Общие вопросы схемного построения оптических систем МОЭС с матричными многоэлементными приемниками излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие вопросы схемного построения оптических систем МОЭС с матричными многоэлементными приемниками излучения

План

1. Способы выделения рабочих спектральных диапазонов

2. Требования к оптическим системам МОЭС и пути их выполнения

3. Видеоспектрометры «смотрящего» типа (видеоспектрометры с матричными МПИ)

4. Томографические видеоспектрометры

5. Спектрополяриметрические многодиапазонные оптико-электронные системы (видеоспектрополяриметры)

6. Некоторые особенности оптической калибровки и корректировки спектральных каналов двух- и многодиапазонных ОЭС

Список литературы

1. Способы выделения рабочих спектральных диапазонов

Простейшей схемой построения двух- и многодиапазонных ОЭС является механическое объединение двух или более автономных систем, каждая из которых имеет свои отдельные оптическую систему и приемник излучения, обеспечивающие работу в определенных спектральных каналах (рис.4,а). спектральный диапазон оптикоэлектронный многоканальный

В таких системах легче обеспечить высокое (близкое к предельному) пространственное разрешение во всех рабочих спектральных диапазонах. Например, в них проще решить проблему ахроматизации во всех рабочих диапазонах за счет раздельной хроматической коррекции объективов отдельных спектральных каналов. Кроме того, в таких схемах можно сравнительно легко выбирать расположение спектральных поддиапазонов и управлять их шириной, например, с помощью интерференционных фильтров.

Известны такие двухдиапазонные ОЭС, работающие в видимом и длинноволновом ИК участках спектра и выпускаемые как у нас в стране (система «Орлан» ЦНИИ «Циклон», состоящая из дневного, низкоуровнего телевизионного и тепловизионного каналов [11], макеты двухдиапазонных и трехдиапазонной обзорно-поисковых систем Конструкторско-технологического института прикладной микроэлектроники СО РАН, работающие в видимом, ближневолновом и длинноволновом ИК-диапазонах [7]), так и за рубежом (разработки фирм “EMX Inc., Thermoteknix Systems Ltd., Digital Imaging Infrared and Infrared Inc.) [81,98,117 и др.].

Часто угловые поля отдельных оптических каналов таких систем разделены, а совмещение изображений осуществляется программными средствами в электронном тракте ОЭС. Принципиальной особенностью этих ОЭС является различие параллактических углов (углов между направлением на визируемый объект и оптическими осями отдельных каналов, которые чаще всего параллельны между собой), приводящее к различным смещениям изображения одного и того же объекта в плоскостях чувствительного слоя приемников излучения, используемых в каналах системы. Если совмещение изображений и достигается аппаратно-программными средствами, то оно действует только для определенного расстояния до объекта или в пределах ограниченной глубины поля изображаемой сцены. Пренебречь параллаксом можно в тех случаях, когда база наблюдения - расстояние между параллельными друг другу оптическими осями объективов различных каналов МОЭС гораздо меньше расстояния до наблюдаемого объекта и его изображения в этих каналах строятся на идентичных пикселах МПИ.

Не менее известны системы с одним объективом и сменными оптическими фильтрами, заключенными, например, в поворотную оправу (рис.4,б). Здесь также можно легко управлять спектральными характеристиками отдельных каналов. Однако, наличие подвижных деталей в такой системе является ее недостатком. При использовании этой схемы возможны затруднения с обработкой и интерпретацией получаемой спектральной информации при временных и пространственных сдвигах изображений наблюдаемых сцен, происходящих при переходе от одного спектрального поддиапазона к другому. Такие сдвиги возможны из-за нестационарности сцены и отдельных ее участков, взаимного перемещения сцены и МОЭС, например, при размещении МОЭС на подвижном основании, несовершенства механизма смены фильтров и ряда других факторов. При нестационарности сцены и ее положения относительно МОЭС необходимо увеличивать частоту опроса и переключений спектральных каналов, т.е. частоту кадров, что усложняет конструкцию как оптико-механического блока, так и электронного тракта МОЭС, а также повышает требования к МПИ и ФПУ.

Неоднократно предлагались схемы построения МОЭС, работающих в видимом, ближнем и длинноволновом ИК-диапазонах, в которых использовались различные объективы или объектив с единым входным компонентом и последующими спектроделительными (цветоделительными) оптическими элементами (рис.4,в) в сочетании, например, с ПЗС-приемником в видимом диапазоне, ЭОП в ближнем ИК-диапазоне и неохлаждаемым микроболометрическим МПИ в длинноволновом ИК-диапазоне [163]. Известны также системы, построенные по такой схеме и объединяющие низкоуровневый телевизионный монохроматический канал и канал с электронно-оптическим преобразователем (ЭОП), работающий в ближнем ИК-диапазоне (см. например, [19]).

Обладая высоким разрешением, ПЗС видимого диапазона имеет высокую чувствительность, но не может обеспечить наблюдение сквозь туман, пыль, дым, листву и в темноте. Канал с ЭОП имеет меньшее, хотя и довольно высокое разрешение и обеспечивает работу МОЭС вечером, в лунную и звездную ночь, хотя также не «видит» сквозь отмеченные выше преграды, а кроме того «слепнет» при вспышках света. Микроболометрический МПИ, чувствительный к контрасту температур и излучательных способностей наблюдаемых объектов, позволяет «видеть» через туман и дымы, однако имеет меньшие пространственное разрешение и пороговую чувствительность, чем ПЗС-приемник и ЭОП.

На рис.5 показана структурная схема двухдиапазонной ОЭС с общим для двух спектральных каналов первым компонентом и спектроделителем СД. Компоненты К2 и КЗ служат для коррекции качества изображения в каждом из каналов и согласования параметров объектива и МПИ 1 и 2, применяемых в системе. В качестве системы отображения СО может использоваться дисплей или телевизионный монитор, на экране которого формируется видимое изображение, наблюдаемое глазом Г. Очевидно, что наиболее трудно подобрать оптический материал (материалы) для первого компонента К1, который должен пропускать излучение во всех спектральных каналах (диапазонах) MОЭС. По этой причине часто предлагается делатъ первый компонент полностью зеркальным. Компоненты К2, КЗ и подобные им в многоканальных системах работают в сравнительно узких участках спектра, т.е. выбор материала для них менее критичен, а коррекция хроматических аберраций проще.

В системах, схемы которых представлены на рис.4,а,б,в, уже сегодня достигается близкое к оптимальному для каждого спектрального диапазона разрешение, определяющее размер пиксела МПИ (или определяемое этим размером). Однако существенные различия в размерах пикселов различных приемников вызывают сложности при «попиксельном» объединении изображений, получаемых в разных участках спектрах, обеспечении единого размера и формата изображений, применении единых алгоритмов и электронных схем для обработки этих изображений и передачи их на единую систему отображения. При использовании в МОЭС нескольких МПИ необходимо проводить тщательную юстировку их взаимного положения, например, для устранения разворота осей координат чувствительного слоя. Для этих схем важна стабильность угловых полей объективов МОЭС, сохранение высокого пространственного разрешения оптической системы во всех рабочих спектральных поддиапазонах, постоянство согласования параметров и характеристик оптической системы и МПИ при переходе от одного поддиапазона к другому. Для раздельных оптических систем в составе единой МОЭС (рис.4,а,в) важным является устранение параллакса, возникающего из-за того, что объекты могут наблюдаться этими системами под разными углами. (В системах, наблюдающих малоразмерные удаленные объекты, этот параллакс невелик, и часто им можно пренебречь.)

Схемам с раздельными объективами (рис.4,а,в) присущи сравнительно большие габариты, сложность юстировки, необходимость иметь большое количество оптических компонентов и МПИ. В случае использования охлаждаемых МПИ трудности конструирования таких систем, как и их стоимость, обычно резко возрастают, а надежность эксплуатации снижается. В этих системах не только идентичность изображений, получаемых в разных спектральных поддиапазонах, порою трудно достигается, но и обработка в целях фильтрации полезного сигнала на фоне помех может оказаться сложнее, чем в МОЭС с единой для всех диапазонов оптической системой или в МОЭС с одним двух- или многодиапазонным МПИ (рис.4,г)

В МОЭС с двух- или многодиапазонным МПИ значительно легче обеспечить одновременную или практически одновременную работу МОЭС во всех спектральных диапазонах, т.е. работу в реальном масштабе времени. При наличии одного объектива легче обеспечивается взаимная юстировка оптической системы и МПИ, а также геометрооптическое согласование пикселов отдельных каналов. За счет упрощения конструкции повышается ее надежность, снижаются требования к системе охлаждения, и, с учетом успехов современной технологии изготовления МПИ, уже можно говорить о заметном снижении стоимости таких МОЭС. Однако, в схемах с отдельными узкополосными оптическими фильтрами (рис.4,а,б,в) легче управлять расположением и шириной узких спектральных поддиапазонов, чем в системах, работающих по схеме рис.4,г.

Интересную схему разделения спектрального диапазона 2,1…4,7 мкм на четыре поддиапазона предложили авторы [135]. В ней сочетаются признаки двух схем, представленных на рис.4,а и в. Четыре одинаковых объектива - асферические линзы из ZnSe с диаметром 5 мм и диафрагменным числом 2,7 собирают излучение с единого углового поля 20⁰, т. е. с одной и той же части пространства объектов (сцены), на отдельные квадранты, площадью 128 х 128 пикселов каждый, чувствительной площадки МПИ на базе КРТ с общим форматом 256 х 256 пикселов. Перед каждым квадрантом МПИ устанавливается свой узкополосный фильтр. Фильтры выделяют полосы 2,1…2,3; 2,7…3,1; 3,6…4,0 и 4,5…4,7 мкм, т.е. образуют рабочие спектральные диапазоны системы. Граничные зоны квадрантов МПИ - примерно 3…5 строк и столбцов - не используются для съема сигналов в целях предотвращения перекрестных связей. На рис.6 показано сечение оптической схемы в одной из ортогональных плоскостей ее построения, т.е. показаны два из четырех спектральных каналов. Здесь: 1 - входное окно камеры охлаждения (сосуда Дьюара), наклоненное для исключения эффекта Нарцисса; 2ґ и 2Ѕ - объективы спектральных каналов; 3ґ и 3Ѕ - оптические фильтры спектральных каналов; 4ґ и 4Ѕ - два квадранта единого МПИ.

В МОЭС, названной Multiview, где используется такая схема, требуется тщательная юстировка оптико-механического узла и МПИ, с тем чтобы обеспечить идентичность расположения всех четырех изображений одной и той же сцены на пикселах отдельных квадрантов МПИ. Кроме того, в ней предусмотрено использование специальной бленды для предотвращения перекрестных изображений, строящихся на квадрантах МПИ, а также охлаждаемых диафрагм.

Как указывают авторы [135], для обеспечения высокой точности определения пространственных координат излучающих объектов и точной радиометрической «привязки» к отдельным участкам просматриваемой сцены допуск на выставку оптических осей у четырех объективов должен лежать в пределах ±0,1…0,25 пиксела по каждой из декартовых координат МПИ, а взаимный разворот осей координат в отдельных спектральных каналах (квадрантах) системы не должен превышать ±0,1⁰.

В отдельные каналы оптической схемы Multiview могут быть введены поляризационные фильтры с различной линейной поляризацией проходящего через них излучения. Это расширяет круг возможных применений системы.

В такой системе, как и в других МОЭС, важно добиваться компенсации или учета различий в оптических характеристиках материала объективов и чувствительности МПИ в отдельных рабочих спектральных диапазонах, в частности, проводить тщательную коррекцию хроматических аберраций объективов. Учитывая существенное различие в сигналах, принимаемых МПИ в отдельных каналах системы (в числах фотонов в каждом узком спектральном диапазоне), приходится компенсировать эти различия, например, изменяя пропускание оптических каналов или изменяя время накопления зарядов в пикселах ФПУ, принимающих сигналы в этих каналах.

Помимо оптических схем, представленных на рис.4,в, МОЭС, для разложения в спектр приходящего излучения и выделения рабочих диапазонов часто используются схемы с диспергирующими призмами или дифракционными решетками и интерферометры.

На рис.7 в качестве примера приведена схема с дифракционной решеткой. Выделение отдельных спектральных диапазонов в такой схеме может производиться как путем поворота диспергирующего элемента - дифракционной решетки и ввода выходной щели, вырезающей различные порядки спектра (рабочие спектральные диапазоны), так и установкой сменных полосовых фильтров или использованием многодиапазонных МПИ, помещенных в плоскости изображения входной щели монохроматора. В этих схемах предусматривается ввод калибровочных (эталонных излучателей в плоскости входной щели монохроматора или в другом месте с оптическим сопряжением их с этой щелью. В таких МОЭС применяется либо один МПИ, имеющий широкую спектральную характеристику, перекрывающую все рабочие диапазоны системы (широкодиапазонный МПИ), либо несколько приемников. Иногда вместо сменных фильтров в сочетании с одним широкодиапазонным МПИ применяется один оптический фильтр с перестраиваемой в реальном масштабе времени спектральной характеристикой (см. ниже о спектрополяриметрических МОЭС). К сожалению, создание таких МОЭС затруднено из-за отсутствия достаточно простых и перестраиваемых в широком спектральном диапазоне оптических фильтров.

В подобных схемах часто приходится бороться с наложением различных порядков дифракционной картины друг на друга, т.е. с наложением спектров, соответствующим этим порядкам. На спектр в области первого порядка, которому соответствует длина волны (узкий участок спектра) л₁, могут накладываться спектры более высоких n-ых дифракционных порядков с длинами волн л₁/n, где n - целое число. Для исключения наложения приходится принимать специальные меры, например, использовать схемы со скрещенной дисперсией, в которых разделение перекрывающихся порядков осуществляется вводом дополнительного диспергирующего элемента - призмы, у которой направление дисперсии перпендикулярно направлению дисперсии дифракционной решетки. Это заметно усложняет конструкцию монохроматора.

В настоящее время в МОЭС с МПИ в качестве диспергирующих устройств стали часто использоваться интерференционные устройства на базе сканирующих Фурье-спектрометров (ФС), обладающие высоким спектральным разрешением. В качестве диспергирующего элемента монохроматора в ФС используется интерферометр (обычно двухлучевой интерферометр Майкельсона), в котором разделение интегрального потока, поступающего на вход, на монохроматические составляющие осуществляется при изменении разности хода лучей в его ветвях путем перемещения одного из зеркал интерферометра вдоль нормали к поверхности зеркала. При постоянной скорости этого перемещения в плоскости чувствительного слоя приемника, где локализуется интерференционная картина (интерферограмма), частота изменения потока излучения пропорциональна частоте электромагнитных колебаний, образующих поток, т.е. длине волны или волновому числу монохроматического излучения. Фурье-преобразование интерферограммы дает информацию о спектральном составе приходящего на вход интерферометра излучения. Детектируя образующийся на выходе приемника частотно-модулированный сигнал, можно получить совокупность электрических сигналов, отображающих монохроматические составляющие потока, приходящего на вход интерферометра.

Приборы с ФС имеют гораздо более высокие спектральную разрешающую способность и светосилу, нежели приборы с призмами или дифракционными решетками в качестве монохроматоров. Это позволяет уменьшить габариты оптической системы и массу всего прибора. Возможность получения спектров в средней и дальней ИК-области при сравнительно небольших габаритах и массах аппаратуры способствовала использованию ФС в бортовых и космических системах для исследования протяженных излучателей, когда при небольших фокусных расстояниях объектива, строящего изображение пространства предметов, необходимо иметь большое угловое поле, которое не могут обеспечить щелевые призменные и дифракционные спектрометры.

В известных системах сканирующего типа с ФС достигнуто высокое спектральное разрешение (более 10³…10⁶) в противоположность появившимся гораздо ранее системах с разделением спектров с помощью узкополосных фильтров или дифракционных решеток (50…500 спектров).

Следует учитывать, что из-за различия в размерах кружков рассяния (из-за хроматизма увеличения объектива), импульсная реакция объектива нестационарна, что при постоянных размерах пикселов МПИ может затруднить оптимизацию системы как пространственного фильтра для различных спектральных каналов видеоспектрометра. Кроме того, иногда приходится учитывать изменение частоты Найквиста по той же причине и возможные соответствующие наложения спектров получаемых сигналов [17].

Из-за того, что в Фурье-спектрометрах отсутствуют и щели и диспергирующие элементы, их светосила гораздо больше, чем у систем с призмами или дифракционными решетками. Большая светосила позволяет иметь высокую чувствительность прибора и проводить разделение сигнала по узким спектральным участкам в средне- и длинноволновом ИК-диапазонах.

Интерферометры, в частности, Фурье-спектрометры, обеспечивают очень высокое спектральное разрешение, однако, их быстродействие из-за наличия подвижных элементов (обычно зеркал) часто оказывается недостаточным, а для получения необходимого отношения сигнал-шум приходится усреднять несколько отсчетов, соответствующих отдельным длинам волн. Высокие требования к стабильности конструкции интерферометров затрудняют их использование в сложных условиях работы (полевых, летных, при размещении ОЭС на подвижном основании и т.д.).

