Устройство защиты оптической системы от воздействия лазерного излучения

Устройство защиты оптической системы от воздействия лазерного излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к устройствам управления интенсивностью и направлением света, и может быть использовано для решения широкого круга народо-хозяйственных задач, при создании систем регистрации быстропротекающих процессов, защиты оптических систем от бликов и т.д.

Проблема защиты оптико-электронных систем от воздействия излучения существует во многих областях техники. Она, в частности, актуальна при защите систем, производящих геодезическую съемку с помощью фотографических систем.

Регистрацию удаленных объектов производят с помощью оптико-электронных устройств, включающих оптическую часть (объектив), преобразователь светового сигнала в электрический (фотоприемник) и электронную часть (управление и обработка сигнала). Фотоприемник в силу высокой световой чувствительности является наиболее уязвимым для различных световых помех, например случайных бликов от водной поверхности или бликов от наземных технических систем, например строительных и геодезических лазерных дальномеров, помех от лазеров, используемых в лазерном шоу и др. Наиболее опасны блики от лазеров ввиду их высокой яркости. При разработке оптико-электронных устройств учитывают их возможное ослепление в оптическом диапазоне, и поэтому в устройства вводят узлы, защищающие фотоприемник от перегрузок или повреждения световым лазерным пучком.

Известно «Устройство защиты оптических систем от воздействия лазерного излучения» [Патент RU №2089887, МПК G01N 21/84, приоритет, от 24.03.95.]. Устройство включает: объектив, фотоприемник и фотозатвор, выполненный в виде коромысла на подвесе. На одном плече коромысла укреплено поворотное зеркало, направляющее в объектив световой поток, а на другом плече - противовес.

При попадании на поворотное зеркало помеховой (лазерной) засветки коромысло под действием светового давления поворачивается и смещает световой поток с входного зрачка объектива, защищая фотоприемник от ослепления.

Однако время срабатывания затвора велико для надежной защиты фотоприемника.

Известно устройство защиты фотоприемника оптической системы от ослепления, выбранное нами в качестве прототипа (С.В.Кулагин, А.С.Гоменюк, В.Н. Дикарев и др. «Оптико-механические приборы», М.: «Машиностроение», 1984, с.161-162). Устройство включает объектив, формирующий изображение объекта на фотоприемнике, затвор, состоящий из световой заслонки и привода, обеспечивающего ее перемещение, и электронного узла, вырабатывающего сигнал на закрывание заслонки.

Устройство функционирует следующим образом. Объектив формирует на фотоприемнике (например, ПЗС-матрице) изображение объекта. Часть светового пучка, поступающего во входной зрачок объектива от объекта регистрации, попадает на электронный узел, размещенный в ходе лучей за объективом. Узел вырабатывает сигнал, пропорциональный попавшей на него энергии. Сигнал поступает далее на привод световой заслонки. Чем выше яркость объекта, тем больше вырабатываемый сигнал, тем больше заслонка перекрывает световой поток, поступающий на фотоприемник, защищая его от ослепления.

Однако скорость срабатывания затвора и в этом техническом решении невелика (около 10 м/с). Поэтому для смещения заслонки на величину, равную размеру светочувствительной площадки фотоприемника (около 1-2 см), требуется время 1-2 мс. Это время недостаточно мало для надежной защиты приемника от импульсного лазерного излучения: случайного блика или световой помехи.

Предложенное изобретение обеспечивает повышенную степень защиты оптических систем от воздействия помехового излучения путем обеспечения более высокой скорости срабатывания затвора. Оно удобно и надежно в работе, дает стабильные результаты.

Такой технический эффект получен нами, когда в устройстве защиты оптической системы от воздействия помехового излучения, включающем установленные на оптической оси объектив для формирования изображения объекта, фотозатвор с приводом, соединенным с электронным узлом, вырабатывающим сигнал для срабатывания затвора, и фотоприемник, новым является то, что дополнительно за фотозатвором размещены второй объектив и диафрагма, второй объектив установлен так, что плоскости изображения объекта и фотоприемника сопряжены, а диафрагма установлена в его задней фокальной плоскости, при этом фотозатвор размещен в плоскости изображения и выполнен в виде двух параллельных пластин, установленных с возможностью движения в противоположных направлениях нормально к оптической оси, в каждой из пластин выполнены отверстия, образующие решетки, причем решетки фотозатвора и диафрагма выполнены по теореме Котельникова.

Теорема Котельникова (теорема отсчетов) (Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: «Радио и связь», 1986, с.59-62) первоначально относилась к технике радиосигналов и утверждала, что, если непрерывная функция времени s(t) спектрально ограничена максимальной частотой f_max и известны лишь ее выборочные значения в отдельных точках в моменты времени через 1/(2·f_max) секунд, то функция по этим отдельным значениям может быть полностью восстановлена, т.е. воспроизведена как непрерывная функция. Физически восстановление функции в промежутках между выборочными значениями происходит за счет свойств приемного устройства, а именно за счет того, что полоса Δf пропускания частот приемного устройства выбирается равной 2·f_max. При этом промежутки между выборочными значениями заполняются точно до величины, соответствующей непрерывной функции, сигналом, вносимым самим приемным устройством.

Теорема Котельникова с успехом начала использоваться и в оптике с начала пятидесятых годов. Полный аналог этой теоремы в двумерном варианте, иногда именуемый в англоязычной литературе теоремой Уиттеккера-Шеннона, используется в технике анализа оптического изображения (Гудмен Дж. Введение в фурье-оптику. М.: «Мир», 1970, с.39-44).

Если предмет в виде непрерывной функции (например, освещенная площадка) со спектром, ограниченным пространственной частотой f_max, представлен выборочными значениями, т.е. интенсивностью в отдельных точках, отстоящих друг от друга на расстоянии d=1/(2·f_max), а полоса пропускания частот выбрана из условия Δf=2·f_max, то изображение может быть восстановлено как непрерывная функция, т.е. будет полностью соответствовать предмету.

Реальные оптические объекты всегда спектрально ограничены максимальной пространственной частотой f_max. Физически область пространственных частот предмета, изображение которого формируется объективом, - это область в фокальной плоскости, занятая пучком. Каждой частоте f соответствует своя точка r области, определяемая расстоянием от оптической оси, при этом f=r/(λ·F), где

λ - длина волны излучения, которое распространяется от объекта,

F - фокус объектива.

По этой формуле переведем частоты в обычные линейные единицы - расстояния от оптической оси. Тогда максимальной частоте f_max соответствует точка f_max в фокальной плоскости: r_max=f_max·(λ·F) мм; расстояние между отдельными выборочными точками определяется как d=(λ·F)/(2·r_max) мм, а полоса Δf частот соответствует в фокальной плоскости кругу диаметром D=Δf·(λ·F) мм. При этом, учитывая, что Δf=2·f_max, получим D=2·r_max.

В этих терминах теорема Котельникова формулируется следующим образом: если предмет в виде непрерывной функции со спектром, ограниченным пространственной частотой f_max, которой в фокальной плоскости объектива соответствует точка r_max=f_max·(λ·F), представлен выборочными значениями в точках, отстоящих друг от друга на расстоянии d=(λ·F)/(2·r_max), а диаметр диафрагмы D в фокальной плоскости выбран из условия D=2·r_max, то изображение будет восстановлено как непрерывная функция, т.е. будет полностью соответствовать предмету.

В оптике в качестве элемента, осуществляющего точечную выборку, т.е. выделение из непрерывной функции совокупности ее значений в отдельных точках, могут служить, например, решетки в виде регулярно расположенных прозрачных отверстий в непрозрачном экране, расстояние между которыми d - это период решетки.

Как следует из теоремы Котельникова, применительно к двумерному предмету с пространственным спектром, ограниченным максимальной частотой f_max, для получения неискаженного изображения в оптической системе, содержащей решетки, необходимо, во-первых (первое требование), решетки расположить в плоскости предмета, во-вторых (второе требование), установить в фокальной плоскости объектива диафрагму диаметром D=2·r_max мм, где r_max=f_max·(λ·F) и, в-третьих (третье требование), выбрать расстояние d между отверстиями из условия d=(λ·F)/(2·r_max) мм.

Если нам необходимо обеспечить высокую освещенность изображения, то отверстия в пластинах выполняют в виде параллельных щелей (см. п.2 формулы).

Для противодействия длительной помехе (со временем действия порядка 0,01-1 с) перед фотозатвором вводят дополнительный апертурный затвор из заслонки 5 с приводом 4 (фиг.1), установленный с возможностью перемещения заслонки в плоскости, перпендикулярной к оптической оси, и соединенный с электронным узлом, при этом электронный узел выполнен дополнительно вырабатывающим сигнал на привод апертурного затвора (подходы к решению этой задачи известны) (см. п.3 формулы).

На фиг.1 изображена схема предлагаемого нами устройства, где: удаленный объект 1, объектив 2, электронный узел 3, привод 4 апертурного затвора, заслонка 5 апертурного затвора, приводы 6 и 7 решеток фотозатвора, пластины 8, 10 фотозатвора, плоскость 9 изображения, щелевые отверстия 11 в пластинах фотозатвора, второй объектив 12, диафрагма 13, светочувствительная площадка 14 фотоприемника;

→ - лучи, распространяющиеся от объекта и попадающие в апертуру объектива; →→― электрический сигнал, - материал объективов (стекло).

На фиг.2 изображен фотозатвор, где: приводы 6, 7, решетки 8, 10, станина 15, двухкоординатный вращательный оптический столик 16, двухкоординатный линейный оптический столик 17.

Заявленное устройство работает следующим образом (пример реализации).

Изображение объекта 1 формируют объективом 2 в плоскости изображения 9, в которой в пределах каустики (для типичных систем длина каустики около 8 мм) установлены две одинаковые пластины 8 и 10, в каждой из которых сделаны щелевые отверстия 11. В исходном состоянии решетки установлены напротив друг друга, нормально к оптической оси объектива, и их прозрачные части (щели) совмещены, поэтому за решетки проходит световой поток от объекта. Второй объектив 12 сопрягает плоскость изображения 9 с защищаемым фотоприемником 14, например ПЗС-матрицей, т.е. переносит изображение, сформированное объективом 2, на фотоприемное устройство. Поскольку решетки 8 и 10 и диафрагма 13 выполнены в соответствии с теоремой Котельникова, то изображение на фотоприемнике будет полностью тождественно исходному изображению, построенному объективом 2 в плоскости 9.

Поскольку рассматриваются оптические системы, формирующие изображение удаленного объекта, то непосредственно воспользоваться теоремой Котельникова невозможно по двум причинам. Во-первых, не представляется возможным поместить решетку на объекте. Во-вторых, из-за удаленности объекта фокальная плоскость, в которой должна быть расположена диафрагма, совпадает с плоскостью изображения, в которой расположен фотоприемник. Для устранения этих причин в систему вводят второй объектив. Для второго объектива благодаря тому, что он размещен за фотозатвором и установлен так, что плоскости изображения объекта и фотоприемника сопряжены, изображение, построенное первым объективом, является предметом, и на этот предмет можно наложить решетку. Таким образом, появляется возможность выполнить первое требование теоремы Котельникова.

Введение в конструкцию второго объектива разделяет также плоскость изображения и фокальную плоскость. При этом появляется возможность установки диафрагмы 13 (см. фиг.1) в задней фокальной плоскости (второго) объектива, как того требует второе требование теоремы Котельникова. Эта диафрагма предназначена для того, чтобы пропустить к плоскости изображения 14 (к фотоприемнику) только один пучок из нескольких появившихся вследствие установки в оптическую систему решеток. Поэтому ее диаметр должен соответствовать размеру пучка в фокальной плоскости. (В фокальной плоскости второго объектива появится несколько пучков. Такое явление известно: пучок при дифракции на решетке распадается на несколько пучков, каждый из которых распространяется под своим углом к оптической оси объектива и занимает в его фокальной плоскости свою определенную область.)

Для выделения диафрагмой 13 одного пучка необходимо, чтобы пучки в фокальной плоскости разошлись на некоторое расстояние, при котором они не пересекаются. Это условие мы выполнили, расположив щели решетки на расстоянии d_max=(λ·F)/(2·r_max) мм друг от друга в соответствии с третьим требованием теоремы Котельникова. В реальных системах стараются разделить пучки в фокальной плоскости «с запасом», т.е. выбирают расстояние d меньшим d_max с допуском: в пределах от d=d_max до d=d_max-Δd, где Δd=K·d_max составляет некоторую долю К от d_max (например, К равно 5-10 процентов). При этом появляется допуск на размер диафрагмы D в фокальной плоскости: его выбирают из условия 2·r_max≤D≤2·r_max·(1+K).

