Общие сведения об оптико-электронных приборах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие сведения об оптико-электронных приборах

План

1. Оптико-электронные приборы: определение, обобщенные схемы и методы работы

2. Краткая классификация оптико-электронных приборов

3. Сравнение оптико-электронных приборов с визуальными оптическими и радиоэлектронными приборами

4. Краткий исторический очерк и некоторые перспективы развития оптико-электронного приборостроения

Список литературы

1. Оптико-электронные приборы: определение, обобщенные схемы и методы работы

Свойства электромагнитного излучения широко используются в современной науке и технике, особенно в бесконтактных, дистанционных устройствах контроля, измерения, передачи и преобразования информации, сбора и передачи энергии и др. Среди приборов, основанных на использовании электромагнитного излучения, особое место занимают ОЭП, которым свойственны высокая точность, быстродействие, возможность обработки многомерных сигналов и другие ценные для практики свойства.

Оптико-электронными называются приборы, в которых информация об исследуемом или наблюдаемом объекте переносится оптическим излучением (содержится в оптическом сигнале), а её первичная обработка сопровождается преобразованием энергии излучения в электрическую энергию. В состав этих приборов входят как оптические, так и электронные звенья, причем и те и другие выполняют основные функции данного прибора, а не являются вспомогательными устройствами (например, узлами подсветки отсчетных шкал, устройствами термостабилизации и т. д.).

Структура многих современных ОЭП достаточно сложна. Она включает большое число различных по своей физической природе и принципу действия звеньев - аналоговых и цифровых преобразователей электрических сигналов, микропроцессоров, механических и электромагнитных узлов и др. Поэтому ОЭП часто называют оптико-электронными системами (ОЭС).

Действие ОЭП основано на приеме и преобразовании электромагнитного излучения в различных диапазонах оптической области спектра, т. е. в ультрафиолетовой (УФ), видимой и инфракрасной (ИК) частях его. Одна из возможных обобщенных схем работы ОЭП представлена на рис. 1.1. Источник излучения естественного или искусственного происхождения создает материальный носитель полезной информации- поток излучения.

Рис. 1.1. Обобщенная схема работы ОЭП

Этим источником может быть сам исследуемый объект. Часто источник излучения дополняется передающей оптической системой, которая направляет поток на исследуемый объект или непосредственно в приемную оптическую систему (если наблюдается сам источник). Приемная оптическая система собирает поток, излучаемый наблюдаемым объектом или отраженный от него, формирует этот поток и направляет его на приемник излучения. Приемник превращает сигнал, переносимый потоком излучения (оптический сигнал), в электрический.

Источник излучения (с передающей оптической системой), приемная оптическая система, приемник излучения, а иногда и первые звенья следующего за приемником электронного тракта образуют систему первичной обработки информации ОЭП. Назначением её является получение сигнала (информации) от наблюдаемого или исследуемого объекта в виде, удобном для дальнейшей обработки или использования. В настоящей книге рассмотрены в основном отдельные звенья этой системы и процессы обработки в ней сигнала - носителя полезной информации.

Выходной блок формирует сигнал, по своим параметрам удовлетворяющий требованиям получателя информации.

Помимо исследуемого объекта («полезный» излучатель) на рис. 1.1. показаны и возможные на практике «вредные» излучатели (фоны, помехи). Взаимное расположение звеньев может быть и несколько иным. Отдельные звенья на практике представляют собой весьма сложные устройства, например, в состав источника излучения могут входить передающая оптическая система, фильтры, модулятор и т. п. Иногда в состав ОЭП не входят некоторые из перечисленных звеньев. Это определяется, как правило, методом работы прибора.

При активном методе работы (рис. 1. 2, а) исследуемый или наблюдаемый объект 2 облучается источником электромагнитных волн 1, параметрами и характеристиками которого может управлять оператор, проводящий исследование и наблюдение.

Рис. 1.2. Методы работы ОЭП: а - активный; б - пассивный; в - полуактивный.

При этом наилучшим образом удается согласовать параметры источника 1 (передающей системы), объекта 2, среды распространения излучения и приемной системы 3. Это очень часто позволяет решить задачу помехозащищенности ОЭП, например, достаточно эффективно отделить полезный сигнал от сигнала помехи.

При реализации активного метода необходимо иметь специальный источник, который иногда бывает достаточно сложным, громоздким и потребляет большую мощность.

При пассивном методе работы (рис. 1.2,6) используется собственное излучение наблюдаемого объекта 2, которое принимает ОЭП 3, а часто и отраженное от объекта излучение, создаваемое другими источниками естественного и искусственного происхождения.

Иногда искусственный или естественный источник 1 облучает не один, а ряд объектов 2', 2", 2"' и т. д. (рис. 1.2, в). Как правило, ОЭП должен выделить поток, отраженный от одного из них, причем часто параметрами излучения, облучающего объекты, управлять нельзя (например, в случае использования естественной освещенности). Такой метод работы обычно называют полуактивным.

При всех методах для повышения помехозащищенности приходится особенно тщательно следить за оптимальным соотношением между параметрами и характеристиками ОЭП, объекта и среды распространения излучения.

2. Краткая классификация оптико-электронных приборов

Признаки, по которым классифицируют ОЭП, самые различные. Наиболее многочисленную группу составляют ОЭП, предназначенные для передачи, приема, обработки и хранения информации. Другую группу составляют приборы, предназначенные для передачи, приема и использования энергии. В настоящей книге рассмотрены в основном вопросы, относящиеся к расчету ОЭП первой группы, хотя физические принципы работы приборов обеих групп одинаковы.

По спектральному рабочему диапазону излучения различают приборы для работы в ультрафиолетовой области спектра (УФ приборы), видимой области, инфракрасной области (ИК приборы).

Выделяют автоматические ОЭП, в которых весь цикл обработки информации проходит без участия человека-оператора, и неавтоматические, где роль человека в решении поставленной задачи зачастую является определяющей. Например, существенные различия имеют такие ОЭП, как полностью автоматические системы самонаведения, и приборы, использующие электронно-оптические преобразователи для определения направления на излучатель. Причем последние служат как бы связующим звеном между оптической системой, работающей в невидимой части спектра, и человеческим глазом, осуществляющим опознавание и выделение излучателя.

По назначению ОЭП и ОЭС можно подразделить на несколько больших классов: информационно-измерительные приборы; следящие системы; приборы и системы обнаружения, визуализации, обработки и распознавания изображения. Внутри этих классов выделяют поисковые системы, радиометры и спектрорадиометры, угломерные (пеленгаторы) и дальномерные (локаторы) ОЭП, ОЭС связи, контрольно-юстировочные ОЭП, системы технического зрения роботов, ОЭС для исследования природных ресурсов и ряд других.

К настоящему времени уже сложились достаточно специфичные для каждой из этих групп конструктивные признаки, учитывающие специфику условий работы прибора. Возможны и другие способы классификации ОЭП, например, по виду модуляции, по параметру сигнала, несущему полезную информацию.

Несмотря на многообразие современных ОЭП и ОЭС им присущи многие общие признаки. Структурные схемы многих ОЭП достаточно единообразны. Общей является элементная база многих ОЭП. Наконец, общностью обладают многие методы и методики синтеза и анализа различных ОЭП. Учебник посвящен изложению основ теории и расчета, достаточно общих для ОЭП различного назначения.

При всех методах для повышения помехозащищенности приходится тщательно следить за оптимальным соотношением между параметрами и характеристиками ОЭП, излучателя, объекта и среды распространения излучения.

оптический электронный приборостроение визуальный

3. Сравнение оптико-электронных приборов с визуальными оптическими и радиоэлектронными приборами

Появление первых ОЭП обусловлено тенденциями к освоению широкого спектрального диапазона и автоматизации оптических измерений. Их предшественниками являются визуальные оптические приборы, для которых приёмником излучения служит глаз человека. Визуальные оптические приборы и сегодня широко используются в различных областях науки, техники, народного хозяйства.

Глаз человека является уникальным оптическим прибором, которому свойственна высокая разрешающая способность и чувствительность, а в сочетании с работой мозга - не достижимая пока ни одним автоматическим устройством способность выполнять логические операции, например, распознавать и оценивать сложные изображения в видимом участке оптического спектра. Все это определяет достоинства визуальных оптических приборов. Кроме того, эти приборы в большинстве случаев проще оптико-электронных по своей конструкции, а часто благодаря присутствию человека-оператора они более надежны в эксплуатации.

Однако ограниченность спектрального диапазона чувствительности человеческого глаза наряду с целесообразностью и необходимостью во многих случаях работать в УФ и ИК диапазонах, недостаточные порой разрешение и чувствительность глаза, даже вооруженного оптической системой, малое быстродействие органов чувств и «исполнительных» органов человека, наконец, невозможность или нецелесообразность использовать человека во многих случаях, например в условиях высоких температур, радиационной опасности и т. п. - всё это привело сначала к созданию сравнительно несложных автоматизированных оптических приборов, например приборов с фотоэлектрической регистрацией результатов измерений, т. е. первых ОЭП, а затем и более сложных, часто полностью автоматических ОЭП и комплексов.

С освоением УФ и ИК участков спектра, что проявилось прежде всего в развитии соответствующей технологии оптических деталей и приемников излучения, тенденции создания автоматических ОЭП усилились. К настоящему времени стало возможным использовать на практике значительные преимущества автоматических ОЭП перед неавтоматическими. Основными из них являются отсутствие субъективных ошибок, большее быстродействие, бомльшая точность, защищенность от некоторых внешних воздействий.

Очень часто ОЭП применяют для решения тех же задач, что и однотипные по назначению радиоэлектронные приборы, например, для определения угловых координат источника электромагнитного излучения (пеленгация) или определения как угловых координат источника, так и дальности до него (локация). Эти два класса приборов в какой-то степени аналогичны, поскольку в них в качестве носителя информации используется электромагнитная энергия. Часто сходны некоторые их конструктивные элементы, и при расчете иногда можно пользоваться аналогичными методами.

Однако следует отметить существенную разницу между этими приборами, возникающую прежде всего вследствие того, что они работают в различных диапазонах спектра электромагнитных волн.

Работа на бомльших частотах и соответственно меньших длинах волн обусловила более высокую разрешающую способность ОЭП по сравнению с радиоэлектронными приборами. Действительно, если вспомнить, например, что минимально разрешаемый при дифракции угол пропорционален отношению длины волны л к диаметру входного зрачка системы D, т. е. л /D, то это положение легко объяснимо. Отсюда следует принципиально более высокая точность оптико-электронных (оптических) измерений, ограничиваемая разрешающей способностью, а также и другое преимущество ОЭС, заключающееся в меньших размерах и массе, поскольку при одинаковых требованиях к разрешению прибора важнейший габаритный размер D у оптической системы оказывается значительно меньшим, чем у радиоэлектронной. Для передающих систем, например, систем связи, важна более высокая направленность оптического излучения, что объясняется меньшими, чем у радиоэлектронных систем, длинами рабочих волн, а также большая емкость оптических информационных каналов связи.

Следует также отметить, что при пассивных методах работы мощность естественных источников излучения гораздо больше в оптическом диапазоне спектра (см. ниже о законах излучения тепловых источников). При этом существует и бомльшая возможность опознания вида излучателя по характеристикам его излучения.

Новые возможности открылись перед ОЭП после создания лазеров - уникальных по многим параметрам источников электромагнитных колебаний. Очень важно такое достоинство лазеров, как высокая пространственная и временнамя когерентность, обеспечивающая хорошие монохроматичность и направленность лазерных пучков. Следует указать, что при включении в состав прибора лазера многие методы расчета и проектирования ОЭП, а также их элементы остаются теми же, что и при использовании обычных источников излучения. Эти методы и элементы описываются в настоящей книге. Специфика систем с лазерами, достаточно полно изложенная в ряде монографий, например [11, 19 и мн. др.], здесь не излагается.

К числу других достоинств ОЭП следует отнести возможность двойной (пространственной и временномй) модуляции излучения, а также более удобную для человека визуальную форму представления информации.

Основными недостатками ОЭП по сравнению с радиоэлектронными приборами являются большее ослабление оптического излучения в мутных средах, например в атмосфере, значительное число помех в виде естественных и искусственных излучений (излучение небесных тел, ландшафта, деталей самого прибора и т. п.).

Ни один из этих классов приборов на сегодня не обладает решающими преимуществами, тем более, что в некоторых случаях признаки, отмеченные выше как достоинства, могут стать недостатками. Например, бомльшая мощность естественных излучателей в оптической части спектра затрудняет выделение оптическими средствами объекта, незначительно отличающегося по температуре от окружающего фона. В связи с этим в наиболее сложных случаях обычно создают комбинированные, комплексные системы, включающие как оптико-электронные, так и радиоэлектронные каналы.

4. Краткий исторический очерк и некоторые перспективы развития оптико-электронного приборостроения

Исследования свойств оптического излучения ведутся очень давно, однако практическое использование этих свойств для передачи и приема информации в широком диапазоне спектра стало возможным лишь начиная с 30-40-х годов XX века. Это объясняется прежде всего отсутствием до недавнего времени оптических материалов, пригодных для использования не только в видимой, но и в ИК и УФ областях оптического спектра, и приемников излучения, обладающих высокой чувствительностью в тех же областях. Кроме того, явно недостаточно были изучены некоторые общие вопросы, например, закономерности распространения оптического излучения в атмосфере и других поглощающих и рассеивающих средах.

Еще в самом начале XVIII в. И. Ньютон описал опыты по разложению белого света на монохроматические составляющие. Но лишь через сто лет, в 1800 г. В. Гершель установил существование невидимого - инфракрасного, или теплового, излучения. Во второй половине XIX в. были установлены первые законы теплового излучения и создана электромагнитная теория, а в самом начале XX столетия усилиями Б. Б. Голицына, П. Н. Лебедева, В. Вина, М. Планка, А. Эйнштейна и многих других русских и зарубежных ученых были окончательно сформулированы основные закономерности оптического некогерентного излучения. Это позволило создать в 1920-1930-е г.г. ряд искусственных источников ИК и УФ излучения. К этому же времени относится открытие явления электролюминесценции (О. В. Лосев, 1923), которое используется в современных полупроводниковых излучателях - светодиодах.

Практически одновременно с изучением свойств источников оптического излучения и созданием новых излучателей исследовались приемники излучения. В 1839 г. А. Беккерель обнаружил образование фото-ЭДС на контактах разнородных материалов. В 1875 г. был создан первый селеновый фотоэлемент, а в 1880 г. - первый болометр. В 1886 г. Г. Герц обнаружил внешний фотоэффект, а в 1887 г. А. Г. Столетов сформулировал его основные законы. Однако первые высокочувствительные приемники были созданы гораздо позднее - в 30...40-х годах XX столетия.

В СССР первый фотоэлемент с кислородно-цезиевым фотокатодом был разработан П. В. Тимофеевым в 1930 г. В 1934 г. Л. А. Кубецкий сконструировал первый в мире многокаскадный фотоумножитель. Примерно в это же время появились и первые передающие телевизионные трубки. В конце 1930-х г. г. в СССР, Великобритании, Германии, США появились первые фоторезисторы, чувствительные в ИК области спектра.

К этому времени усиливается интерес к практическому использованию ИК излучения, особенно в военном деле, что объяснялось рядом причин. Во-первых, многие цели военного назначения (военная техника, летательные аппараты, стратегически важные наземные объекты, корабли и т.д.) обладают мощным собственным излучением в ИК диапазоне, что позволяет обнаружить их пассивным методом. Во-вторых, разрешение в ИК диапазоне гораздо выше, чем в радиодиапазоне. Большое значение имела и скрытность при пассивном методе работы. Военные применения ОЭП, и прежде всего приборов ИК техники, требовали существенного повышения чувствительности и быстродействия приемников, расширения их рабочего спектрального диапазона и полосы пропускания оптических материалов. К концу второй мировой войны были созданы оптико-электронные (инфракрасные) самонаводящиеся бомбы, системы управления огнем на базе электронно-оптических преобразователей, приборы ночного видения для стрелкового оружия, инфракрасный телефон и др. После окончания войны развитие ОЭП военной техники шло бурными темпами. Было создано много систем для управления ракетами класса «воздух-воздух», «воздух-земля», «земля-воздух», противотанковыми управляемыми реактивными снарядами и т. п.

Одновременно ОЭП внедрялись и в другие области. Широко распространились приборы для ИК спектроскопии, контрольно-измерительные ОЭП, ИК диагностические медицинские приборы, оптико-электронные гиды в астрономии и др. Наконец, хорошо известны ОЭП, используемые в космической навигации и ориентации. В последние годы ОЭП, устанавливаемые на летательных аппаратах, успешно используются при исследованиях природных ресурсов Земли и других планет, для охраны окружающей среды.

Подлинную революцию в развитие оптико-электронного приборостроения внесло создание лазеров. Возникновению квантовой электроники во многом способствовали труды российских ученых В. А. Фабриканта, М.М. Вудынского и Ф. А. Бутаевой, открывших явление молекулярного усиления (1951 г.).

Работы Н. Г. Басова и А. М. Прохорова, а также Ч. Таунса по созданию газовых лазеров были удостоены Нобелевской премии. В 1962 г. были созданы полупроводниковые лазеры - уникальные по многим свойствам излучатели. Применение лазеров в оптико-электронных измерительных и следящих приборах и комплексах позволило широко использовать активный метод работы, новые методы передачи, приема и обработки оптической информации, заметно повысить помехозащищенность автоматических ОЭП. Кроме того, освоение лазерной техники дало мощный импульс исследованиям новых материалов и элементов ОЭП (например, модуляторов), позволило поднять на более высокий качественный уровень исследования по распространению оптического излучения в поглощающих и рассеивающих средах.

Нужно отметить интенсивное развитие методов обработки оптических сигналов, базирующихся на использовании когерентных свойств лазерного излучения. В конце XX века появились системы преобразования первичного некогерентного оптического сигнала в когерентный для применения эффективных методов когерентной обработки (когерентные оптические корреляторы, голографические системы, преобразователи Фурье).

Развитие современных ОЭП неотделимо от прогресса во многих смежных областях науки, техники, всего народного хозяйства. Так, последние успехи радиоэлектроники и, в частности, микроминиатюризация основных её элементов, самым непосредственным образом связаны с развитием и созданием новых ОЭП, а освоение ИК диапазона потребовало существенного совершенствования криогенных устройств, предназначенных для охлаждения приемников излучения. Широко развернувшиеся в последние годы исследования природных ресурсов и окружающей среды потребовали создания принципиально новых ОЭС, освоения диапазона оптического спектра 8 .... 14 мкм, т.е. разработки новых приемников излучения (например, на основе тройных соединений, многодиапазонных) и новых оптических материалов.

Совершенствование оптических систем ОЭП идет не только за счет создания новых оптических материалов, но и путем разработки новых оптических элементов, в частности, с асферическими и дифракционными поверхностями, и применения адаптивных и перестраиваемых в реальном масштабе времени оптических схем.

Современный этап развития ОЭП характеризуется созданием и широким применением матричных (двумерных) многоэлементных приемников оптического излучения, по своей разрешающей способности приближающихся к глазу человека, а по другим параметрам и характеристикам - заметно совершеннее глаза. Такие приемники позволили реализовать «смотрящий» режим работы ОЭП, т.е. отказаться от оптико-механических сканирующих устройств и использовать ряд высокоэффективных способов приема и преобразования оптических сигналов. В последнее десятилетие появились многочисленные публикации о разработках матричных фотоприемных устройств (ФПУ), работающих одновременно в двух или более спектральных диапазонах, например, в видимом и инфракрасном (ИК) или в нескольких спектральных полосах внутри ИК диапазона.

Непрестанно увеличивается чувствительность ФПУ, повышается их энергетическое, пространственное и временноме разрешение, снижаются требования к охлаждению ФПУ, разрабатываются сравнительно недорогие неохлаждаемые матричные ФПУ, конкурирующие с высокочувствительными охлаждаемыми ФПУ.

Становится весьма важной проблема микроминиатюризации этих приемников и работающих совместно с ними электронных звеньев. Действительно, требование обработки больших объемов информации в малые промежутки времени на практике часто приводит к необходимости одновременного приема большого числа оптических сигналов от разных участков просматриваемого поля или в различных спектральных диапазонах. Для этого используются сложные многоэлементные приемники и соответствующие им многоканальные электронные схемы. При увеличении объема перерабатываемой информации увеличивается число этих элементов и каналов, поэтому задача их миниатюризации становится первоочередной. При этом на первый план выдвигаются проблемы совершенствования технологии изготовления отдельных элементов ОЭП, а также широкого использования современной вычислительной техники, в частности, микропроцессоров.

