Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета.

Появление первых ОЭП обусловлено тенденциями к освоению широкого спектрального диапазона и автоматизации оптических из­мерений. Их предшественниками являются визуальные оптические приборы, для которых приёмником излучения служит глаз человека. Визуальные оптические приборы и сегодня широко используются в различных областях науки, техники, народного хозяйства.

Глаз человека является уникальным оптическим прибором, кото­рому свойственна высокая разрешающая способность и чувствитель­ность, а в сочетании с работой мозга — не достижимая пока ни одним автоматическим устройством способность выполнять логические опе­рации, например, распознавать и оценивать сложные изображения на видимом участке оптического спектра. Все это определяет достоинства визуальных оптических приборов. Кроме того, эти приборы в большин­стве случаев проще оптико-электронных по своей конструкции, а час­то благодаря присутствию человека-оператора они более надежны в эк­сплуатации.

Однако ограниченность спектрального диапазона чувствительно­сти человеческого глаза наряду с целесообразностью и необходимос­тью во многих случаях работать в УФ и ИК диапазонах, недостаточ­ные порой разрешение и чувствительность глаза, даже вооруженного оптической системой, малое быстродействие органов чувств и «испол­нительных» органов человека, наконец, невозможность или нецеле­сообразность использовать человека во многих случаях, например в условиях высоких температур, радиационной опасности и т. п. — всё это привело сначала к созданию сравнительно несложных автомати­зированных оптических приборов, например приборов с фотоэлектри­ческой регистрацией результатов измерений, т. е. первых ОЭП, а за­тем и более сложных, часто полностью автоматизированных ОЭП и комплексов.

С освоением УФ и ИК участков спектра, что проявилось прежде всего в развитии соответствующей технологии оптических деталей и приемников излучения, тенденции создания автоматических ОЭП уси­лились. К настоящему времени стало возможным использовать на практике значительные преимущества автоматических ОЭП перед неавтоматическими. Основными из них являются отсутствие субъек­тивных ошибок, большее быстродействие, большая точность, защи­щенность от некоторых внешних воздействий.

Очень часто ОЭП применяют для решения тех же задач, что и од­нотипные по назначению радиоэлектронные приборы, например, для определения угловых координат источника электромагнитного излу­чения (пеленгация) или определения как угловых координат источ­ника, так и дальности до него (локация). Эти два класса приборов в какой-то степени аналогичны, поскольку в них в качестве носителя информации используется электромагнитная энергия. Часто сходны некоторые их конструктивные элементы, и при расчете иногда можно пользоваться аналогичными методами.

Однако следует отметить существенную разницу между этими приборами, возникающую прежде всего вследствие того, что они ра­ботают в различных диапазонах спектра электромагнитных волн.

Работа на больших частотах и соответственно меньших длинах волн обусловила более высокую разрешающую способность ОЭП по сравнению с радиоэлектронными приборами. Действительно, если вспомнить, например, что минимально разрешаемый при дифракции угол пропорционален отношению длины волны к диаметру входного зрачка системы , т. е. , то это положение легко объяснимо. Отсю­да следует принципиально более высокая точность оптико-электрон­ных (оптических) измерений, ограничиваемая разрешающей способ­ностью, а также и другое преимущество ОЭС, заключающееся в мень­ших размерах и массе, поскольку при одинаковых требованиях к раз­решению прибора важнейший габаритный размер у оптической си­стемы оказывается значительно меньшим, чем у радиоэлектронной. Для передающих систем, например, систем связи, важна более высо­кая направленность оптического излучения, что объясняется меньши­ми, чем у радиоэлектронных систем, длинами рабочих волн, а также большая емкость оптических информационных каналов связи.

Следует также отметить, что при пассивных методах работы мощ­ность естественных источников излучения гораздо больше в оптичес­ком диапазоне спектра. При этом существует и большая возможность опознания вида излучателя по характеристикам его излучения.

Новые возможности открылись перед ОЭП после создания лазе­ров — уникальных по многим параметрам источников электромаг­нитных колебаний. Очень важно такое достоинство лазеров, как вы­сокая пространственная и временная когерентность, обеспечивающая хорошие монохроматичность и направленность лазерных пучков. Сле­дует указать, что при включении в состав прибора лазера многие мето­ды расчета и проектирования ОЭП, а также их элементы остаются теми же, что и при использовании обычных источников излучения.

К числу других достоинств ОЭП следует отнести возможность двой­ной (пространственной и временной) модуляции излучения, а также более удобную для человека визуальную форму представления инфор­мации.

Основными недостатками ОЭП по сравнению с радиоэлектронны­ми приборами являются большее ослабление оптического излучения в мутных средах, например в атмосфере, значительное число помех в виде естественных и искусственных излучений (излучение небесных тел, ландшафта, деталей самого прибора и т. п.).

Ни один из этих классов приборов на сегодня не обладает решаю­щими преимуществами, тем более, что в некоторых случаях призна­ки, отмеченные выше как достоинства, могут стать недостатками. На­пример, большая мощность естественных излучателей в оптической части спектра затрудняет выделение оптическими средствами объек­та, незначительно отличающегося по температуре от окружающего фона. В связи с этим в наиболее сложных случаях обычно создают ком­бинированные, комплексные системы, включающие как оптико-элек­тронные, так и радиоэлектронные каналы.

Исследования свойств оптического излучения ведутся очень дав­но, однако практическое использование этих свойств для передачи и приема информации в широком диапазоне спектра стало возможным лишь начиная с 30-40-х годов XX века. Это объясняется прежде все­го отсутствием до недавнего времени оптических материалов, при­годных для использования не только в видимой, но и в ИК и УФ обла­стях оптического спектра, и приемников излучения, обладающих вы­сокой чувствительностью в тех же областях. Кроме того, явно недо­статочно были изучены некоторые общие вопросы, например, зако­номерности распространения оптического излучения в атмосфере и других поглощающих и рассеивающих средах.

Еще в самом начале XVIII в. И. Ньютон описал опыты по разло­жению белого света на монохроматические составляющие. Но лишь через сто лет, в 1800 г. В. Гершель установил существование невиди­мого — инфракрасного, или теплового, излучения. Во второй половине XIX в. были установлены первые законы теплового излучения и создана электромагнитная теория, а самом начале XX столетия уси­лиями Б. Б. Голицына, П. Н. Лебедева, В. Вина, М. Планка, А. Эйн­штейна и многих других русских и зарубежных ученых были окон­чательно сформулированы основные закономерности оптического некогерентного излучения. Это позволило создать в 1920-1930-е г.г. ряд искусственных источников ИК и УФ излучения. К этому же вре­мени относится открытие явления электролюминесценции (О. В. Ло­сев, 1923), которое используется в современных полупроводниковых излучателях — светодиодах.

Практически одновременно с изучением свойств источников оптического излучения и созданием новых излучателей исследовались приемники излучения. В 1839 г. А. Беккерель обнаружил образова­ние фото-ЭДС на контактах разнородных материалов.В 1875 г. был создан первый селеновый фотоэлемент, а в 1880 г. — первый болометр. В 1886 г. Г. Герц обнаружил внешний фотоэффект, а в 1887 г. А. Г. Сто­летов сформулировал его основные законы. Однако первые высоко­чувствительные приемники были созданы гораздо позднее — в 30…40-х годах XX столетия.

В СССР первый фотоэлемент с кислородно-цезиевым фотокатодом был разработан П. В. Тимофеевым в 1930 г. В 1934 г. Л. А. Кубецкий сконструировал первый в мире многокаскадный фотоумножитель. Примерно в это же время появились и первые передающие телевизи­онные трубки. В конце 30-х г. г. в СССР, Великобритании, Германии, США появились первые фоторезисторы, чувствительные в ИК облас­ти спектра.

К этому времени усиливается интерес к практическому использо­ванию ИК излучения, особенно в военном деле, что объяснялось ря­дом причин. Во-первых, многие цели военного назначения (военная техника, летательные аппараты, стратегически важные наземные объекты, корабли и т.д.) обладают мощным собственным излучением в ИК диапазоне, что позволяет обнаружить их пассивным методом. Во-вторых, разрешение в ИК диапазоне гораздо выше, чем в радиодиапа­зоне. Большое значение имела и скрытность при пассивном методе работы. Военные применения ОЭП, и прежде всего приборов ИК тех­ники, требовали существенного повышения чувствительности и быст­родействия приемников, расширения их рабочего спектрального диа­пазона и полосы пропускания оптических материалов. К концу вто­рой мировой войны были созданы оптико-электронные (инфракрасные) самонаводящиеся бомбы, системы управления огнем на базе электрон­но-оптических преобразователей, приборы ночного видения для стрелкового оружия, инфракрасный телефон и др. После окончания вой­ны развитие ОЭП военной техники шло бурными темпами. Было со­здано много систем для управления ракетами класса «воздух-воз­дух», «воздух-земля», «земля-воздух», противотанковыми управля­емыми реактивными снарядами и т. п.

Одновременно ОЭП внедрялись и в другие области. Широко рас­пространились приборы для ИК спектроскопии, контрольно-измери­тельные ОЭП, ИК диагностические медицинские приборы, оптико-электронные гиды в астрономии и др. Наконец, хорошо известны ОЭП, используемые в космической навигации и ориентации. В последние годы ОЭП, устанавливаемые на летательных аппаратах, успешно ис­пользуются при исследованиях природных ресурсов Земли и других планет, для охраны окружающей среды.

Подлинную революцию в развитие оптико-электронного приборо­строения внесло создание лазеров. Возникновению квантовой элект­роники во многом способствовали труды российских ученых В. А. Фаб­риканта, М.М. Вудынского и Ф. А. Бутаевой, открывших явление мо­лекулярного усиления (1951 г.).

Работы Н. Г. Басова и А. М. Прохорова, а также Ч. Таунса по созда­нию газовых лазеров были удостоены Нобелевской премии. В 1962 г. были созданы полупроводниковые лазеры — уникальные по многим свойствам излучатели. Применение лазеров в оптико-электронных измерительных и следящих приборах и комплексах позволило широ­ко использовать активный метод работы, новые методы передачи, при­ема и обработки оптической информации, заметно повысить помехо­защищенность автоматических ОЭП. Кроме того, освоение лазерной техники дало мощный импульс исследованиям новых материалов и элементов ОЭП (например, модуляторов), позволило поднять на более высокий качественный уровень исследования по распространению оп­тического излучения в поглощающих и рассеивающих средах.

Нужно отметить интенсивное развитие методов обработки опти­ческих сигналов, базирующихся на использовании когерентных свойств лазерного излучения. В конце XX века появились системы преобразования первичного некогерентного оптического сигнала в когерентный для применения эффективных методов когерентной об­работки (когерентные оптические корреляторы, голографические си­стемы, преобразователи Фурье).

Развитие современных ОЭП неотделимо от прогресса во многих смежных областях науки, техники, всего народного хозяйства. Так, последние успехи радиоэлектроники и, в частности, микроминиатю­ризация основных её элементов, самым непосредственным образом связаны с развитием и созданием новых ОЭП, а освоение ИК диапа­зона потребовало существенного совершенствования криогенных ус­тройств, предназначенных для охлаждения приемников излучения. Широко развернувшиеся в последние годы исследования природных ресурсов и окружающей среды потребовали создания принципиально новых ОЭС, освоения диапазона оптического спектра 8…. 14 мкм, т.е. разработки новых приемников излучения (например, на основе трой­ных соединений, многодиапазонных) и новых оптических материалов. Одной из наиболее очевидных тенденций развития элементной базы оптико-электронного приборостроения является разработка многоэлементных приемников излучения, по своей разрешающей способ­ности приближающихся к глазу человека, а по другим характеристи­кам — заметно совершеннее глаза. Создание таких приемников уже сейчас позволило использовать в ОЭП ряд высокоэффективных спосо­бов приема и преобразования оптических сигналов.

