Одноэлементный трехдиапазонный спектроделитель
РАСЧЕТ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 681.7; 681.7.03 ОДНОЭЛЕМЕНТНЫЙ ТРЕХДИАПАЗОННЫЙ СПЕКТРОДЕЛИТЕЛЬ
© 2011 г. В. Е. Сабинин, канд. хим. наук; С. В. Солк, канд. техн. наук; О. А. Лебедев
НИИ комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем, г. Сосновый Бор, Ленинградская обл.
E-mail: solk@sbor.net
Рассмотрены возможности спектроделения на основе оптических свойств некоторых кристаллических материалов. Разработана конструкция объектива, состоящего из одного оптического элемента‚ осуществляющего деление спектра на три диапазона, расположенные в окнах прозрачности атмосферы.
Ключевые слова: спектроделитель, объектив.
Коды OCIS: 220.4830, 230.1360.
Поступила в редакцию 09.12.2010.
В настоящее время одним из основных направлений развития оптического приборостроения является создание систем, работающих одновременно в нескольких спектральных диапазонах. Как правило, это видимый, ближний инфракрасный (ИК) и средний либо дальний ИК диапазоны. Особый интерес представляют системы с полным либо частичным совпадением визирных осей. В работах [1] и [2] приведены примеры объективов либо с входным зрачком, разделенным на два канала, либо с использованием дихроичных зеркал.
В данной работе рассмотрена возможность применения для разделения каналов естественных оптических свойств ряда кристаллических материалов. Такая возможность была впервые продемонстрирована еще в XIX веке Николсом [3], который при изучении отражательной способности кристаллического кварца обнаружил зону спектра‚ в которой коэффициент зеркального отражения Rз оказался аномально высоким. Впоследствии эта особенность кварца использовалась для выделения участков ИК диапазона в способе‚ получившем название “метод остаточных лучей”. Долгое время он был практически единственным для монохроматизации длинноволнового излучения.
На рис. 1а показана спектральная зависимость Rз для кристаллического кварца в диа-
20
Rз, % 100 3
2
(а) 3
50
12 1
0 8 10 12 14 16 18 20
Rз, %
100
3
(б)
50
2 1
3 2
1
0 8 10 12 14 16 18 20
Длина волны, мкм
Рис. 1. Спектральная зависимость коэффициента зеркального отражения кристаллического кварца (а) и лейкосапфира (б) для различных углов падения. 1 – 10°, 2 – 45°, 3 – 80°.
“Оптический журнал”, 78, 6, 2011
1 AB
2 C
D1 D D2
H Рис. 2. Одноэлементный объектив-спектроделитель. Пояснения в тексте.
пазоне длин волн от 8 до 20 мкм, измеренная нами под углами 10°, 45° и 80°. Аналогичная зависимость для лейкосапфира приведена на рис. 1б. Анализ этих рисунков показывает, что Rз достигает значений более 0‚9‚ хотя и в достаточно узких спектральных диапазонах. Однако в некоторых случаях этого достаточно для построения полноценной оптической системы. Использование этих и подобных материалов для разделения потоков излучения на отраженное от первой поверхности и проходящее сквозь нее в спектральном диапазоне прозрачности кристалла позволяет сократить количество оптических элементов (ОЭ), входящих в состав объектива‚ и упростить его конструкцию. Особенно в случаях‚ когда необходимо совместное использование диапазонов 8‚0–14‚0 мкм и видимого. Отпадает необходимость использования сложных, многослойных (иногда до 20–30 слоев) дихроичных покрытий, плохо воспроизводимых и, что наиболее важно, имеющих склонность к деградации под воздействием таких внешних факторов, как влажность и перепад температур.
На рис. 2 показан объектив, в котором использовано описанное свойство кристаллического кварца‚ разделяющий поток излучения на три спектральных диапазона и имеющий единую визирную ось [4]. На сферическую поверхность 1 с радиусом кривизны R1 в центральной зоне диаметром D1 нанесено покрытие из германия. На сферическую поверхность 2 с радиусом кривизны R2‚ кроме центральной зоны диаметром D2‚ нанесено отражающее покрытие из алюминия. Излучение в спектральном диапазоне 8,0–10,0 мкм‚ отразившись от кольцевой зоны поверхности 1 вне диаметра
D1‚ фокусируется в точку А. Излучение в спектральном диапазоне прозрачности кристаллического кварца 0,2–3,7 мкм преломляется на кольцевой зоне поверхности 1 и отражается от поверхности 2. Затем излучение диапазона 1,8–3,7 мкм преломляется на поверхности 1 в зоне D1 и фокусируется в точку В. Излучение диапазона 0,2–1,8 мкм отражается от поверхности 1 в зоне D1, преломляется на поверхности 2 в зоне D2 и фокусируется в точку С. При необходимости согласования по спектру с имеющимися фотоприемными устройствами границы спектроделения могут быть смещены путем замены германия на дихроичное покрытие или‚ например‚ кремний.
В табл. 1 приведены оптические характеристики этого объектива с конструктивными параметрами: D = 80 мм, D1 = 34,6 мм, D2 = 3,0 мм, R1 = R2 = –139,64 мм, H = 50 мм.
Конечно, качество получаемого изображения невысокое, однако есть возможности его исправления путем замены сферических поверхностей на асферические либо путем введения в оптическую схему дополнительных ОЭ. Кроме того, существуют задачи, для которых предельное качество изображения не является обязательным, а приоритетными являются массогабаритные характеристики‚ технологическая доступность‚ длительный срок службы и т. д. (например, в охранных‚ различных сигнальных системах, некоторых эндоскопических устройствах).
На рис. 3 показан зеркально-линзовый объектив с зеркалами 1 и 2, построенный по схеме Кассегрена‚ с помощью которого можно получать изображения достаточно высокого качества. В нем ОЭ из сапфира 3‚ изготовленный по
“Оптический журнал”, 78, 6, 2011
21
Спектральный диапазон Δλ, мкм Фокусное
расстояние, мм Диаметр пятна
рассеяния (83,8%
энергии), мм Коэффициент пропускания
с учетом экранирования
2 Таблица 1. Оптические характеристики одноэлементного объектива-спектроделителя
13
AB
C
Рис. 3. Зеркально-линзовый объектив. Пояснения в тексте.
схеме объектива-спектроделителя‚ показанной на рис. 2‚ одновременно делит излучение на три спектральных диапазона и является компенсатором полевых аберраций. В табл. 2 приведены диаметры пятен рассеяния в центре и по полю в фокальных плоскостях (А), (В) и (С) для выделенных спектральных диапазонов объектива. Апертура объектива 300 мм, коэффициент экранирования 0,37, полное поле зрения 1°.
Увеличивая апертуру главного зеркала и уменьшая центральное экранирование, можно увеличивать количество фокусируемой световой энергии и компенсировать такой недостаток однолинзового объектива-спектроделителя, как невысокий коэффициент пропускания. Следует отметить‚ что в расчетах мы не учитывали поляризационные эффекты‚ что в отдельных ситуациях может оказаться значимым.
Анализ зависимости Rз от угла падения (рис. 1а и 1б) показывает возможность управления параметрами отражения при изменении
8,0–14,0 1,8–3,7 0,2–1,8
69,8 54,5 89,4
0,37 1,41 0,85
0,7 0,35 0,2
Спектральный диапазон Δλ, мкм Фокусное
расстояние, мм
Относительное отверстие
Таблица 2. Оптические характеристики зеркально-линзового объектива
Диаметр пятна рассеяния
(83,8% энергии), мм
0,4–0,7 1300,1 10–14 –1258,6 3,0–5,5 –1117,0
1 : 4,3 1 : 4,2 1 : 3,7
центр край поля
0,013 0,164 0,073
0,084 0,187 0,144
угла падения излучения. Подобного результата можно добиваться также изменяя температуру кристалла [3].
Дополнительно хотелось бы обратить внимание на принципиальную возможность работы в спектральном диапазоне от 15 до 100 мкм и далее‚ где метод остаточных лучей с использованием металл-галоидных кристаллов позволяет выделять участки оптического спектра‚ в настоящее время практически неиспользуемые.
*****
ЛИТЕРАТУРА
1. Терешин Е.А., Шатунов К.П., Журавлев П.В. Объективы с разделенным входным зрачком для двухспектральных оптико-электронных приборов // Изв. вузов. Приборостроение. Т. 44. № 8. 2001. С. 58–62.
2. Моисеев В.А., Терешин Е.А., Демьянов Э.А., Журавлев П.В., Ульянова Е.О., Шатунов К.П., Чурилов С.М. Принципы построения многоспектральных комплексированных оптико-электронных систем // Изв. вузов. Приборостроение. Т. 47. № 9. 2004. С. 51–57.
3. Борисевич Н.А., Верещагин В.Г., Валидов М.А. Инфракрасные фильтры. “Наука и техника”, 1971. 228 с.
4. Сабинин В.Е., Солк С.В., Лебедев О.А. Спектроделитель //Патент России на полезную модель № 100307. 2010.
22 “Оптический журнал”, 78, 6, 2011
УДК 681.7; 681.7.03 ОДНОЭЛЕМЕНТНЫЙ ТРЕХДИАПАЗОННЫЙ СПЕКТРОДЕЛИТЕЛЬ
© 2011 г. В. Е. Сабинин, канд. хим. наук; С. В. Солк, канд. техн. наук; О. А. Лебедев
НИИ комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем, г. Сосновый Бор, Ленинградская обл.
E-mail: solk@sbor.net
Рассмотрены возможности спектроделения на основе оптических свойств некоторых кристаллических материалов. Разработана конструкция объектива, состоящего из одного оптического элемента‚ осуществляющего деление спектра на три диапазона, расположенные в окнах прозрачности атмосферы.
Ключевые слова: спектроделитель, объектив.
Коды OCIS: 220.4830, 230.1360.
Поступила в редакцию 09.12.2010.
В настоящее время одним из основных направлений развития оптического приборостроения является создание систем, работающих одновременно в нескольких спектральных диапазонах. Как правило, это видимый, ближний инфракрасный (ИК) и средний либо дальний ИК диапазоны. Особый интерес представляют системы с полным либо частичным совпадением визирных осей. В работах [1] и [2] приведены примеры объективов либо с входным зрачком, разделенным на два канала, либо с использованием дихроичных зеркал.
В данной работе рассмотрена возможность применения для разделения каналов естественных оптических свойств ряда кристаллических материалов. Такая возможность была впервые продемонстрирована еще в XIX веке Николсом [3], который при изучении отражательной способности кристаллического кварца обнаружил зону спектра‚ в которой коэффициент зеркального отражения Rз оказался аномально высоким. Впоследствии эта особенность кварца использовалась для выделения участков ИК диапазона в способе‚ получившем название “метод остаточных лучей”. Долгое время он был практически единственным для монохроматизации длинноволнового излучения.
На рис. 1а показана спектральная зависимость Rз для кристаллического кварца в диа-
20
Rз, % 100 3
2
(а) 3
50
12 1
0 8 10 12 14 16 18 20
Rз, %
100
3
(б)
50
2 1
3 2
1
0 8 10 12 14 16 18 20
Длина волны, мкм
Рис. 1. Спектральная зависимость коэффициента зеркального отражения кристаллического кварца (а) и лейкосапфира (б) для различных углов падения. 1 – 10°, 2 – 45°, 3 – 80°.
“Оптический журнал”, 78, 6, 2011
1 AB
2 C
D1 D D2
H Рис. 2. Одноэлементный объектив-спектроделитель. Пояснения в тексте.
пазоне длин волн от 8 до 20 мкм, измеренная нами под углами 10°, 45° и 80°. Аналогичная зависимость для лейкосапфира приведена на рис. 1б. Анализ этих рисунков показывает, что Rз достигает значений более 0‚9‚ хотя и в достаточно узких спектральных диапазонах. Однако в некоторых случаях этого достаточно для построения полноценной оптической системы. Использование этих и подобных материалов для разделения потоков излучения на отраженное от первой поверхности и проходящее сквозь нее в спектральном диапазоне прозрачности кристалла позволяет сократить количество оптических элементов (ОЭ), входящих в состав объектива‚ и упростить его конструкцию. Особенно в случаях‚ когда необходимо совместное использование диапазонов 8‚0–14‚0 мкм и видимого. Отпадает необходимость использования сложных, многослойных (иногда до 20–30 слоев) дихроичных покрытий, плохо воспроизводимых и, что наиболее важно, имеющих склонность к деградации под воздействием таких внешних факторов, как влажность и перепад температур.
На рис. 2 показан объектив, в котором использовано описанное свойство кристаллического кварца‚ разделяющий поток излучения на три спектральных диапазона и имеющий единую визирную ось [4]. На сферическую поверхность 1 с радиусом кривизны R1 в центральной зоне диаметром D1 нанесено покрытие из германия. На сферическую поверхность 2 с радиусом кривизны R2‚ кроме центральной зоны диаметром D2‚ нанесено отражающее покрытие из алюминия. Излучение в спектральном диапазоне 8,0–10,0 мкм‚ отразившись от кольцевой зоны поверхности 1 вне диаметра
D1‚ фокусируется в точку А. Излучение в спектральном диапазоне прозрачности кристаллического кварца 0,2–3,7 мкм преломляется на кольцевой зоне поверхности 1 и отражается от поверхности 2. Затем излучение диапазона 1,8–3,7 мкм преломляется на поверхности 1 в зоне D1 и фокусируется в точку В. Излучение диапазона 0,2–1,8 мкм отражается от поверхности 1 в зоне D1, преломляется на поверхности 2 в зоне D2 и фокусируется в точку С. При необходимости согласования по спектру с имеющимися фотоприемными устройствами границы спектроделения могут быть смещены путем замены германия на дихроичное покрытие или‚ например‚ кремний.
