Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Светопропускающие окна



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 R1 сферы 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


 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.