Основная цель окон — защита внутренних частей датчиков и детекторов от окружающей среды Хорошее окно должно передавать световые лучи в определенном диапазоне длин волн с минимальными искажениями Поэтому окна необходимо изготавливать из материалов, обладающих определенными характеристиками, диктуемыми конкретными условиями Например, для оптического детектора, работающего под водой, окна должны обладать прочностью, чтобы выдерживать давление воды, полосой пропускания, соответствующей требуемому диапазону длин волн, и подходящим коэффициентом преломления, значение которого желательно иметь близким к преломлению воды Самыми подходящими для этого случая являются сферические окна, способные выдерживать высокое давление воды (рис 4 7) Для снижения оптических искажении сферических окон необходимо соблюдение следующих условий апертура D (самое большое расстояние) не должна превышать радиус R1сферы окна, а толщина d должна быть равномерной по всей поверхности и гораздо меньшей этого же радиуса При невыполнении этих условий окно превращается в концентрическую сферическую линзу
При оценке рабочих характеристик оптических датчиков необходимо учи тывать отражательную способность поверхности окон Для снижения оптических потерь на одну или на две поверхности окна иногда нано сится специальное противоотража- ющее покрытие Такие покрытия имеют голубоватый или желтый от тенок и часто применяются при из готовлении фотографических линз и фильтров Из-за преломления в материале окна (рис 4 4) проходя щий луч смещается на расстояние L, которое для малых углов θ1,может быть найдено из формулы
Глава 4. Оптические компоненты датчиков
где п - коэффициент преломления материала окна.
Для датчиков, работающих в дальнем ИК диапазоне, требуются специальные окна: светонепроницаемые в видимом и УФ спектральных диапазонах и почти прозрачные в требуемых интервалах длин волн. На рис. 4.3 показана спектральная пропускная способность некоторых материалов. При выборе материала для окна датчика дальнего ИК диапазона необходимо очень внимательно подходить к его коэффициенту преломления, поскольку от него зависят отражательная, поглощающая, а, значит, и пропускная способности. На рис. 4.8 показаны диаграммы спектральной пропускной способности двух кремниевых окон разной толщины. Все излучение (100%), попавшее на окно, делится на три части: отраженный свет (около 50% от полного спектрального диапазона), поглощенный свет (зависит от длины волны) и прошедший через окно свет (то, что осталось после отражения и поглощения). Поскольку все окна характеризуются определенной спектральной пропускной способностью, они часто называются фильтрами.
Зеркала
%
о
Q.
Зеркало — это самый старый оптический инструмент из всех когда-либо разработанных или использованных. При прохождении света из одной среды в другую всегда происходит его отражение. При изготовлении зеркал на переднюю (лицевую) или заднюю поверхности стеклянной пластины с двумя параллельными плоскостями или на подложку любой формы наносится однослойное или многослойное отражающее покрытие. Зеркала с лицевой отражающей поверхностью обычно более четкие. В зеркалах с задней отражающей поверхностью свету приходится проходить через пластину, коэффициент преломления которой обычно отличается от преломления во внешней среде.
При рассмотрении зеркал с задней отражающей поверхностью необходимо учитывать несколько явлений. Во-первых, из-за того, что пластина обладает коэффициентом преломления п, отражающая поверхность кажется ближе (рис. 4.9). Виртуальная (кажущаяся) толщина зеркала d для небольших углов в]может быть найдена при помощи простой формулы:
4.4. Зеркала I 57
Во-вторых, передняя плоскость зеркала с задней отражающей поверхностью может также отражать некоторое количество света, что называется паразитным отражением. Например, стеклянная пластина отражает около 4% видимого света. В дополнение к этому материал пластины может обладать достаточно высокой поглощающей способностью на рабочей длине волны. Поэтому если зеркало предназначено для работы в дальнем И К спектральном диапазоне, одну из его поверхностей необходимо металлизировать, а подложку следует изготавливать из ZnSe или других материалов, прозрачных для излучения больших длин волн. Такие материалы, как Si или Ge, обладают слишком сильной отражающей способностью, что затрудняет их использование для производства зеркал с задней отражающей поверхностью.
В качестве отражающих покрытий, наносимых на поверхности зеркал, работающих в видимом и ближнем ИК диапазонах, применяются серебро, алюминий, хром и родий. Для устройств, используемых в дальней ИК области спектра, лучше всего подходит золото. При выборе соответствующих покрытий можно реализовать практически любой коэффициент отражения: от 0 до 1 (рис. 4.10).
Рис. 4.10. Спектральная отражающая способность зеркал с различными покрытиями
Глава 4. Оптические компоненты датчиков
Самые хорошие зеркала, используемые в широком спектральном диапазоне, изготавливаются на подложках из стекла или сплавленного кварца, на которые электролитическим способом или методом вакуумного напыления наносятся отражающие покрытия из чистого металла. Перед нанесением отражающих слоев для лучшего выравнивания поверхности зеркала иногда формируются вспомогательные подслои из меди, молибдена или из сплава циркония и меди.
Существует другой тип отражающих устройств, в которых не требуется нанесения отражательных слоев. Такими отражателями являются призмы, использующие эффекг полного внутреннего отражения. В таких устройствах угол полного отражения является функцией коэффициента преломления:
тражатели данного типа наиболее эффективны в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра, поскольку их коэффициент отражения здесь близок к единице. На принципе полного внутреннего отражения построены оптические волоконные линии.
Для получения требуемой траектории луча света отражательным поверхностям придают необходимую форму. В оптических системах при помощи кривых зеркал достигается эффект, аналогичный эффекту от линз. К тому же зеркала обладают рядом преимуществ:
1. Более высоким коэффициентом передачи, особенно в спектральном диапазоне больших длин волн, где линзы становятся менее эффективными из-за высоких потерь на поглощение и отражение;
2. Отсутствием искажений на преломляющих поверхностях из-за дисперсии;
3. Меньшими размерами и весом по сравнению со многими типами линз.
ось входных лучей
ось входных лучей Q
сферическое зеркало
(Б)
параболическое зеркало
Рис. 4.11. Зеркала с передней отражающей поверхностью: А Б — параболическое
сферическое,
Сферические зеркала применяются там, где свет необходимо собрать и сфокусировать (термин фокус произошел от латинского слова, обозначающего понятие очаг — место сбора всех членов семьи в доме). Однако сферические зеркала подходят только для случаев параллельных или почти параллельных лучей света, падающих на поверхность зеркал под углами, близкими к прямому. Такие зеркала могут искажать отображаемое изображение, что называется явлением аберрации. На рис. 4.11А показано сферическое зеркало с центром кривизны в точке С. Точка фокуса расположена на расстоянии, равном половине радиуса от поверхности зеркала. Сферическое зеркало обладает астигматизмом; это означает, что все непараксиальные лучи света будут фокусироваться за пределами фокальной точки. Тем не менее такие зеркала нашли широкое применение в детекторах, где не требуется высокого качества отображения, например, в ИК датчиках движения, подробно рассматриваемых в разделе 6.5 главы 6.
Параболические зеркала применяются для фокусировки непараксиальных лучей света. При таком использовании все отраженные лучи попадают в фокальную область, как показано на рис. 4.11Б.
Линзы
Слово «линза» произошло от латинского названия чечевицы, поскольку ее семена — плоские и круглые, выгнутые наружу с двух сторон — напоминают форму выпуклой линзы. В датчиках и детекторах линзы применяются для изменения направления световых лучей. На рис. 4.12 показана плосковыпуклая линза, одна поверхность которой является плоской, а вторая — сферической. Такая линза имеет два фокуса: F и F', расположенные от нее на равном расстоянии —f и +f Когда лучи света от объекта G попадают на линзу, они по закону Снелла меняют свое направление.
Рис. 4.12.Геометрия плосковыпуклой линзы
Для определения размера и положения изображения, полученного при помощи линзы надо провести два луча: один — параллельно оптической оси, которая проходит через центр кривизны сферы, другой — через точку фокуса F. После выхода из линзы первый луч проходит через точку фокуса, а второй — параллельно оптической оси. Для тонкой линзы, радиус кривизны которой
Глава 4. Оптические компоненты датчиков
намного больше толщины линзы, фокусное расстояние/находится из следующего выражения:
где r]и r2 - радиусы кривизны линзы. Изображение G формируется на расстоянии b от линзы в перевернутом виде. Это расстояние можно определить из уравнения для тонкой линзы:
Для толстых линз, толщина t которых соразмерима с радиусом кривизны, фокусное расстояние находится из выражения:
Из нескольких линз можно собрать более сложную систему. Для двух линз, расположенных на расстоянии d друг от друга, фокальное расстояние равно:
Линзы Френеля
Линзы Френеля — это оптические элементы, имеющие ступенчатую поверхность. Они широко используются в датчиках, где не требуется высокого качества фокусировки: в световых конденсорах, увеличителях и устройствах фокусировки детекторов присутствия. Линзы Френеля изготавливаются из стекла, акрила (для видимого и ближнего И К диапазона) и полиэтилена (для дальнего ИК диапазона). История линз Френеля началась в 1748 году, когда граф Буффо предложил вытачивать внутри стеклянных линз концентрические круглые ступеньки. Это позволило уменьшить толщину линз и снизить потери энергии. Однако в таких линзах преломление света происходит только на поверхности, поскольку внутри них лучи проходят строго по прямым линиям. Идея графа Буффо была модифицирована в 1822 году Августином Френелем (1788-1827), сконструировавшим линзы, кривизна различных колец которых зависит от расстояния до центра, в связи с чем, в таких устройствах практически отсутствует сферическая аберрация.
