Приборы с ФС имеют гораздо более высокие спектральную разрешающую способность и светосилу, нежели приборы с призмами или дифракционными решетками в качестве монохроматоров. Это позволяет уменьшить габариты оптической системы и массу всего прибора. Возможность получения спектров в средней и дальней ИК-области при сравнительно небольших габаритах и массах аппаратуры способствовала использованию ФС в бортовых и космических системах для исследования протяженных излучателей, когда при небольших фокусных расстояниях объектива, строящего изображение пространства предметов, необходимо иметь большое угловое поле, которое не могут обеспечить щелевые призменные и дифракционные спектрометры.
В известных системах сканирующего типа с ФС достигнуто высокое спектральное разрешение (более 103…106) в противоположность появившимся гораздо ранее системах с разделением спектров с помощью узкополосных фильтров или дифракционных решеток (50…500 спектров).
Следует учитывать, что из-за различия в размерах кружков рассяния (из-за хроматизма увеличения объектива), импульсная реакция объектива нестационарна, что при постоянных размерах пикселов МПИ может затруднить оптимизацию системы как пространственного фильтра для различных спектральных каналов видеоспектрометра. Кроме того, иногда приходится учитывать изменение частоты Найквиста по той же причине и возможные соответствующие наложения спектров получаемых сигналов [17].
Из-за того, что в Фурье-спектрометрах отсутствуют и щели и диспергирующие элементы, их светосила гораздо больше, чем у систем с призмами или дифракционными решетками. Большая светосила позволяет иметь высокую чувствительность прибора и проводить разделение сигнала по узким спектральным участкам в средне- и длинноволновом ИК-диапазонах.
Интерферометры, в частности, Фурье-спектрометры, обеспечивают очень высокое спектральное разрешение, однако, их быстродействие из-за наличия подвижных элементов (обычно зеркал) часто оказывается недостаточным, а для получения необходимого отношения сигнал-шум приходится усреднять несколько отсчетов, соответствующих отдельным длинам волн. Высокие требования к стабильности конструкции интерферометров затрудняют их использование в сложных условиях работы (полевых, летных, при размещении ОЭС на подвижном основании и т.д.).
Дифракционные (гибридные) оптические элементы, находящие все большее применение в ИКС «смотрящего» типа [11], могут быть использованы в качестве диспергирующих оптических систем, служащих для разложения в спектр оптического сигнала. Если рассчитать профиль дифракционной поверхности линзы так, чтобы монохроматические изображения для различных длин волн (порядков дифракции) образовывались в различных точках (плоскостях) вдоль оптической оси системы (см. рис.8), то, регистрируя эти изображения, например, с помощью перемещаемого вдоль этой оси МПИ, можно получить “набор” видеосигналов, охватывающих заданный участок спектра. Задача состоит в том, чтобы дифракционная эффективность для различных монохроматических изображений сохранялась достаточно большой, т.е. чтобы интенсивности сигналов на заданных длинах волн (на рис.8 на л1, л2, л3) - облученности для различных порядков дифракции были сравнимы между собой.
Преимуществом такой схемы разложения оптического сигнала в спектр с последующим выделением узких спектральных рабочих диапазонов (схемы с «продольной» линейной дисперсией), по сравнению с традиционными схемами с призмами или дифракционными решетками (схемами с «поперечной» линейной дисперсией), является то, что в ней поток внутри рабочего спектрального диапазона собирается всей входной апертурой объектива, а не узкими щелями монохроматора, что упрощает конструкцию. Роль щели здесь выполняет пиксел или окно из нескольких пикселов МПИ, размеры которых должны быть согласованы с размерами кружков рассеяния, создаваемых дифракционным оптическим элементом.
Нужно учитывать, что в такой схеме в плоскости наилучшей фокусировки излучения с какой-либо длиной волны лi имеют место расфокусированные изображения, создаваемые излучениями с другими л, т.е. на монохроматическое изображение с лi накладывается полихроматическое изображение. Кроме того, поскольку отдельным длинам волн соответствуют различные фокусные расстояния, увеличение в такой схеме зависит от л. Поэтому для восприятия каждого монохроматического изображения как части единого (полихроматического) изображения нужна коррекция изменяющегося увеличения и, как следствие, изменений размеров изображений. При переменном увеличении происходит изменение частоты Найквиста [11], что может привести к появлению ложных изображений (побочных гармоник в спектре сигнала, снимаемого с МПИ).
