Глава 5

ФОКУСИРОВКА И СКАНИРОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

5.1. ФОКУСИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Фокусирующие системы инфракрасных приборов используют для совместной работы с источниками или приемниками излучения. В тех случаях, когда фокусирующая система работает с источником излучения, она служит для концентрации излучения в определенном телесном угле, т. е. для создания пучков заданной формы. При работе с приемником излучения фокусирующая система концентрирует излучение на чувствительную площадку приемника и значительно повышает ее энергетическую освещенность.

Фокусирующие системы инфракрасных устройств и оптических приборов, работающих в видимой области спектра, во многом идентичны, но имеют два главных различия. Во-первых, многие материалы, прозрачные для видимых лучей, не прозрачны для инфракрасных лучей; существуют материалы, которые прозрачны в различных областях инфракрасного спектра, но не прозрачны для видимых лучей. Второе отличие связано с дифракционными ограничениями качества изображения, которые определяются длиной волны излучения.

Рассмотрим вначале фокусирующие системы, используемые для совместной работы с приемниками излучения.

Большинство теплоизлучающих целей имеет ненаправленное излучение; лучистый поток от этих целей распространяется в широком телесном угле. Поэтому приемник, имеющий небольшие размеры чувствительной площадки, может уловить лишь ничтожную долю энергии, излучаемой целью.

В самом деле, предположим, то приемник излучения (ПИ) расположен на значительном расстоянии L от точечной теплоизлучающей цели, имеющей энергетическую силу света / (рис. 5.1, а).

Величина лучистого потока F, падающего на чувствительную площадку приемника площадью дп, в этом случае приблизительно равна f /Шц. где 0)п - телесный угол, охватываемый чувствительной площадкой приемника и равный (Вц = Qn/I-

Общий же лучистый поток fц, излучаемый целью, fц = /о)ц, где (Вц - телесный угол, в котором равномерно распространяется излучение цели.

Очевидно,

Р=Рцап7ч>ц. (5.1)

На больших дальностях отношение Шц/Шц очень мало, поэтому отношение Р/Рц получается ничтожным. Увеличение угла Шц за счет увеличения площади Qa нецелесообразно, так как это ведет к ухудшению характеристик приемника.

Задача фокусирующей системы заключается в том, чтобы увеличить отношение Р/Рц- Если перед приемником поставить объектив (рис. 5.1, б), фокусирующий лучи на чувствительную площадку, то поток Роб, улавливаемый объективом,

Роб = РцОУоб/о>ц- (5.2)

в идеальном случае весь этот поток будет восприниматься приемником. Разделив (5.2) на (5.1), получим Fo6 = fu)o6/Wn= опт^-

Величина опт равная отношению потока, падающего на приемник, установленный в фокальной плоскости, к потоку, который упал бы на приемник при отсутствии фокусирующей системы, называется коэффициентом -усиления последней. Зня чения копт изменяются в широких пределах (от 25 до 5000).

Фокусирующие системы инфракрасных приборов должны удовлетворять ряду требований; они должны иметь:

а) малые габариты, определяемые жесткими требованиями к габаритам прибора в целом;

б) максимально возможное относительное отверстие, равное отношению диаметра объектива к его фокусному расстоянию;

в) определенный угол поля зрения, зависящий от назначения прибора;

г) минимальные потери для длин волн, соответствующих выбранному диапазону;

д) минимальные размеры изображения в фокальной плоскости объектива без существенных искажений при перемещении цели к краю поля зрения;

е) малое виньетирование при перемещении цели к краю поля зрения;

ж) стабильность оптических свойств при различных климатических условиях, а также при работе в условиях тряски и вибраций.

Основным элементом фокусирующей системы является объектив- совокупность линз или зеркал, создающих изображения на чувствительной площадке приемника излучения. В инфракрасных приборах, применяют три типа фокусирующих систем: линзовую, зеркальную и зеркально-линзо-.вую. Линзовая фокусирующая система состоит из объектива и конденсора. Если представить объектив в виде эквивалентной линзы, то схема прохожде- ия лучей через эту линзу имеет вид, показанный на рис. 5.2.

При отклонении направления на цель на угол Рмакс по отношению к оптической оси линзы изображение цели в фокальной плоскости линзы переместится из точки а в точку б. Поскольку цель может находиться в лю-бой точке пространства, ограниченного телесным углом Шоб, характеризующимся плоским углом фманс. то изображение цели может находиться в любой точке окружности радиуса г. Диаметр этой окружности называется линейным полем зрения фокусирующей системы.

Для индикации цели необходимо приемник излучения перемещать в со-ответствующие положения (в нашем случае из точки а в точку б) или иметь 1размеры чувствительной площадки, равные размерам линейного поля зрения. Так как цель может находиться в любой, заранее не известной точке пространства, то перемещение приемника в соответствующую точку фокальной плоскости практически неосуществимо. Увеличение же размеров чувствительной площади приемника ведет к ухудшению его характеристик. Поэтому приходится прибегать к установке дополнительной линчы-конденсора. Последняя выполняет еще одну функцию. В некоторых инфракрасных приборах Е фокальной плоскости размещают модулирующую диафрагму. Поэтому чувствительную площадку приемника излучения приходится располагать яа некотором удалении от фокуса (рис. 5.3, а). Если при этом направление лучей не совпадает с оптической осью, то часть энергии не воспринимается

Приемник

СХ\ Приемнйн Цель

1Рис. 5.1. к определению коэффициента усиления оптической системы.

Рис. 5.2. Схема прохождения лучей через объектив.

Рис. 5.3. Линзовая фокусирующая система без конденсора (а) я с конденсором

Рис. 5.4. Линзовый конденсор (о), световая ловушка <б) и иммерсионный конденсор (в).

Рис. 5.5. Схематическое изображение линзовой фокусипуюшей системы в главных ило^ло-стях.

Нриемиин

Объектив

Иондеисор

Рис. 5.4

Обьектид

Фокальная плоскость вВъеитива

I Отическа!г ось

Рис. S.S