Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ, ИХ ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

Как и в любой оптико-электронной системе (ОЭС), оптическая система ИКС «смот­рящего» типа предназначена для решения следующих основных задач:

- обеспечение заданного (требуемого) уровня сигнала в виде потока или облученно­сти на приемнике излучения;

- образование изображения требуемого качества;

- выделение полезного сигнала (от наблюдаемого или обнаруживаемого объекта) на фоне внешних и внутренних помех и шумов, т. е. получение требуемого отношения сигнал-помеха (сигнал-фон, сигнал-шум).

Все эти задачи тесно связаны. Эффективность их решения во многом определяется достигнутым в системе разрешением (энергетическим или температурным, геометро­оптическим или пространственно-частотным, спектральным, динамическим или вре­менным).

К основным параметрам и характеристикам оптических систем, которые важны для оценки возможности решать перечисленные задачи, относятся [40, 60, 61 и др.]:

- спектральный рабочий диапазон (диапазон пропускания отдельных компонентов и оптической системы в целом), спектральный и интегральный коэффициенты пропускания;

- геометрооптические параметры, а именно: угловое поле (иногда оно определяется размером наблюдаемого объекта и расстоянием до него); диаметр входного зрачка I) и фокусное расстояние /', определяющие относительное отверстие О//' и диафрагменное число К =/7£>; задний фокальный отрезок; коэффициент диафрагмирования (для опти­ческих систем с перекрытием части площади входного зрачка деталями и компонента­ми системы);

- оценки качества изображения, к которым относятся функция рассеяния, описы­вающая распределение освещенности в изображении точечного объекта; разрешающая способность по критерию Рэлея (предел разрешения дифракционных изображений двух точечных источников) или по числу Штреля (отношению максимума освещенности в аберрационном изображении точки к освещенности в центре ее безаберрационного изображения); оптическая передаточная функция, являющаяся преобразованием Фурье функции рассеяния (ее модуль часто называют функцией передачи модуляции или час­тотно-контрастной характеристикой); отклонение от идеального волнового фронта (ошибки волнового фронта) на выходе системы; размер кружка рассеяния, содержаще­го заданное количество энергии, собираемое на чувствительную площадку приемника излучения, т. е. доля всего потока, образующего изображение удаленного точечного излучателя, которая попадает на приемник; допустимая дисторсия изображения объек­та конечных размеров; изменение освещенности по плоскости изображения, оценивае­мое часто коэффициентом виньетирования;

- массогабаритные параметры оптической системы, учитывающие массы и габари­ты оптический деталей и корпусов, оправ, бленд и других элементов конструкции;

- условия надлежащего функционирования оптической системы (температурный рабочий диапазон, допустимые градиенты температур, давление и влажность окру­жающей систему среды, радиационный уровень, устойчивость к лазерному воздейст­вию и ряд других).

Многие из перечисленных параметров и характеристик тесно связаны друг с другом. Например, увеличение диаметра входного зрачка ведет к повышению дифракционной разрешающей способности, а увеличение длины волны излучения, строящего изображе­ние, ухудшает это разрешение. Подобные примеры уже приводились. То же можно ска­зать о тесной связи параметров оптической системы и приемника излучения (см. гл. 7).

Интересно отметить, что совершенствование неохлаждаемых многоэлементных приемников излучения (МПИ) и технологии их изготовления стало приводить к тому, что наиболее существенной составляющей в структуре цены на ИКС с такими МПИ с конца 90-х годов часто является стоимость оптической системы.

Структура обобщенной оптической схемы ОЭС, равно как и многочисленных сис­тем конкретного назначения, подробно рассматривалась в литературе [51,61 и др.].

Хотя перспективы и тенденции дальнейшего развития ИКС связаны прежде всего с совершенствованием и более широким использованием многоэлементных матричных приемников излучения, т. е. с переходом ИКС к «смотрящему» режиму работы, оптиче­ские и оптико-механические сканирующие системы, использующие линейки чувстви­тельных элементов приемника излучения (одно-, двух-, четырехрядные), и до настоя­щего времени широко применяются на практике [34, 37, 40, 51 и др.].

Специфическими особенностями оптических систем многих ИКС «смотрящего» ти­па являются:

- совмещение функций анализатора инфракрасного изображения и приемника излу­чения в одном звене - в многоэлементном матричном фотоприемнике;

- отсутствие сканирующей системы и ряда других звеньев;

- необходимость получения достаточно равномерной освещенности и однородного качества изображения по всему угловому полю ИКС, что особенно важно для ИКС «смотрящего» типа, в которых используются МПИ большого формата;

- необходимость учета ряда факторов, не оказывающих заметного влияния на рабо­ту систем в видимом и ближнем ИК-диапазоне, например теплового фона, создаваемо­го элементами конструкции оптической системы и приемника, нагрева компонентов оптической системы, эффекта Нарцисса, что приводит к использованию в таких систе­мах дополнительных компонентов, например охлаждаемых диафрагм, устройств ком­пенсации термоаберраций и др.;

- больший, чем в видимом диапазоне спектра, дифракционный предел разрешения ДсОд, определяемый известным соотношением Д(Йд~А./Д или в линейной мере для фо­кальной плоскости системы /д~А/7Д где А. - длина волны излучения, D - диаметр входного зрачка,/7 - фокусное расстояние объектива, строящего изображение;

- увеличенная глубина резкости или увеличенный допуск на расфокусировку из-за больших значений длин волн по сравнению с визуальными оптическими системами, в со­четании с ужесточением (уменьшением) этого допуска при использовании объективов с малыми диафрагменными числами для получения высокого температурного разрешения;

- ограниченный выбор оптических материалов, используемых для изготовления линз, пластин, призм, пропускающих излучение в длинноволновом ИК-диапазоне и обладающих малой дисперсией; дороговизна этих материалов, а иногда невозможность получения достаточно больших заготовок из них; зачастую малое пропускание таких материалов;

- повышенная чувствительность к изменению температуры оптических деталей и компонентов, поскольку для большинства оптических материалов, прозрачных в ИК - области спектра, изменение показателя преломления с температурой (dn/dT) гораздо больше, чем у обычных оптических стекол; это приводит к необходимости широко ис­пользовать атермализацию в линзовых оптических ИК-системах.

Освоение ряда новых принципов работы ИКС и комплексов, в состав которых они входят, также обусловило некоторые специфические особенности их оптических схем. К числу таких принципов, в первую очередь, необходимо отнести работу с переменным угловым полем или увеличением оптической системы (причем изменение поля или увеличение системы может происходить плавно или дискретно), а также образование изображения в двух или более спектральных диапазонах с помощью одной и той же оптической системы.

Поясним более подробно некоторые из перечисленных факторов.

С ростом числа элементов МПИ, применяемых в ИКС «смотрящего» типа, и их формата, т. е. общего размера чувствительной площадки приемника, повышаются тре­бования к однородности освещенности, создаваемой объективом в плоскости изобра­жения — плоскости чувствительного слоя МПИ. Для этого часто приходится обеспечи­вать ход главных лучей, близкий к телецентрическому.

Распределение освещенности в плоскости изображения - в фокальной плоскости объектива в случае удаленного протяженного объекта - обычно пропорционально cos4 со, где со — угол падения лучей на входной зрачок. На распределение освещенности протяженного объекта влияет также дисторсия объектива. Для точечного излучателя освещенность изменяется по закону cos со, и так же изменяется сигнал на чувствитель­ном элементе приемника, полностью перекрывающем кружок рассеяния - изображение точечного объекта.

В широкопольных системах с угловым полем более 45° освещенность на краю поля может уменьшаться до 25% и менее освещенности на оси, что может заметно искажать или вообще скрывать изменение освещенности по полю изображений. Во избежание этого используют предложенный М. М. Русиновым метод аберрационного виньетиро­вания, позволяющий сделать падение освещенности пропорциональным не cos4to, а cos to. При этом часто могут быть увеличены фокусное расстояние и диаметр входного зрачка объектива. В достаточно сложных оптических системах диаметр входного зрач­ка для внеосевых пучков превышает этот диаметр для осевых пучков на 40% и более, что компенсирует падение освещенности для изображений, создаваемых внеосевыми пучками.

Во многих ИКС, строящих изображение, необходимо учитывать все эти факторы. Применяемое иногда выравнивание освещенности с помощью фильтров переменной плотности ведет к снижению уровня сигнала в центре поля (на оптической оси системы

И вблизи от нее). Лучший эффект обеспе - Апертурная Охлаждаемый чивают калибровка всей системы и соот­

Ветствующая коррекция чувствительности отдельных элементов МПИ в электронном тракте.

Чтобы предотвратить попадание на приемник собственного или рассеянного излучения оптических деталей, их оправ или других элементов конструкции и тем самым не снизить контраст наблюдаемого изображения и чувствительность ИКС, в оптическую схему системы вводят охлаж­даемую диафрагму (рис. 6.1). Эта диа­фрагма может играть роль апертурной, т. е. не допускать попадания на приемник постороннего излучения вне пределов заднего апертурного угла. В этом случае эффективность охлаждаемой диафрагмы составляет 100% [220]. Иногда необходимо учитывать изменение поступающего на МПИ сигнала, которое может иметь место из-за виньетирования при несовпадении выходного зрачка системы и охлаждаемой диафрагмы. Если охлаждаемая диафрагма перекрывает лишь часть излучения «вредного внутреннего» теплового фона, то ее эффективность опреде­ляется как отношение телесного угла наблюдаемого пространства к телесному апер­турному углу диафрагмы.

Чтобы минимизировать диаметр первого компонента объектива, рядом с ним следу­ет располагать входной зрачок системы. Это условие можно выполнить в схеме с кон­денсором (рис. 6.2, где объектив и конденсор (линза Рэлея) условно показаны в виде одиночных линз). Формулы для габаритного расчета компонентов такой схемы приве­дены в [61].

В ИКС с охлаждаемыми МПИ может возникнуть эффект Нарцисса - одновременное отражение от поверхностей оптических деталей излучения холодных элементов прием­
ника и его охлаждаемой диафраг­мы и более теплых элементов конструкции [34, 247]. В резуль­тате в плоскости чувствительного слоя МПИ появляются неодно­родности распределения облучен­ности, в частности менее яркая (холодная) зона, соответствующая отражению «самой на себя» ох­лажденной поверхности приемни­ка. Влияние эффекта Нарцисса особенно велико, если лучи пада­ют на отражающую оптическую поверхность (даже просветленную) под малыми углами. Если температурный контраст между окружающей средой и охлаждаемым приемником велик, то этот эффект весьма заметен. Для приближенной оценки влияния эффекта Нарцисса можно воспользоваться следующей формулой [106]:

АТИ = А7'р/(АН/Аи),

Где Д7’н - кажущееся изменение температуры изображения из-за эффекта Нарцисса; АТ - разность температур наблюдаемой сцены (окружающей среды) и приемника; р - коэф­фициент отражения поверхности, вызывающей эффект Нарцисса; Ан - площадь пятна, возникающего из-за этого эффекта; Аи - площадь изображения.

Если принять температуру окружающей среды равной 300 К, а температуру охлаж­даемого приемника -77 К, т. е. АТ= 223 К, р = 0,015 и Ан/Аи « 1,7 [106], то получим АТН » 0,37 К. Это значение превышает температурное разрешение большинства со­временных ИКС, характеризуемое ДТ^ 0,1 К, поэтому при разработке конструкции оптической системы ИКС борьба с эффектом Нарцисса становится обязательной.

В ИКС «смотрящего» типа для устранения эффекта Нарцисса можно применять расфокусировку излучения, отражаемого от последней перед приемником оптической поверхности, а также уменьшать эффективную излучающую площадь холодной по­верхности с помощью тепловых экранов либо отражение поверхностей оптических деталей по направлению к МПИ путем их просветления и выбора надлежащей фор­мы. В частности, не рекомендуется применять вогнутые задние поверхности линз, а плоские окна и пластины, находящиеся перед приемником, наклонять [34]. Однако и эти способы могут оказаться недостаточно эффективными, если в процессе работы ИКС фокусное расстояние и угловое поле объектива плавно или скачком меняются. В ИКС «смотрящего» типа можно также предусматривать коррекцию влияния этого эффекта путем калибровки - изменения чувствительности отдельных элементов МПИ [247]. При этом наиболее эффективна оказалась внешняя калибровка по входному зрачку системы, которая компенсирует эффект Нарцисса, возникающий из-за отраже­ния на всех компонентах оптической схемы. В ряде случаев достаточно действенна и
внутренняя калибровка по вводимому в угловое поле равномерно нагретому протя­женному излучателю, но, строго говоря, лишь по отношению к компонентам, нахо­дящимся между этим излучателем и охлаждаемой диафрагмой приемника. В [247] рекомендуется проводить калибровку и учитывать расчетным путем эффект Нарцисса всякий раз, когда меняются фокусное расстояние, угловое поле и температура эле­ментов конструкции.

Не менее важно и то, что в ИКС «смотрящего» типа постоянный излучающий фон требует очень большой коррекции неоднородности чувствительности отдельных эле­ментов МПИ, а также снижения времени накопления зарядов в ячейках ФПУ во избе­жание перенасыщения схем считывания сигналов с чувствительных элементов прием­ника. В результате уменьшается чувствительность всей системы. Поэтому во многих ИКС неоднородность чувствительности МПИ приходится корректировать в реальном масштабе времени.

Применяя иммерсионную конструкцию МПИ, в которой чувствительный слой при­емника излучения помещается непосредственно на задней поверхности последнего компонента оптической схемы, можно заметно увеличить коэффициент заполнения МПИ и тем самым его чувствительность. Это проще всего обеспечить в тех МПИ, у которых размеры чувствительных элементов и промежутков между ними одинаковы по ортогональным осям х и у.

Материалы линзовых и других компонентов многих оптических систем, работаю­щих в ИК-области спектра, обычно имеют высокие показатели преломления (и = 2,5...4,0). Это приводит к заметному увеличению потерь на отражение на границах раздела воздуха и материала оптической детали. (Напомним, что для непросветленной поверхности при нормальном падении лучей на нее спектральный коэффициент отра - жения рх может быть рассчитан по формуле Френеля рх = [(«х - 1)/(лх + 1)] , где «х - показатель преломления на длине волны А,.)

Для сравнительно широкого спектрального рабочего диапазона, например 8... 14 мкм, даже при наличии многослойного просветления потери на отражение могут быть весь­ма велики.

Большое значение щ позволяет использовать в оптических ИКС линзы с большей оптической силой, нежели в визуальных системах, и тем самым сократить их число для достижения одинакового качества изображения. В то же время в таких системах по­грешности изготовления поверхностей оптических деталей и сборки сказываются го­раздо заметнее.

Увеличение коэффициента пропускания особенно важно для оптических систем, ра­ботающих в длинноволновом оптическом диапазоне, например в окне прозрачности атмосферы 8... 14 мкм, поскольку контрасты между низкотемпературными объектами и фонами здесь малы, а коэффициенты пропускания многих оптических материалов сравнительно невелики. Для повышения коэффициента пропускания всей системы же­лательно уменьшать число ее компонентов. При этом для коррекции монохроматиче­ских аберраций часто используют асферические поверхности, а для коррекции хрома­тизма - дифракционные оптические элементы (см. §6.5).

Оптические фильтры — важные элементы оптических систем практически всех ИКС — служат для выделения рабочего диапазона, спектральной селекции определенных объек-

*' * г** г/

Тов, предотвращения «перегрузок» (чрезмерных засветок) приемника излучения. [51, 61 и др.]. Обычно это высококачественные по многим показателям интерференционные фильтры, которые наилучшим образом работают в параллельных оптической оси пучках

[61, 151 и др.]. При увеличении угла падения лучей на фильтр его спектральная характе­ристика изменяется (расширяется, сдвигается по шкале длин волн). Об этом не следует

Забывать, поскольку обеспечить параллельный ход лучей в большинстве оптических сис­тем ИКС не удается из-за желаний упростить оптическую систему, иметь значительные апертуры, не допускать ухудшения пропускания при усложнении оптической схемы. Можно также напомнить, что при изменении температуры спектральная характеристика интерференционного фильтра становится нестабильной. Поэтому в ряде случаев его тем­пературу, как и температуру приемника и расположенной перед ним диафрагмы, прихо­дится стабилизировать или включать фильтр в состав охлаждаемого блока.

Специфика работы некоторых ИКС, например нашлемных или наголовных систем визуализации и отображения информации (см. §11.3), требует защиты от посторонних засветок, в частности от общего освещения в кабине пилота или водителя, от свечения приборных панелей и т. п. Как правило, для этого используют разнесение рабочих спек­тральных диапазонов ИКС и других источников излучения с помощью специальных оптических фильтров, иногда называемых «дружественными» или «совместимыми».

Большинство оптических материалов, прозрачных в ИК-диапазоне спектрА, имеют значительные температурные коэффициенты показателей преломления р =(1пМТ. По­этому для рассматриваемых оптических систем особенно важно обеспечить стабиль­ность их геометрооптических параметров.