Помимо трудностей обеспечения хорошего качества изображения для различных порядков дифракции (различных рабочих спектральных диапазонов) недостатком описанной схемы является необходимость перемещения МПИ вдоль оптической оси. Последнее, впрочем, сравнительно просто решается путем надлежащей обработки сигналов, снимаемых с чувствительных элементов МПИ. Для уменьшения перекрестных спектральных связей между отдельными каналами могут быть использованы специальные алгоритмы обработки сигналов.
Так например, в видеоспектрометре с дифракционным элементом, работающим по описанной схеме, было получено спектральное разрешение в видимом и средневолновом ИК диапазонах порядка л/Дл = 0,25% [80]. При этом использовались InSb - МПИ форматов 512х512, 256х256 и 128х128 с размерами пикселов 25 мкм. Для перемещения МПИ применялся шаговый двигатель. Пространственное разрешение двух наблюдаемых объектов составляло один пиксел при спектральном разрешении 0,005 мкм. При испытаниях системы использовались объективы с фокусными расстояниями 160 мм (К=3,5) и 104 мм (К=2,5). Размеры окон, определяющих спектральную выборку и пространственное разрешение видеоспектрометра, менялись от 3х3 до 16х16 пикселов. Электронная схема считывания и обработки сигналов позволяла получать до 18000 кадров в секунду для окна 16х16 пикселов.
Еще одним способом разделения спектральных рабочих диапазонов непосредственно в конструкции ФПУ является размещение микролинзового дифракционного растра перед чувствительным слоем приемника. Каждая линза растра, сопряженная с отдельным пикселом МПИ, фокусирует излучение одного спектрального состава в центральной части пиксела, а дифракционная структура одновременно строит изображение для внеосевых лучей (первых порядков дифракционной картины) для другого участка спектра в периферийной части пиксела, имеющей отличную от центральной части спектральную чувствительность. На рис.9 показано поперечное сечение одного пиксела такого двухдиапазонного ФПУ [139]. Дифракционный микролинзовый растр может формироваться непосредственно в подложке МПИ. Хорошей фокусировке излучения в малое пятно в центре пиксела способствует эффект оптической иммерсии, особенно если показатель преломления материала подложки достаточно велик (например, у кремния он равен 3,4).
Микролинзы должны обладать большим хроматизмом, чтобы лучше разделять область хорошей фокусировки, т.е. один спектральный рабочий диапазон, и область размытого изображения, т.е. второй спектральный рабочий диапазон. Методы расчета таких линз - хроматических аксиконов приводятся в специальной литературе, в частности, простые формулы для расчета фазового профиля линз с заданным фокусным расстоянием приведены в [139].
Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований МПИ формата 256х256 с микролинзовым растром подтвердили возможность достаточно хорошего разделения двух спектральных диапазонов: коротковолнового с явно выраженным максимумом на длине волны 8 мкм (при фокусном расстоянии линз 50 мкм и квадратной апертуре 50х50 мкм2) и длинноволнового с нижней границей спектральной характеристики в районе 12 мкм [139].
Наибольший интерес сегодня привлекают МОЭС с единой для всех узких рабочих диапазонов оптической системой (объективом), строящей изображения на многослойном матричном многодиапазонном МПИ. Чувствительные слои пикселов такого приемника расположены один под другим и поглощают излучение каждый в своем узком рабочем диапазоне (см. ниже главу 4).
Для многослойных МПИ расположение плоскостей наилучшего изображения для рабочих спектральных диапазонов должно совпадать с соответствующими чувствительными слоями. Если рабочие спектральные диапазоны заметно разнятся, то при такой схеме построения МОЭС возникает проблема обеспечения одинакового геометрического разрешения для всех диапазонов. Поскольку дифракционные пределы разрешения и хроматические аберрации различны для разных длин волн, обычно в МОЭС с единым МПИ приходится идти на потерю пространственного разрешения в более коротковолновых диапазонах, так как, например, больший размер дифракционного изображения в длинноволновом диапазоне вынуждает применять МПИ с большими размерами пикселов.
Успехи микроэлектронной технологии позволили реализовать на практике принцип размещения в одной плоскости чувствительного слоя МПИ пикселов с различной спектральной чувствительностью. Ниже (см. раздел 4.3) будут приведены параметры и характеристики четырехдиапазонного МПИ общего формата 640х512, в котором чередуются строки пикселов с размерами 25 мкм, чувствительных в различных диапазонах (формат МПИ для каждого спектрального диапазона равен 640х128).
Сегодня практической реализации ОЭС с многодиапазонными МПИ препятствуют следующие причины:
отсутствие или чрезмерная сложность и дороговизна многодиапазонных (3х и 4х-цветных) МПИ с требуемыми спектральными характеристиками, особенно для диапазонов, лежащих за пределами 12 мкм;
необходимость охлаждения и даже глубокого охлаждения ряда МПИ, например, приемников на базе Si:As до 10 К;
сложность создания простой и недорогой оптической системы, работающей одновременно во всех рабочих спектральных диапазонах МОЭС и обеспечивающей хорошее качество изображения в каждом их них;
проблема одновременной обработки информации, получаемой в отдельных рабочих диапазонах.
Еще одним интересным путем разделения спектральных диапазонов на узкие полосы, осуществляемым непосредственно в конструкции ФПУ, является подстройка размеров оптических резонаторов матричных МПИ. В длинноволновом участке ИК спектра (8…14 мкм) возможно получать отдельные полосы шириной 0,5…1,0 мкм с квантовой эффективностью порядка 25…30 % [29или 30 ?.
2. Требования к оптическим системам МОЭС и пути их выполнения
Исходя из назначения и специфики работы конкретных МОЭС (системы визуализации, спектрорадиометрические системы, координатно-измерительные и следящие системы и др.) требования к их оптическим системам и согласованию их параметров и характеристик с параметрами и характеристиками других блоков МОЭС могут быть различными. Так, могут сильно разниться расположение и ширина рабочих спектральных диапазонов. Для высокоточных измерительных и следящих систем кружок рассеяния оптической системы в случае точечных целей должен перекрывать несколько пикселов МПИ, а в системах визуализации и спектрорадиометрах с высоким пространственным разрешением этот кружок должен укладываться в размер одного пиксела.
В то же время разнообразные оптические системы МОЭС, работающих в двух и более спектральных диапазонах, часто должны удовлетворять ряду общих требований. Как правило, они должны обладать достаточным пропусканием во всех рабочих диапазонах и обеспечивать хорошее качество изображения в этих диапазонах.
Улучшение качества оптического изображения в МОЭС с матричными МПИ помимо традиционного повышения разрешающей способности оптической системы путем уменьшения ее аберраций (аберрационная коррекция) может предусматривать также коррекцию неоднородности распределения освещенности по угловому полю системы, подавление шумов и помех в изображении, улучшение контраста обнаруживаемых и наблюдаемых объектов на фоне, высокочастотную коррекцию функции передачи модуляции. Наличие в составе МОЭС матричного МПИ с достаточно большим пространственным разрешением позволяет проводить перечисленные операции по отношению к электронному изображению, образуемому на выходе МПИ и ФПУ, т.е. перенести требуемую обработку изображения в электронный тракт. При этом, конечно, не следует забывать о таком специфическом факторе, свойственном ОЭС с МПИ, как возникновение искажений в спектре выходного (электронного) изображения - «наложении спектров» при превышении высокочастотными составляющими спектра исходного (оптического) изображения частоты Найквиста, определяемой дискретной структурой чувствительного слоя МПИ [11].
Очень часто сегодня на первый план при выборе или разработке оптической системы МОЭС выдвигаются задачи упрощения оптической схемы, сокращения числа ее компонентов, уменьшения массы и габаритов, снижения стоимости оптических деталей и системы в целом. При этом требования к качеству изображения и светосиле оптической системы остаются высокими, особенно учитывая прогресс в создании новых крупноформатных МПИ с уменьшенными размерами чувствительных элементов. Однако следует помнить, что при формулировании требований к качеству изображения, т.е. к разрешающей способности оптических систем, работающих в широком спектральном диапазоне, необходимо учитывать тот факт, что с ростом длины волны увеличивается дифракционный предел разрешения, а для систем, работающих в турбулентных и рассеивающих средах, качество изображения может во многом определяться влиянием среды, например атмосферы. Именно последние факторы часто определяют разумные требования и к геометрооптическому разрешению МПИ.
Часто требования к схеме и конструкции оптической системы МОЭС определяются условиями надлежащей юстировки и калибровки системы. Например, требования к спектральному разрешению определяют степень коррекции хроматических аберраций в рабочих спектральных диапазонах каналов МОЭС и выбор материалов отдельных оптических деталей, а требования к идентичности координат изображений в разных оптических диапазонах совместно с геометрооптическими параметрами МПИ определяют величины допусков на изготовление, сборку и юстировку отдельных элементов и всей оптической системы.