Дифракционные (гибридные) оптические элементы, находящие все большее применение в ИКС «смотрящего» типа [11], могут быть использованы в качестве диспергирующих оптических систем, служащих для разложения в спектр оптического сигнала. Если рассчитать профиль дифракционной поверхности линзы так, чтобы монохроматические изображения для различных длин волн (порядков дифракции) образовывались в различных точках (плоскостях) вдоль оптической оси системы (см. рис.8), то, регистрируя эти изображения, например, с помощью перемещаемого вдоль этой оси МПИ, можно получить “набор” видеосигналов, охватывающих заданный участок спектра. Задача состоит в том, чтобы дифракционная эффективность для различных монохроматических изображений сохранялась достаточно большой, т.е. чтобы интенсивности сигналов на заданных длинах волн (на рис.8 на л₁, л₂, л₃) - облученности для различных порядков дифракции были сравнимы между собой.

Преимуществом такой схемы разложения оптического сигнала в спектр с последующим выделением узких спектральных рабочих диапазонов (схемы с «продольной» линейной дисперсией), по сравнению с традиционными схемами с призмами или дифракционными решетками (схемами с «поперечной» линейной дисперсией), является то, что в ней поток внутри рабочего спектрального диапазона собирается всей входной апертурой объектива, а не узкими щелями монохроматора, что упрощает конструкцию. Роль щели здесь выполняет пиксел или окно из нескольких пикселов МПИ, размеры которых должны быть согласованы с размерами кружков рассеяния, создаваемых дифракционным оптическим элементом.

Нужно учитывать, что в такой схеме в плоскости наилучшей фокусировки излучения с какой-либо длиной волны л_i имеют место расфокусированные изображения, создаваемые излучениями с другими л, т.е. на монохроматическое изображение с л_i накладывается полихроматическое изображение. Кроме того, поскольку отдельным длинам волн соответствуют различные фокусные расстояния, увеличение в такой схеме зависит от л. Поэтому для восприятия каждого монохроматического изображения как части единого (полихроматического) изображения нужна коррекция изменяющегося увеличения и, как следствие, изменений размеров изображений. При переменном увеличении происходит изменение частоты Найквиста [11], что может привести к появлению ложных изображений (побочных гармоник в спектре сигнала, снимаемого с МПИ).

Помимо трудностей обеспечения хорошего качества изображения для различных порядков дифракции (различных рабочих спектральных диапазонов) недостатком описанной схемы является необходимость перемещения МПИ вдоль оптической оси. Последнее, впрочем, сравнительно просто решается путем надлежащей обработки сигналов, снимаемых с чувствительных элементов МПИ. Для уменьшения перекрестных спектральных связей между отдельными каналами могут быть использованы специальные алгоритмы обработки сигналов.

Так например, в видеоспектрометре с дифракционным элементом, работающим по описанной схеме, было получено спектральное разрешение в видимом и средневолновом ИК диапазонах порядка л/Дл = 0,25% [80]. При этом использовались InSb - МПИ форматов 512х512, 256х256 и 128х128 с размерами пикселов 25 мкм. Для перемещения МПИ применялся шаговый двигатель. Пространственное разрешение двух наблюдаемых объектов составляло один пиксел при спектральном разрешении 0,005 мкм. При испытаниях системы использовались объективы с фокусными расстояниями 160 мм (К=3,5) и 104 мм (К=2,5). Размеры окон, определяющих спектральную выборку и пространственное разрешение видеоспектрометра, менялись от 3х3 до 16х16 пикселов. Электронная схема считывания и обработки сигналов позволяла получать до 18000 кадров в секунду для окна 16х16 пикселов.

Еще одним способом разделения спектральных рабочих диапазонов непосредственно в конструкции ФПУ является размещение микролинзового дифракционного растра перед чувствительным слоем приемника. Каждая линза растра, сопряженная с отдельным пикселом МПИ, фокусирует излучение одного спектрального состава в центральной части пиксела, а дифракционная структура одновременно строит изображение для внеосевых лучей (первых порядков дифракционной картины) для другого участка спектра в периферийной части пиксела, имеющей отличную от центральной части спектральную чувствительность. На рис.9 показано поперечное сечение одного пиксела такого двухдиапазонного ФПУ [139]. Дифракционный микролинзовый растр может формироваться непосредственно в подложке МПИ. Хорошей фокусировке излучения в малое пятно в центре пиксела способствует эффект оптической иммерсии, особенно если показатель преломления материала подложки достаточно велик (например, у кремния он равен 3,4).

Микролинзы должны обладать большим хроматизмом, чтобы лучше разделять область хорошей фокусировки, т.е. один спектральный рабочий диапазон, и область размытого изображения, т.е. второй спектральный рабочий диапазон. Методы расчета таких линз - хроматических аксиконов приводятся в специальной литературе, в частности, простые формулы для расчета фазового профиля линз с заданным фокусным расстоянием приведены в [139].

Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований МПИ формата 256х256 с микролинзовым растром подтвердили возможность достаточно хорошего разделения двух спектральных диапазонов: коротковолнового с явно выраженным максимумом на длине волны 8 мкм (при фокусном расстоянии линз 50 мкм и квадратной апертуре 50х50 мкм²) и длинноволнового с нижней границей спектральной характеристики в районе 12 мкм [139].

Наибольший интерес сегодня привлекают МОЭС с единой для всех узких рабочих диапазонов оптической системой (объективом), строящей изображения на многослойном матричном многодиапазонном МПИ. Чувствительные слои пикселов такого приемника расположены один под другим и поглощают излучение каждый в своем узком рабочем диапазоне (см. ниже главу 4).

Для многослойных МПИ расположение плоскостей наилучшего изображения для рабочих спектральных диапазонов должно совпадать с соответствующими чувствительными слоями. Если рабочие спектральные диапазоны заметно разнятся, то при такой схеме построения МОЭС возникает проблема обеспечения одинакового геометрического разрешения для всех диапазонов. Поскольку дифракционные пределы разрешения и хроматические аберрации различны для разных длин волн, обычно в МОЭС с единым МПИ приходится идти на потерю пространственного разрешения в более коротковолновых диапазонах, так как, например, больший размер дифракционного изображения в длинноволновом диапазоне вынуждает применять МПИ с большими размерами пикселов.

Успехи микроэлектронной технологии позволили реализовать на практике принцип размещения в одной плоскости чувствительного слоя МПИ пикселов с различной спектральной чувствительностью. Ниже (см. раздел 4.3) будут приведены параметры и характеристики четырехдиапазонного МПИ общего формата 640х512, в котором чередуются строки пикселов с размерами 25 мкм, чувствительных в различных диапазонах (формат МПИ для каждого спектрального диапазона равен 640х128).

Сегодня практической реализации ОЭС с многодиапазонными МПИ препятствуют следующие причины:

отсутствие или чрезмерная сложность и дороговизна многодиапазонных (3^х и 4^х-цветных) МПИ с требуемыми спектральными характеристиками, особенно для диапазонов, лежащих за пределами 12 мкм;

необходимость охлаждения и даже глубокого охлаждения ряда МПИ, например, приемников на базе Si:As до 10 К;

сложность создания простой и недорогой оптической системы, работающей одновременно во всех рабочих спектральных диапазонах МОЭС и обеспечивающей хорошее качество изображения в каждом их них;

проблема одновременной обработки информации, получаемой в отдельных рабочих диапазонах.

Еще одним интересным путем разделения спектральных диапазонов на узкие полосы, осуществляемым непосредственно в конструкции ФПУ, является подстройка размеров оптических резонаторов матричных МПИ. В длинноволновом участке ИК спектра (8…14 мкм) возможно получать отдельные полосы шириной 0,5…1,0 мкм с квантовой эффективностью порядка 25…30 % [29или 30 ?.

2. Требования к оптическим системам МОЭС и пути их выполнения

Исходя из назначения и специфики работы конкретных МОЭС (системы визуализации, спектрорадиометрические системы, координатно-измерительные и следящие системы и др.) требования к их оптическим системам и согласованию их параметров и характеристик с параметрами и характеристиками других блоков МОЭС могут быть различными. Так, могут сильно разниться расположение и ширина рабочих спектральных диапазонов. Для высокоточных измерительных и следящих систем кружок рассеяния оптической системы в случае точечных целей должен перекрывать несколько пикселов МПИ, а в системах визуализации и спектрорадиометрах с высоким пространственным разрешением этот кружок должен укладываться в размер одного пиксела.

В то же время разнообразные оптические системы МОЭС, работающих в двух и более спектральных диапазонах, часто должны удовлетворять ряду общих требований. Как правило, они должны обладать достаточным пропусканием во всех рабочих диапазонах и обеспечивать хорошее качество изображения в этих диапазонах.

Улучшение качества оптического изображения в МОЭС с матричными МПИ помимо традиционного повышения разрешающей способности оптической системы путем уменьшения ее аберраций (аберрационная коррекция) может предусматривать также коррекцию неоднородности распределения освещенности по угловому полю системы, подавление шумов и помех в изображении, улучшение контраста обнаруживаемых и наблюдаемых объектов на фоне, высокочастотную коррекцию функции передачи модуляции. Наличие в составе МОЭС матричного МПИ с достаточно большим пространственным разрешением позволяет проводить перечисленные операции по отношению к электронному изображению, образуемому на выходе МПИ и ФПУ, т.е. перенести требуемую обработку изображения в электронный тракт. При этом, конечно, не следует забывать о таком специфическом факторе, свойственном ОЭС с МПИ, как возникновение искажений в спектре выходного (электронного) изображения - «наложении спектров» при превышении высокочастотными составляющими спектра исходного (оптического) изображения частоты Найквиста, определяемой дискретной структурой чувствительного слоя МПИ [11].

Очень часто сегодня на первый план при выборе или разработке оптической системы МОЭС выдвигаются задачи упрощения оптической схемы, сокращения числа ее компонентов, уменьшения массы и габаритов, снижения стоимости оптических деталей и системы в целом. При этом требования к качеству изображения и светосиле оптической системы остаются высокими, особенно учитывая прогресс в создании новых крупноформатных МПИ с уменьшенными размерами чувствительных элементов. Однако следует помнить, что при формулировании требований к качеству изображения, т.е. к разрешающей способности оптических систем, работающих в широком спектральном диапазоне, необходимо учитывать тот факт, что с ростом длины волны увеличивается дифракционный предел разрешения, а для систем, работающих в турбулентных и рассеивающих средах, качество изображения может во многом определяться влиянием среды, например атмосферы. Именно последние факторы часто определяют разумные требования и к геометрооптическому разрешению МПИ.

Часто требования к схеме и конструкции оптической системы МОЭС определяются условиями надлежащей юстировки и калибровки системы. Например, требования к спектральному разрешению определяют степень коррекции хроматических аберраций в рабочих спектральных диапазонах каналов МОЭС и выбор материалов отдельных оптических деталей, а требования к идентичности координат изображений в разных оптических диапазонах совместно с геометрооптическими параметрами МПИ определяют величины допусков на изготовление, сборку и юстировку отдельных элементов и всей оптической системы.

Ряд из перечисленных требований сравнительно просто обеспечивается при использовании зеркальных или зеркально-линзовых систем, обладающих, по сравнению с линзовыми системами, меньшей массой и меньшими продольными габаритами. Атермализация в зеркальных системах легко осуществляется, если удается подобрать материалы для компонентов системы и их оправ с близкими температурными коэффициентами расширения. Хроматизм зеркальных систем, как известно, или практически отсутствует, или существенно меньше хроматизма линзовых систем. Однако, сложность конструкции и, как правило, более высокая стоимость зеркальных систем заставляют разработчиков искать пути совершенствования линзовых систем, работающих в широком спектральном диапазоне. Основным путем здесь является разработка новых оптических материалов и подбор таких комбинаций материалов отдельных линз, при которых обеспечиваются указанные выше требования.

