Изготовление голограммных зеркал для системы ночного видения
ГОЛОГРАФИЯ
УДК 535.42 ИЗГОТОВЛЕНИЕ ГОЛОГРАММНЫХ ЗЕРКАЛ ДЛЯ СИСТЕМЫ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ
© 2011 г. Н. И. Гусарова*, канд. техн. наук; Д. С. Лушников**; В. В. Маркин**; С. Б. Одиноков**, канд. техн. наук; В. В. Поздняков**
** “Дом оптики” ВНЦ “Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова”, Москва
** Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва
** Е-mail: odinokov@rl2.bmstu.ru
Рассмотрены вопросы, связанные с изготовлением плоских и сферических голограммных зеркал, предназначенных для работы в составе окулярной системы очков ночного видения на слое бихромированного желатина. Предложены метод записи голограммных зеркал, принципы расчета параметров оптической схемы установки для их записи. Приведены технология процесса и результаты работ по изготовлению голограммных зеркал.
Ключевые слова: голограммные оптические элементы, голограммные зеркала, бихромированный желатин.
Коды OCIS: 090.2890, 090.7330
Поступила в редакцию 19.04.2010
Выбор типа зеркал как голограммных оптических элементов и требования к ним определены условиями работы зеркал в составе окулярной системы очков ночного “сквозного” видения (ОНВ). В таких очках обеспечивается одновременное наблюдение как ночной сцены через ночной канал, так и прямое наблюдение той же сцены в видимой области спектра, минуя ночной канал [1, 2]. Это позволяет повысить поисковые возможности, обеспечить более комфортные условия работы в этих очках, а также сохранить работоспособность в присутствии интенсивных световых помех, в том числе света фар встречного транспорта при управлении автомобилем. Кроме того, при управлении транспортным средством в ночных условиях происходит одновременное наблюдение внекабинного пространства через ночной канал и прямое наблюдение внутреннего пространства кабины и пульта управления со светящимися индикаторами.
Изображение на фотокатоде электроннооптического преобразователя (ЭОП), сформированное объективом ночного канала ОНВ, после преобразования по яркости и спектру рассматривается на экране ЭОП через оптическую систему с промежуточным изображением [3],
включающую проекционную часть и собственно окулярную систему. Элементы окулярной системы для ночного канала и канала прямого видения являются общими, позволяющими одновременно видеть и изображение на экране ЭОП, и вести прямое наблюдение. В данном случае окулярная система строится на основе двух оптических элементов: плоского 1 и сферического 2 полупрозрачных зеркал (рис. 1). Прямое наблюдение осуществляется при работе обоих зеркал на пропускание. При работе в ночном канале оба зеркала работают в отраженном свете, а плоское зеркало по отношению к пучку, отраженному от сферического зеркала, одновременно и в проходящем. Изображение с экрана ЭОП переносится в переднюю фокальную плоскость сферического зеркала с точкой F на оси. Ход лучей, формирующих это изображение в центре поля зрения, представлен на рисунке пунктирными линиями. Непрерывные линии показывают ход лучей, формирующих изображение зрачка выхода ОНВ с центром в точке С′, сопряженное с промежуточным изображением зрачка входа с центром в точке С. Спектральный состав излучения, создающего наблюдаемое изображение в ночном канале, определяется спектром излучения лю-
36 “Оптический журнал”, 78, 2, 2011
минофора экрана используемого ЭОП. В рассматриваемом случае это излучение с центральной длиной волны λмакс = 546 нм и полушириной спектра порядка 15 нм.
Обеспечение высокой яркости наблюдаемого изображения в ночном канале предполагает максимально высокие коэффициенты отражения обоих зеркал в относительно узкой спектральной области излучения люминофора ЭОП при первичном падении излучения на элемент и максимальный коэффициент пропускания плоского зеркала в той же спектральной области при прохождении через него излучения, отраженного сферическим зеркалом в направлении глаза наблюдателя. Узкий спектр отражения зеркал при работе в ночном канале обеспечивает высокий коэффициент пропускания зеркал в остальной видимой области спектра, что создает в канале прямого наблюдения максимальную яркость изображения.
В полной мере указанным требованиям отвечают голограммные зеркала, полученные в толстом слое бихромированного желатина (БХЖ) с экспонированием по схеме Ю.Н. Денисюка. Достигнутые типичные значения параметров таких зеркал: коэффициент пропускания
С
F
O С
D 21
Рис. 1. Принципиальная схема окулярной системы ОНВ.
по интенсивности для рабочей длины волны λмакс – менее 10–5, полуширина δλ0,5 спектральной полосы отражения – 10–15 нм, интеграль-
ный коэффициент пропускания по интенсивно-
сти вне спектральной полосы отражения – 90%
и более [4, 5]. При этом значение угловой селек-
тивности δα0,5 может быть оценено из соотношения [6]
δα0,5 = δλ0,5 tg θ0 /λ.
(1)
Здесь θ0 – угол Брэгга в регистрирующей среде, определяемый в свою очередь как
θ0 = π/2− arcsin(sinϕ/n),
(2)
где ϕ – угол падения излучения на зеркало. В рассматриваемом случае при падении све-
та в ночном канале на голограммное плоское зеркало (ГПЗ) под углом ϕ = 51° на длине волны λмакс = 546 нм угол θ0 из уравнения (2) составляет 59°, что при δλ0,5 = 15 нм из соотношения (1) дает значение δα0,5 = 2,6° в регистрирующей среде и, соответственно, 3,9° в воздухе. Очевидно, что в указанной угловой зоне падающих на голограммное зеркало лучей (брэгговской зоне) будет наблюдаться максимальное отражение лучей и, соответственно, минимальное их пропускание до практически полного гашения в середине указанной угловой зоны. Поэтому для ГПЗ, работающего в отраженном свете, при первичном падении на него лучей в ночном канале все падающие на него лучи в каждой точке зеркала должны располагаться в пределах указанной брэгговской зоны. Наоборот, при вторичном падении этих лучей на ГПЗ после отражения от голограммного сферического зеркала (ГСЗ) они должны находиться вне этой зоны.
Для обеспечения высокой дифракционной эффективности [7] брэгговские направления здесь определены как направления лучей, обеспечивающих сопряжение центров С и С′ зрачков входа и выхода (непрерывные линии на рис. 1). Сформулированное выше условие эффективной работы ГПЗ для любой его точки в отношении лучей, отраженных от ГСЗ, может быть представлено в виде соотношения
β ≥ δα0,5,
(3)
где β – угол между лучом, исходящим из точки С после его отражения от ГПЗ, и лучом, пришедшим в ту же точку ГПЗ (точка О на рис. 1) после отражения от ГСЗ.
Условие (3) диктует выбор угла ϕ (рис. 1), отличающегося от 45°. В рассматриваемом
“Оптический журнал”, 78, 2, 2011
37
случае этот угол принят равным 51° и, соответственно, запись ГПЗ должна вестись в расчете на отражение гомоцентрического пучка с центром в точке С при угле падения пучка на зеркало ϕГПЗ, равном ϕ. В выбранной компоновке окулярной системы оси пучков в ночном канале на входе и выходе перпендикулярны, что определяет необходимость записи ГСЗ в расчете на отражение гомоцентрического пучка с центром в точке С, сходящегося после отражения в точке С′, при угле падения пучка на зеркало ϕГСЗ = ϕ – 45°.
Рис. 2 иллюстрирует общий принцип записи голограммных зеркал, использованный в настоящей работе, который одинаков для обоих типов голограммных зеркал. Схема формирования интерференционного поля, регистрируемого в светочувствительном слое БХЖ, представляет модификацию схемы Ю.Н. Денисюка.
Регистрируемое интерференционное поле формируется в результате сложения встречных когерентных пучков одним, гомоцентрическим с центром расходимости в точке P, и другим, отраженным от поверхности металлизированного зеркала. Такая схема обеспечивает параллельность страт интерференционного поля поверхности регистрирующей среды.
Для записи зеркал использовалось излучение многочастотного твердотельного YAG-лазера на длине волны 532 нм с шириной спектра излучения порядка 0,05 нм. Относительно малая длина когерентности лазера (порядка 2 мм) в предложенной схеме записи при толщине регистрирующего слоя БХЖ, использовав-
(а) P (б) P
11 22 33 44
Рис. 2. Схема формирования интерференционного поля при записи плоского (а) и сферического (б) голограммных зеркал. 1 – зеркало металлизированное, плоское (а) или сферическое (б), 2 – слой иммерсионной жидкости, 3 – регистрирующий слой, 4 – подложка голограммного зеркала.
шегося при записи, 50 мкм обеспечивает получение достаточной контрастности основного интерференционного поля в самом слое БХЖ. С другой стороны, при относительно большой толщине подложки зеркала (порядка 3 мм) паразитные интерференционные структуры, обусловленные отражением излучения от внешней стороны подложки, практически отсутствуют. В схеме записи нет пространственно разделенных каналов формирования предметного и опорного пучков. Благодаря этому схема обладает высокой помехоустойчивостью по отношению к внешним механическим факторам нестабильности и обеспечивает запись даже при большом времени экспонирования, составившем в данном случае 2 мин. Из соображений удобства закрепления представленных на рис. 2 технологических блоков на стенде записи и обеспечения стабильного состояния иммерсионного слоя во время экспонирования выбрано горизонтальное положение указанных блоков.
Отличие длины волн при записи голограммных зеркал (λ1 = 532 нм) и длины волны при работе зеркал в составе окулярной системы (λ2 = 546 нм), а также изменение толщины или усадки регистрирующего слоя в результате его постэкспозиционной обработки ставят задачу определения положения центра Р расходимости предметного гомоцентрического пучка относительно регистрирующего слоя, а именно угла падения предметного пучка ϕР на поверхность регистрирующего слоя и удаления этого центра L1 от расчетной точки на поверхности регистрирующего слоя. Алгоритм решения этой задачи, иллюстрируемый схемой на рис. 3, при записи ГПЗ одинаков для обоих типов зеркал. Центр расходимости предметного пучка Р при записи голограммного зеркала на длине волны λ1 определяется как точка пересечения или, точнее, как геометрический центр тяжести зоны пересечения лучей, исходящих из этой зоны и обеспечивающих после записи и послеэкспозиционной обработки, включая заклейку слоя БХЖ с зарегистрированной голограммой на подложке, получение в каждом участке зеркала дифракционной структуры, дающей брэгговское зеркальное отражение лучей на рабочей длине волны λ2 с центром расходимости в точке С при работе зеркала в составе окулярной системы. То есть период di этой дифракционной структуры в направлении, перпендикулярном поверхности регистрирующего слоя, в каждом i-м участке зеркала должен одновременно удовлетворять соотношениям
38 “Оптический журнал”, 78, 2, 2011
Z
2 1
C
P
P
L
2
X O
L1
Рис. 3. К определению положения центра предметного пучка Р при записи ГПЗ.
di = λ1/K2nsinαn1i
(4)
и
di = λ2 /2nsinαn2i,
(5)
где n – показатель преломления регистрирующей среды, K – коэффициент усадки регистрирующего слоя в результате постэкспозиционной обработки, определяемый отношением толщин регистрирующего слоя до и после указанной обработки, αn1i и αn2i – углы в регистрирующей среде между направлениями преломленных в среде лучей, соответственно, на длине волны λ1, определяющих положение центра предметного пучка Р, и на длине волны λ2, исходящих из точки С, и поверхностью регистрирующей среды при записи ГПЗ или касательной к поверхности регистрирующей среды при записи ГСЗ.
Из соотношений (4) и (5) при известных значениях коэффициента усадки K, определяемого в результате предварительных экспериментов, показателя преломления n регистрирующего слоя БХЖ и углов αn2i, которые можно определить расчетным путем для каждого из выбранных участков зеркала на основании оптической схемы окулярной системы, находятся значения углов αn1i, определяющие направления лучей предметного пучка в регистрирующей среде. С использованием известных соотношений находятся соответствующие значения
углов ϕ1i падения лучей предметного пучка на регистрирующую среду в воздухе и, в конечном счете, положение центра Р предметного пучка, задаваемое в полярной системе координат параметрами ϕP и L1.
Заметим, что практически для определения положения центра предметного пучка достаточно ограничиться рассмотрением хода лучей для трех точек голограммных зеркал в меридиональном сечении, представленном на рисунках: центральной точки, находящейся на пересечении оптической оси окулярной системы с поверхностью зеркал, и 2-х крайних точек, определяемых их габаритами. Лучи предметного пучка, соответствующие этим точкам, определяют максимальные размеры упоминавшейся выше зоны пересечения. Размеры этой зоны обусловлены различием длин волн излучения при записи зеркала и при работе его в составе окулярной системы, а также усадкой регистрирующего слоя в результате его постэкспозиционной обработки. Эта зона определяет максимальные отклонения лучей при отражении от брэгговских направлений с соответствующим уменьшением отражательной способности зеркал. Угловые размеры этой зоны относительно центра зеркал в конкретном рассматриваемом случае не превысили 1° для обоих типов голограммных зеркал. С учетом предполагаемой угловой селективности ГПЗ порядка 4°, определяющей по существу предельно допустимые отклонения отраженных лучей от брэгговских направлений, упомянутое уменьшение отражательной способности не будет существенным.
На рис. 4 приведена оптическая схема стенда для записи ГПЗ. Излучение лазера 1 расширяется с помощью отрицательной линзы 2 до заполнения после отражения зеркалом 3 линейной апертуры микрообъектива 4. После прохождения узла фильтрации в составе микрообъектива 4 и точечной диафрагмы 5 сформированный узлом гомоцентрический предметный пучок направляется на фоточувствительную пластинку 6, находящуюся в контакте с металлизированным зеркалом 7. Центр О записываемого зеркала находится на расчетном расстоянии L1 от центра расходимости P предметного пучка при расчетном угле ϕР падения пучка на ГПЗ. При записи ГПЗ использовались пластинки ПФГ-04, серийно выпускаемые на ОАО “Славич” в г. Переяславль-Залесский (http:// www.slavich.ru/?id=24), с толщиной регистрирующего слоя БХЖ 50 мкм.
“Оптический журнал”, 78, 2, 2011
39
12
3 45 PP
Рис. 4. Оптическая схема стенда для записи ГПЗ.
L
1
O
6 7
Для записи ГСЗ слой БХЖ наносился на выпуклую поверхность стеклянной сферической подложки с заданным радиусом кривизны, определяемым оптической схемой окулярной системы. Способ нанесения отличается от общеизвестных способов [8], к которым, в частности, относится формование слоя БХЖ. Использованный в настоящей работе способ доступен для осуществления в лабораторных условиях и заключается в переносе слоя БХЖ с изготовленной в условиях серийного производства плоской фотопластинки ПФГ-04 на выпуклую поверхность сферической подложки. При этом последовательно выполняются следующие технологические операции:
– задубливание пластинок ПФГ-04 путем их прогрева в термостате при температуре 50–55 °С и влажности 50–60% в течение 12–14 часов,
– сенсибилизация пластинок в 1% растворе бихромата аммония в течение 3–4 минут при температуре 20–22 °С,
– перенос слоя БХЖ с пластинки на выпуклую сферическую поверхность,
– сушка подложки с перенесенным слоем БХЖ в термостате при температуре 35–40 °С и влажности 50–60% до полного высыхания (4–5 часов).
В результате проведения указанного технологического процесса получаются образцы сферических подложек со слоем БХЖ удовлетворительного качества в отношении равномерности толщины слоя и адгезионного взаимодействия слоя со стеклянной подложкой без потери его чувствительности.
Запись ГСЗ осуществлялась на том же стенде, что и запись ГПЗ (рис. 4), с установкой соответствующих расчетных значений параметров ϕP и L1.
На рис. 5 приведены фотографии технологических блоков для записи ГПЗ (а) и ГСЗ (б) в рассмотренном выше составе вместе с механическими элементами, обеспечивающими
(а) (б)
Рис. 5. Фотографии технологических блоков для записи ГПЗ (а) и ГСЗ (б). 40 “Оптический журнал”, 78, 2, 2011
сборку этих блоков с заливкой иммерсионной жидкости между оптическими элементами блоков.
Постэкспозиционная обработка голограммных зеркал проводилась по рекомендованной изготовителем фотопластинок ПФГ-04 технологии. Непосредственно после завершения процесса постэкспозиционной обработки слой БХЖ защищался путем заклеивания плоской стеклянной пластиной в случае ГПЗ или стеклянным сферическим мениском с необходимым радиусом кривизны в случае ГСЗ с использованием оптического клея ОК-72ФТ5. После защиты зеркала обрезались до заданных габаритов и конфигурации.
В таблице представлены измеренные параметры изготовленных голограммных зеркал, соответствующие центральной зоне, при работе в составе окулярной системы.
В целом все приведенные в таблице значения параметров изготовленных голограммных зеркал являются ожидаемыми и удовлетворяющими поставленным требованиям применительно к конкретным условиям их использования в составе окулярной системы. При этом общий коэффициент пропускания окулярной системы в ночном канале, определяемый как результат перемножения коэффициентов отражения ρмаксГПЗ на ρмаксГСЗ и на коэффициент пропускания τГПЗ, составил 0,58, а общий коэффициент пропускания окулярной системы в канале прямого видения, определяемый как произведение τинтГСЗ и τинтГПЗ, составил 0,64. Обращает на себя внимание существенно более низкая угловая селективность ГСЗ по сравнению с ГПЗ. Объяснением этого является существенно меньший угол падения пучка при работе ГСЗ, составляющий 6°, по сравнению с 51° для ГПЗ. Значения углов Брэгга θ0 в регистрирующей среде при этом составляют из выражения (2) 86° для ГСЗ и 59° для ГПЗ, в то время как теоретиче-
Параметры голограммных зеркал
Угловая селективность δα0,5,
град (в воздухе) Коэфф. отражения в угловом диапазоне
δα на λмакс, % Коэфф. пропускания
вне углового диапазона δα на λмакс τ, % Коэфф. пропускания интегральный для “белого”
света, %
Тип зеркала
ГПЗ
3
0,8 0,8 0,75
ГСЗ 20 0,9 — 0,85
ски [5] значение δα при прочих равных условиях обратно пропорционально величине cosθ0.
Заключение
В результате проведенных работ в МГТУ им. Баумана по созданию голограммных плоских и сферических зеркал применительно к условиям их использования в составе окулярной системы очков ночного видения разработана методика расчета параметров стенда для записи зеркал с использованием многочастотного твердотельного YAG-лазера с длиной волны излучения 532 нм, наиболее близкой к длине волны излучения люминофора экрана ЭОП. Экспериментально отработана технология изготовления зеркал с применением в качестве регистрирующей среды толстого слоя БХЖ. При этом показана возможность изготовления этого слоя на сферической подложке путем его переноса с плоской пластинки. Результаты работы могут быть использованы в расчетах параметров схем записи голограммных зеркал и фильтров различного применения, а также при их изготовлении.
ЛИТЕРАТУРА
1. Саликов В.Л. Эпоха ночной войны // Специальная техника. 2000. № 5. С. 21–32.
2. Волков В.Г. Приборы для вождения спецтехники в ухудшенных условиях видимости // Специальная техника. 2003. № 2. С. 2–14.
3. Ган М.А., Щеглов С.А., Ганн Я.М., Чертков А.С. Широкоугольные оптические системы с комбинером на основе синтезированных объемных голограмм для нашлемных дисплеев // Оптический журнал. 2008. Т. 75. № 3. С. 18–23.
4. Герке Р.Р., Корешев С.Н., Семенов Г.Б., Смирнов В.В. Голограммная оптика в “ГОИ им. С.И. Вавилова” // Оптический журнал. 1994. Т. 61. № 1. С. 26–39.
5. Лукин А.В. Голограммные оптические элементы // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 1. С. 80–87.
6. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография: Пер. с англ. Под ред. Островского Ю.И. М.: Мир, 1973. 686 с.
7. Ган М.А. Теория и методы расчета голограммных и киноформных оптических элементов. Л.: ГОИ, 1984. 140 с.
8. Лукин А.В., Шигапова Н.М. Голограммы Ю.Н. Денисюка на “толстых” слоях БХЖ как оптические элементы: селективные зеркала, NOTCHфильтры, дифракционные решетки // Сб. трудов Всероссийского семинара “Юрий Николаевич Денисюк – основоположник отечественной голографии”. Санкт-Петербург, 22–24 мая 2007. C. 144–147.
“Оптический журнал”, 78, 2, 2011
41
УДК 535.42 ИЗГОТОВЛЕНИЕ ГОЛОГРАММНЫХ ЗЕРКАЛ ДЛЯ СИСТЕМЫ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ
© 2011 г. Н. И. Гусарова*, канд. техн. наук; Д. С. Лушников**; В. В. Маркин**; С. Б. Одиноков**, канд. техн. наук; В. В. Поздняков**
** “Дом оптики” ВНЦ “Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова”, Москва
** Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва
** Е-mail: odinokov@rl2.bmstu.ru
Рассмотрены вопросы, связанные с изготовлением плоских и сферических голограммных зеркал, предназначенных для работы в составе окулярной системы очков ночного видения на слое бихромированного желатина. Предложены метод записи голограммных зеркал, принципы расчета параметров оптической схемы установки для их записи. Приведены технология процесса и результаты работ по изготовлению голограммных зеркал.
Ключевые слова: голограммные оптические элементы, голограммные зеркала, бихромированный желатин.
Коды OCIS: 090.2890, 090.7330
Поступила в редакцию 19.04.2010
Выбор типа зеркал как голограммных оптических элементов и требования к ним определены условиями работы зеркал в составе окулярной системы очков ночного “сквозного” видения (ОНВ). В таких очках обеспечивается одновременное наблюдение как ночной сцены через ночной канал, так и прямое наблюдение той же сцены в видимой области спектра, минуя ночной канал [1, 2]. Это позволяет повысить поисковые возможности, обеспечить более комфортные условия работы в этих очках, а также сохранить работоспособность в присутствии интенсивных световых помех, в том числе света фар встречного транспорта при управлении автомобилем. Кроме того, при управлении транспортным средством в ночных условиях происходит одновременное наблюдение внекабинного пространства через ночной канал и прямое наблюдение внутреннего пространства кабины и пульта управления со светящимися индикаторами.
Изображение на фотокатоде электроннооптического преобразователя (ЭОП), сформированное объективом ночного канала ОНВ, после преобразования по яркости и спектру рассматривается на экране ЭОП через оптическую систему с промежуточным изображением [3],
включающую проекционную часть и собственно окулярную систему. Элементы окулярной системы для ночного канала и канала прямого видения являются общими, позволяющими одновременно видеть и изображение на экране ЭОП, и вести прямое наблюдение. В данном случае окулярная система строится на основе двух оптических элементов: плоского 1 и сферического 2 полупрозрачных зеркал (рис. 1). Прямое наблюдение осуществляется при работе обоих зеркал на пропускание. При работе в ночном канале оба зеркала работают в отраженном свете, а плоское зеркало по отношению к пучку, отраженному от сферического зеркала, одновременно и в проходящем. Изображение с экрана ЭОП переносится в переднюю фокальную плоскость сферического зеркала с точкой F на оси. Ход лучей, формирующих это изображение в центре поля зрения, представлен на рисунке пунктирными линиями. Непрерывные линии показывают ход лучей, формирующих изображение зрачка выхода ОНВ с центром в точке С′, сопряженное с промежуточным изображением зрачка входа с центром в точке С. Спектральный состав излучения, создающего наблюдаемое изображение в ночном канале, определяется спектром излучения лю-
36 “Оптический журнал”, 78, 2, 2011
минофора экрана используемого ЭОП. В рассматриваемом случае это излучение с центральной длиной волны λмакс = 546 нм и полушириной спектра порядка 15 нм.
Обеспечение высокой яркости наблюдаемого изображения в ночном канале предполагает максимально высокие коэффициенты отражения обоих зеркал в относительно узкой спектральной области излучения люминофора ЭОП при первичном падении излучения на элемент и максимальный коэффициент пропускания плоского зеркала в той же спектральной области при прохождении через него излучения, отраженного сферическим зеркалом в направлении глаза наблюдателя. Узкий спектр отражения зеркал при работе в ночном канале обеспечивает высокий коэффициент пропускания зеркал в остальной видимой области спектра, что создает в канале прямого наблюдения максимальную яркость изображения.
В полной мере указанным требованиям отвечают голограммные зеркала, полученные в толстом слое бихромированного желатина (БХЖ) с экспонированием по схеме Ю.Н. Денисюка. Достигнутые типичные значения параметров таких зеркал: коэффициент пропускания
С
F
O С
D 21
Рис. 1. Принципиальная схема окулярной системы ОНВ.
по интенсивности для рабочей длины волны λмакс – менее 10–5, полуширина δλ0,5 спектральной полосы отражения – 10–15 нм, интеграль-
ный коэффициент пропускания по интенсивно-
сти вне спектральной полосы отражения – 90%
и более [4, 5]. При этом значение угловой селек-
тивности δα0,5 может быть оценено из соотношения [6]
δα0,5 = δλ0,5 tg θ0 /λ.
(1)
Здесь θ0 – угол Брэгга в регистрирующей среде, определяемый в свою очередь как
θ0 = π/2− arcsin(sinϕ/n),
(2)
где ϕ – угол падения излучения на зеркало. В рассматриваемом случае при падении све-
та в ночном канале на голограммное плоское зеркало (ГПЗ) под углом ϕ = 51° на длине волны λмакс = 546 нм угол θ0 из уравнения (2) составляет 59°, что при δλ0,5 = 15 нм из соотношения (1) дает значение δα0,5 = 2,6° в регистрирующей среде и, соответственно, 3,9° в воздухе. Очевидно, что в указанной угловой зоне падающих на голограммное зеркало лучей (брэгговской зоне) будет наблюдаться максимальное отражение лучей и, соответственно, минимальное их пропускание до практически полного гашения в середине указанной угловой зоны. Поэтому для ГПЗ, работающего в отраженном свете, при первичном падении на него лучей в ночном канале все падающие на него лучи в каждой точке зеркала должны располагаться в пределах указанной брэгговской зоны. Наоборот, при вторичном падении этих лучей на ГПЗ после отражения от голограммного сферического зеркала (ГСЗ) они должны находиться вне этой зоны.
Для обеспечения высокой дифракционной эффективности [7] брэгговские направления здесь определены как направления лучей, обеспечивающих сопряжение центров С и С′ зрачков входа и выхода (непрерывные линии на рис. 1). Сформулированное выше условие эффективной работы ГПЗ для любой его точки в отношении лучей, отраженных от ГСЗ, может быть представлено в виде соотношения
β ≥ δα0,5,
(3)
где β – угол между лучом, исходящим из точки С после его отражения от ГПЗ, и лучом, пришедшим в ту же точку ГПЗ (точка О на рис. 1) после отражения от ГСЗ.
Условие (3) диктует выбор угла ϕ (рис. 1), отличающегося от 45°. В рассматриваемом
“Оптический журнал”, 78, 2, 2011
37
случае этот угол принят равным 51° и, соответственно, запись ГПЗ должна вестись в расчете на отражение гомоцентрического пучка с центром в точке С при угле падения пучка на зеркало ϕГПЗ, равном ϕ. В выбранной компоновке окулярной системы оси пучков в ночном канале на входе и выходе перпендикулярны, что определяет необходимость записи ГСЗ в расчете на отражение гомоцентрического пучка с центром в точке С, сходящегося после отражения в точке С′, при угле падения пучка на зеркало ϕГСЗ = ϕ – 45°.
Рис. 2 иллюстрирует общий принцип записи голограммных зеркал, использованный в настоящей работе, который одинаков для обоих типов голограммных зеркал. Схема формирования интерференционного поля, регистрируемого в светочувствительном слое БХЖ, представляет модификацию схемы Ю.Н. Денисюка.
Регистрируемое интерференционное поле формируется в результате сложения встречных когерентных пучков одним, гомоцентрическим с центром расходимости в точке P, и другим, отраженным от поверхности металлизированного зеркала. Такая схема обеспечивает параллельность страт интерференционного поля поверхности регистрирующей среды.
Для записи зеркал использовалось излучение многочастотного твердотельного YAG-лазера на длине волны 532 нм с шириной спектра излучения порядка 0,05 нм. Относительно малая длина когерентности лазера (порядка 2 мм) в предложенной схеме записи при толщине регистрирующего слоя БХЖ, использовав-
(а) P (б) P
11 22 33 44
Рис. 2. Схема формирования интерференционного поля при записи плоского (а) и сферического (б) голограммных зеркал. 1 – зеркало металлизированное, плоское (а) или сферическое (б), 2 – слой иммерсионной жидкости, 3 – регистрирующий слой, 4 – подложка голограммного зеркала.
шегося при записи, 50 мкм обеспечивает получение достаточной контрастности основного интерференционного поля в самом слое БХЖ. С другой стороны, при относительно большой толщине подложки зеркала (порядка 3 мм) паразитные интерференционные структуры, обусловленные отражением излучения от внешней стороны подложки, практически отсутствуют. В схеме записи нет пространственно разделенных каналов формирования предметного и опорного пучков. Благодаря этому схема обладает высокой помехоустойчивостью по отношению к внешним механическим факторам нестабильности и обеспечивает запись даже при большом времени экспонирования, составившем в данном случае 2 мин. Из соображений удобства закрепления представленных на рис. 2 технологических блоков на стенде записи и обеспечения стабильного состояния иммерсионного слоя во время экспонирования выбрано горизонтальное положение указанных блоков.
Отличие длины волн при записи голограммных зеркал (λ1 = 532 нм) и длины волны при работе зеркал в составе окулярной системы (λ2 = 546 нм), а также изменение толщины или усадки регистрирующего слоя в результате его постэкспозиционной обработки ставят задачу определения положения центра Р расходимости предметного гомоцентрического пучка относительно регистрирующего слоя, а именно угла падения предметного пучка ϕР на поверхность регистрирующего слоя и удаления этого центра L1 от расчетной точки на поверхности регистрирующего слоя. Алгоритм решения этой задачи, иллюстрируемый схемой на рис. 3, при записи ГПЗ одинаков для обоих типов зеркал. Центр расходимости предметного пучка Р при записи голограммного зеркала на длине волны λ1 определяется как точка пересечения или, точнее, как геометрический центр тяжести зоны пересечения лучей, исходящих из этой зоны и обеспечивающих после записи и послеэкспозиционной обработки, включая заклейку слоя БХЖ с зарегистрированной голограммой на подложке, получение в каждом участке зеркала дифракционной структуры, дающей брэгговское зеркальное отражение лучей на рабочей длине волны λ2 с центром расходимости в точке С при работе зеркала в составе окулярной системы. То есть период di этой дифракционной структуры в направлении, перпендикулярном поверхности регистрирующего слоя, в каждом i-м участке зеркала должен одновременно удовлетворять соотношениям
38 “Оптический журнал”, 78, 2, 2011
Z
2 1
C
P
P
L
2
X O
L1
Рис. 3. К определению положения центра предметного пучка Р при записи ГПЗ.
di = λ1/K2nsinαn1i
(4)
и
di = λ2 /2nsinαn2i,
(5)
где n – показатель преломления регистрирующей среды, K – коэффициент усадки регистрирующего слоя в результате постэкспозиционной обработки, определяемый отношением толщин регистрирующего слоя до и после указанной обработки, αn1i и αn2i – углы в регистрирующей среде между направлениями преломленных в среде лучей, соответственно, на длине волны λ1, определяющих положение центра предметного пучка Р, и на длине волны λ2, исходящих из точки С, и поверхностью регистрирующей среды при записи ГПЗ или касательной к поверхности регистрирующей среды при записи ГСЗ.
Из соотношений (4) и (5) при известных значениях коэффициента усадки K, определяемого в результате предварительных экспериментов, показателя преломления n регистрирующего слоя БХЖ и углов αn2i, которые можно определить расчетным путем для каждого из выбранных участков зеркала на основании оптической схемы окулярной системы, находятся значения углов αn1i, определяющие направления лучей предметного пучка в регистрирующей среде. С использованием известных соотношений находятся соответствующие значения
углов ϕ1i падения лучей предметного пучка на регистрирующую среду в воздухе и, в конечном счете, положение центра Р предметного пучка, задаваемое в полярной системе координат параметрами ϕP и L1.
Заметим, что практически для определения положения центра предметного пучка достаточно ограничиться рассмотрением хода лучей для трех точек голограммных зеркал в меридиональном сечении, представленном на рисунках: центральной точки, находящейся на пересечении оптической оси окулярной системы с поверхностью зеркал, и 2-х крайних точек, определяемых их габаритами. Лучи предметного пучка, соответствующие этим точкам, определяют максимальные размеры упоминавшейся выше зоны пересечения. Размеры этой зоны обусловлены различием длин волн излучения при записи зеркала и при работе его в составе окулярной системы, а также усадкой регистрирующего слоя в результате его постэкспозиционной обработки. Эта зона определяет максимальные отклонения лучей при отражении от брэгговских направлений с соответствующим уменьшением отражательной способности зеркал. Угловые размеры этой зоны относительно центра зеркал в конкретном рассматриваемом случае не превысили 1° для обоих типов голограммных зеркал. С учетом предполагаемой угловой селективности ГПЗ порядка 4°, определяющей по существу предельно допустимые отклонения отраженных лучей от брэгговских направлений, упомянутое уменьшение отражательной способности не будет существенным.
На рис. 4 приведена оптическая схема стенда для записи ГПЗ. Излучение лазера 1 расширяется с помощью отрицательной линзы 2 до заполнения после отражения зеркалом 3 линейной апертуры микрообъектива 4. После прохождения узла фильтрации в составе микрообъектива 4 и точечной диафрагмы 5 сформированный узлом гомоцентрический предметный пучок направляется на фоточувствительную пластинку 6, находящуюся в контакте с металлизированным зеркалом 7. Центр О записываемого зеркала находится на расчетном расстоянии L1 от центра расходимости P предметного пучка при расчетном угле ϕР падения пучка на ГПЗ. При записи ГПЗ использовались пластинки ПФГ-04, серийно выпускаемые на ОАО “Славич” в г. Переяславль-Залесский (http:// www.slavich.ru/?id=24), с толщиной регистрирующего слоя БХЖ 50 мкм.
“Оптический журнал”, 78, 2, 2011
39
12
3 45 PP
Рис. 4. Оптическая схема стенда для записи ГПЗ.
L
1
O
6 7
Для записи ГСЗ слой БХЖ наносился на выпуклую поверхность стеклянной сферической подложки с заданным радиусом кривизны, определяемым оптической схемой окулярной системы. Способ нанесения отличается от общеизвестных способов [8], к которым, в частности, относится формование слоя БХЖ. Использованный в настоящей работе способ доступен для осуществления в лабораторных условиях и заключается в переносе слоя БХЖ с изготовленной в условиях серийного производства плоской фотопластинки ПФГ-04 на выпуклую поверхность сферической подложки. При этом последовательно выполняются следующие технологические операции:
– задубливание пластинок ПФГ-04 путем их прогрева в термостате при температуре 50–55 °С и влажности 50–60% в течение 12–14 часов,
– сенсибилизация пластинок в 1% растворе бихромата аммония в течение 3–4 минут при температуре 20–22 °С,
– перенос слоя БХЖ с пластинки на выпуклую сферическую поверхность,
– сушка подложки с перенесенным слоем БХЖ в термостате при температуре 35–40 °С и влажности 50–60% до полного высыхания (4–5 часов).
В результате проведения указанного технологического процесса получаются образцы сферических подложек со слоем БХЖ удовлетворительного качества в отношении равномерности толщины слоя и адгезионного взаимодействия слоя со стеклянной подложкой без потери его чувствительности.
Запись ГСЗ осуществлялась на том же стенде, что и запись ГПЗ (рис. 4), с установкой соответствующих расчетных значений параметров ϕP и L1.
На рис. 5 приведены фотографии технологических блоков для записи ГПЗ (а) и ГСЗ (б) в рассмотренном выше составе вместе с механическими элементами, обеспечивающими
(а) (б)
Рис. 5. Фотографии технологических блоков для записи ГПЗ (а) и ГСЗ (б). 40 “Оптический журнал”, 78, 2, 2011
сборку этих блоков с заливкой иммерсионной жидкости между оптическими элементами блоков.
Постэкспозиционная обработка голограммных зеркал проводилась по рекомендованной изготовителем фотопластинок ПФГ-04 технологии. Непосредственно после завершения процесса постэкспозиционной обработки слой БХЖ защищался путем заклеивания плоской стеклянной пластиной в случае ГПЗ или стеклянным сферическим мениском с необходимым радиусом кривизны в случае ГСЗ с использованием оптического клея ОК-72ФТ5. После защиты зеркала обрезались до заданных габаритов и конфигурации.
В таблице представлены измеренные параметры изготовленных голограммных зеркал, соответствующие центральной зоне, при работе в составе окулярной системы.
В целом все приведенные в таблице значения параметров изготовленных голограммных зеркал являются ожидаемыми и удовлетворяющими поставленным требованиям применительно к конкретным условиям их использования в составе окулярной системы. При этом общий коэффициент пропускания окулярной системы в ночном канале, определяемый как результат перемножения коэффициентов отражения ρмаксГПЗ на ρмаксГСЗ и на коэффициент пропускания τГПЗ, составил 0,58, а общий коэффициент пропускания окулярной системы в канале прямого видения, определяемый как произведение τинтГСЗ и τинтГПЗ, составил 0,64. Обращает на себя внимание существенно более низкая угловая селективность ГСЗ по сравнению с ГПЗ. Объяснением этого является существенно меньший угол падения пучка при работе ГСЗ, составляющий 6°, по сравнению с 51° для ГПЗ. Значения углов Брэгга θ0 в регистрирующей среде при этом составляют из выражения (2) 86° для ГСЗ и 59° для ГПЗ, в то время как теоретиче-
Параметры голограммных зеркал
Угловая селективность δα0,5,
град (в воздухе) Коэфф. отражения в угловом диапазоне
δα на λмакс, % Коэфф. пропускания
вне углового диапазона δα на λмакс τ, % Коэфф. пропускания интегральный для “белого”
света, %
Тип зеркала
ГПЗ
3
0,8 0,8 0,75
ГСЗ 20 0,9 — 0,85
ски [5] значение δα при прочих равных условиях обратно пропорционально величине cosθ0.
Заключение
В результате проведенных работ в МГТУ им. Баумана по созданию голограммных плоских и сферических зеркал применительно к условиям их использования в составе окулярной системы очков ночного видения разработана методика расчета параметров стенда для записи зеркал с использованием многочастотного твердотельного YAG-лазера с длиной волны излучения 532 нм, наиболее близкой к длине волны излучения люминофора экрана ЭОП. Экспериментально отработана технология изготовления зеркал с применением в качестве регистрирующей среды толстого слоя БХЖ. При этом показана возможность изготовления этого слоя на сферической подложке путем его переноса с плоской пластинки. Результаты работы могут быть использованы в расчетах параметров схем записи голограммных зеркал и фильтров различного применения, а также при их изготовлении.
ЛИТЕРАТУРА
1. Саликов В.Л. Эпоха ночной войны // Специальная техника. 2000. № 5. С. 21–32.
2. Волков В.Г. Приборы для вождения спецтехники в ухудшенных условиях видимости // Специальная техника. 2003. № 2. С. 2–14.
3. Ган М.А., Щеглов С.А., Ганн Я.М., Чертков А.С. Широкоугольные оптические системы с комбинером на основе синтезированных объемных голограмм для нашлемных дисплеев // Оптический журнал. 2008. Т. 75. № 3. С. 18–23.
4. Герке Р.Р., Корешев С.Н., Семенов Г.Б., Смирнов В.В. Голограммная оптика в “ГОИ им. С.И. Вавилова” // Оптический журнал. 1994. Т. 61. № 1. С. 26–39.
5. Лукин А.В. Голограммные оптические элементы // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 1. С. 80–87.
6. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография: Пер. с англ. Под ред. Островского Ю.И. М.: Мир, 1973. 686 с.
7. Ган М.А. Теория и методы расчета голограммных и киноформных оптических элементов. Л.: ГОИ, 1984. 140 с.
8. Лукин А.В., Шигапова Н.М. Голограммы Ю.Н. Денисюка на “толстых” слоях БХЖ как оптические элементы: селективные зеркала, NOTCHфильтры, дифракционные решетки // Сб. трудов Всероссийского семинара “Юрий Николаевич Денисюк – основоположник отечественной голографии”. Санкт-Петербург, 22–24 мая 2007. C. 144–147.
“Оптический журнал”, 78, 2, 2011
41