Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
РЕФЕРАТ
На тему:
«КОРОТКІ ВІДОМОСТІ ПРО ЕЛЕМЕНТАХ Узагальнена схема електронно-оптичних приладів»
МІНСЬК, 2008
1. Джерела випромінювання і проміжна середовище.
У залежності від завдань, що вирішуються конкретної оптико-електронною системою, джерело випромінювання може бути об'єктом спостереження (метою) або фоном.
Якщо мати на увазі фізичну природу випромінювання джерела, то слід передусім розрізняти власне і відбите випромінювання.
Однак найбільш часто класифікують джерела випромінювання за такими ознаками, які дозволяють віднести їх до однієї з двох
великих груп-природним і штучним джерелами випромінювання. Класифікація джерел випромінювання за цими ознаками наведена на рис.3.
До штучних джерел випромінювання, які використовуються в активних системах (джерела підсвічування), відносяться лампи розжарювання, газорозрядні та дугові лампи, піротехнічні джерела випромінювання та оптичні квантові генератори (лазери).
Еталонними джерелами випромінювання найбільш часто є моделі абсолютно чорного тіла, у якості яких можуть використовуватися або спеціально оброблені поверхні та покриття, або порожнисті випромінювачі. Функції еталонних джерел виконують також різні лампи та оптичні квантові генератори, що застосовуються при калібруванні приладів та імітації випромінювання фонів і цілей.
До наземних природним і штучним джерелам випромінювання можна віднести дерева, кущі, каміння, землю, воду, пісок, будівлі, транспортні засоби, людей, тварин і т. д. В атмосфері Землі існують такі джерела випромінювання, як атмосферні гази, пари води, хмари , пил, полярні сяйва, двигуни і обшивка літаків, ракети та ін Космічними джерелами випромінювання є Сонце, Місяць, планети, зірки, туманності, штучні супутники Землі (ШСЗ), ракети, космічний пил і пр.
Окремі деталі і вузли апаратури можуть випромінювати значну кількість енергії, яка сприймається приймачем. До них належать елементи об'єктива - лінзи і дзеркала, а також захисні вікна і обтічники. Ці джерела випромінювання називаються апаратурними.
Між джерелами випромінювання і приладом завжди існує деяка середовище, в якому відбувається ослаблення енергії за рахунок поглинання і розсіяння. Здебільшого поглинає і розсіює середовищем є земна атмосфера, в якій відбувається поглинання випромінювання молекулами води, вуглекислого газу й озону, а розсіювання пов'язано з наявністю скупчення молекул атмосферних газів, часток пилу і крапельок води.
2. Оптична система.
Потік випромінювання від його джерел (цілі і фону) після проходження через ослаблювала середу сприймається оптичною системою оптико-електронного приладу, яка складається з різного роду комбінацій захисних стекол, лінз, дзеркал, призм, діафрагм, щілин, фільтрів, грат і виконує дві головні функції . Перша функція полягає в тому, щоб зібрати якомога більший потік приходить випромінювання та з мінімальними втратами направити його на приймач.
Друга функція оптичної системи полягає в оптичній фільтрації приходить сигналу, з метою збільшення відношення величини сигналу до шуму фону. Розрізняють два види оптичної фільтрації - спектральну і просторову. Спектральна фільтрація здійснюється за допомогою оптичних фільтрів (абсорбційних, дисперсійних, що відображають і інтерференційних, тобто оптичних матеріалів - скла та кристалів, а також діелектричних та металевих покриттів, нанесених на оптичні матеріали) і має на меті обмежити випромінювання, падаюче на приймач, певним інтервалом довжин хвиль. Фільтри можуть обмежувати спектральний діапазон пропускання з одного боку, «відрізаючи» короткохвильове або довгохвильове випромінювання, або з двох сторін, виділяючи певну смугу. Просторова фільтрація здійснюється просторовими фільтрами - діафрагмами, щілинами, растрами і служить для виділення випромінювання мети з випромінювання фону за рахунок відмінності геометричних розмірів і форми відповідних цілей від елементів фону.
Додатковими функціями оптичної системи в різних оптико-електронних приладах є забезпечення необхідного поля огляду при заданому полі зору, забезпечення процесу спостереження за метою чи отримання інформації про її координатах, модуляція постійної складової випромінювання, що падає на чутливу майданчик приймача, захист внутрішньої порожнини приладу від пилу, вологи та інших шкідливих впливів навколишнього середовища.
У процесі концентрації потоку випромінювання на чутливій майданчику приймача неминуче відбуваються його втрати у обтічнику,. лінзах, дзеркалах, елементах, які здійснюють просторову фільтрацію, і на поверхні приймача. Ці втрати пов'язані з поглинанням енергії в оптичних матеріалах, неповним відображенням дзеркал, віньєтування та іншими причинами. Проте в результаті застосування оптичної системи потік випромінювання, що падає на приймач, в тій чи іншій мірі посилюється. Найбільше посилення досягається для випадку спостереження віддалених малорозмірних (точкових) об'єктів, коли зображення об'єкта спостереження повністю вписується в розміри чутливої майданчики приймача випромінювання. При цьому посилення дорівнює відношенню площі вхідного зіниці об'єктиву до площі чутливої майданчики приймача з урахуванням всіх втрат в оптичній системі. Загальний коефіцієнт пропускання оптичної системи рідко перевищує 20%, особливо якщо врахувати, що понад 50% випромінювання втрачається за рахунок модуляції. Додаткові втрати відбуваються на поверхні чутливої майданчика і в обсязі приймача випромінювання. Наприклад, від поверхні серністосвінцового фоторезистора відбивається і, отже, втрачається близько 35% падаючого випромінювання, якщо застосовується неіммерсіонная оптична система.
Найважливішою частиною оптичної системи будь-якого оптико-електронного приладу є об'єктив (рис.4), який служить в першу чергу для збору (фокусування) енергії і освіти зображення об'єкта, що спостерігається і всього поля випромінювання. Вимоги до якості цього зображення визначаються завданнями, які стоять перед всією приладом, умовами його роботи і конструктивними особливостями. При виборі конструкції об'єктива завжди доводиться шукати компромісне рішення з точки зору поліпшення пропускання, тобто зменшення втрат випромінювання, і забезпечення заданого якості зображення.
Найпростішим об'єктивом є одна лінза зі сферичними поверхнями. Лінза характеризується чотирма параметрами: радіусами крівізниR 1 і R 2, показником заломлення п і товщиною / \. Паралельний пучок променів, що падають на лінзу від нескінченно віддаленого точкового джерела, фокусується за лінзою на відстані f 'від неї. Відрізок f ', званий заднім фокусною відстанню лінзи, визначається виразом f' = R 1 R 2 / (n - 1) (R 2 - R 1).
У першому наближенні можна вважати, що лінза зі сферичними поверхнями перетворює падаючу на неї плоску хвилю в сферичну. Однак практично навіть при ідеально сферичних поверхнях лінзи фронт хвилі на виході буде мати відхилення від ідеальної сфери, звані абераціями. Для поліпшення сферичності хвильового фронту, тобто зменшення аберацій, поверхням лінз надається несферичних або асферична форма. Але і при повному знищенні аберацій зображення точкового джерела випромінювання, створюване оптичною системою, являє собою не крапку, а пляма кінцевих розмірів у зв'язку з обмеженими розмірами отвору об'єктиву, що приводять до дифракції падаючої світлової хвилі. Якість зображення менш досконалих систем визначається розфокусуванням, сферичною аберацією, комою, астигматизмом і т. д.
Однолінзових об'єктив має практично всі види аберацій, з яких особливо великі хроматизм і сферична аберація, тому основним його недоліком є погана якість зображення. Набагато кращої якості можна домогтися, використовуючи прості двохлінзові об'єктиви. Їх відносний отвір (відношення діаметра до / з фокусною відстанню) зазвичай не перевищує 1: 3 при вугіллі поля зору до 10 ° і діаметрі вхідного вічка не більше 100-150 мм. Для досягнення хорошої якості зображення при великих "кутах поля зору застосовують більш складні системи - триплети і багатолінзові об'єктиви, які, проте, мають відносно гіршим пропусканням.
Як матеріал для виготовлення лінз і вікон в теплобачення зазвичай використовуються різні оптичні середовища: напівпровідникові матеріали кремній і германій у вигляді моно-і полікристали; полікристалічні з'єднання, отримані гарячим пресуванням, - оптична кераміка («Іртран» у США); селенід цинку (ZnSe ) і сульфід цинку (ZnS), отримані шляхом хімічного обложений-ня з газової фази; а також халькогенідні скла типу ІКС (Т11173 фірми «Тексас інструменті» в США). Особливо широко використовуються кремній і германій, завдяки високим показникам заломлення (4,0 для германію і 3,4 для кремнію) та механічної міцності.
Багато недоліків лінзових оптичних систем відсутні у дзеркальних об'єктивів. В якості найпростішого об'єктива в цьому випадку часто використовується одиночне (сферичне) дзеркало. Для сферичного дзеркала з радіусом кривизни поверхні, рівним R, наближене значення фокусної відстані дорівнює R / 2. Якщо. замість дзеркала зі сферичною поверхнею застосувати асферичне дзеркало (параболічне, гіперболічне і т. д., можна усунути сферичну аберацію і поліпшити якість зображення. Досить широко використовуються і більш складні дзеркальні об'єктиви, наприклад двухзеркальние, що включають в себе крім основного увігнутого дзеркала з отвором в центральній зоні контррефлектор, який може бути плоским, увігнутим або опуклим, в тому числі і по асферичної поверхні. Дзеркальні об'єктиви не забезпечують хорошого якості зображення в широкому полі зору. наяв-ки контррефлектора призводить до екранування частини приймальної поверхні дзеркального об'єктива. Багато гідності лінзових і дзеркальних систем об'єднані в дзеркально-лінзових оптичних системах, в яких, поряд з досить гарним пропусканням, можна досягти великих відносних отворів і значних кутів поля зору. До дзеркально-лінзовим систем відносяться системи Шмідта, Максутова та інші. Застосування в дзеркально-лінзових системах дзеркал Манже (з внутрішнім відображенням) дозволяє значно зменшити сферичну аберацію.
У оптико-електронному приладі фокусирующая оптична система являє собою один з елементів тракту передачі та прербразованія сигналу (і елементів фону). Саме це її властивість, що впливає на процес обробки інформації, підлягає вивченню.
Внутрішня структура і абераційні властивості фокусуючих оптичних систем складають предмет геометричної оптики.
3. Приймачі випромінювання (визначення та класифікація)
Приймач випромінювання є основним елементом оптико-електронного приладу. По суті, сама назва приладів - оптико-електронні-зобов'язане властивості приймача перетворювати потік випромінювання в електричний сигнал.
Існують різні визначення приймача випромінювання, однак всі вони відображають головна властивість приймача - здатність виявляти наявність випромінювання шляхом перетворення його в енергію інших видів для подальшої реєстрації. В іноземній технічній літературі це властивість приймача випромінювання знаходить вираз у назві - детектор, тобто Обнаружитель.
Таким чином, приймач випромінювання представляє собою пристрій, що служить для сприйняття енергії випромінювання і перетворення її в енергію інших видів з метою подальшої реєстрації результату цього перетворення, що приводить до виявлення.
Процес виявлення випромінювання складається з двох основних етапів: перетворення енергії оптичного випромінювання в інший вид енергії та реєстрації перетвореної енергії. Наприклад, в термоелемента потік випромінювання викликає появу електрорушійної сили, яка реєструється звичайним чином (гальванометром); в евапорографе енергія випромінювання поглинається і викликає нагрівання і випаровування масляної плівки, зміна товщини якої реєструється інтерференційними методами і т. д.
Приймачі випромінювання можуть класифікуватися за такими ознаками: виду енергії, в яку перетворюється випромінювання, характером зміни чутливості приймача при зміні довжини хвилі падаючого випромінювання; області спектру, де вони найбільш чутливі і знаходять найбільше застосування; робочій температурі чутливого шару.
По виду енергії, в яку перетворюється випромінювання, приймачі випромінювання поділяються на теплові, фотоелектричні або фотонні, люмінесцентні, фотохімічні.
У теплових приймачах енергія випромінювання перетвориться в теплоту, а реєстрація перетворення зводиться до вимірювання приросту температури прийомної площадки, нагрітої внаслідок опромінення ня. Спосіб реєстрації зміни температури визначає конкретний тип теплового приймача випромінювання.
У термоелемента зміна температури прийомної площадки викликає появу електрорушійної сили в контурі, утвореному двома спаяними або звареними провідниками з різних металів.
У болометр зміна температури викликає зміну електричного опору провідника або напівпровідника.
У оптико-акустичному приймачі зміна температури приймальної поверхні, що утворює одну із стінок газової камери, викликає зміна температури та об'єму газу і прогин мембрани - другий стінки газової камери.
У евапорографе зміна температури викликає зміну товщини масляної плівки.
У діелектричному приймачі зміна температури викликає зміна діелектричної проникності діелектрика конденсатора, що має сильну температурну залежність, і відповідна зміна ємності конденсатора реєструється. Різновидом діелектричного приймача є Піроелектричний приймач випромінювання, в якому діелектриком конденсатора служить сегнето-електрик, тобто речовина, на поверхні якого з'являється електричний заряд при механічних деформаціях.
Нерівномірний нагрів конденсатора призводить до деформацій, і на обкладинках конденсатора виникають заряди, які реєструються.
У терміконе ізмененіе.температури викликає зміна величини фотоемісія і т.д.
У фотоелектричних (фотонних) приймачах енергія випромінювання перетвориться в механічну енергію електронів, що випускаються опромінюваним речовиною. Якщо електрони, звільнені квантами випромінювання, залишають речовина, з атомів якого вони вирвані, то явище носить назву зовнішнього фотоефекту, якщо ж електрони залишаються в речовині, то явище називається внутрішнім фотоефектом. Вплив внутрішнього фотоефекту на характеристики речовини може бути різним в залежності від умов, які створені для звільнених електронів. Якщо вони можуть переміщатися всередині речовини в будь-якому напрямку, то речовина залишається нейтральним і лише електропровідність її змінюється. Якщо ж у речовині ство-ются умови односторонньої провідності і електрони можуть переміщатися лише в одному напрямку, то в речовині виникає різниця потенціалів, що створює струм у зовнішньому ланцюзі.
Фотоелектричні приймачі випромінювання, в яких використовується явище зовнішнього фотоефекту, називаються фотоеміссіоннимі приймачами. До них відносяться вакуумні й газонаповнені фотоелементи, фотопомножувача, електронно-оптичні перетворювачі (ЕОПи) і деякі телевізійні передавальні трубки (діссектор, іконоскоп, суперконоскоп, ортікон, суперортикон та ін.)
Приймачі з внутрішнім фотоефектом, в яких використовується явище зміни електропровідності речовини, називаються фоторезисторами або фотосопротивлений.
Приймачі, в яких використовується явище виникнення е.. д. с, називаються фотогальванічними, вентильними фотоелементами або фотоелементами з запірним шаром.
Якщо в якості контактуючих речовин у вентильному фотоелементі застосовуються напівпровідники з різним типом провідності, то поряд з виникненням різниці потенціалів між шарами з р-і п-провідністю при нерівномірному висвітленні чутливого шару утворюється різниця потенціалів вздовж р-n-переходу. Цю фото-е. д. с. називають поздовжньої або бічний, а відповідні приймачі - фотоелементами з поздовжнім або бічним ефектом.
Якщо до чутливого елементу приймача випромінювання з запірним шаром прикласти напругу так, що воно перешкоджає виникненню струму в зовнішньому ланцюзі приймача при освітленні, то зміна величини потенційного бар'єру під дією випромінювання призводить до зміни опору і падіння напруги на приймачі. Цей режим роботи називають фотодіодному. Зміна струму, що проходить через фотодіод при освітленні, може посилюватися, як у звичайному напівпровідниковому тріоді, тим же напівпровідником, в якому створено запірний слой. У цьому випадку відповідний комбінований приймач випромінювання називається фототріодом. Умови односторонньої провідності і, отже, появи е.. д. с. при освітленні, можна створити в напівпровіднику, поміщаючи його в магнітне поле, орієнтоване по нормалі до падаючого випромінювання. У цьому випадку носії струму (електрони і дірки) відхиляються магнітним полем в протилежні сторони, що приводить до виникнення у зразку різниці потенціалів. Описане явище має назву Фотомагнітні ефекту.
У люмінесцентних приймачах випромінювання відбувається перетворення випромінювання одного спектрального складу у випромінювання іншого спектрального складу. Типовим представником цього типу приймачів є метаскоп - светосостав, що висвічуються під дією ІЧ-випромінювання за рахунок накопиченої ним світлової енергії при попередньому опроміненні ультрафіолетом, синім випромінюванням неба або радіоактивною речовиною.
У фотохімічних приймачах енергія випромінювання викликає всілякі хімічні перетворення. У фотопластинці, наприклад, відбувається фотохімічна реакція розкладання галоїдних солей срібла, причому металеве срібло виділяється, утворюючи приховане зображення джерела випромінювання. В оці, людини під дією світла в світлочутливих елементах сітківки відбувається фотохімічний процес, при якому продукти розкладання викликають роздратування зорового нерва і світлове відчуття.
Залежно від характеру зміни чутливості приймача при зміні довжини хвилі падаючого випромінювання приймачі випромінювання можна розділити на дві великі групи: неселективні, чутливість яких залишається постійною в певному досить широкій ділянці спектра; селективні, чутливість яких залежить від довжини хвилі падаючого випромінювання.
До неселективним приймачів, зокрема, відноситься більшість теплових приймачів випромінювання, у яких забезпечується сталість коефіцієнта поглинання прийомної площадки при зміні довжини хвилі за рахунок чорніння - покриття кіптявою, випаровування металів у вакуумі і т. д.
Приймачі випромінювання можна відносити до однієї з п'яти великих груп для областей спектру: ультрафіолетової (1-380 нм); видимої (380-780 нм); ближній ІЧ-області (780-1400 нм); середньої ІЧ-об-ласті (1, 4-6,0 мкм); далекій ЙК-області (6,0-1000 мкм).
До першої групи належать фотоемульсії, деякі фотоеміссіонние приймачі, теплові приймачі та фоторезистори.
До другої групи - фотоеміссіонние приймачі, головним чином з сурм'яно-цезієвим фотокатодом, фотоемульсії, селенові фотогальванічні приймачі, фоторезистори з сірчистого і селенистий кадмію і сірчистого вісмуту, кремнієві фотогальванічні приймачі (сонячні батареї) і теплові приймачі.
