Теория и расчет оптико-электронных приборов - Якушенков Ю.Г.
ISBN 5-88439-035-1
Скачать (прямая ссылка):
104Глава 5. Оптическая система оптико-электронного прибора
после объектива — конденсоры. Их основное назначение — уменьшать размер чувствительного слоя приемника и устранять влияние неравномерности чувствительности по площадке.
Общая схема оптической системы (в тонких компонентах) с конденсором представлена на рис. 5.7. В данном случае конденсор переносит изображение входного зрачка, положение которого принято близким к главной плоскости объектива, в плоскость чувствительного слоя приемника. В плоскости изображения удаленного источника помещается растр анализатора изображений, оправа которого размером Ia, является полевой диафрагмой. Очевидно, что расстояние Д между плоскостью анализа (плоскость, в которой строится и анализируется изображение) и главной плоскостью конденсора не может быть отрицательным, так как в последнем случае нельзя осуществить анализ изображения в фокальной плоскости объектива. Фокусное расстояние конденсора f 'к по абсолютной величине может быть больше, меньше или равно Д. Целесообразно иметь f' к < Д, так как при f'K> Д пучок на выходе конденсора расширяется, что противоречит самому смыслу применения конденсора. При f 'к = Д ход лучей в системе телецентрический (телескопическая система).
Используя принятые на рис. 5.7 обозначения и применяя формулу отрезков Ijs' - Ij S = Ijf'к, найдем положение выходного зрачка на оси:
Для системы, находящейся в воздухе, диаметр выходного зрачка
-S
Рис. 5.7. Приемная оптическая система с конденсором
S
'=sf'K/(s + f'K), где S =-(/'+Д).
D'=-D-
(5.7)
105Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов
а диаметр конденсора
Dк = 2Il + Ahjf) = 2(f'+A)tga + Af (5.8)
Из анализа (5.7) следует, что для уменьшения размера чувствительного слоя приемника, располагаемого в плоскости выходного зрачка, т.е. для уменьшения D ', необходимо увеличивать А и уменьшать f' . Однако это невыгодно на практике, так как с увеличением А растет диаметр конденсора!)к что следует из формулы (5.8), т.е. увеличивается относительное отверстие конденсора Dk/f 'к. Кроме того, увеличиваются продольные размеры системы.
Предельным случаем является тот, когда A = O. Такой конденсор часто называют коллективом. При использовании коллектива растр анализатора уже невозможно поместить в фокальной плоскости объектива. Для коллектива Dk = 2f' tg со, а диаметр выходного зрачка системы
D'=DJ1^ = D ^KtgCO , f-fк Dk-2 f\ tgco
При Dk» 2f 'к tg со размер площади приемника
I2= D'= 2 DKk tgco, (5.9)
где Kk = f 'JDk — диафрагменное число конденсора. Если нет коллектива (см. рис. 5.6),
I = 2f'tg(o = 2D Ktgca, (5.10)
где K = f'/D — диафрагменное число объектива.
Сравнивая (5.9) с (5.10), можно увидеть, что изменение размера чувствительного слоя приемника при использовании коллектива происходит в KJK раз.
Как рассчитать или выбрать важнейшие габаритные параметры и расположение конденсора? Если заданы или известны параметры объектива (D,f', tg со) и из конструктивных соображений выбрано значение А, то диаметр конденсора (его апертуру) определяют по формуле (5.8). Из формулы (5.7) находят фокусное расстояние конденсора
f'K = D-(f'+A)/(D + D'), (5.11)
после чего, используя (5.8) и (5.11), легко определить относительное отверстие
Dk D+ D' D + D' D А
^—2tg* + — T—. (5.12)
106Глава 5. Оптическая система оптико-электронного прибора
Из анализа (5.12) ясно, что уменьшение ?>', а следовательно, и размера чувствительного слоя приемника приводит к увеличению отношения DJf 'к.
В оптической системе, представленной на рис. 5.7 и используемой в ОЭП, работающих по низкотемпературным излучателям, т.е. в ИК области спектра, в плоскости выходного зрачка удобно располагать охлаждаемую диафрагму, которая служит для устранения облучения приемника элементами конструкции, находящимися вне пространства предметов. В этом случае чувствительный слой приемника излучения приходится отодвигать от этой плоскости. Например, в тепловизион-ных системах этот слой помещается в плоскость, куда конденсор «переносит» изображение из задней фокальной плоскости объектива. Это, конечно, ведет к увеличению размеров чувствительного слоя приемника.
Во всех случаях использования конденсора, как впрочем и других оптических компонентов, необходимо соблюдать обобщенное условие синусов — инвариант Лагранжа-Гельмгольца:
пуsin<jA = ny'sina'A = const = J, (5.13)
который определяет предельные соотношения между показателем преломления среды п, размером сечения пучка у и апертурным углом стл.
Наряду с уменьшением шумов приемника схеме с конденсором свойственно и уменьшение полезного сигнала, определяемое коэффициентом пропускания конденсора. Поэтому целесообразность применения конденсора определяется тем, увеличивается ли или уменьшается отношение сигнал/шум на выходе схемы.
Для сравнительно простых конденсоров максимальное значение углового поля 2CDk= 2сoD/D ' не превышает 45...60°. Ввод более сложного конденсора (например, трехлинзового и сложнее) приводит к большим потерям энергии излучения. Поэтому для решения задач, поставленных в начале настоящего параграфа, помимо конденсоров применяются и другие средства, например иммерсионные системы (иммерсионные приемники), волоконно-оптические световоды, оптические ловушки и т. д. Во всех случаях при их расчете можно пользоваться инвариантом (5.13) или более общим (для телесных, а не плоских углов) инвариантом Штраубеля: