Оптические элементы, используемые в волоконно-оптических датчиках

3.9.1. Входные окна

Входные окна фотоприемников предназначены для защиты фоточувствительного элемента от воздействия окружающей среды [44,45]. Они выполняются обычно в виде плоскопараллельных пластин или линз. Основные требования, предъявляемые к входным окнам, следующие:

1. высокая механическая прочность,

2. прозрачность в рабочем диапазоне спектра,

3. устойчивость к воздействию климатических факторов,

4. возможность вакуум-плотного соединения окна с корпусом фотоприемника.

3.9.2. Световоды

Световоды предназначены для:

9. дистанционной канализированной передачи потока излучения на фоточувствительный элемент фотоприемника,

10. разведения потока энергии от одного источника к нескольким фоточувствительным элементам,

11. поворота плоскости изображения и т.д.

Световод представляет собой тонкий пруток с круглым, прямоугольным или другим сечением, состоящий из сердцевины с показателем преломления n_С и оболочки с показателем преломления с полированными торцами. От внутренней поверхности оболочки световода происходит полное отражение лучей, идущих внутри световода. Световод может быть выполнен в виде цилиндрической трубки с зеркальной внутренней полостью. Световод переносит изображение с поверхности входного торца на выходной торец с сохранением апертурных углов лучей падающего на нее пучка.

Если диаметр волокна d_С существенно превосходит длину волны l, то передача изображения вдоль волокна происходит на основе полного внутреннего отражения лучей от его боковой полированной поверхности (рис. 3.16) по законам геометрической оптики. Условно оптическим волокном называют световоды диаметром менее 100 мкм.

Передаваемую по волокнам информацию можно одновременно преобразовать, например, изменить масштаб изображения, устранить его дефекты, сгруппировать по другому элементы и т.п.

При полном внутреннем отражении излучение проходит, по волокну, испытывая потери в основном за счет поглощения в стекле. Светопропускание волокна не уменьшается и при его изгибе, если при этом углы падения лучей на боковую поверхность не окажутся меньше критических. Допустимый радиус кривизны . Из волоконных элементов делают жесткие, световоды, гибкие жгуты, пластины, диски, линзы, фоконы и т.п.

Волокна могут иметь различную форму (рис. 3.16), и для каждого из них числовая апертура будет определяться соответствующим выражением:

– для цилиндрического волокна с прямыми торцами в воздухе (рис. 3.16,а)

(3.61)

– для прямого волокна с косыми торцами (рис. 3.16,б)

, (3.62)

где α – угол скоса торца световода;

– для световода переменного диаметра (фокона), уменьшающегося в направлении распространения потока (рис. 3.16,в),

, (3.63)

где d₁ и d₂ – соответственно диаметр входного и выходного торцов фокона.

– для световода переменного диаметра (афокона), увеличивающегося в направлении распространения потока (рис. 3.16,г),

, (3.64)

где b¢ – угол конусности волокна.

Афокон по сравнению со всеми другими световодами при одинаковых значениях n_С и n_О имеет наибольшую апертуру. Свойства афоконов изменять апертурный угол пучка лучей и собирать их на малом (выходном) торце позволяет применять их для концентрации излучения.

3.9.3. Оптические фильтры

Оптический фильтрслужит для изменения спектрального состава или ослабления проходящего через него лучистого потока. Фильтры, изменяющие спектр излучения, называются спектральными, а фильтры, ослабляющие поток без заметного изменения его спектра, называются нейтральными.

Спектральный фильтр является важнейшим элементом спектральной селекции, позволяющей выделить излучение исследуемого объекта на фоне других источников излучения. Использование спектрального фильтра позволяет увеличить отношение сигнал/шум, хотя при этом абсолютное значение полезного сигнала за счет поглощения фильтром потока излучения несколько уменьшается.

Оптимальную спектральную характеристику фотоприемника можно получить, применяя селективно-поглощающие, отражающие, преломляющие, рассеивающие и интерференционные фильтры.

Фильтры, основанные на избирательном поглощении веществами излучения в одной или нескольких областях спектра, позволяют создавать коротковолновые и длинноволновые отрезающие фильтры. Такие фильтры являются пропускающими. Примерами таких фильтров являются фильтры из цветного оптического стекла, из полупроводниковых материалов: германия, кремния, сернистого свинца и других оптических материалов. С помощью таких фильтров трудно получить хорошую контрастность изображения и крутизну фронтов, поэтому для них часто используется просветление.

Действие рассеивающих фильтров основано на явлении рассеяния излучения частицами, размеры которых соизмеримы с длиной волны излучения. Пропускание такого фильтра будет минимальным при диаметрах частиц, примерно равных половине длины волны. Пропускание возрастает по мере того, как размеры частиц и длина волны становятся соизмеримыми. Для длин волн, больших размера частиц, фильтр становится прозрачным. Для изготовления рассеивающих фильтров используют порошкообразные вещества (окись цинка, окись магния и др.), нанесенные на прозрачные плоскопараллельные пластинки.

Используя явление интерференции света, можно получить спектральные интерференционные фильтры с очень хорошими параметрами. Такие фильтры состоят из тонкой пленки прозрачного диэлектрика, покрытой с обеих сторон полуотражающими металлическими слоями (рис. 3.17). Излучение, попадая в фильтр, при многократном отражении от полупрозрачных металлических слоев образует систему прошедших и отраженных лучей, интерферирующих между собой. Если разность хода двух соседних интерферирующих лучей равна l (что получается при толщине слоя диэлектрика, кратной l/2), то при сложении электромагнитных колебаний наблюдается усиление проходящего излучения.

Пропускание интерференционного фильтра с толщиной диэлектрического слоя, кратной l/2 падающего на фильтр излучения, будет максимальным для этого излучения. Изменяя толщину диэлектрика, можно изготовить фильтр для любого заданного участка спектра. Однако ширина полосы пропускания такого простейшего интерференционного фильтра будет довольно велика. Ее можно уменьшить, только увеличивая отражающую способность полупрозрачного металлического слоя за счет увеличения толщины этого слоя. Поэтому применяют в основном многослойные интерференционные фильтры, в которых металлические полупрозрачные пленки заменены несколькими слоями диэлектрических пленок, нанесенных на прозрачную пластинку. Число этих слоев может быть более 20.

Для уменьшения потерь на отражение широко используется просветление оптических элементов. Для этого на поверхность оптического элемента наносят тонкую пленку, показатель преломления которой n_пл меньше показателя преломления материала окна n_о.э. или фильтра:

(3.65)

Минимальные потери на отражение пленка будет иметь при толщине

, (3.66)

где d – оптическая толщина пленки, равная l/4 (l – длина волны излучения в той части спектра, в которой необходимо получить максимальное пропускание).

Пленка толщиной l/4 из вещества, имеющего показатель преломления , уменьшает коэффициент отражения излучения практически до нуля.

3.9.4. Иммерсионные линзы

Неравномерность чувствительности по приемной площадке для отдельных типов фотоприемников может достигать 20–30% максимального значения, что может вызвать изменения сигнала при перемещении изображения малоразмерного источника по чувствительному элементу. Для уменьшения влияния подобных эффектов используют конденсор, проектирующий на чувствительный элемент фотоприемника входной зрачок объектива оптической системы. Однако применение конденсора существенного выигрыша не дает, так как часть принимаемого излучения попадает на края и за пределы фоточувствительного элемента. Существенного улучшения энергетических характеристик оптико-электронных систем можно добиться при использовании так называемых иммерсионных линз (рис. 3.18). Фоточувствительный элемент располагается при этом непосредственно на конденсоре так, что между ними существует хороший оптический контакт. Это достигается либо путем напыления фоточувствительного слоя непосредственно на линзу, либо путем крепления фоточувствительного элемента к линзе при помощи очень тонкого слоя оптического клея. В этом случае конденсор называют иммерсионной линзой, а фотоприемник – иммерсионным.