До третьої групи - фотоеміссіонние приймачі з киснево-цезієвим фотокатодом, сенсибілізовані фотоемульсії, сірчано-.сто-талієву фоторезистори і фотогальванічні приймачі (тал-лофіди), меднозакісние і сірчистої-срібні фотогальванічні приймачі, теплові приймачі, деякі, фосфору, сірчистої-свинцеві фоторезистори , германієві і кремнієві фотодіоди та фототріоди.
До четвертої групи - сірчистої-свинцеві, теллурісто-свинцеві та селенистий-свинцеві фоторезистори, фоторезистори, фотодіоди та Фотомагнітні приймачі з сурьмянисто індію, фоторезистори з германію, легованого золотом, і теплові приймачі.
До п'ятої групи - теплові приймачі випромінювання, фоторезистори з германію, легованого цинком або ртуттю, фоторезистори на основі потрійних сполук, наприклад кадмію-ртуті-телуру.
Класифікація приймачів випромінювання по тим областям спектру, де вони найбільш чутливі і знаходять найбільше застосування, є досить умовною, оскільки багато приймачі використовуються в різних ділянках спектра. У ряді випадків така класифікація видається виправданою, зручним і не виключає визначення деяких приймачів як дво-та багатодіапазонні, якщо це необхідно.
У принципі можливі будь-які температури чутливого шару приймача, однак найбільш часто для неохолоджуваних приймачів вказуються значення "кімнатній» температури 293 К або 300 К, а для приймачів охолоджуваних називаються точки кипіння різних речовин, що використовуються для охолодження: 194,7 К-твердої вуглекислоти або сухого льоду; 77,4 К - рідкого азоту; 27,3 К - рідкого неону; 20,5 К - рідкого водню; 4,3 К - рідкого гелію. В останніх трьох випадках, коли температура нижче 30 К, приймачі називають глубокоохлаждаемимі.
При кімнатній температурі працює більшість теплових приймачів випромінювання, фотоеміссіонние приймачі, фотопластинки, фосфору, сірчистої-свинцеві фоторезистори фоторезистори з сурьмянисто індію та деякі інші приймачі. При температурі сухого льоду - фоторезистори з сірчистого свинцю, а також деякі теплові приймачі (термоелементи і болометри). При температурі рідкого азоту - фоторезистори з сірчистого, селенистий і теллурістого свинцю, сурьмянисто індію, германію, легованого золотом, фотогальванічні і Фотомагнітні приймачі з сурьмянисто індію, фоторезистори на основі потрійних сполук, теплові приймачі. При наднизьких температурах - фоторезистори з германію, легованого ртуттю або цинком, а також теплові приймачі - надпровідні і германієві болометри.
Класифікація приймачів випромінювання поразлічним ознаками представлена на рис. 5.
4. Підсилювач та інші елементи електронного тракту
Сигнал, що виробляється приймачем випромінювання, зазвичай невеликий: він становить кілька одиниць або десятків мікровольт. Для того щоб витягти з нього і використовувати інформацію, необхідно посилити сигнал. Як підсилювачів сигналу здебільшого використовуються різного роду підсилювачі змінного струму, так як сигнал в оптико-електронному приладі зазвичай модулюється механічними, оптичними або електронними засобами. У залежності від схеми і завдань, що вирішуються конкретним оптико-електронним приладом, форма модульованого сигналу, що надходить на вхід підсилювача, може бути різною. Іноді це періодичний сигнал, форма якого близька до синусоїдальної, однак часто зустрічаються і неперіодичні послідовності імпульсів різної форми. Вихідний сигнал приймача випромінювання зазвичай надходить на вхід підсилювача не безпосередньо, а через погоджує схему, звану вхідний ланцюгом, Вибір елементів вхідного ланцюга є досить важливим завданням, вирішувати яку доводиться самому розробнику оптико-електронного приладу,, в той час як підсилювач сигналу може бути в більшості випадків обраний ним з готових або за його технічним завданням розроблений фахівцем в області радіоелектроніки. Основні вимоги, які пред'являються до підсилювача, відносяться до наступних його параметрами та характеристиками: коефіцієнту підсилення, динамічному діапазону, смуги пропускання і рівнем власного шуму. Крім того, іноді обмовляється форма частотної та фазової характеристики підсилювача, його габарити, вага і споживана потужність.
Зазвичай підсилювач сигналу конструктивно поділяється на-дві частини, одна з яких (передпідсилювач) монтується в безпосередній близькості від приймача випромінювання і служить для попереднього посилення сигналу до рівня, достатнього для подальшої передачі сигналу по довгому кабелю в умовах дії оточуючих нестаціонарних електричних і магнітних полів, а інша (головний підсилювач) містить необхідні елементи регулювання посилення, смуги пропускання та інших параметрів. Коефіцієнт посилення передпідсилювача зазвичай знаходиться в межах 10-10 3, а загальний коефіцієнт підсилення може досягати 10 6.
На виході приймача випромінювання існує сигнал, що має інформацію про об'єкт спостереження, і шум. Для виділення та обробки корисного сигналу з суміші сигналу і шуму в підсилювачі і в електричних ланцюгах, наступних за підсилювачем, містяться лінійні і нелінійні елементи - пристрої формування та декодування, схеми збігу, зворотні зв'язки і т. д., здійснюють необхідні логічні операції. У найпростішому випадку операція виділення сигналу із шуму полягає в частотному аналізі суміші сигналу і шуму за допомогою вузькосмугових електричних фільтрів, а операція обробки сигналу - в його детектуванні. Проте зазвичай потрібні більш складні рішення.
Для реєстрації обробленого сигналу застосовуються різні візуальні, звукові, фотографічні, осцилографічні індикатори та автоматичні системи.
Таким чином, узагальнена схема електричної частини тракту оптико-електронного приладу може бути представлена у вигляді, зображеному на рис. 6. У кожному конкретному випадку структурна схема електричної частини оптико-електронного приладу може відрізнятися від узагальненої схеми, а функції її окремих елементів можуть бути суміщені і видозмінені.
ЛІТЕРАТУРА
1. Степанов Б.І. Введення в сучасну оптику. - Мн.: Наука і техніка, 2004 - 359 с.
2. Порфирьев Л.Ф. Теорія оптико-електронних приладів і систем .- Спб.: Машинобудування, 2000 - 272 с.
3. Москальов В.А. Теоретичні основи оптико-фізичних досліджень .- Спб.: Машинобудування, 2007 - 318 с.
РЕФЕРАТ
На тему:
«КОРОТКІ ВІДОМОСТІ ПРО ЕЛЕМЕНТАХ Узагальнена схема електронно-оптичних приладів»
МІНСЬК, 2008
1. Джерела випромінювання і проміжна середовище.
У залежності від завдань, що вирішуються конкретної оптико-електронною системою, джерело випромінювання може бути об'єктом спостереження (метою) або фоном.
Якщо мати на увазі фізичну природу випромінювання джерела, то слід передусім розрізняти власне і відбите випромінювання.
Однак найбільш часто класифікують джерела випромінювання за такими ознаками, які дозволяють віднести їх до однієї з двох
великих груп-природним і штучним джерелами випромінювання. Класифікація джерел випромінювання за цими ознаками наведена на рис.3.
До штучних джерел випромінювання, які використовуються в активних системах (джерела підсвічування), відносяться лампи розжарювання, газорозрядні та дугові лампи, піротехнічні джерела випромінювання та оптичні квантові генератори (лазери).
Еталонними джерелами випромінювання найбільш часто є моделі абсолютно чорного тіла, у якості яких можуть використовуватися або спеціально оброблені поверхні та покриття, або порожнисті випромінювачі. Функції еталонних джерел виконують також різні лампи та оптичні квантові генератори, що застосовуються при калібруванні приладів та імітації випромінювання фонів і цілей.
До наземних природним і штучним джерелам випромінювання можна віднести дерева, кущі, каміння, землю, воду, пісок, будівлі, транспортні засоби, людей, тварин і т. д. В атмосфері Землі існують такі джерела випромінювання, як атмосферні гази, пари води, хмари , пил, полярні сяйва, двигуни і обшивка літаків, ракети та ін Космічними джерелами випромінювання є Сонце, Місяць, планети, зірки, туманності, штучні супутники Землі (ШСЗ), ракети, космічний пил і пр.
Окремі деталі і вузли апаратури можуть випромінювати значну кількість енергії, яка сприймається приймачем. До них належать елементи об'єктива - лінзи і дзеркала, а також захисні вікна і обтічники. Ці джерела випромінювання називаються апаратурними.
Між джерелами випромінювання і приладом завжди існує деяка середовище, в якому відбувається ослаблення енергії за рахунок поглинання і розсіяння. Здебільшого поглинає і розсіює середовищем є земна атмосфера, в якій відбувається поглинання випромінювання молекулами води, вуглекислого газу й озону, а розсіювання пов'язано з наявністю скупчення молекул атмосферних газів, часток пилу і крапельок води.
2. Оптична система.
Потік випромінювання від його джерел (цілі і фону) після проходження через ослаблювала середу сприймається оптичною системою оптико-електронного приладу, яка складається з різного роду комбінацій захисних стекол, лінз, дзеркал, призм, діафрагм, щілин, фільтрів, грат і виконує дві головні функції . Перша функція полягає в тому, щоб зібрати якомога більший потік приходить випромінювання та з мінімальними втратами направити його на приймач.
Друга функція оптичної системи полягає в оптичній фільтрації приходить сигналу, з метою збільшення відношення величини сигналу до шуму фону. Розрізняють два види оптичної фільтрації - спектральну і просторову. Спектральна фільтрація здійснюється за допомогою оптичних фільтрів (абсорбційних, дисперсійних, що відображають і інтерференційних, тобто оптичних матеріалів - скла та кристалів, а також діелектричних та металевих покриттів, нанесених на оптичні матеріали) і має на меті обмежити випромінювання, падаюче на приймач, певним інтервалом довжин хвиль. Фільтри можуть обмежувати спектральний діапазон пропускання з одного боку, «відрізаючи» короткохвильове або довгохвильове випромінювання, або з двох сторін, виділяючи певну смугу. Просторова фільтрація здійснюється просторовими фільтрами - діафрагмами, щілинами, растрами і служить для виділення випромінювання мети з випромінювання фону за рахунок відмінності геометричних розмірів і форми відповідних цілей від елементів фону.
Додатковими функціями оптичної системи в різних оптико-електронних приладах є забезпечення необхідного поля огляду при заданому полі зору, забезпечення процесу спостереження за метою чи отримання інформації про її координатах, модуляція постійної складової випромінювання, що падає на чутливу майданчик приймача, захист внутрішньої порожнини приладу від пилу, вологи та інших шкідливих впливів навколишнього середовища.
У процесі концентрації потоку випромінювання на чутливій майданчику приймача неминуче відбуваються його втрати у обтічнику,. лінзах, дзеркалах, елементах, які здійснюють просторову фільтрацію, і на поверхні приймача. Ці втрати пов'язані з поглинанням енергії в оптичних матеріалах, неповним відображенням дзеркал, віньєтування та іншими причинами. Проте в результаті застосування оптичної системи потік випромінювання, що падає на приймач, в тій чи іншій мірі посилюється. Найбільше посилення досягається для випадку спостереження віддалених малорозмірних (точкових) об'єктів, коли зображення об'єкта спостереження повністю вписується в розміри чутливої майданчики приймача випромінювання. При цьому посилення дорівнює відношенню площі вхідного зіниці об'єктиву до площі чутливої майданчики приймача з урахуванням всіх втрат в оптичній системі. Загальний коефіцієнт пропускання оптичної системи рідко перевищує 20%, особливо якщо врахувати, що понад 50% випромінювання втрачається за рахунок модуляції. Додаткові втрати відбуваються на поверхні чутливої майданчика і в обсязі приймача випромінювання. Наприклад, від поверхні серністосвінцового фоторезистора відбивається і, отже, втрачається близько 35% падаючого випромінювання, якщо застосовується неіммерсіонная оптична система.
Найважливішою частиною оптичної системи будь-якого оптико-електронного приладу є об'єктив (рис.4), який служить в першу чергу для збору (фокусування) енергії і освіти зображення об'єкта, що спостерігається і всього поля випромінювання. Вимоги до якості цього зображення визначаються завданнями, які стоять перед всією приладом, умовами його роботи і конструктивними особливостями. При виборі конструкції об'єктива завжди доводиться шукати компромісне рішення з точки зору поліпшення пропускання, тобто зменшення втрат випромінювання, і забезпечення заданого якості зображення.
Найпростішим об'єктивом є одна лінза зі сферичними поверхнями. Лінза характеризується чотирма параметрами: радіусами крівізниR 1 і R 2, показником заломлення п і товщиною / \. Паралельний пучок променів, що падають на лінзу від нескінченно віддаленого точкового джерела, фокусується за лінзою на відстані f 'від неї. Відрізок f ', званий заднім фокусною відстанню лінзи, визначається виразом f' = R 1 R 2 / (n - 1) (R 2 - R 1).
У першому наближенні можна вважати, що лінза зі сферичними поверхнями перетворює падаючу на неї плоску хвилю в сферичну. Однак практично навіть при ідеально сферичних поверхнях лінзи фронт хвилі на виході буде мати відхилення від ідеальної сфери, звані абераціями. Для поліпшення сферичності хвильового фронту, тобто зменшення аберацій, поверхням лінз надається несферичних або асферична форма. Але і при повному знищенні аберацій зображення точкового джерела випромінювання, створюване оптичною системою, являє собою не крапку, а пляма кінцевих розмірів у зв'язку з обмеженими розмірами отвору об'єктиву, що приводять до дифракції падаючої світлової хвилі. Якість зображення менш досконалих систем визначається розфокусуванням, сферичною аберацією, комою, астигматизмом і т. д.
Однолінзових об'єктив має практично всі види аберацій, з яких особливо великі хроматизм і сферична аберація, тому основним його недоліком є погана якість зображення. Набагато кращої якості можна домогтися, використовуючи прості двохлінзові об'єктиви. Їх відносний отвір (відношення діаметра до / з фокусною відстанню) зазвичай не перевищує 1: 3 при вугіллі поля зору до 10 ° і діаметрі вхідного вічка не більше 100-150 мм. Для досягнення хорошої якості зображення при великих "кутах поля зору застосовують більш складні системи - триплети і багатолінзові об'єктиви, які, проте, мають відносно гіршим пропусканням.
Як матеріал для виготовлення лінз і вікон в теплобачення зазвичай використовуються різні оптичні середовища: напівпровідникові матеріали кремній і германій у вигляді моно-і полікристали; полікристалічні з'єднання, отримані гарячим пресуванням, - оптична кераміка («Іртран» у США); селенід цинку (ZnSe ) і сульфід цинку (ZnS), отримані шляхом хімічного обложений-ня з газової фази; а також халькогенідні скла типу ІКС (Т11173 фірми «Тексас інструменті» в США). Особливо широко використовуються кремній і германій, завдяки високим показникам заломлення (4,0 для германію і 3,4 для кремнію) та механічної міцності.
Багато недоліків лінзових оптичних систем відсутні у дзеркальних об'єктивів. В якості найпростішого об'єктива в цьому випадку часто використовується одиночне (сферичне) дзеркало. Для сферичного дзеркала з радіусом кривизни поверхні, рівним R, наближене значення фокусної відстані дорівнює R / 2. Якщо. замість дзеркала зі сферичною поверхнею застосувати асферичне дзеркало (параболічне, гіперболічне і т. д., можна усунути сферичну аберацію і поліпшити якість зображення. Досить широко використовуються і більш складні дзеркальні об'єктиви, наприклад двухзеркальние, що включають в себе крім основного увігнутого дзеркала з отвором в центральній зоні контррефлектор, який може бути плоским, увігнутим або опуклим, в тому числі і по асферичної поверхні. Дзеркальні об'єктиви не забезпечують хорошого якості зображення в широкому полі зору. наяв-ки контррефлектора призводить до екранування частини приймальної поверхні дзеркального об'єктива. Багато гідності лінзових і дзеркальних систем об'єднані в дзеркально-лінзових оптичних системах, в яких, поряд з досить гарним пропусканням, можна досягти великих відносних отворів і значних кутів поля зору. До дзеркально-лінзовим систем відносяться системи Шмідта, Максутова та інші. Застосування в дзеркально-лінзових системах дзеркал Манже (з внутрішнім відображенням) дозволяє значно зменшити сферичну аберацію.
У оптико-електронному приладі фокусирующая оптична система являє собою один з елементів тракту передачі та прербразованія сигналу (і елементів фону). Саме це її властивість, що впливає на процес обробки інформації, підлягає вивченню.
Внутрішня структура і абераційні властивості фокусуючих оптичних систем складають предмет геометричної оптики.
3. Приймачі випромінювання (визначення та класифікація)
Приймач випромінювання є основним елементом оптико-електронного приладу. По суті, сама назва приладів - оптико-електронні-зобов'язане властивості приймача перетворювати потік випромінювання в електричний сигнал.
Існують різні визначення приймача випромінювання, однак всі вони відображають головна властивість приймача - здатність виявляти наявність випромінювання шляхом перетворення його в енергію інших видів для подальшої реєстрації. В іноземній технічній літературі це властивість приймача випромінювання знаходить вираз у назві - детектор, тобто Обнаружитель.
Таким чином, приймач випромінювання представляє собою пристрій, що служить для сприйняття енергії випромінювання і перетворення її в енергію інших видів з метою подальшої реєстрації результату цього перетворення, що приводить до виявлення.
Процес виявлення випромінювання складається з двох основних етапів: перетворення енергії оптичного випромінювання в інший вид енергії та реєстрації перетвореної енергії. Наприклад, в термоелемента потік випромінювання викликає появу електрорушійної сили, яка реєструється звичайним чином (гальванометром); в евапорографе енергія випромінювання поглинається і викликає нагрівання і випаровування масляної плівки, зміна товщини якої реєструється інтерференційними методами і т. д.
Приймачі випромінювання можуть класифікуватися за такими ознаками: виду енергії, в яку перетворюється випромінювання, характером зміни чутливості приймача при зміні довжини хвилі падаючого випромінювання; області спектру, де вони найбільш чутливі і знаходять найбільше застосування; робочій температурі чутливого шару.
По виду енергії, в яку перетворюється випромінювання, приймачі випромінювання поділяються на теплові, фотоелектричні або фотонні, люмінесцентні, фотохімічні.
У теплових приймачах енергія випромінювання перетвориться в теплоту, а реєстрація перетворення зводиться до вимірювання приросту температури прийомної площадки, нагрітої внаслідок опромінення ня. Спосіб реєстрації зміни температури визначає конкретний тип теплового приймача випромінювання.
У термоелемента зміна температури прийомної площадки викликає появу електрорушійної сили в контурі, утвореному двома спаяними або звареними провідниками з різних металів.
У болометр зміна температури викликає зміну електричного опору провідника або напівпровідника.
У оптико-акустичному приймачі зміна температури приймальної поверхні, що утворює одну із стінок газової камери, викликає зміна температури та об'єму газу і прогин мембрани - другий стінки газової камери.
У евапорографе зміна температури викликає зміну товщини масляної плівки.
У діелектричному приймачі зміна температури викликає зміна діелектричної проникності діелектрика конденсатора, що має сильну температурну залежність, і відповідна зміна ємності конденсатора реєструється. Різновидом діелектричного приймача є Піроелектричний приймач випромінювання, в якому діелектриком конденсатора служить сегнето-електрик, тобто речовина, на поверхні якого з'являється електричний заряд при механічних деформаціях.
Нерівномірний нагрів конденсатора призводить до деформацій, і на обкладинках конденсатора виникають заряди, які реєструються.
У терміконе ізмененіе.температури викликає зміна величини фотоемісія і т.д.
У фотоелектричних (фотонних) приймачах енергія випромінювання перетвориться в механічну енергію електронів, що випускаються опромінюваним речовиною. Якщо електрони, звільнені квантами випромінювання, залишають речовина, з атомів якого вони вирвані, то явище носить назву зовнішнього фотоефекту, якщо ж електрони залишаються в речовині, то явище називається внутрішнім фотоефектом. Вплив внутрішнього фотоефекту на характеристики речовини може бути різним в залежності від умов, які створені для звільнених електронів. Якщо вони можуть переміщатися всередині речовини в будь-якому напрямку, то речовина залишається нейтральним і лише електропровідність її змінюється. Якщо ж у речовині ство-ются умови односторонньої провідності і електрони можуть переміщатися лише в одному напрямку, то в речовині виникає різниця потенціалів, що створює струм у зовнішньому ланцюзі.
Фотоелектричні приймачі випромінювання, в яких використовується явище зовнішнього фотоефекту, називаються фотоеміссіоннимі приймачами. До них відносяться вакуумні й газонаповнені фотоелементи, фотопомножувача, електронно-оптичні перетворювачі (ЕОПи) і деякі телевізійні передавальні трубки (діссектор, іконоскоп, суперконоскоп, ортікон, суперортикон та ін.)
Приймачі з внутрішнім фотоефектом, в яких використовується явище зміни електропровідності речовини, називаються фоторезисторами або фотосопротивлений.
Приймачі, в яких використовується явище виникнення е.. д. с, називаються фотогальванічними, вентильними фотоелементами або фотоелементами з запірним шаром.
Якщо в якості контактуючих речовин у вентильному фотоелементі застосовуються напівпровідники з різним типом провідності, то поряд з виникненням різниці потенціалів між шарами з р-і п-провідністю при нерівномірному висвітленні чутливого шару утворюється різниця потенціалів вздовж р-n-переходу. Цю фото-е. д. с. називають поздовжньої або бічний, а відповідні приймачі - фотоелементами з поздовжнім або бічним ефектом.
Якщо до чутливого елементу приймача випромінювання з запірним шаром прикласти напругу так, що воно перешкоджає виникненню струму в зовнішньому ланцюзі приймача при освітленні, то зміна величини потенційного бар'єру під дією випромінювання призводить до зміни опору і падіння напруги на приймачі. Цей режим роботи називають фотодіодному. Зміна струму, що проходить через фотодіод при освітленні, може посилюватися, як у звичайному напівпровідниковому тріоді, тим же напівпровідником, в якому створено запірний слой. У цьому випадку відповідний комбінований приймач випромінювання називається фототріодом. Умови односторонньої провідності і, отже, появи е.. д. с. при освітленні, можна створити в напівпровіднику, поміщаючи його в магнітне поле, орієнтоване по нормалі до падаючого випромінювання. У цьому випадку носії струму (електрони і дірки) відхиляються магнітним полем в протилежні сторони, що приводить до виникнення у зразку різниці потенціалів. Описане явище має назву Фотомагнітні ефекту.
У люмінесцентних приймачах випромінювання відбувається перетворення випромінювання одного спектрального складу у випромінювання іншого спектрального складу. Типовим представником цього типу приймачів є метаскоп - светосостав, що висвічуються під дією ІЧ-випромінювання за рахунок накопиченої ним світлової енергії при попередньому опроміненні ультрафіолетом, синім випромінюванням неба або радіоактивною речовиною.
У фотохімічних приймачах енергія випромінювання викликає всілякі хімічні перетворення. У фотопластинці, наприклад, відбувається фотохімічна реакція розкладання галоїдних солей срібла, причому металеве срібло виділяється, утворюючи приховане зображення джерела випромінювання. В оці, людини під дією світла в світлочутливих елементах сітківки відбувається фотохімічний процес, при якому продукти розкладання викликають роздратування зорового нерва і світлове відчуття.
Залежно від характеру зміни чутливості приймача при зміні довжини хвилі падаючого випромінювання приймачі випромінювання можна розділити на дві великі групи: неселективні, чутливість яких залишається постійною в певному досить широкій ділянці спектра; селективні, чутливість яких залежить від довжини хвилі падаючого випромінювання.
До неселективним приймачів, зокрема, відноситься більшість теплових приймачів випромінювання, у яких забезпечується сталість коефіцієнта поглинання прийомної площадки при зміні довжини хвилі за рахунок чорніння - покриття кіптявою, випаровування металів у вакуумі і т. д.
Приймачі випромінювання можна відносити до однієї з п'яти великих груп для областей спектру: ультрафіолетової (1-380 нм); видимої (380-780 нм); ближній ІЧ-області (780-1400 нм); середньої ІЧ-об-ласті (1, 4-6,0 мкм); далекій ЙК-області (6,0-1000 мкм).
До першої групи належать фотоемульсії, деякі фотоеміссіонние приймачі, теплові приймачі та фоторезистори.
До другої групи - фотоеміссіонние приймачі, головним чином з сурм'яно-цезієвим фотокатодом, фотоемульсії, селенові фотогальванічні приймачі, фоторезистори з сірчистого і селенистий кадмію і сірчистого вісмуту, кремнієві фотогальванічні приймачі (сонячні батареї) і теплові приймачі.