Целесообразно обеспечивать увеличение второго объектива порядка «-1», при этом сохранится размер изображения на фотоприемнике таким, каким он был до введения в систему второго объектива и, следовательно, не потребуется дополнительного согласования разрешающей способности наблюдательной системы (первый и второй объектив) и фотоприемника. Целесообразно вырезать диафрагмой центральный (осевой) пучок, так как в нем сосредоточено до 25% всей энергии. В остальных пучках энергии заметно меньше.

Выполнение решеток и диафрагмы по теореме Котельникова позволяет при наличии решеток в системе получить на фотоприемнике изображение, тождественное оригиналу (без искажения). При этом для закрывания затвора достаточно сместить каждую решетку на небольшое расстояние: на половину ширины щели (около 5 мкм). При оптимальном выборе привода такое смещение может быть выполнено за время 30-50 мкс. Это время достаточно мало, чтобы успеть закрыть затвор и обеспечить защиту фотоприемника от помехи.

При облучении первого объектива помеховой засветкой часть светового потока поступает на электронный узел 3, вырабатывающий сигнал на закрывание затвора. Сигнал от электронного узла поступает на оба привода 6 и 7 решеток. Каждая из решеток смещается навстречу друг другу на половину ширины щели и перекрывает опасный световой поток, поскольку ширина щели 11 не превышает размера непрозрачного промежутка. Смещение решеток 8 и 10 на 5 мкм может быть проведено за время порядка 30-50 мкс.

Пластины-заслонки с решетками могут быть выполнены из прочного материала, например титана, и отполированы для снижения поглощательной способности. Толщина заслонок составляет около 1 мм и достаточна для устойчивого противодействия лазерному излучению.

Пример конкретного исполнения.

На нашем предприятии для проверки основных принципов работы устройства: влияния решеток на качество изображения и измерения времени срабатывания затвора, был изготовлен макет устройства. Наблюдательным объективом служила высококачественная линза с фокусным расстоянием 9 м и световым диаметром 450 мм. В качестве удаленного объекта использовался слайд-фотография (24×24 мм) поверхности земли (сфотографированной из космоса), освещенная источником ОИ-19 (лампа накаливания в оправе с блоком питания) с инфракрасным светофильтром ИКС-10. Объект располагался на расстоянии около 40 м от линзы. В качестве второго объектива использовался стандартный объектив И-51 с фокусным расстоянием 210 мм. Изображение размером 5×5 мм, сформированное первым объективом, служило предметом для второго объектива. Второй объектив располагался от предмета на двойном фокусном расстоянии: 420 мм. При таком расположении изображение, построенное вторым объективом, было также расположено от (второго) объектива на двойном фокусном расстоянии, и его размер был равен размеру предмета. Это значит, что второй объектив работал с увеличением, равным «-1». (Знак минус означает, что изображение перевернуто относительно предмета, этот факт не существен для работы оптической системы и затвора.)

Конструктивно фотозатвор выполнен в виде отдельного узла (фиг.2). На станине 15 размещались два оптических столика. Один - двухкоординатный столик 16 с вращательными подвижками, второй - двухкоординатный столик 17 с линейными подвижками. Пьезопривод 6 своим торцом крепился к столику 16, второй пьезопривод 7 - к столику 17. К противоположному торцу каждого привода в оправе крепились решетки 8 и 10. Такая конструкция обеспечивала возможность юстировки решеток: их плоскости и штрихи должны быть установлены параллельно друг другу.

Затвор устанавливали в оптическую схему в положение, при котором решетки 8 и 10 (фиг.2) совмещались с плоскостью изображения, построенного первым объективом.

Изображение, построенное первым объективом, служило предметом для второго объектива. Диаметр области, занятой пучком в фокальной плоскости второго объектива, был равен 8 мм, следовательно, пространственный спектр ограничен максимальной пространственной частотой f_max (как требуется по теореме Котельникова), которой соответствовало расстояние r_max от оптической оси, равное 4 мм.

Максимальный период d_max решеток был рассчитан для данного значения r_max (в соответствии с теоремой Котельникова) по формуле d_max=(λ·F)/(2·r_max) и получился равным d_max=28 мкм. Как упоминалось выше, для надежного разделения порядков пространственного спектра период решетки был выбран на 6 мкм меньше («с запасом» - d=6 мкм), т.е. для реальных решеток был выбран период d=22 мкм (8 мкм - прозрачная щель, 15 мкм - непрозрачный промежуток). При этом между порядками, а именно между нулевым и первым порядком и нулевым и минус первым порядком, появилась область в 1 мм, не занятая пучками. Поэтому в фокальной плоскости второго объектива для выделения одного пучка была установлена диафрагма, диаметр которой мог варьироваться (за счет этого запаса) от 8 до 10 мм. Установленная в макет диафрагма в фокальной области второго объектива имела размер D=8 мм (в соответствии с теоремой Котельникова).

Решетки имели размер 1×1 см² и были изготовлены в виде фотоотпечатков на фотопластинке толщиной 3 мм. (Для получения фотоотпечатков служил фотошаблон большого размера (1×1 м), сделанный на специальном оборудовании, используемом в фотолитографии. Затем производилась пересъемка фотошаблона с уменьшением в 100^×.)

На макете испытано действие решеток на качество изображения. Для этого в плоскости изображения второго объектива располагалась цифровая телекамера VBS-522, сигнал с нее поступал в компьютер. Регистрировалось изображение объекта при открытом затворе, когда прозрачные части решеток совмещены. Затем затвор с решетками убирался из схемы. Производилась регистрация объекта в отсутствие решеток. Сравнение полученных изображений показало, что и при наличии, и при отсутствии в оптической схеме решеток получалось изображение, тождественное объекту.

На макете измерено время срабатывания затвора. Для этого в плоскости изображения второго объектива, в месте расположения фотоприемника, устанавливался фотоэлектронный умножитель (ФЭУ-68). Сигнал с ФЭУ поступал на скоростной запоминающий осциллограф С8-13. Схема позволяла определить время, за которое затвор закрывается. В качестве опасной для фотоприемника помехи использовалась фотовспышка или лазерный пучок газового лазера ЛГ-215, сканирующий с возможностью попадания излучения в наблюдательный объектив. В непосредственной близости от объектива располагался датчик на базе фотодиода ФД-24. При попадании на фотодиод опасной засветки, сигнал с него запускал блок, вырабатывающий электрический импульс, поступающий на пьезоприводы. Пьезоприводы удлинялись, смещая решетки на 5 мкм каждую. При этом каждая прозрачная щель одной решетки совмещалась с непрозрачной частью другой решетки. Затвор в таком положении оказывался закрытым и не пропускал к фотоприемнику опасную засветку. Время срабатывания составило около 100 мкс. Это значение практически соответствует теоретическому пределу для данного типа пьезопривода (ППУ-14).

В макете не использовался апертурный затвор 4 с заслонкой 5 (фиг.1), поскольку его время срабатывания относительно велико и может быть обеспечено известными конструкциями.

Таким образом, заявленное устройство надежно защищает оптическую систему от воздействия лазерного излучения.

В настоящее время на предприятии разрабатывается конструкторская документация для изготовления опытного образца устройства.

1. Устройство защиты оптической системы от воздействия лазерного излучения, включающее установленные на оптической оси объектив для формирования изображения объекта, фотозатвор с приводом, соединенным с электронным узлом, вырабатывающим сигнал для срабатывания затвора, и фотоприемник, отличающееся тем, что дополнительно за фотозатвором размещены второй объектив и диафрагма, второй объектив установлен так, что плоскости изображения объекта и фотоприемника сопряжены, а диафрагма установлена в его задней фокальной плоскости, при этом фотозатвор размещен в плоскости изображения и выполнен в виде двух параллельных пластин, установленных с возможностью движения в противоположных направлениях нормально к оптической оси, в каждой из пластин выполнены отверстия, образующие решетки, причем решетки фотозатвора и диафрагма выполнены по теореме Котельникова.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отверстия в пластинах выполнены в виде параллельных щелей.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перед фотозатвором введен дополнительный апертурный затвор, установленный с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной к оптической оси, и соединенный с электронным узлом, дополнительно вырабатывающим сигнал на привод апертурного затвора.