Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапозонах - Формозов Б.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Опустим вопросы термометрии при гелиевых и водородных температурах, ибо из всех ПИ они представляют интерес только для одноэлементных тепловых приемников (болометров), которые в качестве приемников изображения не используются.
В области температур от тройной точки азота 63,15 до 300 К используются термопары медь - константан, хромель - алюмель и хромель -капель, а также термометры сопротивления на основе монокристаллов германия или арсенида галлия.
Измеритель температуры устанавливается на изотермической поверхности рядом с ПИ и экранируется от теплового излучения теплых частей криостата. В криостате на рис. 7.2 измерять температуру не надо, так как она гарантируется на уровне Т = 77,35 К.
52 7.2. Регулирование и стабилизация температуры в криостатах азотного уровня (область Т ? 80 К)
Наиболее простой способ терморегулирования - это метод регулируемого теплового моста (рис. 7.3), где 1 - контейнер N2; 2 - тепловой мост; 3 - нагреватель; 4 - площадка хладопровода; 5 - охлаждаемый экран; 6 - датчик температур; 7 - ПИ.
Материал теплового моста выбирается из расчета на- j 7 чально заданного перепада температур. ПИ и датчик температуры приводятся в хороший тепловой контакт с хла-допроводом, а следящая система с обратной связью включает и выключает нагреватель 3 по показаниям датчика температуры 6. При этом желательно применять экранировку всего устройства низкотемпературным экраном, оставляя лишь диафрагму для падающего сигнального потока.
Рис. 7.3
2
7 / ' Ч 3
6
Рис. 7.4
Очень эффективен метод Свенсона, заключающийся в циркуляции жидкого или испаренного криоагента через теплообменнику встроенный в держатель ПИ (рис. 7.4), где 1 - входное окно; 2 - охлаждаемая
53
1 диафрагма (с блендой); 3 - ПИ; 4 - хладопровод; 5 - теплообменник; 6 - нагреватель; 7 - контейнер с азотом; 8 - парозаборник.
Испаренный азот из парозаборника 8 подается в теплообменник 5 хладопровода 4, снабженного нагревателем 6 и следящей системой с обратной связью от датчика температуры.
Можно также регулировать давление поступающих паров или подогревать кусок трубки паропровода на входе в хладопровод.
После освоения такой техники и технологии можно считать себя готовым к началу работы по исследованию параметров любых приемников излучения.
54 8. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ПИ
Оптическая система (ОС) - важнейший элемент любой ИК-систе-мы. Ее задача - спроецировать изображение цели на ПИ, расположенный в плоскости фокусировки ОС. Для всех ИК-систем с линейными и матричными ИК-приемниками применяются сверхсветосильные ОС с относительным отверстием - отношением диаметра входного зрачка к фокусному расстоянию, близким к 1:1. Это связано с необходимостью обеспечивать достаточно большой угол поля зрения ОС при очень небольших размерах БИС линеек и матриц.
Вообще при заданном фокусе угол поля зрения целиком и полностью определяется размерами ПИ (так называемой "полевой" диафрагмой, располагаемой по краям фоточувствительного поля ПИ).
Различают " полный" угол поля зрения - угол, стягиваемый всей площадью ПИ, и "мгновенный" угол поля зрения - угол, стягиваемый одним "пикселем" - элементом линейки или матрицы ПИ. Он определяет разрешение всей приемной системы. Обычно размер пикселя сопрягают с кружком рассеяния ОС.
Стандарт США и НАТО для ИК-систем высокого разрешения -6000- 6000 элементов в полном углу поля зрения.
Важнейшей характеристикой любой ОС является так называемый диаметр "кружка рассеяния" с заданным процентом (коэффициентом) концентрации энергии в пятне, являющимся изображением в плоскости фокусировки точечного ИК-источника излучения, удаленного на бесконечность. Эта ситуация имитируется с помощью большого коллиматора и миниатюрного моноэлементного ИК-приемника, с помощью которого и измеряется коэффициент концентрации энергии в пятне (рис. 8.1).
Для любого объектива рассчитывается так называемый "дифракционный предел" - минимальный размер кружка рассеяния с коэффициентом концентрации 0,8-0,9, определяемый неустранимыми диффрак-цими. Это - идеальный объектив.
55 Концентрация энергии в пятне
Плохая ОС
Хорошая ОС
X, мкм Ф20мкм, n ? 60 %
Ф60мкм, n ? 90%
Рис.8.1
На практике у каждой ОС имеются различные аберрации: сферическая, хроматическая, аберрация комы и др.
Распределение освещенности в плоскости фокусировки (рис. 8.1) является гауссоидой вращения. Для длины волны 3,0 мкм диаметр кружка рассеяния идеального объектива с коэффициентом концентрации энергии 80-90 % равен примерно 20 мкм, если ОС выполнена на диффракционном пределе. Это крайне сложно для светосильных объективов. Достигается это применением асферических зеркал (2-6 порядков).
На практике кружок рассеяния определяет разрешающую способность ОС, а стало быть, и всей ИК-системы. Чем меньше кружок рассеяния, тем выше пороговая чувствительность ИК-системы (меньше пороговый поток). Кружок рассеяния, точнее его диаметр, еще называют "качеством" оптики.
Рассмотрим наиболее распространенные и совершенные ОС для работы с линейными и матричными ИК-приемниками.