Становится весьма важной проблема микроминиатюризации этих приемников и работающих с ними совместно электронных звеньев. Действительно, требование обработки больших объемов информации в малые промежутки времени на практике часто приводит к необхо­димости одновременного приема большого числа оптических сигналов от разных участков просматриваемого поля или в различных спект­ральных диапазонах. Для этого используются сложные многоэлемен­тные приемники и соответствующие им многоканальные электронные схемы. При увеличении объема перерабатываемой информации уве­личивается число этих элементов и каналов, поэтому задача их мини­атюризации становится первоочередной. При этом на первый план выдвигаются проблемы совершенствования технологии изготовления отдельных элементов ОЭП, а также широкого использования совре­менной вычислительной техники, в частности, микропроцессоров.

Применение ОЭП в совокупности с ЭВМ или ввод в состав ОЭП мик­ропроцессоров уже сегодня позволяет заметно расширить возможнос­ти ОЭП, например, значительно повысить их точность и быстродей­ствие, а в ряде случаев решать недоступные им ранее задачи.

Наряду с разработкой новых, всё более совершенных элементов ОЭП и изучением особенностей распространения оптического излуче­ния в различных средах успешно развивалась общая теория ОЭП, ко­торая посвящена вопросам оптимального расчета, выбора и согласова­ния параметров и характеристик отдельных звеньев прибора при объе­динении их в общую систему, методам расчета основных параметров ОЭП, модуляции оптических сигналов, вопросам оптимального при­ема оптических сигналов на фоне помех, т.е. обеспечению помехозащищенности ОЭП и ряду др. В значительной степени эта теория ос­нована на общих принципах и методах теории следящих систем и те­ории информации, однако многие её положения возникли как про­явление специфики, свойственной ОЭП, например, многомерности функций, описывающих оптические сигналы и помехи.

Для развития этой теории очень важно углублять наши знания об объектах исследования и условиях работы ОЭП. Необходимы адекват­ные модели таких объектов, условий работы и самих ОЭП.

Очень актуальным стало развитие и внедрение методов адаптации структуры, алгоритмов работы и параметров ОЭП, учитывающих мно­гообразие изменяющихся условий эксплуатации этих приборов и осуществляющих компенсацию вредного влияния окружающей среды, внешних помех и других подобных факторов.

Таким образом можно отметить, что к настоящему времени успеш­но развиваются основные составляющие оптико-электронного прибо­ростроения: элементная база ОЭП; исследования процессов, связанных с созданием оптических сигналов, их распространением, приемом и преобразованием в электрические сигналы; теория и методы расчета отдельных узлов и приборов в целом.

Несмотря на большие успехи, достигнутые оптико-электронным приборостроением, перед этой бурно развивающейся отраслью науки и техники стоят большие и серьезные задачи. Ещё не полностью реа­лизованы те потенциальные возможности, которыми обладают ОЭП, например, по точности, помехозащищенности и другим параметрам. Недостаточно освоены УФ и дальний ИК- диапазоны оптического спек­тра. Для их освоения требуются новые оптические материалы, новые, более качественные приемники излучения. Отдельные элементы и узлы ОЭП сложны в эксплуатации, дорого их изготовление. Они не всегда имеют необходимые срок службы и надежность.

Выход человека в космос, создание лазеров, развитие вычисли­тельной техники явились мощными стимулами развития ОЭП. Такие глобальные для всего человечества проблемы, как обеспечение безо­пасности и сохранение мира на Земле и в космосе, контроль метеоро­логических и климатических процессов, оценка состояния природных ресурсов и влияния человеческой деятельности на окружающую среду. Дальнейшее освоение космоса и ряд других, не могут быть решены без широкого использования ОЭП.