В многочисленной литературе [10,11,14,18 и мн. др.] приводятся данные о спектральном пропускании, показателях преломления, дисперсии, термических и других физико-химических свойствах большого числа оптических материалов. В качестве примера в табл.3 указаны параметры материалов, часто используемых для изготовления оптических линзовых систем, работающих в широком ИК-диапазоне.

Таблица 3. Оптические материалы, используемые в линзовых ИК-системах [18]

В оптических системах МОЭС, работающих в широкой ИК- области спектра, с успехом используются детали, изготавливаемые не только из такого традиционного материала как Ge, но и из ZnS и ZnSe и сплавов на их основе - ZnS_1-xSe_x, а также ИК стекол на базе Ge₃₃As₁₂Se ₅₅ и Ge ₂₈ Sb ₁₂ Se ₆₀ [11,162]. Поликристаллический ZnS имеет почти постоянный коэффициент пропускания (0,78 без просветления) в диапазоне от 0,7 до 12 мкм, а ZnSe - 0,75% в диапазоне от 0,6 до 20 мкм. У ИК стекла марки Amtir1 коэффициент пропускания в диапазонах 0,6…0,9 мкм и 8…12 мкм также почти постоянен и составляет 75%. После просветления коэффициенты пропускания этих материалов доходят до 95% и даже более.

Компания Umicor IR Glass (Франция) наладила промышленный выпуск оптических деталей из халькогенидных стекол GASIR1 (Ge₂₂As₂₀Se₅₈) и GASIR2 (Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅) [71]. Стоимость этих материалов невелика, а детали изготавливаются гораздо более дешевым, чем алмазное точение, способом - моллированием. Эти материалы прозрачны в спектральном диапазоне 1…15 мкм. Воспроизводимость показателя преломления стекол разных партий достаточно хорошая (лучше 1,5?10^-4 на л =10 мкм). Стоимость производимых деталей сравнительно невелика, а качество сферических, асферических и дифракционных линз высокое. Так, дефекты формы поверхностей линз не превышают 0,3 мкм, а качество поверхности характеризуется микронеровностями порядка 10 нм. При просветлении линз их пропускание возрастает до 98%, по сравнению с 70% при отсутствии просветления. Двухлинзовые объективы с асферическими и асферико-дифракционными линзами дают изображение высокого качества, не уступающего качеству изображения, создаваемого объективами с асферическими линзами из Ge и ZnSe.

Стандартные заготовки для изготовления деталей из GASIR1 и GASIR2 имеют максимальные диаметры порядка 200 мм и толщины 60…70 мм. Термический коэффициент расширения равен 17?10^-6 К^-1 для GASIR1 и 16?10^-6 К^-1 для GASIR2, а температурный коэффициент показателя преломления при 20⁰С равен, соответственно, 5,5?10^-5 К^-1 и 5,8?10^-5 К^-1 (на длине волны 10,6 мкм). Показатель преломления GASIR1 равен 2,49437, а GASIR2 - 2,58415; плотности стекол равны 4,4 и 4,7 г?см^-3, допускаемые температуры нагрева - 240⁰С и 220⁰С, соответственно.

В МОЭС, работающих в космических условиях, часто необходимо учитывать воздействие солнечного ионизирующего излучения на оптические детали и особенно на фотоприемники. Для защиты от солнечной радиации в оптических системах применяются радиационно-стойкие стекла и другие подобные материалы, а в приемниках излучения используются специальные покрытия. Так, для приемников на базе КРТ, работающих в длинноволновом ИК-диапазоне, в [136] рекомендуется применять противоотражательные (просветляющие) покрытия, выполняющие также функции защитных слоев. При заднем облучении приемников (со стороны подложек из CdZnTe или Si) предлагается использовать комбинации разнотолщинных слоев из Cd, Si₃N₄, BaF₂ и алмазных пленок, обладающих необходимыми спектральным пропусканием в диапазонах 2…25 мкм, 2,0…11,6 мкм, 0,15…13,75 мкм и 0,4…300 мкм, соответственно, и имеющих показатели преломления 2,67 (CdTe); 2,0 (Si₃N₄), 1,46 (BaF₂) и 2,37 (алмаз). Качество покрытий во многом зависит от качества подложек из CdZnTe или буферного слоя CdTe на кремниевых подложках.

Продолжаются попытки использования в ИКС дешевых, облегченных и не требующих просветляющих покрытий пластмассовых линз. Сравнительно прост процесс формирования их преломляющих поверхностей, включая асферические, путем прессования (моллирования). В длинноволновом ИК-диапазоне 8…14 мкм по коэффициенту пропускания они уступают линзам из германия, селенида цинка и других материалов, однако, при уменьшении толщины пластмассовых линз пластмассовые линзы можно использовать в простых и дешевых конструкциях ИКС массового применения с неохлаждаемыми приемниками излучения. Так, в [40] сообщается об изготовлении объектива с фокусным расстоянием 50 мм и диафрагменным числом 0,8, который состоит из двух пластмассовых линз с асферическими или френелевскими поверхностями и германиевой пластинки толщиной 1,5 мм, располагаемой на расстоянии 4,3 мм от плоскости чувствительного слоя микроболометрического МПИ. Для изготовления пластмассовых линз Френеля использовались пластмассы марки POLY IR, разработанные компанией Fresnel Technologies, Inc. (США).

Еще одним путем обеспечения отмеченных выше требований является использование дифракционных (гибридных) элементов - линз или плоскопараллельных пластинок, у которых на одной из поверхностей создается микрорельеф, осуществляющий фазовую модуляцию проходящего через него излучения. С помощью этих элементов ведется эффективная коррекция хроматизма и других аберраций, а также атермализация оптической системы. Применение дифракционных элементов позволяет уменьшить число линз в объективах, т.е. уменьшить их габариты и массу, увеличить светосилу системы без значительного ее усложнения. В [11,25,106,112] приводятся примеры схем объективов с такими элементами.

В ряде МОЭС, где используются диспергирующие элементы, работающие в параллельных пучках лучей (спектроделители, призмы, дифракционные решетки, интерферометры), в составе оптических систем используются телецентрические компоненты. Пример такой оптической системы видеоспектрометра в виде обобщенной схемы приведен на рис.10.

В оптических системах, где для выделения спектральных рабочих диапазонов используются спектроделители в виде плоскопараллельных пластинок, отражающие излучение в одном из диапазонов (обычно в видимом и ближнем ИК) и пропускающие в другом (обычно в среднем и длинноволновом ИК), приходится учитывать необходимость размещения спектроделителя между последней поверхностью объектива и МПИ, его охлаждения совместно с МПИ, а также вносимые спектроделителем аберрации, прежде всего, астигматизм. По этой причине задние рабочие фокусные расстояния объектива должны быть достаточно велики и согласованы с размерами чувствительного слоя МПИ. Размещение спектроделителя в охлаждаемом объеме (холодильной камере) требует увеличения этого объема, что ведет к увеличению потребляемой системой охлаждения мощности и увеличению времени выхода на рабочий режим криогенного устройства. Поэтому важно уменьшать размеры спектроделителя, включая его толщину.

Для устранения астигматизма, т.е. искривления плоскости изображений, в [34] предлагается ряд путей:

- ввод в оптическую систему специального компенсатора (пластинки) между спектроделителем и МПИ;

- использование асферических поверхностей, в частности, тороидальной задней поверхности спектроделителя;

- выбор материалов, позволяющих уменьшить аберрации;

- уменьшение толщины спектроделителя.

Первый путь усложняет схему и повышает требования к системе охлаждения, почему разработчики ИКС, описанной в [34], и отказались от него. Второй - слишком сложен и дорог, а кроме того, вызывает необходимость увеличивать толщину спектроделителя, что также усложняет систему охлаждения. Уменьшение толщины спектроделителя заметно снижает аберрации, но может привести к уменьшению механической прочности и виброустойчивости системы. Поэтому наиболее предпочтительным часто представляется выбор надлежащей комбинации материалов, из которых изготавливаются компоненты объектива, включая спектроделитель. В [150] приводится схема шестилинзового объектива с К = 1,9 и f' = 180 мм, работающего одновременно в среднем и длинноволновом ИК-диапазонах, отдельные элементы которого изготавливаются из Ge, AMTIR, КCl и ZnSe.

Удобной для использования в МОЭС является оптическая схема зеркального объектива Кассегрена - Максутова с зеркальным конденсором (рис.11) [121]. При выборе конструктивных параметров этой схемы необходимо учитывать следующие факторы:

1. необходимость увеличивать фокусное расстояние объектива Кассегрена - Максутова для получения требуемого фокусного расстояния всей системы;

2. обеспечение удобного расположения входного зрачка относительно защитного стекла или обтекателя МОЭС;

3. обеспечение постоянства освещенности по полю изображений, которая может изменяться из-за перекрытия входного зрачка в центральной его зоне контр-рефлектором (вторым компонентом объектива Кассегрена - Максутова) и виньетирования.

Для уменьшения виньетирования в системах с изменяющейся линией визирования, например, в МОЭС с гироскопической стабилизацией оптической оси, оба зеркала объектива Кассегрена - Максутова делают концентрическими с расположением центра кривизны в центре вращения оптической оси. Такая схема может использоваться в качестве первого компонента в системах со спектроделителями (дихроичными зеркалами) и независимыми МПИ в каждом из рабочих спектральных диапазонов МОЭС. Для коррекции аберраций первое зеркало часто делают асферическим. Для компенсации хроматизма, вносимого обтекателем, и температурной расфокусировки, т.е. для ахроматизации и атермализации всей оптической системы, используют схему, в которой одним из элементов является зеркало Манжена с центральным отверстием.

На базе такой схемы P.J.Rogers предложил оптическую систему с изменяемым в три раза угловым полем (рис.12). Перемещая дополнительно введенный в схему вогнутый мениск с центральным отверстием ближе к первому зеркалу объектива Кассегрена - Максутова (вправо на рис.12), можно увеличить угловое поле всей системы. Полевая диафрагма при ее расположении в плоскости изображений является общей для двух режимов работы системы - узкопольного и широкопольного.

В [121] приведены результаты исследований оптической системы, схема которой дана на рис.12. Ряд из полученных выводов носит достаточно общий характер и будет полезен для оценки особенностей различных схем, могущих быть использованными в МОЭС. К ним относятся:

- по мере увеличения длины волны излучения наблюдается более заметный спад функции передачи модуляции (ФПМ) оптической системы; в длинноволновой ИК части спектра (8… 12 мкм) этот спад во многом обусловлен дифракционным пределом разрешения, и значение ФПМ достигает примерно 0,4 на пространственной частоте f_х = 10 мм^-1 от ФПМ на f_х = 0;

- влияние центрального экранирования на ФПМ заметнее при увеличении длины волны излучения;

- температурные аберрации заметнее сказываются в диапазоне 8… 12 мкм, нежели в видимом диапазоне спектра (значение ФПМ на f_х = 10 мм^-1 в два раза уменьшается относительно f_х = 0 при температурах + 20⁰С, + 70⁰С и - 30⁰С). Природа такого спада в [121] не раскрывается, и можно предположить, что он объясняется не только недостаточной атермализацией, т.е. термоаберрациями, но и влиянием рассеянного теплового излучения деталей оптической системы и других элементов конструкции;

- влияние качества обработки оптических преломляющих и отражающих поверхностей заметнее сказывается в видимой и коротковолновой ИК частях спектра, что, в общем, вполне объяснимо с точки зрения рассеяния излучения на микронеровностях этих поверхностей; при средних квадратических значениях высот этих микронеровностей порядка 3 нм, что характерно для тонкого алмазного точения деталей из алюминия, рассеяние на длине волны 0,5 мкм составляет 0,5%, а в диапазоне 8… 12 мкм пренебрежимо мало. Поэтому финишная полировка после точения целесообразна лишь в тех случаях, когда одним из рабочих диапазонов является видимый и ближний ИК (0,76… 1,7 мкм) диапазоны;

- серебрение с защитным слоем отражающих поверхностей, полученных алмазным точением, оказывается эффективным для всего оптического диапазона спектра.

