местными технологическими отклонениями в геометрии поверхностей.

Для обеспечения максимальной дальности действия системы сопровождения при определенных мощностях излучения и условиях прохождения электромагнитной энергии по атмосферному каналу связи преобразующая оптическая система должна сконцентрировать в точечном изображении максимально возможную энергию излучения объекта. Степень концентрации лучистой энергии преобразующей оптической системой опредляется ее коэффициентом оптического усиления . Рассмотрим физический смысл и методику вычисления этого коэффициента.

Излучение реальных объектов распространяется в пределах значительного телесного угла. В этих условиях поток падающий от объекта на приемник лучистой энергии, расположенный в картинной плоскости преобразующей оптической системы, зависит от величины входящего лучистого потока падающего на входное отверстие оптической системы, и от ее энергетического коэффициента полезного действия определяемого потерями при прохождении излучения от входного отверстия до приемника.

Величина входящего лучистого потока при диаметре входного зрачка оптической сйстемы дальности объекта и его энергетической силе излучения при коэффициенте пропускания среды от объекта до определяется зависимостью

следующей из рассмотрения схемы, изображенной на рис. IX.2.

Энергетический коэффициент полезного действия оптической системы зависит от потерь лучистой энергии при преломлении на оптических поверхностях, на поглощение и рассеяние внутри оптических деталей, а также от виньетирования. С учетом поток лучистой энергии, падающий на приемник излучения, выразится формулой

Рис. IX.2. Схема падения лучистого потока от цели на входное отверстие принимающей оптической системы и на приемник излучения без оптической системы

Поток лучистой энергии падающий на приемник излучения с площадью при расстоянии от объекта оптической системы (рис. IX.2), выражается формулой

Тогда коэффициент оптического усиления преобразующей оптической системы, показывающий во сколько раз ее применение увеличивает падающий на приемник излучения лучистый поток, выражается уравнением

Следовательно, в целях повышения коэффициента оптического усиления преобразующее оптическое устройство должно обладать максимально возможным при заданных габаритах входным отверстием, минимальным виньетированием, а также иметь минимальное количество преломляющих и отражающих поверхностей и наименьшую толщину оптических деталей, сильно поглощающих излучение рабочего диапазона длин волн. Прозрачные материалы, просветляющие и отражающие покрытия оптических поверхностей, должны иметь наилучшие характеристики в рабочем диапазоне длин волн излучения. В практически применяемых преобразующих оптических устройстзах ОИУ коэффициент оптического усиления имеет значения в диапазоне от 25 до 5000. Наибольшее значение коэффициента необходимо в ОИУ, предназначенных для действия на больших дальностях или по слабо излучающим объектам. Коэффициент усиления существенно зависит от площади входного отверстия оптической системы и площадки приемника излучения. Увеличение

площадки приемника излучения приводит к снижению его разрешающей способности и увеличению шумов оптико-электронного измерительного устройства.

Преобразующие оптические системы ОИУ классифицируется на линзовые, зеркальные и зеркально-линзовые системы. Ниже рассматриваются основные типы этих систем.

Линзовые системы. Наиболее рациональным линзовым оптическим преобразующим устройством является система, состоящая из объектива и конденсора (рис. IX.3). Принципиально можно применить и более простую схему, состоящую только из одного линзового объектива, но в этом случае приемник излучения и анализатор изображения нужно расположить в одной и той же фокальной плоскости объектива, что трудно реализовать технически.

Рис. IX.3. Рациональная линзовая схема оптического преобразующего устройства: 1 — объектив; 2 — плоскость анализатора изображения; 3 — конденсор; 4 — приемник излучения

Конденсор располагается так, чтобы перед ним в фокальной плоскости объектива мог быть установлен анализатор изображения. Размеры и место установки приемника излучения после конденсора необходимо выбирать исходя из того, чтобы конденсор собирал на площадку приемника весь поток лучистой энергии, прошедший через входное отверстие от объекта, находящегося в поле обзора. В этом случае приемник излучения имеет меньшие размеры, что благоприятно отражается на уменьшении шумов и повышении точности определения угловых координат объекта.

Так как отверстие объектива является входным зрачком системы и ограничивает как действующая диафрагма количество лучистой энергии, входящей в прибор, то для обеспечения падения на ПЛЭ всего вошедшего в объектив лучистого потока целесообразно поместить приемник в выходном зрачке оптической системы и сделать размеры его чувствительной площадки равными величине изображения отверстия объектива через конденсор. В целях уменьшения габаритов преобразующей оптической системы и размеров чувствительной площадки приемника целесообразно применять короткофокусный конденсор, устанавливая его на минимально

возможном расстоянии от модулирующего растра анализатора изображения (рис. IX.3).

На основании положений геометрической оптики имеем следующие зависимости для определения основных параметров линзовой системы (рис. IX.3):

для расчета положения приемника излучения

для определения диаметра чувствительной площадки приемника

Диаметр отверстия конденсора должен быть таким, чтобы пучок параллельных лучей, вошедших в объектив под максимальным углом поля зрения, прошел через конденсор без виньетирования. При этом крайний верхний луч должен пройти через крайнюю нижнюю точку конденсора. Это условие выполняется, если диаметр конденсора

Линзовые схемы наибольшее распространение нашли в световой и ультрафиолетовой областях спектра излучения.

Зеркальные системы. Основные преимущества применения зеркальных оптических систем в инфракрасной области достигаются при применении деталей с наружным отражающим слоем, когда лучистый поток не проходит сквозь тело оптической детали, являющейся подложкой зеркального слоя. В качестве материалов подложек используются также металлы и пластмассы, но они значительно уступают кроновым стеклам в отношении возможного качества изготовления поверхности и стабильности ее свойств в условиях эксплуатации. Зеркальный слой должен обладать максимальной спектральной отражательной способностью в рабочем интервале длин волн. Простейшие конструктивные схемы зеркальных оптических преобразующих систем применяются в приборах с защитными элементами в виде плоско-параллельных пластинок. При переднем расположении приемника лучистой энергии оптическая преобразующая система может выполняться в виде одного сферического или параболического зеркала. Недостатком сферических зеркал является наличие сферической аберрации.

Угловой размер кружка рассеяния из-за дифракционных явлений определяется для зеркала с относительным отверстием соотношением

где — длина волны.

Угловой размер кружка рассеяния вследствие сферической аберрации при изображении точечного источника излучения с

помощью сферического зеркала определяется приближенной формулой

обеспечивающей расчет при с ошибкой менее 3%.

Следовательно, для зеркала со светосилой, равной единице,

Для диапазона излучения Юмкм при кружок рассеяния от сферической аберрации превышает по диаметру кружок дифракционного рассеяния в 30—500 раз. Влияние астигматизма и кривизны поля параболического зеркала существенно при больших углах поля зрения, так как они растут пропорционально квадрату половины угла поля зрения Величина астигматической аберрации достигает размера комы при половине угла поля зрения, определяемого выражением

Рис. IX.4. Схема однозеркального оптического преобразующего устройства

Для расчета аберраций параболического зеркала рекомендуются следующие формулы:

для расчета угловой величины диаметра замыкающей окружности комы

(длина пятна комы в полтора раза больше ее диаметра);

для определения угловой величины астигматической разности

для расчета угловой величины аберрации кривизны поля

Схема однозеркальной оптической системы показана на рис. IX.4. Вогнутое зеркало характеризуется диаметром действующего отверстия фокусным расстоянием от вершины отражателя О до главного фокуса в котором сходятся лучи, падающие на зеркало параллельно его оптической оси, а также телесным углом охвата

аохв с вершиной в точке опирающимся на площадь круга действующего отверстия,

где — плоский угол охвата с вершиной в главном фокусе, опирающийся на диаметр действующего отверстия.

Если объект находится в практической бесконечности и идущие от него лучи параллельны оптической оси, то приемник лучистой энергии устанавливается в главном фокусе отражателя. При конечном диаметре чувствительной площадки ПЛЭ отражатель воспринимает и часть лучей, падающих непараллельно оптической оси в пределах угла Существенными недостатками зеркальных оптических систем являются вынужденное экранирование центральной части лучистого потока контррефлектором или корпусом приемника, а также необходимость их герметизации дополнительным прозрачным защитным элементом.

Зеркально-линзовые системы обладают наибольшим количеством коррекционных параметров, среди которых важное значение имеют показатели преломления прозрачного материала линз. Линзы можно использовать и в качестве фильтров, ограничивающих рабочую полосу длин волн лучистой энергии.

В схемах, в которых в качестве первой линзы включается прозрачный сферический обтекатель, представляющий собой мениск, положительную сферическую аберрацию мениска можно использовать для компенсации отрицательной сферической аберрации основного сферического зеркала. Эти мениски характерны тем, что разность радиусов кривизны их поверхностей и их осевая толщина существенно меньше каждого радиуса, а основное уравнение их ахроматизации имеет вид

Коррекционные мениски при близком к 0,7, вносят одинаковую положительную сферическую аберрацию, практически независимо от показателя преломления, т. е. от оптической среды, а при обеспечивают одинаковую весьма малую сходимость в параллельный пучок при неизменной фокусировке, также независимо от показателя преломления.

Для оптимальных значений отношения уравнение ахроматизации менисков наилучшим образом удовлетворяется при значениях показателя преломления

Приемник лучистой энергии может быть расположен впереди основного отражателя в непосредственной близости от плоскости анализатора изображения (рис. IX.5).

В связи с созданием охлаждаемых ПЛЭ возникла необходимость в зеркально-линзовых системах, рассчитанных на установку приемника лучистой энергии за основным отражателем. В качестве

примера на рис. IX.6 приведена оптическая система с задним расположением большого по габаритам приемника лучистой энергии, построенная на базе высококачественной зеркально-линзовой схемы путем дополнения ее линзой (рис. IX.6, а) или конической ловушкой (рис. IX.6, б).

Рис. IX.5. Схема зеркально-линзового оптического преобразующего устройства с параболическим основным отражателем

Рис. IX.6. Схемы зеркально-линзовых широкопольных оптических преобразующих устройств с задней установкой охлаждаемых ПЛЭ: а — с дополнительной линзой; б — с конической ловушкой; 1 — дополнительная линза; 2 — охлаждаемый приемник; 3 — зеркальная коническая ловушка

Штриховыми линиями показаны примерные контуры охлаждаемых приемников. На схеме рис. IX.6, б условно показана только часть оптической системы.