Оптико-электронные приборы: определение, обобщенные схемы и методы работы

   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.