Используя для ахроматизации линзы, изготовленные из трех различных материалов (германий, халькогенидное стекло и хлористый кальций), фирме Janos Technologies, Inc. удалось разработать пятилинзовый объектив, обеспечивающий высокое качество изображения в области 3…12 мкм [18]. Фокусное расстояние объектива - 50 мм, угловое поле - 24^о, диафрагменное число - 2,

Все большее распространение получают двухдиапазонные ОЭС, в которых один из каналов работает в видимом или ближнем ИК-диапазоне, а другой - в длинноволновом ИК участке спектра. В дополнение к требованию иметь хорошее пропускание в широком спектральном диапазоне у объективов, используемых в таких ОЭС, в случае работы в длинноволновом (8…12 мкм) ИК-диапазоне неохлаждаемого МПИ (чаще всего микроболометра) к объективу системы предъявляются дополнительные, специфические требования. Так, с учетом меньшей, по сравнению с охлаждаемыми фотонными МПИ, чувствительности неохлаждаемых МПИ требуется применять достаточно светосильные объективы, т.е. объективы с большими относительными отверстиями D/fґ (малыми диафрагменными числами K=fґ/D), состоящие из небольшого числа линз в целях обеспечения высокого коэффициента пропускания. Принимая во внимание тенденции уменьшения размеров отдельных элементов чувствительного слоя МПИ (микроболометров) и увеличения их числа (увеличение формата МПИ), качество изображения, создаваемого такими объективами, должно быть достаточно высоким. Несмотря на увеличение D/fґ, а часто и углового поля объективов, требуется не усложнять их конструкцию. В качестве примера можно привести требования к работающим в диапазоне 8…12,5 мкм объективам ряда перспективных разработок компании Raytheon, использующих микроболометры формата 320х240 с размерами пикселов 50 мкм [162]:

фокусное расстояние fґ - около 23 мм;

диафрагменное число К = 1,0…1,2;

угловое поле - 30⁰х40⁰;

задний отрезок - 7 мм;

глубина изображаемого пространства - от 0,5…3 м до бесконечности;

коэффициент пропускания (средний в диапазоне 8…12,5 мкм) - 0,85;

атермализация в диапазоне температур от -20⁰С до +55⁰С;

спад функции передачи модуляции относительно нулевой пространственной частоты f₀=10 лин/мм: по центру поля - не более 60%, по краю поля - не более 40%;

количество линз - не более 3-х.

Руководствуясь этими и рядом других требований, фирма Zybron, Inc. (ФРГ) разработала ряд трехлинзовых объективов с фокусными расстояниями от 8,5 до 150 мм и угловыми полями от 10,5⁰х14⁰ до 43,5⁰х58⁰. Отдельные компоненты объективов были изготовлены из поликристаллов ZnS, ZnSe и инфракрасных стекол [162]. Применение этих материалов позволило уменьшить вдвое стоимость линз, по сравнению с линзами из Ge. В [162] кратко описывается технология получения этих оптических материалов (горячее прессование заготовок с диаметром до 500 мм), а также просветление деталей из них, обеспечивающее работу в 3-х спектральных диапазонах (1…2,6; 3…5 и 8…12 мкм) без применения специальных коротковолновых и длинноволновых отсекающих оптических фильтров.

Облегченная и сравнительно дешевая двухдиапазонная ИКС, в которой используется цветная ПЗС и микроболометр компании Raytheon формата 160х120 (или 320х240) с размером пикселов 50 мкм, а также дешевый микропроцессор Altera, обеспечила хорошее качество изображения и была рекомендована для использования в нашлемных ИКС, в прицелах ручного оружия и в ряде других военных и гражданских применений [99].

В [106] описывается оптическая система, работающая одновременно в диапазоне 3,6…4,9 мкм и на длине волны 1,06 мкм. Оба изображения поступают на МПИ с чувствительным слоем из InSb. Система состоит из трехлинзового объектива с фокусным расстоянием 275 мм, диафрагменным числом 3,6 и угловым полем 2⁰ , все линзы которого выполнены из ZnS, блока из двух плоскопараллельных пластинок из ZnSe и трехлинзового компонента с линзами из ZnSe, предназначенного для переноса изображения из фокальной плоскости объектива на чувствительный слой охлаждаемого МПИ. Для устранения хроматизма в диапазоне 3,6…4,9 мкм используются две дифракционные поверхности - задняя поверхность блока плоскопараллельных пластинок, на которой вытравливаются 23 дифракционные зоны со средней плотностью размещения 0,8 зоны на один мм, и последняя поверхность (асферическая) трехлинзового компонента переноса, на которой алмазным точением наносятся 9 зон со средней плотностью их размещения 1,5 зоны/мм. Первый порядок дифракции для этих поверхностей образуется для длины волны (референтной) 4,24 мкм, а четвертый порядок дифракции приходится на 1,06 мкм. Передняя поверхность блока плоскопараллельных пластинок с помощью травления также выполняется в виде дифракционной структуры, содержащей около 200 зон со средней плотностью их размещения 6,5 зоны/мм. Для референтной длины волны 0,85 мкм эта поверхность обладает хорошей дифракционной эффективностью (долей излучения, приходящегося на тот или иной порядок дифракционной картины) для длины волны 1,06 мкм - 86,3% (первый порядок) и для диапазона 3,6…4,9 мкм -87,3% (нулевой порядок).