3.1. Преобразователи пространственных (геометрических) параметров оптического излучения

Итак, преобразователи этой группы призваны выполнять следующие основные «трансформирующие функции» по отношению к падающему на ОЭИП оптическому излучению:

· изменение направления его распространения;

· ограничение поперечных размеров пучка излучения;

· формирование пучка с требуемым распределением интенсивности излу­чения в его поперечном сечении.

Некоторые из преобразователей этой группы могут одновременно решать несколько задач. Например, обычная диафрагма ограничивает размеры пуч­ка, а диафрагма с точно известной площадью выходного отверстия при этом «вырезает» определенную долю пучка излучения. Плоское зеркало отражает падающий на него поток в том или ином направлении, зависящем от угла падения, а вогнутое или выпуклое зеркало соответственно фокусирует или рассеивает отраженный пучок аналогично положительной либо отрицатель­ной линзе.

Таким образом, в этом параграфе следует остановиться, в первую очередь, на кратком описании плоскопараллельных пластинок, отражательных призм, зеркал, диафрагм, линз и дефлекторов оптического излучения.

Плоскопараллельные пластинки. Плоскопараллельной пластинкой называется оптическая деталь, ограниченная двумя параллельными прелом­ляющими плоскостями. При прохождении луча через такую пластинку он выходит из нее параллельно первоначальному направлению со смещением тем большим, чем больше угол падения, показатель преломления и толщина пластинки [20]. Пластинки могут быть круглой, прямоугольной, квадратной или любой другой формы, причем их толщина устанавливается в зависимости от требований к точности изготовления: при высоких и средних требовани­ях толщина пластинки составляет (1/8-1/10) и (1/12—1/15) диагонали или диаметра, соответственно. Чаще всего плоскопараллельные пластинки приме­няются в качестве защитных стекол для предохранения внутренних полостей оптических приборов, к числу которых относятся и средства оптической радиометрии, а также в схемах деления и ослабления пучков излучения.

Отражательные призмы. Отклонение луча от первоначального направления при прохождении через призму вызывается его преломлением, причем это отклонение тем больше, чем больше преломляющий угол призмы и показатель преломления материала, из которого она изготовлена [20]. Отра­жательные призмы в основном предназначены для: изменения направления оптической оси («переламывания» пучка); оборачивания изображения или его вращения; разделения или соединения пучков лучей и пр.

Простейшими отражательными призмами полного внутреннего отраже­ния являются треугольные призмы (обычно в форме равнобедренного пря­моугольного треугольника) с одной отражающей (гипотенузной) гранью или с двумя отражающими (катетными) гранями. Первая из них поворачивает пучок на 90°, а вторая — на 180°. Отражательные призмы с двумя отражени­ями могут иметь форму ромба, а также исполняться в виде пентапризмы или полупентапризмы. Однако преимущественное распространение в оптической радиометрии получили простейшие отражательные призмы полного внутрен­него отражения, по принципу действия эквивалентные сочетанию плоскопа­раллельной пластины, на которую нормально падает излучение, и плоского зеркала [20].

Зеркала. Зеркало является оптической деталью, имеющей одну поверх­ность с внешним отражающим слоем. Зеркала делятся на плоские, вогнутые и выпуклые. В задачах оптической радиометрии, как правило, интересуются не ролью различных зеркал в процессах получения изображений, а их воз­можностями в качестве элементов оптических систем изменения направления хода лучей, в некоторых случаях с фокусировкой или расфокусировкой пучка.

Линзы. Принцип действия линзы базируется на одном из фундамен­тальных законов геометрической оптики — преломлении лучистого потока на границе сред с разными показателями преломления. Эти законы ши­роко и неоднократно описаны, выведены правила построения изображений в линзовых оптических системах, существует большое количество общеиз­вестных монографий, справочников, учебников и учебных пособий, в которых освещены вопросы расчета, проектирования, изготовления и использования этих весьма распространенных оптических устройств и элементов. Нам же остается отметить, что применительно к задачам оптической радиометрии линзы и оптические системы на их основе используются главным образом для фокусирования пучков или их коллимирования.

Диафрагмы. В оптических системах различают диафрагмы четырех видов:

1) диафрагмы, ограничивающие поперечное сечение или телесный угол пучка излучения, именуемые апертурными;

2) диафрагмы, ограничивающие линейное поле изображения и называе­мые полевыми;

3) специальные диафрагмы, срезающие ухудшающие качество изображе­ния лучи;

4) специальные диафрагмы для устранения или уменьшения вредного влияния рассеянного излучения на контраст изображения.

Обычно понятие диафрагмы сопряжено с различными элементами и ча­стями оптической системы. Однако в оптической радиометрии некогерентного излучения большую роль играют калиброванные по площади отверстия с учи­тываемыми дифракционными эффектами — диафрагмы на выходе источни­ков излучения (например, моделей черных тел). Именно такие калиброванные диафрагмы с учетом геометрических факторов, характеризующих взаимное расположение источника излучения и оптической системы на входе ОЭИП, позволяют достаточно точно рассчитывать параметры лучистого потока, ког­да излучатель служит эталонной мерой, воспроизводящей и хранящей фи­зическую величину, заданную по размеру. При измерениях энергетических параметров лазерного излучения на формирование пучка влияют как рас­пределение интенсивности в его поперечном сечении, так и форма и размеры отверстия диафрагмы, сквозь которое он проходит.

Дефлекторы. Дефлекторы являются исключительно преобразователя­ми пространственных параметров пучка, используемыми, главным образом, в сканирующих устройствах, поскольку статические отклонения лучистых потоков осуществляются преимущественно вышеописанными оптическими элементами.

Методы пространственного управления лучом (дефлекторы) можно клас­сифицировать по различным признакам:

· по характеру взаимодействия лучистого потока с активной средой де­флекторы можно разделить на преломляющие, отражательные, дифракцион­ные, двулучепреломляющие, интерференционные;

· по используемым физическим явлениям дефлекторы делятся на ме­ханические и «электрические»; в дефлекторах механической группы откло­нение пучка осуществляется механическим перемещением в пространстве линз, призм, зеркал или самих излучателей; в дефлекторах «электрической» группы используются электрооптические, ультразвуковые, магнитоэлектри­ческие, электромагнитные, пьезоэлектрические, термооптические и дисперси­онные явления и эффекты;

· по характеру отклонения луча дефлекторы можно разделить на плавные и дискретные.

В последние годы все большее распространение получают пространствен­ные модуляторы оптического излучения, но их применяют главным образом в системах обработки оптических данных, в состав которых входят современ­ные компьютеры. В качестве модуляторов пространственных параметров в оп­тической радиометрии эти преобразователи практически не используются.

Дефлектор не следует относить к ОИП, хотя он и располагается в оптиче­ской схеме между источником излучения и ОЭИП. Этот ОП лишь трансфор­мирует пространственное положение пучка, согласуя его со входом ОЭИП, причем к нему не предъявляется никаких метрологических требований. В по­давляющем большинстве современных оптических приборов дефлекторы ис­пользуются в спектрорадиометрии и в лазерометрии.

При высокоточных измерениях энергетических параметров лазерного из­лучения используются специализированные ОИП, именуемые оптическими интеграторами или же гомогенизаторами. В их задачу входит преобра­зование с заданной точностью пучков с неравномерными распределениями интенсивности излучения в их поперечных сечениях в равномерные. При необходимости ввода всего потока лазерного излучения во входное отверстие приемной полости ОЭИП иногда используют концентратор потока, называе­мый фоконом.