Конструкция иммерсионной линзы и условия применения такого фотоприемника могут обеспечивать различный энергетический выигрыш в зависимости от назначения аппаратуры. На рис. 3.18,а показан фотоприемник с концентрической иммерсионной линзой. В нем даже сильно наклоненные лучи попадут на фоточувствительный элемент, так как он находится в непосредственном контакте с линзой. Луч, направленный в центр фоточувствительного элемента, проходит через центр линзы, так как поверхность линзы концентрична относительно центра элемента и этот луч не преломится. Лучи, направленные к краю фоточувствительного элемента, преломятся линзой и сфокусируются значительно ближе к центру. В результате этого при неизменном мгновенном поле зрения линейный размер фоточувствительного элемента Iф может быть уменьшен в n раз.

При использовании иммерсионной оптики линейный размер фоточувствительного элемента

, (3.67)

где d_вх – диаметр входного зрачка оптической системы; n – показатель преломления материала иммерсионной линзы; b – апертурный угол зрения фотоприемника; w – мгновенный угол зрения оптической системы, равный

, (3.68)

где A_Ф – площадь чувствительного элемента фотоприемника; f_ОБ – фокусное расстояние объектива оптической системы.

Уменьшение размера чувствительного элемента фотоприемника приведет к уменьшению его собственных шумов, так как они пропорциональны квадратному корню из площади элемента. Таким образом, при использовании в качестве иммерсионного элемента концентрической линзы возможно уменьшение площади фоточувствительного элемента в n² раз, собственный шум фотоприемника также уменьшится в n раз, а следовательно, и обнаружительная способность возрастет в n раз.

Кроме того, использование концентрической иммерсионной линзы позволяет (при сохранении размеров фоточувствительного элемента и значения обнаружительной способности) увеличить мгновенное поле зрения оптической системы в n раз

(3.69)

Облученность чувствительного элемента иммерсионного фотоприемника увеличивается и становится равной

(3.70)

где Е₀ – облученность фотоприемной площадки без иммерсионной линзы;

Коэффициент полезного действия иммерсионной линзы

(3.71)

где О – относительное отверстие объектива оптической системы, равное d_ВХ /f.

Применение гиперполусферической иммерсионной линзы (рис. 3.18,б), сконструированной с учетом требований, предъявляемых к аплантической оптике, позволяет уменьшить линейные размеры фоточувствительного элемента приемника в n² раз, в результате чего отношение сигнал / шум и обнаружительная способность системы увеличиваются также в n² раз. Однако при использовании гиперполусферической иммерсионной линзы из германия (n=4) нельзя применять оптику с относительным отверстием более 1:2.

Следует отметить, что если ограничение по шумам определяется радиационными шумами, то повышения обнаружительной способности за счет применения иммерсионной оптики не происходит.

Трудности осуществления оптического контакта между линзой и фоточувствительным элементом в реальных фотоприемниках не позволяют полностью реализовать возможный энергетический выигрыш, получаемый за счет оптического усиления. Например, при применении иммерсионной линзы из материала с высоким значением коэффициента преломления (например, из германия, для которого (n=4)), энергетический выигрыш будет определяться показателем преломления не линзы, а среды с наименьшим показателем преломления, т.е. склеивающей иммерсионной прослойкой (n=2.5¸3,2), так как излучение, попадающее на границу германиевая линза – иммерсионная прослойка под углом, превышающим угол полного отражения, не достигает поверхности фоточувствительного элемента. В данном случае оптические характеристики иммерсионного фотоприемника могут быть улучшены не только путем увеличения коэффициента преломления склеивающей прослойки, но и путем уменьшения ее толщины.

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

Дата добавления: 2015-08-13