12-14

12. Оптические системы, формирующие изображения в ИК области спектра

В коротковолновой – УФ и видимой области спектра формирующая сигнал оптика ОЭП выполняется в виде системы линз –линзовых объективов. Успехи в развитии оптического материаловедения и технологии обработки материалов позволяют изготовить линзовые объективы и в ИК области спектра. Характерный пример – германиевые объективы, основной недостаток которых прежде всего высокая стоимость. С другой стороны, оптика в ИК диапазоне волн может быть чисто зеркальной. В этом случае она полностью ахроматична и может работать с очень высоким пропусканием на всех длинах волн Неудобство зеркальной оптики в том, что невозможно обеспечить большое поле из-за внеосевых геометрических аберраций. Увеличить поле можно путем введения преломляющих элементов, называемых корригирующими, т.е. применением зеркально-линзовых систем.

Коррекция ухудшает спектральное пропускание.

Наконец для широкоугольной по полю оптики применяется в основном преломляющие элементы. Введение асферических поверхностей позволяет существенно уменьшить число элементов в системах, предназначенных для решения конкретной задачи. Оптическое пропускание можно увеличить за счет просветления преломляющих поверхностей.

12.1. Зеркальные телескопические системы

- Параболическое зеркало

З₁

ПР

З₁

(гиперб)

З₂ (плоск)

- Телескоп Ньютона

- Телескоп Кассегрена

З₂(гиперб)

Пр

З₁ (парабола)

З₂ (эллипт.)

З₁ (парабола)

Пр

- Телескоп Грегори

- Телескоп Гершеля (без экранирования)

Пр

- Осевой телескоп без экранирования

Пр-к

З₂

З₁(параб.)

З₃ (эллипс)

12.2. Зеркально-линзовые телескопы

- Телескоп Шмидта

М₁ (мениск)

З₁ (сфера)

- Телескоп Максутова –Бауэра

З₁(сфера)

М₁(толст. мениск концентр. с З₁)

- Телескоп Манжена –корригирующий элемент непосредственно на зеркале

З₁+М₁

- Телескоп Кассегрена с корригирующим элементом Максутова

М₁

З₁

З₂

- Телескоп Кассегрена с корригирующим элементом Манжена

З₁

- Телескоп с корригирующим элементом вблизи фокуса

- Иммерсионная система Шмидта

12.3. Вспомогательная оптика

- Обтекатели

- Линза для спрямления поверхности изрбражения

- Призмы

- Делители

- Линзы Рэлея и световыоды

/Линза Рэлея служит для перефокусировки изображения в новую более удобную плоскость. Применяется редко. Световод служит для переноса изображения без перефокусировки/. К вспомогательным элементам следует отнести бленды (рис.31).

Рис.31

12.4. Формирование изображения, аберрации

Попадая в ОЭС , излучение проходит внутри её ряд сред. Входная оптика – это та часть системы, которая собирает излучение и формирует изображение, анализируемое затем модулем пространственного разложения. Поэтому характеристики оптических компонентов являются одним из факторов, ограничивающих качество ОЭС по такому, например, параметру как обнаружение. Указанные ограничения связаны прежде всего с геометрическими и хроматическими аберрациями.

Хроматические аберрации

Для тонкой линзы с фокусным расстоянием f и показателем преломления n(l) и радиусами кривизны R и R¢ для оптической силы

можно получить соотношение

, (39)

определяющее расплывание в диапазоне Dl=l₁…l_i изображения точки, связанное со спектральной зависимостью n(l)/

Исправление хроматических аберраций осуществляется комбинацией линз в объективе т.о., чтобы дисперсия одной линзы компенсировалась дисперсией другой. Результатом создания такого дублета формируется ахромат. В некоторых случаях требуется применение более сложной оптической системы, составленной из трех линз (апохромат)

Продольная хроматическая аберрация dx в зависимости от длины волны иллюстрируется графическими рисунками (1-ахромат, 2-апохромат, 3-нескорригированная система).

