Теория и расчет оптико-электронных приборов - Якушенков Ю.Г.
ISBN 5-88439-035-1
Скачать (прямая ссылка):
5.8. Оптические фильтры
Оптическим фильтром принято называть устройство, служащее для изменения спектрального состава или ослабления проходящего через него потока излучения. Фильтры, изменяющие спектр излучения, называются спектральными, а фильтры, ослабляющие поток без заметного изменения его спектра — нейтральными.
Роль оптического фильтра в современном ОЭП чрезвычайно велика. Фильтр является важнейшим средством спектральной селекции, позволяющей выделить излучение исследуемого объекта на фоне других излучений. Выбирая фильтр, мы, с одной стороны, увеличиваем отношение сигнал/помеха, но, с другой стороны, уменьшаем общее количество принимаемого приемником излучения от объекта. Задача конструктора ОЭП состоит в том, чтобы благодаря правильному выбору фильтра получить максимально возможное отношение сигнал/помеха при минимальных потерях полезного сигнала.
Основной характеристикой фильтра является его спектральная характеристика — зависимость коэффициента пропускания от длины волны проходящего через фильтр излучения. Интегральный коэффициент пропускания фильтра в диапазоне X1...X2 определяется соотношением
J«MA.
где Ф, — спектральное распределение потока, падающего на фильтр.
117 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов
Для однородного поглощающего слоя толщиной I для тх действует экспоненциальный закон ослабления, т.е. тх = exp (-OxiI), где Oxi — показатель ослабления на единицу пути.
Иногда пропускание фильтра оценивают его оптической плотностью: Dx= Ig (1/ тх).
По виду спектральной характеристики оптические фильтры можно подразделить на следующие группы: полосовые, пропускающие излучение в узкой полосе длин волн; длинноволновые отсекающие, пропускающие излучение с длинами волн, большими заданного предела Xmin; коротковолновые отсекающие, пропускающие излучение с длинами волн, меньшими заданного предела Xmax-
Спектральная характеристика полосового фильтра, полученного сложением длинноволнового фильтра с Xmin =X1 и коротковолнового фильтра с Xmax = X2, показана на рис. 5.13.
Обычно к параметрам фильтра предъявляют следующие требования:
высокая контрастность TmaJxmin,
большая граничная крутизна, при которой AX составляет десятые, а иногда и тысячные доли микрометра;
малые потери (т > 80%);
возможность получения заданных спектральных границ;
стабильность спектральной характеристики для заданных условий;
эксплуатационные и технологические требования к вибростойкости, истиранию, габаритным размерам и т.д.
Граничную длину волны обычно выбирают на уровне 10% максимума^. Иногда говорят о полуширине характеристики, имеяввиду границы, соответствующие 50% максимума тх.
118 Глава 5. Оптическая система оптико-электронного прибора
Оптический фильтр выбирают с учетом ряда факторов, важнейшим из которых обычно является стремление подобрать такую кривую тх, при которой с учетом спектра приходящего излучения и спектральной чувствительности Sx приемника, стоящего за фильтром, будет получено максимальное отношение сигнал/помеха (см. гл. 11).
Важными критериями для выбора фильтра являются требования к его физико-механическим свойствам, стабильности его характеристик в различных условиях работы. Часто к числу немаловажных факторов следует отнести технологичность и стоимость оптического фильтра.
По физическому принципу работы фильтры можно классифицировать следующим образом.
Фильтры, основанные на избирательном поглощении (абсорбционные). Все вещества обладают избирательным поглощением в одной или нескольких областях спектра, что позволяет создавать длинноволновые и коротковолновые отсекающие фильтры. Примерами таких фильтров являются фильтры из цветного оптического стекла, окрашенных пластмасс, фильтры из Ge, PbS, PbTe и других оптических материалов. У фильтров этого типа контрастность и крутизна недостаточно высокие. Для них применяется просветление. Эти фильтры относительно просты в изготовлении и эксплуатации, характеристики их стабильны. Габаритные размеры таких фильтров могут изменяться в широких пределах.
Интерференционные фильтры. Используя интерференцию света, можно получить фильтр с очень хорошими параметрами AX и imaJ Tmin. Простейший фильтр подобного рода состоит из тонкой пленки прозрачного диэлектрика, покрытой с обеих сторон полуотражающими металлическими слоями. Этот фильтр подобен широко известному интерферометру Фабри-Перо.
Максимальное пропускание фильтра соответствует длинам волн X, для которых оптическая толщина диэлектрического слоя кратна Х/2. Вследствие потерь в полуотражающих слоях коэффициент пропускания сильно уменьшается.
Пропускание излучения с длиной волны А-для простого (однослойного) фильтра
где Ti , X2 и тр — энергетические коэффициенты пропускания первого и второго полуотражающих слоев и разделяющего их диэлектрическо-
T
119 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов
го слоя; и р2 — энергетические коэффициенты отражения металлических слоев со стороны диэлектрика; 2 <р — разность фаз между двумя последовательно интерферирующими лучами:
