Оптико-электронные системы

Ниже рассматриваются общие вопросы построения и применения оптико-электронных и квантовых систем и устройств (ОЭС) с учётом динамики внешних условий.

Оптико-электронными принято называть системы и устройства, в состав которых входят как оптические так и электронные узлы, причем и те и другие служат для выполнения основных задач, решаемых данным прибором, т.е не являются вспомогательными звеньями (примеры вспомогательных звеньев – это элементы осветительных, отсчетных и т.п. устройств).

Сущность физических процессов, определяющих действие ОЭС, заключается в преобразовании одного вида энергии в другой и, в частности, энергии излучения оптического диапазона спектра  в электрическую. Т.о. действие ОЭС основано на приеме электромагнитного излучения во всей оптической области спектра, которая включает диапазон длин волн от 1 нм до 1  мм. Впоследнем выделяют участки ультрафиолетового (0.001 –0,38 мкм), видимого (0,38-0,78 мкм) и ИК (0,78-1000 мкм) излучения (см. структуру спектра электромагнитного излучения).

1. Задачи, решаемые с помощью ОЭС

С помощью ОЭС контактными и дистанционными методами получают информации 

·        о размерах,

·        форме,

·        положении,

·        энергетическом состоянии тел-объектов наблюдения, обнаружения, исследований

Указанные задачи реализуются в результате приема излучения в нужном спектральном диапазоне  длин волн, при заданных ракурсах и поле зрения с получением на выходе приемника излучения электрического сигнала, который обрабатывается с целью выделения из шумов для последующего информационного анализа.

Начало развития ОЭС как мощного инженерно-физического направления техники мы вправе отнести к сороковым годам ХХ века, поскольку именно в этот период удалось перейти от уровня простейших приборов, рассчитанных только на пассивный метод работы /т.е. на прием видимого и теплового излучения нагретых объектов/ к отработке принципов построения квантовых оптических локационных систем, использующих в своей основе источники когерентного излучения – лазеры.

ОЭС могут быть квалифицированы по следующим признакам:

·        рабочей области спектра (УФ, видимая, ИК);

·        способу формирования информационного поля или типу источника излучения;

·        способу обработки (использования) информации;

Спектр электромагнитного излучения

·        решаемой задаче;

·        ширине рабочей полосы длин волн и т.д.

Способ формирования информационного поля определяется, прежде всего,  типом источника излучения и, в связи с этим, различают:

·        пассивные ОЭС, воспринимающие либо собственное излучение наблюдаемого участка пространства, либо совокупность собственного и отраженного излучения (доля последнего формируется солнцем, луной, звездами и т.д);

·        активные ОЭС, в которых используется искусственный источник подсветки исследуемого участка пространства при последующем информационном анализе сигналов, сформированных при приеме отраженного объектом излучения в строго выделенном спектральном диапазоне;

·        комбинированные, в которых задействованы оба из обозначенных выше методов.

Способ обработки (использования) информации определяет:

·        автоматические ОЭС,

·        индикационные ОЭС, в которых информация выдается в виде, пригодном для принятия решения человеком-оператором.

Исходя из решаемых задач ОЭС подразделяется на:

·        пеленгационные (определение положения объекта в пространстве наблюдения).Сюда относятся оптические пеленгаторы, оптические головки самонаведения.

·        наблюдательные (тепловизионные, приборы ночного видения и т.д.),

·        локационные (дальномеры, измерители скоростей и т.д.),

·        фотометрические приборы широкого и специального применения для оптико-физических измерений (фотометры, нефелометры и т.д).

С учетом ширины рабочей области длин волн ОЭС подразделяют на:

·        интегральные (радиометры, тепловизоры и т.д.),

·        спектральные (спектрометры, спектрорадиометры и т.д.).

Учитывая особенности квантовых систем и устройств, при их классификации выделяют:

·        квантовые стандарты длины, частоты и времени;

·        квантовые усилители;

·        преобразователи частоты лазерного излучения;

·        лазерные модуляционные устройства;

·        лазерные системы (лидары, лазерные доплеровские измерители скорости, системы связи, гирометры и т.д.).

2. Краткий исторический очерк

 Широкое практическое использование ОЭС стало возможным только начиная с 30-40х годов XX века, когда были достигнуты первые ощутимые результаты  в технологиях создания оптических материалов для различных диапазонов спектра и, прежде всего, в разработке приемников излучения, обладающих высокой чувствительностью в тех же областях длин волн.

Исследования свойств оптического излучения ведутся очень давно. Ещё в XVIII В.И. Ньютон описал опыты по разложению белого света на квазимонохроматические составляющие. Одна из первых теорий, объясняющих с физических позиций наблюдаемые оптические явления, была разработана Декартом (XVII век) и затем Ньютоном и основывалась на представлении света как совокупности корпускул–мельчайших частиц эфира, распространяющихся вдоль определенных траекторий – световых лучей. В этот же период появились первые работы Гюйгенса, в которых была сделана попытка интерпретации тех же явлений на основе понятий световой волны. Теория Гюйгенса длительное время уступала по популярности теории Ньютона и только благодаря исследованиям Юнга и Френеля на рубеже XIX века получила блестящее подтверждение. К концу XIX века Максвелл дал волнам Френеля электромагнитную интерпретацию и показал, что всякая световая волна является электромагнитным возмущением. Теория Максвелла была блестяще подтверждена  опытным путем Герцем.

Электромагнитная теория, обобщенная в виде системы дифференциальных уравнений, явилась вершиной классического этапа развития оптики.

Второй этап тесно связан с преобразованиями, которая оптика претерпела в начале XX века. В 1905 году  Эйнштейн на основе теории Планка возродил корпускулярную теорию света в новой форме. В 1916 году он же предсказал, что переход электрона в атоме  с верхнего энергетического уровня Ев на нижний Ен и сопровождающее этот акт излучение могут происходить не только самопроизвольно: под влиянием внешнего электромагнитного поля возбужденный атом может преждевременно освободится от избытка энергии путем излучения фотона Такое излучение было названо вынужденным, индуцированным. Вероятность индуцированного излучения резко возрастает при совпадении частоты электромагнитного поля с собственной частотой излучения возбужденного атома.Таким образом, в результате взаимодействия возбужденного атома, готового испустить фотон hn= Ев – Ен, с фотоном получаются два совершенно  одинаковых по энергии и направлению движения фотона-близнеца. Пролетающий фотон как бы стряхивает с возбужденного атома подобный себе фотон, не затрачивая на это энергии и результирующая волна имеет амплитуду большую, чем  падающая.Особенностью индуцированного излучения является то, что оно монохроматично и когерентно.

Успешно подтвержденная гипотеза Планка о квантовой природе излучения света и гипотеза Эйнштейна (1916) в сочетании с успехами радиотехники и потребностями практики послужили базой для изобретения оптических квантовых генераторов и рождения интенсивно развивающейся новой области науки –квантовой электроники.

На возможность использования индуцированного излучения для наблюдения отрицательного поглощения (т.е. усиления) веществом, впервые указал в 1940 году В.А.Фабрикант.

Много сил инженерами различных стран было затрачено на создание генераторов максимально коротких волн. Длина волны наиболее коротких волн, полученных радиотехническими средствами, составляет величину порядка 1000 мкм. Попытки получить ещё более короткие волны натолкнулись на непреодолимые трудности изготовления миниатюрных резонансных систем, размеры которых должны быть порядка длины волны.

Решение последней проблемы возможно на пути использования в качестве резонаторов непосредственно атомов и молекул, имеющих самые разнообразные частоты колебания. Таким образом, такая проблема стимулировала создание нового типа прибора – квантовых генераторов излучения для генерации когерентных электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне спектра.

Отметим здесь, что термин “ОКГ” не бесспорен, поскольку генератором оптических (некогерентных) квантов является и горящая спичка. Поэтому для обозначения обсуждаемого класса излучателей наибольшее применение нашел термин “Лазер”, сформированное из первых букв английской фразы “световой усилитель с помощью вынужденного излучения” по аналогии со своим предшественником, названным “Мазер”, который относится к первым СВЧ генераторам, разработанным проф. Колумбийского университета Е.Таунсом  в 1954 году и использовавшим явление вынужденного излучения.              

Начало основного технологического прорыва в оптическом приборостроении следует отнести к 1920-1930 гг., когда был создан ряд искусственных источников УФ и ИК излучения. Чуть позднее появились первые многокаскадные фотоумножители, первые фоторезисторы, чувствительные в ИК-области спектра.

Успехи и интенсивность разработок в области оптоэлектроники  (раздела науки и техники, исследующей процессы взаимодействия оптического излучения с веществом для передачи, приема, хранения и т.д. информации) в этот и последующий периоды в значительной степени были стимулированы расширением военных применений ОЭС. Здесь в конце XX века отчетливо проявилась тенденция к комплексированию в аппаратуре одного и того же назначения нескольких каналов, работающих как в оптическом, так и в радиодиапазоне, что оказывает подчас решающее значение, например, в повышении достоверности показаний дистанционных систем наблюдения или управления, в которых оператору или автомату-дешифратору в каждом конкретном случае предъявляется взаимодополняющий набор информационных признаков для принятия максимально правильного решения.

3. Сравнение приборов (систем) оптического диапазона с радиоэлектронными устройствами.

Сравнение позволяет выделить ряд неоспоримых преимуществ ОЭС по отношению к радиоэлектронным приборам, которые вытекают из различий диапазонов спектра электромагнитных волн.

Действительно, если вспомнить, что минимально разрешаемый при дифракции угол пропорционален отношению длины волны l к диаметру входного зрачка D,  т.е. l/D, то легко объяснить более высокую разрешающую способность ОЭС. Отсюда следует принципиально более высокая точность оптико-электронных измерений, ограничиваемая разрешающей способностью ОЭС, а также их преимущество по массо-габаритным показателям. Отметим в этом случае и то обстоятельство, что для формирования диаграммы направленности радиоизлучения  с расходимостью 0,1° на длине волны l=1 м необходимо антенное устройство с размерами ~100l (100 м), с тех же позиций в оптическом диапазоне длин волн диаметр формирующего  поток излучения объектива с подобной расходимостью может иметь размеры в десятки мм или единицы сантиметров.

Частота электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне существенно выше, чем в радиодиапазоне. Например, в видимом диапазоне частота световых колебаний в млн раз превышает частоту волн в радио и телевещании. Это определяет высокую информационную емкость оптического канала. (Напомним, что для передачи обычного телевизионного изображения требуется полоса частот Dn~5 Мгц. Поэтому в метровом диапазоне (l=1 м.,Dn~300 Мгц.) можно передать лишь около 10 телевизионных программ, в оптическом диапазоне при том же отношении сигнал/шум – это число возрастает в млн.раз).

Передача информации в оптическом диапазоне осуществляется фотонами, которые в отличие от электронов – электрически нейтральные частицы, не взаимодействующие между собой и внешними полями. Это допускает возможность идеальной гальванической развязки входа и выхода, однонаправленность потока информации, высокую помехозащищённость.

К числу других достоинств ОЭС следует отнести возможность двойной (пространственной и временной) модуляции излучения, а также близкую для восприятия человеком визуальную форму представления информации. Однако с представленными преимуществами должен быть назван ряд недостатков оптического диапазона длин волн, в частности, большее ослабление излучения в атмосфере, значительное число фоновых помех от естественных и искуственных источников.

4. Основные энергетические и фотометрические величины.

Простейший вид излучения – монохроматическое, т.е. излучение характеризуемое очень узким интервалом длин волн. l1- (l1+Dl) при Dl®0. Монохроматическое излучение можно характеризовать и частотой n, причем связь последней с длиной волны определяет соотношение  (с-скорость света).*)

Спектральный состав излучения, т.е. распределение электромагнитной энергии по длинам волн или частотам является как качественной характеристикой, так и количественной при определении облученности входного зрачка ОЭС.

Определим основные энергетичекие  величины оптоэлектроники:

·        Лучистый поток Фе - средняя мощность, переносимая оптическим излучением за время значительно большее периода электромагнитных колебаний

                                                  [Вт]

/ 1 Вт = 10-7эрг×с-1= 0234 кал.с-1=6,24×1018 эВ с-1/.

При расчетах ОЭС особый интерес также представляют:

·        Энергетическая светимость (поверхностная плотность излучения) Ме: отношение испускаемого поверхностью  по одну сторону от себя (т.е. – в полусферу) полного лучистого потока к площади этой поверхности

//

·        Облученность или энергетическая освещенность (плотность мощности) Ее определяет отношение лучистого потока dФ, падающего на какую-либо поверхность, к площади этой поверхности dS2

·        Энергия излучения

//

* Отметим также широкое применение в оптике (спектроскопии) единицы шкалы длин волн – волновых чисел

·        Сила излучения  или энергетическая сила света – отношение лучистого потока dФ к телесному углу , в пределах которого он распространяется

·        Лучистостью или энергетической яркостью излучающей поверхности в данном направлении называется отношение измеренной в этом направлении силы излучения к видимой площади излучающей поверхности

Для плоских излучающих поверхностей, имеющих лучистость, одинаковую во всех направлениях действует закон Ламберта

откуда

Закон Ламберта справедлив только для АЧТ, а также идеально рассеивающих поверхностей. Широко известно следствие из закона Ламберта

Фотометрические (световые) величины:определяют спектр излучения в пределах чувствительности человеческого глаза.

