Характеристики волоконно-оптических дисков
Передача световой энергии через стекловолокно основана на принципе полного внутреннего отражения световых лучей. Луч света от источника попадает на входную отполированную поверхность торца световода, проходит через всю его длину, многократно отражаясь от границы стержень — оболочка, и выходит через выходной торец световода без потерь энергии. Полное внутреннее отражение происходит только в том случае, когда луч попадает на торец стекловолокна под углом, меньшим некоторого критического угла а о (рис. 11.2), называемого апертурным. Апертурный угол зависит только от соотношения коэффициентов преломления стержня «ст и оболочки поб стекловолокна: чем больше различие в пет и поб, тем больше критический апертурный угол «о и тем более широкий пучок лучей может входить в стекловолокно и без потерь энергии выходить из противоположного торца. Если луч падает на входной торец волокна под углом a i (меньшим апертурного угла а о, то в идеальном случае он выйдет из стекловолокна под тем же углом.
Луч, падающий на торец стекловолокна под углом, который больше апертурного, преломляется и частично выходит из канала стержня в оболочку и в промежутки между волокнами. Следовательно, этот луч не достигнет выходного торца волокна, не будет участвовать в создании полезного сигнала и создаст «паразитное» свечение, ухудшающее качество изображения.
Номинальная числовая апертура Ао и соответствующий ей апертурный угол ао определяют раствор конуса на входе в световод, внутри которого лежат лучи, выходящие из стекловолокна без потерь.
Каждому значению числовой апертуры соответствует определенный апертурный, т. е. максимальный угол падения лучей, которые можно передавать через это волокно. Например, волокна, у которых стержень и оболочка имеют разницу коэффициентов преломления (Ао = Тпст —поб), равную 0,19, обладают апертурным углом 31,8°; если Ао = 0,438, то апертурный угол равен 52°, при Ао = 0,65281,4°; при Ао = 0,866120°.
Светопропускание световодов определяется тем, какая часть светового потока, падающего на входной торец, выходит из выходного торца ВОД.
Световая проницаемость (или коэффициент пропускания т) световода равна 1, если происходит полное внутреннее отражение лучей от поверхности раздела стержень — оболочка.
Основные параметры ВОД: номинальная числовая апертура, светопропускание (или коэффициент пропускаемое™), разрешающая способность, частотно-контрастная характеристика, шумы.
Номинальная числовая апертура Ао определяется из следующего выражения:
Потери энергии в световоде происходят из-за частичного отражения света от торцевой поверхности стекловолокна — при наклонном падении лучей; частичного поглощения и рассеивания света в промежутках между отдельными волокнами или в самом стеклянном стержне (при наличии в стекле следов загрязнений); дефектов поверхностей соприкосновения стержня и оболочки (в частности, неровностей), образовавшихся при изготовлении стекловолокна. Эти потери могут составлять до 40%.
Потери световой энергии в стекловолокне прямо гфопорциональны длине волокна, тангенсу угла наклона лучей к оси световода и обратно пропорциональны его диаметру.
Оптимальная толщина оболочек стекловолокон не должна превышать 5 — 20% от диаметра стержня световода и обычно равна 0,8 — 1,2 мкм, так как лучи, падающие на входные торцы светоизолирующих оболочек, являются «паразитными», снижающими светопропускаемосгь волокон и контрастность изображения.
Светопропускание волокна зависит также от длины волны излучения, поэтому ВОД могут применяться для выделения лучей определенной длины (например, стекловолкна прозрачны для ультрафиолетовой части спектра).
Разрешающая способность ВОД зависит от диаметра отдельных волокон и регулярности их расположения относительно друг друга. Таким образом, разрешающая способность тем выше, чем меньше расстояние D между центрами волокон. .
Хотя уменьшение диаметра волокон положительно сказывается на разрешающей способности экрана, однако одновременно снижается проницаемость световода за счет рассеивания светового потока, повышается хрупкость и увеличивается разброс размеров входного и выходного торцов волокон.