Расфокусировку одиночной линзы при изменении температуры на АТ можно при­ближенно вычислить по формуле

АГ = - ГЖп-)-оАТ,

Где /' - фокусное расстояние; п - показатель преломления; а - коэффициент линейного теплового расширения материала линзы.

Влияние изменений температуры на геометрооптические параметры, и прежде всего на фокусное расстояние объектива, можно ослабить или исключить различными путя­ми. Наиболее предпочтительны методы подбора материалов оптических деталей с раз­личными р и компонентов с разным знаком изменения фокусного расстояния при из­менении их температуры (атермализация). Обычно в распоряжении разработчика опти­ческой системы ИКС имеется ограниченная номенклатура материалов, и поэтому вы­бор материала и оптической схемы, обеспечивающих одновременно атермализацию и ахроматизацию, — первоочередная задача. В [61, 229, 236] описывается графоаналити­ческий метод такого выбора.

Наряду с чисто оптическими методами атермализации часто приходится использо­вать механические (электромеханические) методы - перемещение отдельных компо­нентов оптической системы в процессе ее работы.

4 Инфракрасные системы «смотрящего» типа

Если принять, что в фокальной плоскости объектива, строящего изображение уда­ленного объекта, разрешение на длине волны X определяется по критерию Рэлея [51, 151], то допустимая расфокусировка изображения Д/' будет соответствовать допуску на отклонение реального волнового фронта от идеального Aw, не превышающему ± Х/4 (рис. 6.3). При заднем апертурном угле а' или диафрагменном числе объектива К эта расфокусировка может достигать значения

Дf = ± Х/(2п sina') = ± 2Х К2.

Отсюда ясно, что в ИКС, где рабочие длины волн гораздо больше, чем в визуальных системах, глубина изображаемого пространства гораздо больше. Однако следует пом­нить, что для достижения высокой температурной разрешающей способности Д Тп целе­сообразно выбирать оптическую систему с малыми значениями К (см. §5.4). Учи­тывая квадратичную зависимость Д f от К, именно этот фактор может стать ре­шающим при определении допуска на расфокусировку.

Можно отметить особенности объек­тивов охранных и сигнальных ИКС. Для защиты таких систем входной зрачок их объективов должен быть вынесен далеко вперед первой линзы. Подобные объек­тивы с вынесенной апертурной диафрагмой [43] производят многие фирмы в Японии («Canon», «Computar», «Cosmicar», «Fujinon», «Panasonic», «Rainlow», «Seiko», «Ya - mamo»), Германии, США, России («Leptonar»). Они имеют небольшие размеры вход­ных зрачков (обычно от 2 до 36 мм), диафрагменные числа порядка 1,0...3,0, угловые поля в несколько десятков градусов (до 85°).

Важной особенностью ИКС, применяемых в оптико-электронных следящих систе­мах типа головок самонаведения, является наличие у них обтекателя. Такие обтекатели, представляющие собой чаще всего мениски с концентрическими сферическими по­верхностями, обеспечивают требуемые аэродинамические формы конструкции и ее за­щиту от внешних воздействий. При движении следящей системы с большой скоростью в воздушной среде происходит нагрев обтекателя. Так, обтекатель, имеющий при пуске ракеты класса «воздух - воздух» со скоростью Мтемпературу порядка 330 К, через 8 с полета и достижении скорости ЗМ нагревается до 500 К [212]. Даже при выборе мате­риала обтекателя с хорошим коэффициентом пропускания в рабочем спектральном ИК - диапазоне, например 3...5 мкм, и специальных мерах отвода тепла от обтекателя его собственное излучение при нагреве становится столь значительным, что поток излуче­ния от него, попадающий на приемник, может превысить поток от внешних фонов и даже от отслеживаемой цели.

Указанные факторы необходимо учитывать при выборе материала и формы обтекате­ля, бленд, оптической схемы и конструкции объектива, а также конструкции приемника с

Охлаждаемой диафрагмой для уменьшения доли рассеянного и отраженного излучения, попадающего на приемник.

Пример расчета сигналов и помех и отношения сигнал-шум, имеющих место в оп­тической схеме следящей ИКС «смотрящего» типа, которая следит за воздушными це­лями, а также формулы для расчета отражательной и излучательной способностей об­текателя приведены в [212].