Габаритный расчет оптической системы

2.  Габаритный расчет оптической системы

Для построения и оптимизации оптической системы использовалась компьютерная программа «Zemax»

Рис. 5

На рисунке 5 в таблице представлены значения конструктивных элементов оптической системы – радиусы кривизны, толщины, световые диаметры, показатели преломления стекол.

Рис. 6

В данной таблице посчитаны значения световых диаметров, стрелок, толщин по оптической оси, фокусных расстояний, передних и задних фокальных отрезков различных элементов оптической системы.

На рис. 7 представлены графики поперечных и волновых аберраций оптической системы. Как видно, полностью избавить систему от аберраций не удалось, в частности наибольшую проблему представляет хроматизм увеличения. Но в целом, результаты можно признать приемлемыми.

Главным критерием аберрационного расчета является вписывание пятна рассеяния в размер элемента матрицы. На графике изображено геометрическое распределение энергии в зависимости от радиуса кружка. Пятно рассеяния определяется по уровню энергии 0,7. По графику радиус кружка рассеяния составляет около 5 мм. Результаты можно считать приемлемыми.

Рис. 7

Рис. 8

3.  Светоэнергетический расчет

 

a.  Расчет коэффициента пропускания [4, 5, 6]

 

Общая формула для коэффициента пропускания оптической системы, учитывающий потери на поглощение и отражение записывается следующим образом

Где

N – число поверхностей раздела: N=9

ρ_k – коэффициент отражения на k-ой поверхности раздела оптических сред,; примем ρ_k=0,98 (соответствует двойному просветлению)

p – число оптических сред, проходимых излучением, p=5

а_m– коэффициент поглощения на единицу пути лучей в m-ой оптической среде, примем а_m=0,01 на 1 см длины

l_m– длина пути излучения в m-ой среде, общая длина пути 2,5 см

ρ_z – коэффициент отражения на n-ой зеркальной поверхности, примем ρ_z=0,9

Nz – число зеркальных поверхностей, Nz=4

Итого получаем, что коэффициент пропускания оптической системы .

С учетом коэффициента пропускании атмосферы 0,9 общий коэффициент пропускания всей системы

b.  Расчет отношения сигнал-шум [4, 5, 7]

Итак, проводим расчет для коэффициента отражения объекта 0,1 и минимальной освещенности объекта 0,01 лк

Светимость объекта

Яркость объекта (с учетом допущения про Ламбертов источник)

Сила света объекта

Световой поток, попадающий на входной зрачок

Определение коэффициентов использования излучения глазом и приемником излучения.

 – приводятся в справочнике

Пороговая освещенность для коэффициента отражения 0,7

 лк

=0,03

Итого отношение сигнал-шум

=10

c.  Определение временного спектра сигнала [4, 7]

Тест – объект шпальная мира с частотой Tx линии/мм.

Рис. 9

Яркость тест-объекта в пространстве предметов описывается выражением:

Рис. 10

где T_x– период тест-объекта

m, n – геометрические размеры тест-объекта

L₀ – спектральная плотность распределения яркости тест-объекта

Спектр яркости объекта

После преобразований получим

График спектра яркости

Рис. 11

Оптическая система

Объектив сканирующей ОЭС имеет следующие характеристики:

– фокусное расстояние 20 мм

– диаметр входного зрачка 10 мм

– интегральный коэффициент пропускания τ=0.9

– радиус кружка рассеяния r_кр= 5 мкм

Оптическая передаточная функция оптической системы аппроксимируется двумерной гауссоидой.

Рис. 12

Освещенность площадки ПИ на выходе из ОС

Где τ_а – коэффициент пропускания атмосферы

τ_ос – коэффициент пропускания ОС

σ’_a– апертурный угол на выходе из ОС

Спектр освещенности на выходе из ОС

После преобразований получим

График спектра освещенности

Рис. 13

Геометрический растр ФПЗС представляет собой тонкий транспарант с набором прямоугольных отверстий, положение каждого из которых соответствует положению и размерам соответствующих фоточувствительных элементов реальной матрицы.

Рис. 14

Геометрический растр ФПЗС преобразует непрерывное распределение освещенности в дискретные отсчеты потока, распределенные по пространству. Фотодетектор, представляющий собой матрицу конденсаторов, преобразует дискретные отсчеты потока в дискретные отсчеты заряда (т.е. накопленных зарядовых пакетов), также распределенные по пространству и образующие скрытое точечное матричное изображение у поверхности полупроводниковой подложки. При переносе зарядовых пакетов к выходному регистру и их преобразованию в соответствующие отсчеты напряжения U(t), формируется последовательный дискретный видеосигнал с нелинейными искажениями, обусловленными выборкой. Выходным сигналом ФПЗС является аналоговое напряжение видеосигнала. Рассмотрим подробнее процесс преобразования оптического сигнала геометрическим растром ФПЗС. Геометрический растр ФПЗС, представленный как тонкий транспарант, выполняет две функции: