Разработка оптических схем устройств, использующих наносекундные микромеханические затворы

В предыдущей главе показано, что термоиндуцированное срабатывание микромеханических затворов происходит при плотности мощности падающего ла­зерного излучения, близкой к плотности мощности, повреждающей защищаемые приборы наблюдения.

Отсюда можно сделать вывод, что термочувствительные структуры затворов должны располагаться в плоскости формирования оптического изображения, а оптическая схема защищаемого затвором прибора должна иметь последователь­но расположенные по ходу излучения две области формирования изображения - для затвора и для фоточувствительной структуры прибора наблюдения.

Среди зеркальных и зеркально-линзовых оптических систем такими возможностями обладает схема Грегори, показанная на рисунке 3.1. Зеркала М₁и М₂формируют первое действительное изображение ℓ '₂в плоскости F'₂, которое линзой Lотображается во второе изображение ℓ '₃, располагающееся в плоскости F'₃.

 

 

Рис. 3.1. Зеркально-линзовая система Грегори

>

М2

F'2

ℓ '2

L

М1

ℓ '3

F'3

 

Для рассматриваемого варианта затворов отражающую их поверхность необходимо разместить в области зеркала М₂, и на зеркале должно формироваться изображение ℓ '₂из рисунка 3.1. При этом ход главных лучей, отра­женных от М₂, совпадает с ходом главных лучей, падающих на М₂, и любые оптические элементы, установленные по ходу отраженных лучей, затеняют па­дающие лучи.

Для удаления из падающего на М₂пучка элементов, формирующих второе изображение в отраженных лучах, может быть применена схема Гершеля; с внеосевой входной апертурой (рисунок 3.2).

 

Рис. 3.2. Схема Гершеля с внеосевой апертурой

 

Ось

 

Вариант оптической системы с двумя последовательно по ходу пучка распо­ложенными изображениями, в котором мешающие элементы устранены из хода падающих на зеркало М₂пучков, основанный на схеме Гершеля, показан на рисунке 3.3.

 

Рис. 3.3. Оптическая схема с внеосевой апертурой и формированием первого изображения на поверхности зеркала

Ось

М1

М2

ℓ '1

ℓ '2

Л

 

Здесь первое (действительное и отрицательное) изображение ℓ '₁строится сферическим или параболическим зеркалом m₁на поверхности зеркала М₂, которое зеркально отражает главные лучи, отмеченные каждый двумя стрелками, в область по другую сторону от оптической оси. Апертура линзы Л достаточна для пропускания всех отраженных лучей; оптическая ось этой линзы совпадает с оптической осью системы, и построенное линзой изображение ℓ '₂также лежит в области оптической оси.

Для уменьшения размеров линзы Л зеркалу М₂целесообразно придать оптическую силу, превратив его в коллектив. Коллектив (полевая линза) отклоня­ет к оптической оси наклонные лучи пучков, осями которых являются главные лучи. Зеркало М₂можно выполнить сферическим или в виде плоскоыпуклой линзы с отражающей плоскостью.

Активное зеркало микромеханического затвора на рисунке 3.3 совпадает с отражающей поверхностью зеркала М₂. При попадании на входную апертуру зеркала М₁лазерного мощного излучения оно фокусируется зеркалом в точку на плоскости затвора. До срабатывания затвора зеркало отражает лазерное излучение, и его энергия попадает на фоточувствительную область фотоприемника. После срабатывания затвора излучение пере­стает поступать к фотоприемнику; общая энергия, облучающая фотоприемник, уменьшается, что предохраняет его от повреждений лучом.

 

На рисунке 3.4 показана оптико-механическая схема телескопа, в котором применена оптическая схема рисунка 3.3. Задний фокус зеркала М₁и передний фокус линзы Л совмещены, и в области общего фокуса размещено зеркало М₂.

На поверхности зеркала формируются изображения, размер поля которых ℓ '₁равен:

, (3.1)

где f₁ - фокусное расстояние зеркала М₁;

ω - половина апертурного угла зеркала М₁, являющегося объективом.

 

 

Рис. 3.4. Оптико-механическая схема телескопа с внеосевой апертурой и промежуточным изображением на зеркале.

f'1

S'P

Л

f2

f'2

D4

D3

М2

ℓ '1

2ω

Dзp

D1

D22

М1

М1

М2

 

 

Угловое увеличение телескопа Г равно:

.

Считая, что входной зрачок телескопа совмещен с зеркалом М₁, найдем диаметр D_зр выходного зрачка:

. (3.3)

Апертурный угол ω ' на выходе телескопа можно найти из выражения:

. (3.4)

Линза Л отображает входной зрачок в выходной, поэтому отношение растояний выходного и входного зрачков до линзы равно увеличению телескопи­ческой системы:

, (3.5)

где - расстояние от линзы Л до выходного зрачка.

Диаметр D₄ линзы Л найдем из выражения:

. (3.6)

Проведем численный расчет. Примем: D₂ = 30 мм; f₁ = 60 мм; f₂ = 30 мм; апертурный угол 2ω = 5°. Получим:

- размер зеркала M₂: D₃ = 2∙ 60∙ tg(2, 5°) = 5, 24 мм;

- размер выходного зрачка: мм;

- угловое увеличение телескопа: ;

- выходной апертурный угол: ω ' ≈ 5°;

_- расстояние выходного зрачка от линзы: мм;

- диаметр линзы: мм;

- радиус кривизны зеркала М₁: r₁= 2f₁ = 120 мм.

Применение коллектива в области промежуточного изображения позволит уменьшить диаметр линзы Л.

Концентрация лазерной мощности в области первого изображения и в обла­сти второго в общем случае различны, эта разница зависит от потерь энергии лазерного луча в промежутке между изображениями и от значения увеличе­ния, с которым получается второе изображение. Руководствуясь энергетиче­скими соображениями, можно получить выражение для отношения плотностей падающей лазерной мощности на поверхности в области второго и в области первого изображений (рисунок 3.3):

, (3.7)

где К - линейное увеличение второго изображения в сравнении с первым;

, - размеры первого и второго изображений, соответственно.

Если равна пороговой плотности мощности разрушения фотоприемника, размещенного в плоскости второго изображения:

, (3.8)

то из (3.7) следует, что плотность мощности Р_ср облучения затвора, приводящая к его срабатыванию, должна удовлетворять соотношению:

. (3.9)

Если значение множителя К²/aбольше единицы, то фотоприемник может быть защищен от разрушения, даже если порог срабатывания затвора больше порога разрушения фотоприемника.

Учитывая, что выпускаемые промышленностью фотоприемные устройства стандартизированы по размеру входной апертуры, для обеспечения рассмотренного выигрыша в пороге срабатывания затвора необходимо рекомендовать использовать короткофокусные объективы в защищенных телескопических си­стемах. Это позволит уменьшить размер первого изображения (т.е. увеличить плотность мощности облучения затвора), и улучшить степень защиты, обеспе­чиваемую затвором.

Таким образом, в настоящей главе показано, что существуют оптические схемы телескопов, пригодные для встраивания зеркальных затворов и размещения их в плоскости изображения; проведен габаритный расчет таких теле­скопов; разработана конструкция макета телескопа, предназначенная для ис­пытания наносекундных затворов, работающих на отражение; предложена схе­ма расчетов телескопических систем со встроенным наносекундным затвором; найдены связи между оптическими характеристиками телескопических систем и степенью защиты от ослепления фотоприемных элементов.

 

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: