Слаботочка Книги

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 [14] 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119

нятие апертуры аналогично динамическому диапазону радиотехнических устройств.

2. Коэффициент (показатель) преобразования. Рассматриваемые оптические системы линейны, поэтому большинство выполняемых ими преобразований характеризуется постоянными коэффициентами. Обычно система служит для линейного (Г=/и/п) или углового (7=6и/6п) увеличения (уменьшения). Здесь /„, 6„ и In, Ьп--линейные и угловые размеры элемента в пространствах изображений и предметов соответственно. Заметим, что линейное увеличение Г может быть различным при поперечном и продольном (относительно направления светового луча) расположениях элемента. Величина Г (у) может быть положительной, отрицательной (переворот изображения на 180°) и в общем случае комплексной. О коэффициенте преобразования поляризаторов уже говорилось - это степень поляризации Л. Спектральные приборы, служащие для разложения электромагнитного излучения на монохроматические составляющие, характеризуются угловой (Dq =dQ/dK) или линейной (Di=dl/dK) дисперсией. Здесь Q и t - угловое и линейное отклонения лучей с различными значениями К.

3. Затухание сигнала. При прохождении света через оптическую систему имеют место отражение от границ раздела разнородных сред, поглощение в оптических (прозрачных) материалах, рассеяние на поверхности оптических элементов и внутри них. Рассеяние света, отклонение хода лучей от расчетного направления приводят в конечном счете к их поглощению, поэтому все механизмы потерь сводятся к двум: отражению и поглощению. Используя (1.30), (1.40), (1.44), представим коэффициент пропускания оптической системы, состоящей из / различных оптических элементов и т зеркал, в виде

Т = RZp rf \l - Ri) ff ехр (- щ li)«

fepK If(1 - Ri) ff (1 - «1 h), (1-77)

где Ki, ti - показатель поглощения и толщина i-го элемента; Ri - коэффициент отражения на г-й границе, определяемый по (1.32) или, в случае необходимости, по более общей формуле (1.31); RsepK - коэффициент отражения т-го зеркала. Приближенное равенство в (1.77) получено с учетом малости потерь в каждом из поглощающих слоев, т. е. при Xj/id; t=/-bl, отражает тот факт, что число преломляющих границ на единицу больше числа элементов в системе. Для уменьшения потерь на отражение используют просветление, которое для монохроматического потока достигается введением тонкого промежуточного слоя в соответствии с (1.33), а для излучения в спектральной полосе - введением соответствующих многослойных покрытий. В оптике принято коэффициент пропускания Т измерять в процентах; при расчете оптоэлектронных устройств потери пропускания или затухание сиг-

нала выражаются в децибелах. Приемлемое для большинства практических случаев затухание Винф= 1 - 3 дБ.

4. Избирательность. От оптической системы требуется не только преобразование проходящего информационного светового потока по f-алгоритму, но и подавление сигнала, выходящего за множество {аг"4» хотя бы по одному из параметров. Речь идет о внеапертурных лучах, о потоках, обладающих поляризацией, отличной от заданной (при прохождении через анализатор), об излучении с длиной волны вне рабочего участка спектра (при прохождении через светофильтр) и т. п. В зависимости от решаемой задачи допустимый уровень подавления паразитного сигнала (или паразитной фоновой засветки) £пар=30... 90 дБ.

5. Пороговые характеристики. К их числу относятся пределы разрешения по каждому из параметров ш", т. е. минимальные значения АЯ.о">, AU"\ АО", АП("), при которых два луча могут различаться оптической системой (восприниматься регистрирующим устройством как два различных луча). Сюда же относится минимальная интенсивность светового потока /мин, при которой еще выполняется /-алгоритм. В § 1.3 говорилось о теоретических предельных значениях Al и AG (дифракционных пределах), которые в реальных приборах получить не удается из-за влияния различных мешающих факторов: погрешностей конструктивного исполнения, микронеоднородностей используемых материалов, температурного дрейфа характеристик, механических вибраций системы и др.

6. Нелинейные искажения. Нарушение линейности преобразований (1.71) вызывает искажения формируемых изображений, называемые в оптике аберрациями. Аберрации разделяют на геометрические, обусловленные неодинаковостью преобразования лучей в различных апертурных областях, и хроматические, связанные с дисперсионными явлениями. При построении изображений оказываются существенными расположение предмета относительно оптической оси системы (нормали к центру входного зрачка) и ширина пучка лучей (угловой раствор), падающих на зрачок. Хроматические аберрации тем значительнее, чем шире спектр используемого излучения. В отличие от радиотехнических устройств проявление нелинейных искажений в оптических системах гораздо разнообразнее, что обусловлено двумерностью передаваемой ими информации. Основными видами аберраций являются:

сферическая аберрация, проявляющаяся в том, что лучи, выходящие из одной точки, но падающие на входной зрачок на разных расстояниях от оси, после выхода из системы пересекают эту ось в разных точках и на экране образуют размытый кружок;

кома или аберрация наклонного немеридионального пучка лучей; фигура рассеяния при коме имеет вид вытянутого искривленного неравномерно освещенного пятна, вносящего асимметрию в пространство изображений;

астигматизм, возникающий вследствие различия передачи лучей, лежащих во взаимно перпендикулярных плоскостях, и прояв-46

ляющийся в том, что каждая точка пространства предметов изображается в виде «крестика»;

кривизна поля, имеющая ту же природу, что и астигматизм, и проявляющаяся в том, что плоскость пространства предметов превращается в поверхность параболоида в пространстве изображений;

дисторсия, обусловленная неравномерностью увеличения по полю зрачка (от центра к краям), приводящая к искривлению прямых линий и нарушению подобия изображения и предмета.

Совместное действие всех видов аберраций приводит к тому, что изображение оказывается расплывчатым (иногда раздвоенным), неточно воспроизводящим предмет, а при хроматической аберрации еще и с радужной окраской.

При общем подходе оптическая система по своим параметрам и свойствам аналогична устройствам радиотехники и электроники; наиболее существенное различие состоит в отсутствии у оптических систем (за исключением протя енных волоконно-оптических линий) показателя быстродействия (нет оптических аналогов конденсатора и индуктивности), а также в двумерности большинства оптических преобразований.

Анализ и расчет оптических систем может быть выполнен на основе уравнений Максвелла; получающиеся при этом решения отличаются строгостью и точностью, однако довести их до приемлемого аналитического вида удается лишь в простейших частных случаях.

Более успешным для решения задач прикладной оптики оказывается применение лучевой теории, основанной на концепции представления источника излучения и светового луча в виде геометрических абстракций: точки и линии. Математический формализм лучевой теории основан на строгих решениях волнового уравнения в предположении А,-0. Это значит, что в геометрической оптике явления, связанные с волновой природой света и обусловленные конечностью длины волны световых колебаний, из рассмотрения исключаются.

Лучевая теория опирается на четыре основных положения, установленные эмпирически, а затем получившие обоснование в электромагнитной теории Максвелла:

закон прямолинейного распространения света в однородной среде, исключающий эффект дифракции; в более общем случае неоднородной среды свет распространяется по траектории, прохождение которой требует минимального времени;

закон независимости распространения световых лучей, по которому различные лучи, пересекаясь или соприкасаясь, не влияют друг на друга;

законы отражения (закон Снеллиуса) и преломления (закон Декарта) света, рассмотренные в § 1.2.

Встречающиеся в оптоэлектронике оптические системы, как правило, относятся к центрированным - у них имеется оптическая ось, представляющая собой общую ось вращения всех неплос-

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 [14] 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119