Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. - М.: Радио и связь, 1989.- 360 с.
ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Обязательной составной частью практически каждого опто-электронного устройства является оптическая система. Это отдельные оптические элементы: линзы, призмы, зеркала, световоды, фильтры; иногда – комбинации этих элементов, составляющие оптические приборы. Нередко оптический элемент как бы встроен в оптоэлектронный прибор: зеркальная чувствительная поверхность фотоприемника, дифракционная решетка в полупроводниковом лазере с распределенной обратной связью, элементы интегральной оптики и т. п. Независимо от вида конкретной реализации оптических элементов в оптоэлектронном приборе его оценка как чисто оптической системы почти всегда обязательна. Более того, очень часто итоговые характеристики оптоэлектронного устройства определяются именно параметрами оптической системы.
В наиболее общем виде функциональное назначение оптической системы состоит в передаче (с одновременным преобразованием) информации из пространства предметов в пространство изображений; фактически назначение оптической системы состоит в формировании пространства изображений, адекватного пространству предметов (рис. 1.13). Чаще всего пространство предметов может быть представлено двухмерным изображением, также приходится иметь дело с трехмерным образом; в некоторых простейших приборах картина сводится к одномерной: линия, светящаяся точка.
Рис. 1.13. Схематическое представление оптической системы
К числу типичных преобразований, выполняемых оптической системой, относятся увеличение (уменьшение) изображения, изменение его пространственного положения, поворот на тот или иной угол, расщепление и передача по нескольким каналам, изменение характера поляризации светового потока или выделение его отдельных спектральных составляющих и др.
Рассматривая оптическую систему оптоэлектронного устройства как «черный ящик», можно определить ее свойства в аспекте решения задач информатики, введя понятие обобщенной аппаратной функции F, которая аналогична широко используемой аппаратной функции линейных измерительных устройств (например, оптических спектральных приборов). Функция представляет собой алгоритм перехода от множества параметров волнового поля в пространстве предметов на входе системы к их множеству на ее выходе в пространстве изображений:
(1.71)
В радиотехнике и электронике введенное понятие эквивалентно передаточной функции. К числу параметров отдельной волны или луча aj относятся направление (угол) распространения q, интенсивность I, направление вектора поляризации П (или закон его изменения), начальная фаза y, длина волны световых колебаний l.
Принципиально знание обобщенной аппаратной функции F позволяет решить и обратную задачу перехода от наблюдаемого (регистрируемого) пространства изображений к пространству предметов:
(1-72)
Приведем примеры. Если оптическая система на рис. 1.13 представляет собой спектральный прибор с аппаратной функцией a(l), то Fºa(l). При поступлении на вход системы из пространства предметов излучения со спектральной характеристикой fвх(l) реакция на выходе определится сверткой функций a(l) и fвх(l):
(1.73)
В простейшем случае идеального монохроматора (a = 1 при l = l0 и a = 0 при l ¹ l0)
(1.74).
Если оптическая система на рис. 1.13 есть линейный поляризатор, то ее обобщенная аппаратная функция представляет собой просто коэффициент (степень) поляризации, т. е. F = Л. При поступлении на вход естественного света с интенсивностью Iевх интенсивность поляризованного света на выходе
Iп.вых = ЛIе вх. ( 1-75)
Точный расчет функции F даже для простых оптических систем представляет очень сложную задачу, нередко неразрешимую, которая в сравнении с электронными системами усугубляется двумерностью оптических преобразований.
Для достаточно полной характеристики оптической системы используются следующие ее основные параметры и свойства:
1. Апертура или действующее отверстие (зрачок) оптической системы. При попадании излучения в отверстие его преобразование определяется обобщенной аппаратной функцией F. Оптическая система имеет входную и выходную апертуры, которые в общем случае неодинаковы (для конкретности будем иметь в виду лишь входную апертуру). Количественно апертура характеризуется следующими параметрами: линейными размерами зрачка (для круглого зрачка это его диаметр D); угловой апертурой А, определяемой половиной максимального угла конического светового пучка, преобразуемого в системе по .F-алгоритму; числовой апертурой
NA = n×sinA, (1.76)
где п – показатель преломления в пространстве предметов. Последний параметр входит в большинство расчетных формул.
Таким образом, оптическая система выполняет заданные функции лишь в пределах своей апертуры и в некотором смысле понятие 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 = lu/ln) или углового (g = qu/qп) увеличения (уменьшения). Здесь lи,, qu и ln, qn – 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(g) 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/dl) или линейной (Dl = dl/ dl) дисперсией. Здесь q и l – угловое и линейное отклонения лучей с различными значениями l.
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 j различных оптических элементов и m зеркал, в виде
(1-77)
Приближенное равенство в (1.77) получено с учетом малости потерь в каждом из поглощающих слоев, т. е. при ci,li << 1; I = j + l, 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 оп-тоэлектронных устройств потери пропускания или затухание сигнала выражаются в децибелах. Приемлемое для большинства практических случаев затухание Bинф= 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 {ai(п)}, 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) Bинф= 30 ...90 дБ.
5. Пороговые характеристики. К их числу относятся пределы разрешения по каждому из параметров ai(n), т. е. минимальные значения Dl0(П), Dl(п), Dq(П), DП(п), при которых два луча могут различаться оптической системой (восприниматься регистрирующим устройством как два различных луча). Сюда же относится минимальная интенсивность светового потока Iмин, при которой еще выполняется F-алгоритм. В § 1.3 говорилось о теоретических предельных значениях Dl и Dq (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.