В табл. 1 приведены оптические характеристики этого объектива с конструктивными параметрами: D = 80 мм, D1 = 34,6 мм, D2 = 3,0 мм, R1 = R2 = –139,64 мм, H = 50 мм.
Конечно, качество получаемого изображения невысокое, однако есть возможности его исправления путем замены сферических поверхностей на асферические либо путем введения в оптическую схему дополнительных ОЭ. Кроме того, существуют задачи, для которых предельное качество изображения не является обязательным, а приоритетными являются массогабаритные характеристики‚ технологическая доступность‚ длительный срок службы и т. д. (например, в охранных‚ различных сигнальных системах, некоторых эндоскопических устройствах).
На рис. 3 показан зеркально-линзовый объектив с зеркалами 1 и 2, построенный по схеме Кассегрена‚ с помощью которого можно получать изображения достаточно высокого качества. В нем ОЭ из сапфира 3‚ изготовленный по
“Оптический журнал”, 78, 6, 2011
21
Спектральный диапазон Δλ, мкм Фокусное
расстояние, мм Диаметр пятна
рассеяния (83,8%
энергии), мм Коэффициент пропускания
с учетом экранирования
2 Таблица 1. Оптические характеристики одноэлементного объектива-спектроделителя
13
AB
C
Рис. 3. Зеркально-линзовый объектив. Пояснения в тексте.
схеме объектива-спектроделителя‚ показанной на рис. 2‚ одновременно делит излучение на три спектральных диапазона и является компенсатором полевых аберраций. В табл. 2 приведены диаметры пятен рассеяния в центре и по полю в фокальных плоскостях (А), (В) и (С) для выделенных спектральных диапазонов объектива. Апертура объектива 300 мм, коэффициент экранирования 0,37, полное поле зрения 1°.
Увеличивая апертуру главного зеркала и уменьшая центральное экранирование, можно увеличивать количество фокусируемой световой энергии и компенсировать такой недостаток однолинзового объектива-спектроделителя, как невысокий коэффициент пропускания. Следует отметить‚ что в расчетах мы не учитывали поляризационные эффекты‚ что в отдельных ситуациях может оказаться значимым.
Анализ зависимости Rз от угла падения (рис. 1а и 1б) показывает возможность управления параметрами отражения при изменении
8,0–14,0 1,8–3,7 0,2–1,8
69,8 54,5 89,4
0,37 1,41 0,85
0,7 0,35 0,2
Спектральный диапазон Δλ, мкм Фокусное
расстояние, мм
Относительное отверстие
Таблица 2. Оптические характеристики зеркально-линзового объектива
Диаметр пятна рассеяния
(83,8% энергии), мм
0,4–0,7 1300,1 10–14 –1258,6 3,0–5,5 –1117,0
1 : 4,3 1 : 4,2 1 : 3,7
центр край поля
0,013 0,164 0,073
0,084 0,187 0,144
угла падения излучения. Подобного результата можно добиваться также изменяя температуру кристалла [3].
Дополнительно хотелось бы обратить внимание на принципиальную возможность работы в спектральном диапазоне от 15 до 100 мкм и далее‚ где метод остаточных лучей с использованием металл-галоидных кристаллов позволяет выделять участки оптического спектра‚ в настоящее время практически неиспользуемые.
*****
ЛИТЕРАТУРА
1. Терешин Е.А., Шатунов К.П., Журавлев П.В. Объективы с разделенным входным зрачком для двухспектральных оптико-электронных приборов // Изв. вузов. Приборостроение. Т. 44. № 8. 2001. С. 58–62.
2. Моисеев В.А., Терешин Е.А., Демьянов Э.А., Журавлев П.В., Ульянова Е.О., Шатунов К.П., Чурилов С.М. Принципы построения многоспектральных комплексированных оптико-электронных систем // Изв. вузов. Приборостроение. Т. 47. № 9. 2004. С. 51–57.
3. Борисевич Н.А., Верещагин В.Г., Валидов М.А. Инфракрасные фильтры. “Наука и техника”, 1971. 228 с.
4. Сабинин В.Е., Солк С.В., Лебедев О.А. Спектроделитель //Патент России на полезную модель № 100307. 2010.
22 “Оптический журнал”, 78, 6, 2011