До третьої групи - фотоеміссіонние приймачі з киснево-цезієвим фотокатодом, сенсибілізовані фотоемульсії, сірчано-.сто-талієву фоторезистори і фотогальванічні приймачі (тал-лофіди), меднозакісние і сірчистої-срібні фотогальванічні приймачі, теплові приймачі, деякі, фосфору, сірчистої-свинцеві фоторезистори , германієві і кремнієві фотодіоди та фототріоди.
До четвертої групи - сірчистої-свинцеві, теллурісто-свинцеві та селенистий-свинцеві фоторезистори, фоторезистори, фотодіоди та Фотомагнітні приймачі з сурьмянисто індію, фоторезистори з германію, легованого золотом, і теплові приймачі.
До п'ятої групи - теплові приймачі випромінювання, фоторезистори з германію, легованого цинком або ртуттю, фоторезистори на основі потрійних сполук, наприклад кадмію-ртуті-телуру.
Класифікація приймачів випромінювання по тим областям спектру, де вони найбільш чутливі і знаходять найбільше застосування, є досить умовною, оскільки багато приймачі використовуються в різних ділянках спектра. У ряді випадків така класифікація видається виправданою, зручним і не виключає визначення деяких приймачів як дво-та багатодіапазонні, якщо це необхідно.
У принципі можливі будь-які температури чутливого шару приймача, однак найбільш часто для неохолоджуваних приймачів вказуються значення "кімнатній» температури 293 К або 300 К, а для приймачів охолоджуваних називаються точки кипіння різних речовин, що використовуються для охолодження: 194,7 К-твердої вуглекислоти або сухого льоду; 77,4 К - рідкого азоту; 27,3 К - рідкого неону; 20,5 К - рідкого водню; 4,3 К - рідкого гелію. В останніх трьох випадках, коли температура нижче 30 К, приймачі називають глубокоохлаждаемимі.
При кімнатній температурі працює більшість теплових приймачів випромінювання, фотоеміссіонние приймачі, фотопластинки, фосфору, сірчистої-свинцеві фоторезистори фоторезистори з сурьмянисто індію та деякі інші приймачі. При температурі сухого льоду - фоторезистори з сірчистого свинцю, а також деякі теплові приймачі (термоелементи і болометри). При температурі рідкого азоту - фоторезистори з сірчистого, селенистий і теллурістого свинцю, сурьмянисто індію, германію, легованого золотом, фотогальванічні і Фотомагнітні приймачі з сурьмянисто індію, фоторезистори на основі потрійних сполук, теплові приймачі. При наднизьких температурах - фоторезистори з германію, легованого ртуттю або цинком, а також теплові приймачі - надпровідні і германієві болометри.
Класифікація приймачів випромінювання поразлічним ознаками представлена на рис. 5.
4. Підсилювач та інші елементи електронного тракту
Сигнал, що виробляється приймачем випромінювання, зазвичай невеликий: він становить кілька одиниць або десятків мікровольт. Для того щоб витягти з нього і використовувати інформацію, необхідно посилити сигнал. Як підсилювачів сигналу здебільшого використовуються різного роду підсилювачі змінного струму, так як сигнал в оптико-електронному приладі зазвичай модулюється механічними, оптичними або електронними засобами. У залежності від схеми і завдань, що вирішуються конкретним оптико-електронним приладом, форма модульованого сигналу, що надходить на вхід підсилювача, може бути різною. Іноді це періодичний сигнал, форма якого близька до синусоїдальної, однак часто зустрічаються і неперіодичні послідовності імпульсів різної форми. Вихідний сигнал приймача випромінювання зазвичай надходить на вхід підсилювача не безпосередньо, а через погоджує схему, звану вхідний ланцюгом, Вибір елементів вхідного ланцюга є досить важливим завданням, вирішувати яку доводиться самому розробнику оптико-електронного приладу,, в той час як підсилювач сигналу може бути в більшості випадків обраний ним з готових або за його технічним завданням розроблений фахівцем в області радіоелектроніки. Основні вимоги, які пред'являються до підсилювача, відносяться до наступних його параметрами та характеристиками: коефіцієнту підсилення, динамічному діапазону, смуги пропускання і рівнем власного шуму. Крім того, іноді обмовляється форма частотної та фазової характеристики підсилювача, його габарити, вага і споживана потужність.
Зазвичай підсилювач сигналу конструктивно поділяється на-дві частини, одна з яких (передпідсилювач) монтується в безпосередній близькості від приймача випромінювання і служить для попереднього посилення сигналу до рівня, достатнього для подальшої передачі сигналу по довгому кабелю в умовах дії оточуючих нестаціонарних електричних і магнітних полів, а інша (головний підсилювач) містить необхідні елементи регулювання посилення, смуги пропускання та інших параметрів. Коефіцієнт посилення передпідсилювача зазвичай знаходиться в межах 10-10 3, а загальний коефіцієнт підсилення може досягати 10 6.
На виході приймача випромінювання існує сигнал, що має інформацію про об'єкт спостереження, і шум. Для виділення та обробки корисного сигналу з суміші сигналу і шуму в підсилювачі і в електричних ланцюгах, наступних за підсилювачем, містяться лінійні і нелінійні елементи - пристрої формування та декодування, схеми збігу, зворотні зв'язки і т. д., здійснюють необхідні логічні операції. У найпростішому випадку операція виділення сигналу із шуму полягає в частотному аналізі суміші сигналу і шуму за допомогою вузькосмугових електричних фільтрів, а операція обробки сигналу - в його детектуванні. Проте зазвичай потрібні більш складні рішення.
Для реєстрації обробленого сигналу застосовуються різні візуальні, звукові, фотографічні, осцилографічні індикатори та автоматичні системи.
Таким чином, узагальнена схема електричної частини тракту оптико-електронного приладу може бути представлена у вигляді, зображеному на рис. 6. У кожному конкретному випадку структурна схема електричної частини оптико-електронного приладу може відрізнятися від узагальненої схеми, а функції її окремих елементів можуть бути суміщені і видозмінені.
ЛІТЕРАТУРА
1. Степанов Б.І. Введення в сучасну оптику. - Мн.: Наука і техніка, 2004 - 359 с.
2. Порфирьев Л.Ф. Теорія оптико-електронних приладів і систем .- Спб.: Машинобудування, 2000 - 272 с.
3. Москальов В.А. Теоретичні основи оптико-фізичних досліджень .- Спб.: Машинобудування, 2007 - 318 с.