Геометрические аберрации.

В соответствии с геометрической оптикой в Гауссовом приближении изображение объекта, расположенного вблизи главной оптической оси (оси вращения оптической системы) можно получить для параксиальных лучей, образующих с осью малые углы: на практике системы должны иметь достаточно большие относительные отверстия и поля зрения, т.е. работать в условиях , далеких от сформулированного выше допущения. Результатом этого является возникновение четырех видов аберраций.

· Сферическая аберрация (СА)

СА сильно увеличивается с ростом апертурного угла, не зависит от размера изображения y¢. Поперечная сферическая аберрация dy¢ имеет круговую симметрию. Причем dy¢=ah³ ºD/f, где а – коэффициент сферической аберрации, D/f- относительное отверстие объектива. Коррекция СА производится за счет достижения условия, что в объективе а_å®0 расчетным путем (за счет достижения взаимной компенсации членов третьего порядка членами пятого порядка в полиноме, определяющем аналитическое выражениеdx¢.Линза, соответстующая, минимальной аберрации называется линзой оптимальной формы. Коэффициент формы

-1

-2 -1 0 1 2

Сферическая аберрация простых линз быстро уменьшается с уменьшением показателя преломления.

· Кома – определяется отклонением условия Аббе для апланатических систем. Её характеризует отношение

Кома проявляется вне оптической оси (в косых пучках дает изображение не обладающее круговой симметрией и увеличивается с увеличением поля и апертуры системы.

Для этого типа аберрации

здесь w - угловое поле в пространстве предметов.

Так как кома в реальном объективе накладывается на СА при определенных условиях СА может скомпенсировать этот вид аберрации (изопланатизм).

· Астигматизм и кривизна поля

При астигматизме вблизи изображения пучок излучения образует две узкие зоны. Эти зоны или геометрическое место “фокусов” астигматизма состоят из двух взаимно перпендикулярных сегментов, называемых соответственно тангенциальным (меридиональным, перпендикулярным плоскости симметрии пучка) и сагиттальным (лежащим в этой плоскости) геометрическим местом точек схода лучей.

Для этого вида аберрации .

Благодаря кривизне поля, к которой приводит астигматизм, уже не существует плоскости изображения, а есть кривая поверхность изображения.

· Дисторсия

Дисторсия определяется соотношением

dy¢=y¢³dw³

здесь d- коэффициент дисторсии системы и не зависит от апертуры h

Если d>0, изображение вытягивается к краям поля (подушкообразная дисторсия), если d<0 – увеличение к краям поля становится меньше и имеем дело с бочкообразной дисторсией. Дисторсия не влияет на качество изображения, но изменяет положение каждой точки.

Обычно все рассмотренные виды аберраций одновременно присутствуют в оптических системах в большей или в меньшей степени. Задача оптического расчета состоит в том, чтобы общий кружок рассеяния, обусловленный всеми аберрациями, не превосходил требуемой величины или размера чувствительной площадки приемника т.е. мгновенное поле зрения ОЭС не должно быть ограничено аберрациями.

13. Детекторы оптического излучения

Необходимость измерять или обнаруживать оптическое излучение возникла, фактически, со времени открытия ИК излучения – это исследования Гершеля 1800 г., приведшее в 1800 г. к: обнаружению теплового эффекта за пределами красной границы видимого диапазона длин волн, разложенного в спектр с помощью призмы) и УФ излучения (опыты 1801 г. Риттера по воздействию на светочувствительные материалы).

Приемник излучения преобразует поступающий на него оптический сигнал, который является функцией пространственных координат и времени F(x,y,z), в электрический сигнал или реакцию приемника в форме напряжения, тока или мощности. Существует два вида использования приемника: приемники потока (радиометрия), которые осуществляют интегрирование оптического сигнала по пространственным переменным и реакция которых является функцией времени:

;

- приемники изображения (глаз, фотография, матрицы), в которых интегрирование сигналов происходит по времени и реакция которых является функцией пространственных переменных

Приемники потока дают реакцию, которая отражает изменения по времени попадающего на приемник сигнала. В частности, когда эти изменения отражают перемещение элементарного поля зрения, визируемого приемником, система сочетает в себе оба вида использования приемников, т.е. идет речь о получении телевизионного (тепловизионного) изображений.