Применение ОЭП в совокупности с ЭВМ или ввод в состав ОЭП микропроцессоров уже сегодня позволяет заметно расширить возможности ОЭП, например, значительно повысить их точность и быстродействие, а в ряде случаев решать недоступные им ранее задачи.

Наряду с разработкой новых, всё более совершенных элементов ОЭП и изучением особенностей распространения оптического излучения в различных средах успешно развивалась общая теория ОЭП, которая посвящена вопросам оптимального расчета, выбора и согласования параметров и характеристик отдельных звеньев прибора при объединении их в общую систему, методам расчета основных параметров ОЭП, модуляции оптических сигналов, вопросам оптимального приема оптических сигналов на фоне помех, т.е. обеспечению помехозащищенности ОЭП и ряду др. В значительной степени эта теория основана на общих принципах и методах теории следящих систем и теории информации, однако многие её положения возникли как проявление специфики, свойственной ОЭП, например, многомерности функций, описывающих оптические сигналы и помехи. Для развития этой теории очень важно углублять наши знания об объектах исследования и условиях работы ОЭП. Необходимы адекватные модели таких объектов, условий работы и самих ОЭП.

Очень актуальным стало развитие и внедрение методов адаптации структуры, алгоритмов работы и параметров ОЭП, учитывающих многообразие изменяющихся условий эксплуатации этих приборов и осуществляющих компенсацию вредного влияния окружающей среды, внешних помех и других подобных факторов.

Таким образом можно отметить, что к настоящему времени успешно развиваются основные составляющие оптико-электронного приборостроения: элементная база ОЭП; исследования процессов, связанных с созданием оптических сигналов, их распространением, приемом и преобразованием в электрические сигналы; теория и методы расчета отдельных узлов и приборов в целом.

Несмотря на большие успехи, достигнутые оптико-электронным приборостроением, перед этой бурно развивающейся отраслью науки и техники стоят большие и серьезные задачи. Ещё не полностью реализованы те потенциальные возможности, которыми обладают ОЭП, например, по точности, помехозащищенности и другим параметрам. Недостаточно освоены УФ и дальний ИК диапазоны оптического спектра. Для их освоения требуются новые оптические материалы, новые, более качественные приемники излучения. Отдельные элементы и узлы ОЭП сложны в эксплуатации, дорого их изготовление. Они не всегда имеют необходимые срок службы и надежность.

Выход человека в космос, создание лазеров, развитие вычислительной техники явились мощными стимулами развития ОЭП. Такие глобальные для всего человечества проблемы, как обеспечение безопасности и сохранение мира на Земле и в космосе, контроль метеорологических и климатических процессов, оценка состояния природных ресурсов и влияния человеческой деятельности на окружающую среду, дальнейшее освоение космоса и ряд других, не могут быть решены без широкого использования ОЭП.

Список литературы

1. Бэттвейлер Т. Оптимальные модуляционные характеристики инфракрасных систем при AM и ЧМ // Зарубежная радиоэлектроника, 1962. №4. С. 76 - 82.

2. Воронкова Е. М., Гречушников Б. Н., Дистлер С. А. Оптические материалы для инфракрасной техники. М.: Наука, 1965. 335с.

3. Высокоточные угловые измерения / Д. А. Аникст, К. М. Константинович, И. В. Меськин и др.; Под ред. Ю. Г. Якушенкова. М.: 1987. 480с.

4. Вычислительная оптика: Справочник / М.М. Русинов, А.П. Грамматин, П.Д. Иванов и др.; Под общ. ред. М.М. Русинова. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1984. 423с.

5. Данилов Е. П., Луцив В.Р. Нейронные сети: современное состояние и перспективы // Оптико-механическая промышленность. 1991, №4. С.20- 33.

6. Елизаренко А.С., Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Оптико-электронные системы в исследованиях природных ресурсов. М.: Недра, 1984. 215с.

7. Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем. Учебник для вузов в 2-х частях. Изд. 2-е, перераб. и доп.- М.: Изд-во МИИГАиК, 2009. -Ч.1-350 с. Ч. 2-258 с.

Размещено на Allbest.ru