На рис. 4.13 проиллюстрирована концепция линз Френеля на примере плосковыпуклых линз, разрезанных на несколько концентрических колец. После разрезки все кольца остаются линзами, направляющими падающие лучи в точку общего фокуса, положение которого определяется уравнением (4.24). При изменении кривизны поверхности меняется угол преломления лучей. Части колец,
4 6 Линзы Френеля
показанные на рисунке буквами «х», не вносят никакого вклада в фокусирование лучей. При удалении этих секций (рис. 4.13Б) фокусирующие свойства линзы останутся прежними. Если теперь оставшиеся кольца сместить относительно друг друга до образования плоской поверхности (рис. 4.13В), получится линза Френеля, фокусирующие свойства которой будут почти такие же, как у исходной плосковыпуклой линзы. Все концентрические элементы линз Френеля направляют падающие световые лучи в общую точку фокуса.
(А) (Б)
Рис. 4.13 Концепция линз Френеля
Линзы Френеля обладают рядом достоинств по сравнению с обычными линзами: небольшим весом, малой толщиной, способностью менять кривизну (справедливо для пластиковых линз), и, самое главное, низкими потерями на поглощение светового потока Последнее свойство особенно важно при изготовлении линз для среднего и дальнего ИК диапазонов, где поглощение в материалах может быть очень значительным. По этой причине почти все детекторы движения, работающие в дальнем ИК диапазоне, построены на основе линз Френеля.
В настоящее время широко применяются линзы Френеля двух типов: с постоянным шагом (рис. 4.14А) и с постоянной глубиной (рис. 4.14Б). На практике бывает очень трудно изготовить линзы с одинаковой крутизной поверхности каждой ступени, поэтому все ступеньки выполняют с плоским профилем Чтобы не ухудшать фокусирующие свойства линзы, все ступени должны располагаться, как можно, ближе друг к другу.
Рис. 4.14. Линзы Френеля А — с постоянным шагом, Б — с постоянной глубиной
(А)
(Б)
Глава 4. Оптические компоненты датчиков
В линзах с постоянным шагом угол наклона φ каждого зубца зависит от расстояния h до оптической оси, поэтому по мере удаления от центра глубина зубцов возрастает. Если диаметр линзы, по крайней мере, в 20 раз меньше фокусного расстояния, ее центральная часть может быть плоской. Для более коротких фокусных расстояний центральная часть должна быть сферической. Угол наклона каждой ступени может быть определен по следующей формуле, справедливой только для малых значений h:
Где L — фокусное расстояние.
В линзах с постоянной глубиной при увеличении расстояния от центра меняются и угол наклона φ, и расстояние между зубцами r. При расчете линз могут потребоваться следующие уравнения. Расстояние от зубца до центра может быть найдено по его порядковому номеру ξ (считается, что центр имеет нулевой порядковый номер):
а угол наклона зубца по формуле:
Полное количество ступеней в линзе может быть найдено через апертуру (максимальный размер) линзы D:
Линзы Френеля могут быть слегка изогнутыми, если этого требует конструкция датчика. Однако это может привести к смещению точки фокуса. Если линза изгибается внутрь радиуса кривизны, фокусное расстояние уменьшается.
Поскольку линзы со сферической поверхностью страдают от явлений аберрации, в устройствах, где требуется осуществлять фокусировку с высокой точностью, непрерывная поверхность линзы, контур которой определяется концентрическими зубцами, не должна быть сферической. На практике часто используется коническая поверхность с осевой симметрией относительно оси z, описываемая стандартным уравнением (рис. 4.15):
где Z и Y— координаты поверхности, С— вершина кривизны, а К— коническая константа. Вершина кривизны и коническая константа определяются требуемыми
4.7. Оптические волокна и волноводы I 63
характериками линз, а контур каждого зубца задается уравнением (4.23). С и К определяются несколькими факторами: необходимым фокусным расстоянием, коэффициентом преломления и особенностями конструкции устройства, для которого предназначена линза.
Рис. 4.15. Сравнение профилей сферической и несферической линз