Ча стотно — к онтра стна я характеристика (ЧКХ) волоконного диска характеризует пространственное распределение информации и отражает зависимость контраста «с» передаваемого изображения от пространственной частоты v тест-объекта (рис. 11.3). Она определяется микрофотографированием изображения периодического тест-объекта, переданного через исследуемый волоконный элемент.
По частотно-контрастной характеристике можно определить пороговый контраст. С увеличением пространственной частоты (т. е. количества различимых линий на длине в 1 мм) контраст снижается.
Для сохранения высокого контраста передаваемого изображения показатель преломления стекла стержня должен быть значительно больше показателя преломления стекла оболочки и соответственно апертура А о 0,8 должна быть высокой.
Контраст улучшается также с увеличением толщины волоконно-оптического диска, однако снижается его светопроницаемость.
Гексагональный массив волокон или каналов представляет собой периодическую структуру с шагом Н (рис. 11.4), который зависит от выбора направления и составляет от Hi = /3h/2 до Яг-= А/2, где h — расстояние между центрами волокон. Граничная пространственная частота, которую способна передать такая структура, определяется из соотношения:
Поэтому для гексагональной структуры ВОП основной высокоча- / стотный «муаровый» предел различимых пространственных частот составляет в зависимости от ориентации наблюдения 1/V3T или 1/Л. Для больших частот изображение прямых линий становится извилистым и прерывистым, линии могут изменять свое истинное направление, можно наблюдать даже изменение знака контраста. В результате картина изображения, оставаясь в отдельных частях достаточно контрастной, в других теряет сходство с исходным объектом. Поэтому «муаровые» пределы ограничивают разрешающую способность ВОП, а также микроканальных пластин МКП.
Под шумами волоконных деталей принято понимать неравномерность пропускания света в различных стекловолокнах, составляющих ВОД. Наличие шумов приводит к неравномерности распределения яркости и искажению изображения. Причинами наличия шумов могут быть:
разброс в диаметрах стержней-световодов по сечению ВОД;
разброс размеров оболочек волокон по сечению ВОД;
обрывы отдельных световодов (это приводит к пиковым выбросам светопропускания);
наличие закрученных световодов (при этом элемент изображения, поданный на входной торец световода, оказывается перевернутым на некоторый угол на выходном торце) — в результате уменьшается разрешающая способность и возникают геометрические искажения;
наличие деформированных волокон, имеющих форму, отличную от шестигранника;
наличие темных световодов или частично не пропускающих свет, что приводит к потере данного элемента изображения и соответственно уменьшению объема передаваемой информации.
Микроканальные пластины (МКП) применяются в фотоэлектронных умножителях и электронно-оптических преобразователях для усиления электронного потока, испускаемого с катода, т. е. усиления токовых сигналов.
Микроканальные пластины представляют собой сотовые структуры, состоящие из сотен тысяч параллельно уложенных стеклянных каналов диаметром 5 — 40 мкм (рис. 11.5). Число каналов в МКП площадью 1 см2 подсчитывается из выражения:
Толщина стеклянной трубки (т. е. перегородки между каналами) 2 — 5 мкм.
Каждый канал является самостоятельным усилителем тока и работает независимо от других, входящих в микроканальные пластины. На их торцевые поверхности нанесены электропроводящие покрытия, служащие электродами, через которые к каналам подводится напряжение от источника питания. Таким образом, между входным и выходным отверстиями каналов возникает разность потенциалов. Внутренняя поверхность всех каналов должна иметь большое электрическое сопротивление (108 — 1012 Ом мм)1 и высокий коэффициент вторичной эмиссии (2,8 3,5).
Например, при расстоянии между центрами каналов h в =12 мкм МКП диаметром 30 мм содержит 5,7 млн. каналов. Микроканальные пластины отличаются от волоконно-оптических дисков тем, что у них по всему сечению удалены световедущие жилы — стержни и на их месте образованы полые каналы.