13.1. Характеристики детекторов оптического излучения

При определении параметров детекторов оптического излучения – фотоприемников (ФП) отмечают прежде всего характеристики чувствительности и общие характеристики. К числу последних должны быть отнесены:

· геометрические параметры,

· электрические (позволяют описать приемник параметрами эквивалентной схемы),

· оптические свойства приемника-последний элемент оптической системы,

· механические свойства, температурные свойства, временные свойства(старение).

Чувствительность ФП – это отношение изменения электрической величины на выходе ФП, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения в заданных эксплуатационных условиях. Помимо полезного регулярного сигнала на выходе ФП имеется хаотический сигнал со случайной амплитудой и частотой – шум ФП. Шум – это флуктуации напряжения или тока приемника, выражаются среднеквадратичной величиной вида:

Типичный спектр мощности шума полупроводниковых ФП приведен на рис.32. В области избыточного шума (зона f<f₁), обусловленного главным образом контактными явлениями, спектр шума подчиняется закону 1/f^x при x=1. Причем, обычно f₁~ 1000 Гц. Широкая область f₁-f₂ область белого шума.

Рис. 32.

· Отношение сигнала (S) к шуму (N) определяют как отношение мощности сигнала к мощности шума.

· Мощность, эквивалентную шуму W_пор.определяет столь слабый поток излучения F₀,, при котором мощность сигнала W_s, эквивалентна мощности шума W_ш, так что ,

где W(l) - величина потока излучения, S_n -чувствительность приемника, Df- ширина полосы предусилителя, А_d – площадь ФП..

· Интегральная чувствительность R(l,f,Dd) характеризует преобразование оптического потока F в напряжение или ток

· Обнаружительная способность D

Это величина обратная потоку, эквивалентному шуму (G- коэффициент усиления).

, [Вт^-1]

Обнаружительная способность зависит от ряда параметров:

- спектрального состава и частоты модуляции излучения,

- условий питания и ширины полосы системы обнаружения,

- температуры приемника излучения.

Чтобы иметь возможность сравнивать различные приемники между собой удобно использовать обнаружительную способность отнесенную к корню квадратному из площади и полосы пропускания, называемую удельной обнаружительной способностью D

Кроме обозначенных, приемники излучения определяют:

· Локальная чувствительность

· Спектральная чувствительность S(l)

· Чувствительность в функции частот тракта усиления S(f)

· Полоса пропускания приемника

· Постоянная времени

· Температурная чувствительность

13.2. Типы детекторов излучения

Известны многие физические явления, которые могут использоваться для обнаружения падающего на приемник излучения. Эти явления делятся на два класса:

а - фотонные эффекты, обусловленные непосредственным воздействием фотонов излучения на энергетическое состояние атомов приемника;

б – тепловые эффекты, возникающие в результате нагревания приемника поглощенным излучением.

Здесь рассмотрим те типы приемников, которые нашли применение в практике разработки ОЭП. (см. диаграмму).

13.3. Фотонные приемники

В номенклатуре фотонных приемников широко представлены фотоэмиссионные приемники излучения (ФЭП).

Речь идет о фотоэлектрических приемниках с внешним фотоэффектом и прежде всего - о фотоэлементах. Наблюдаемый в ФЭП сигнал соответствует числу электронов, испущенных твердым телом под действием падающих фотонов, и зависит от приложенного к фотоэлементу постоянного напряжения.

Чувствительность и квантовый выход ФЭП зависит от работы выхода, т.е. энергии, которую необходимо сообщить электронам, чтобы они были испущены веществом в вакуум.

Некоторые фотоэлементы наполняют инертным газом для увеличения чувствительности за счет ионизации газа, но при этом шум фотоприемника возрастает. Другой путь повышения чувствительности – использование вторичной электронной эмиссии (ФЭУ) в приборах диодного и микроканального типов).

Область чувствительности ФЭП –УФ, видимая и ближняя ИК.

Фотокатоды: Ag-O-Cs- 0,3 – 1 мкм

S-20 – 0,3 – 0,75 (K –Sb – Na – Cs)

GaAs – 0,3 – 0,95.

К числу ФЭП относятся также:

- Фотосопротивления, фотодиоды, полупроводниковый ФЭП, работа которого связана с т.н. фотопроводимостью (фотодиоды кремниевые – 0,5 – 1,1 мкм, германиевые 0,8 – 1,8 мкм).

- Фотографические слои.

- Люминесцентные приемники (фосфоры).

- Приемники индуцированного излучения.

13.4. Тепловые приемники излучения

- Болометры (полупроводниковые, металлические) – наблюдаемый сигнал формируется за счет изменения электропроводимости материала в функции его температуры. Болометры - инерционные детекторы; t£10^-3с, подключаются по мостовой схеме.

- Пироэлектрики. Чувствительный элемент этих приемников – кристаллическая пластина, на поверхности которых под действием нагрева образуются электрические заряды.

-Термоэлементы – приемники излучения, в которых ЭДС возникает за счет термоэлектрического эффекта. Как правило-это батарея последовательно соединенных термопар.

- Пневматические приемники излучения.Принцип построения демонстрирует рис.33. Здесь показаны: приемная площадка, нагреваемая излучением Ф через окно 2 и нагревающая в свою очередь объем воздуха V₁, М –мембрана, отделяющая объем V₂от объема V₁, объемы V₁,V₂ связаны каналом К. При изменении уровня потока Ф газ в объеме V₁ расширяется, изменение давления приводит к деформации мембраны М. Уровень сигнала можно измерить по изменению емкости конденсатора, одной из пластин которого и есть мембрана М (это так называемый приемник I сорта), или по интерференционной картине

( приемник Голея).

Обобщенные характеристики известных типов фотоприемников представлены на рис.33

13.5. Промышленные образцы приемников

· Сернистый свинец (PbS). Первый массовый приемник. Представляет собой фотосопротивление, изготовленное из монокристалла PbS (1б,…3 мкм) (Сопротивление –Мом, область частот до 10 кГц, l_max ~ 2,6 мкм).

Охлаждаемые приемники PbS (77 К -l_гр ®4 мкм. Д*~ 10¹¹×4×10¹²).

· PbSе. Подобен предыдущему, но ещё в большей степени один образец отличается от другого

(l_гр ®5; (77 К). l_гр ®7 мкм, Д*~ 10¹⁰)

· PbТе. Работает только с охлаждением ( ~77 К ), l_гр ®5,4 мкм.

· InSb (l_гр~6 мкм. Низкоомный, требует согласующего трансформатора, Д*~ 10¹¹)

· Германий, легированный золотом (медью, кадмием) - l_max – 5-10 мкм и до 40-100 мкм сдвигается при глубоком охлаждении, Д*~ 10¹⁰- 10¹¹.

· Термоэлементы (пороговая чувствительность – 3-5 10^-9 вт^-1 при полосе 1 Гц).

· Приемник Голея (t - 2¸30 мсек; Д*~ 2×10⁹)

· Кремний, легированный бором, висмутом, Al, P, сурьмой и т.д. (l_max ~ 30 мкм Д*до 10¹³, обязательно охлаждаемые).

· КРТ – приемники (кадмий – ртуть – теллур), 70-140 К, Д*до 10¹³.

· Матричные приемники - ФП конца ХХ и ХХI века.

Перспективы развития оптических детекторов

· Увеличение чувствительности.

· Уменьшение размеров и создание многоэлементных приемников.

· Увеличение срока службы.

· Снижение стоимости и, безусловно, создание матричных приборов с числом чувствительных элементов сотни и тысячи.

Спектральные характеристики тепловых приемников без окна.

1- пироэлектрический приемник из триглицинсульфата (ТГС); 2- термисторный болометр.

Спектральные характеристики приемников разных типов

1-идеальный приемник с р-n-переходом; 2-идеальный фоторезистор; 3 –идеальный тепловой приемник; 4 – пироэлектрический приемник; 5 –термисторный болометр; 6 – термоэлемент; ФД- фотодиод; ФР –фоторезистор.

14. Фотоприемники с переносом заряда (ПЗС)

Принцип действия одного из важнейших типов приборов этого класса, приборов с зарядовой связью (ПЗС) основан на использовании структуры металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) в виде линейки или матрицы фоточувствительных элементов, каждый из которых является конденсатором. Если подать на металл импульс напряжения такого знака, чтобы основные носители заряда в п/п были вытолкнуты от поверхности с образованием слоя объемного заряда, то для неосновных носителей, образуется потенциальная яма. Излучение, падающее на конденсатор, будет генерировать пары из основного и неосновного носителей заряда. Основные будут выталкиваться из ямы, а неосновные – накапливаться в ней. Пакет накопленных зарядов несет оптическую информацию, которую можно передать по всей линейке (матрице) от основного элемента к элементу, подавая на них последовательность импульсов напряжения. Вывод всех зарядов, содержащихся в линейке, осуществляется единым выходным электродом. Устройство ведет себя как многоэлементный приемник, связанный с системой мультиплексирования и считывания информации в форме видеосигнала.

14.1. Трехфазный ПЗС

В этом типе ПЗС управляющие напряжения, поступающие от трех генераторов, сдвинуты на треть периода. ПЗС состоит из полупроводника (например, кремния, n-типа) покрытого слоем изолятора, на который нанесена пленка металла – алюминия (рис.33) – электроды. Эти электроды присоединены группами по три к трем фазам j₁, j₂, j₃, выдающим управляющие напряжения-команды.

Перенос заряда происходит под действием напряжения V₁ и V₂, третье напряжение V₀ определяет направление переноса и не дает зарядам двигаться в обратном направлении. Падающее излучение индуцирует в полупроводнике положительные электрические заряды. Эти заряды задерживаются вблизи электрода, потенциал которого V₂ более отрицательный, чем V₀двух соседних электродов (момент времени t₁) (рис.34).

Далее, в момент времени t₂электрод, к которому осуществляется перенос, приобретает потенциал V₂, между тем как потенциал V₁ такой, что V₀ > V₁>V₂ это приводит к перемещению заряда к электроду с более отрицательным потенциалом V₂. Заряды задерживаются теперь около этого нового электрода, в то время как два соседних – имеют потенциал V₀ (момент t₃). Затем циклы последовательно повторяются. Заряды, продвигающиеся т.о. вперед, доходят до последнего электрода и попадают в выходной диод, где видеосигнал принимается и усиливается.

Рис. 33 Схема действия трехфазного ПЗС

Рис.34

14.2. Двухфазный ПЗС

Чтобы упростить механизм управления, можно обеспечить преимущественное направление движения зарядов несимметричной конфигурацией емкостных электродов (например, сделать толщину диэлектрика переменной, что сформирует в п/п два потенциальных уровня, соответствующих одному данному потенциалу электрода) (рис.35).

Эффективность переноса заряда на практике по различным причинам (особенно из-за существования уровня захвата на границе кремний-окись кремния) уменьшается – часть зарядов теряется при каждом переносе. Обычно эффективность 90% на тысячу переносов. Разрабатывают методы, облегчающие диффузию зарядов в кремние. ПЗС регистр позволяет выделять сигналы с различных чувствительных элементов линейки приемников. Эта операция протекает в три этапа (см.рис.37).

- этап накопления, во время которого излучение создает электрический сигнал в фоточувствительных элементах;

- параллельный перенос сигнала с каждого элемента в ПЗС;

- перенос сигнала вдоль ПЗС.