·        Световой поток

,

где - максимальное значение так называемого коэффициента видности

                                              , (= 683 лм×Вт-1)

 - относительный коэффициент видности, спектрально совпадающий с кривой видности человеческого глаза, максимум которой расположен в зеленой области спектра (l~0,555 мкм).

Соответственно различают:

·        Световую энергию     /1 лм×с=1 тальбот/

·        Силу света

·        Светимость   /1лк=1лм×м-2=10-4фот/

·        Яркость .

5.    Основные характеристики излучателей

Для сравнения различных излучателей целесообразно иметь общий эталон. Им является черное тело или полный излучатель, имеющий при заданной температуре для всех длин волн максимально возможную спектральную плотность энергетической яркости. Черное тело полностью поглощает все падающее на него излучение независимо от длины волны, поляризации и направления падения, поэтому обычно говорят об абсолютно черном теле (АЧТ).

Любой реальный излучатель характеризуется коэффициентом излучения (коэффициентом черноты) e - отношением его энергетической яркости к энергетической яркости АЧТ  при той же температуре.

·        Тепловой излучатель для которого величина e(l) не зависит от длины волны называется неселективным и, наоборот, при условии e =f(l) мы имеем дело с селективным излучателем (см.рис.1).

·        Световым КПД излучателя называется отношение

·        Световая отдача Ксв – это отношение Мu к величине энергетической светимости

·        Яркостная температура – это температура черного тела, при которой оно имеет ту же спектральную плотность энергетической яркости, что и рассматриваемое тело (излучатель)

Распределение энергии по спектру длин волн в излучении АЧТ описывает закон Планка

                               ,                                (1)

где С1=3,7415×10-16Вт×м2, С2=1,43879×10-2м×К

Из формулы Планка можно получить выражение для закона Стефана-Больцмана:

                                                                                                   (2)          

т.е. энергетическая светимость АЧТ определяется его температурой в четвертой степени (s=5,66971×10-8Вт м-2к-4 – постоянная Стефана-Больцмана).

Экстремум функции (1) определяет закон Голицина –Вина

                                                                                         (3)

(l - [мкм], Т-[K])

Как пример применения соотношения (3) можно оценить область максимума излучения такого тела как планета Земля, средняя температура которой ТЗ@290 К. Видно, что эта величина близка  в то время как для Солнца (Т@6000К) соответствует зеленой области видимого спектра.

Рис.1. Зависимость спектрального коэффициента излучения материалов el от длин волн.  Альб.лист

          Для удобства использования в расчётах соотношения (1) в справочниках представляется единая изотермическая кривая, которая получается заменой в (1) переменных на .

Чтобы по значениям единой изотермической кривой y(x) вернуться к кривой Планка необходимо:

·        Определить по (3)

·        Определить

·        для выбранных l определить

·        найти y(x) и в заключение-

·        .

Полезно отметить, что для длин волн  величина  изменяется пропорционально Т, а в области - увеличивается пропорционально Т5.

Взяв производную , можно найти длину волны , при которой скорость изменения  максимальна.

В частности,

                                                                                               (4)

6.    Типовая структура канала ОЭС и основные его характеристики.

Практически для большинства видов ОЭС  на стадии создания разработчикам следует учитывать взаимозависимость (взаимообусловленность) характеристик, определяющих весь канал функционирования прибора, а именно – систему  “объект-фон–атмосфера-прибор-оператор”. В указанной системе соотношение яркостей наблюдаемого объекта и окружающей среды (т.е. фона) или, как принято, их определять, контраст объекта

                                                                                                       (5)

и его динамика во времени очевидным образом должны учитываться при определении конструктивных особенностей  самой ОЭС.

Контраст объекта деформируется как по спектральному составу, так и по амплитуде за счёт влияния участка атмосферы, разделяющего объект и входной зрачок ОЭС. В атмосфере происходит неодинаковое для различных длин волн поглощение и рассеяние оптического излучения, формирование поля рассеянного излучения.

1 2 3