Потенциальные возможности дифракционных оптических элементов в гибридных системах длинноволнового ИК диапазона

И. А. ЛЕВИН

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГИБРИДНЫХ СИСТЕМАХ ДЛИННОВОЛНОВОГО ИК ДИАПАЗОНА

Рассмотрены потенциальные возможности дифракционных оптических элементов (ДОЭ) в гибридных системах длинноволнового ИК диапазона. Показаны пути одновременного достижения ахроматизации и атермализации тепловизионных объективов. Предложена оптимальная форма рельефа микроструктуры ДОЭ, позволяющая достичь максимально возможной дифракционной эффективности в рабочем спектральном диапазоне.

Номенклатура оптических материалов для систем, работающих со спектром излучения вне видимого диапазона (0,4-0,7 мкм), значительно сужается по мере удаления, как в коротковолновую, так и в длинноволновую области. Следствием этого является либо усложнение оптической схемы для достижения требуемого уровня остаточных аберраций, либо падение качества формируемого изображения. Так, например, в области спектра 8-14 мкм наиболее распространенным оптическим материалом, используемым при компоновке исходных схем объективов тепловизионных приборов, является германий [1]. Несмотря на некоторые преимущества, такие как высокий показатель преломления, низкая дисперсия и сравнительно небольшая стоимость, его применение в высокоразрешающих системах осложняется рядом недостатков. К их числу можно отнести сильное поверхностное отражение, требующее нанесения просветляющих пленок, значительный температурный коэффициент показателя преломления, вынуждающий искать пути атермализации системы, а также потеря прозрачности Германия с ростом температуры (в два раза при нагреве до 100..120°С и почти полностью при 160..200°С). Кроме того, в столь широком спектральном диапазоне существенную роль начинают играть хроматические аберрации, коррекция которых становится необходимой.

Снизить френелевские потери можно путем сокращения числа преломляющих поверхностей и нанесения на них антибликовых покрытий. Проблема же атермализации и ахроматизации системы решается подбором оптических материалов. При этом удовлетворить обоим требованиям без применения дорогостоящих и подчас токсичных материалов является довольно сложной задачей.

В данных условиях наиболее перспективным путем видится расширение элементной базы за счет включения в нее дифракционных оптических элементов (ДОЭ). Рациональное совмещение возможностей дифракционного и рефракционных компонентов, в том числе асферических, позволяет произвести надлежащую коррекцию как хроматических, так и монохроматических аберрации. При этом число зон Френеля дифракционной микроструктуры варьируется от 2 до 5. Столь малое количество зон обусловлено низкой оптической силой ДОЭ, которой, в силу уникальных дисперсионных свойств элемента, вполне достаточно для компенсации хроматизма рефракционной части объектива. В целом при переходе к гибридной схеме удается значительно уменьшить число линз и используемых оптических материалов [2], что в свою очередь ведет к увеличению светопропускания объектива.

Основные ограничения реализации возможностей ДОЭ связанны с технологическими проблемами создания оптимальной формы рельефа низкочастотной микроструктуры, позволяющей достичь максимально возможной дифракционной эффективности в рабочем спектральном диапазоне. В работе [3] показано, что при малом числе зон необходимо выбирать рельеф таким, чтобы в пределах каждой зоны Френеля фазовая задержка, вносимая ДОЭ, соответствовала заданной. Отметим также, что даже в идеальном случае дифракционная эффективность на краях рабочего спектрального диапазона (8-14 мкм) падает до 78%.

Что касается атермализации системы, то ее добиваются, как ранее было сказано, путем подбора соответствующих материалов с различными по знаку температурными коэффициентами преломления. Введение же ДОЭ в силу слабой зависимости его оптической силы от температуры не должно нарушить достигнутый баланс.

Работа выполнена при поддержке Президента РФ (Грант МД.9) и Министерства образования и науки РФ в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы (ГК 16.740.11.0145).

Список литературы

1. Тарасов В. В., Якушенков  системы «смотрящего» типа. М.: Логос, 2004.

2. Бармичева Г. В., Ган М. А., Старков  эффективности применения асферико-дифракционных элементов в оптических системах для ИК области. IX Межд. конф. «Прикладная оптика-2010». СПб.: ИТМО, 2010. С.227-230.

3. Грейсух Г. И., Ежов Е. Г., Калашников А. В., Левин И. А., Степанов С. А. Эффективность рельефно-фазовых дифракционных элементов при малом числе зон Френеля. Оптика и спектроскопия. 2012. Т.113. №4. С.468-473.