Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ДИФРАКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ИНФРАКРАСНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Дифракционные оптические элементы выполняют самые разнообразные оптические преобразования, воздействуя только на фазу проходящей через них электромагнитной волны (волнового фронта). Для этого на поверхности создается микрорельеф, осущест­вляющий фазовую модуляцию излучения путем изменения ширины и глубины своей структуры. Для получения требуемого рельефа поверхности можно воспользоваться нанесением покрытия фотолитографическим способом, лазерной обработкой, элек­тронно-пучковой литографией, наконец, алмазным точением.

Предназначенные для работы в ИК-диапазоне дифракционные элементы обычно выполняют, создавая фазовые профили (киноформы) на поверхностях обычных линз. Оптические элементы (линзы), содержащие как традиционные преломляющие поверх­ности, так и поверхности, на которых дифрагирует проходящее через них излучение, часто называют гибридными.

К числу преобразований с помощью дифракционных (гибридных) оптических эле­ментов относятся: аберрационная коррекция с помощью асферизации поверхности, коррекция хроматизма и аберраций высоких порядков, коррекция дисторсии, атермали - зация, трансформирование пучков лучей и др. Кроме того, в оптических системах, строящих изображения, дифракционные элементы могут выполнять функции оптических спектральных фильтров, микролинзовых растров, диффузионных экранов, фазовых пластин, просветляющих покрытий и просто дифракционных решеток.

Основные ограничения реализации этих преобразований и функций обусловлены технологическими возможностями получения микрорельефа с очень высокой точно­стью, характеризуемой погрешностями порядка длины волны излучения и менее. К со­жалению, в ИК-диапазонах (3...5 и особенно 8... 12 мкм) номенклатура оптических ма­териалов, служащих для создания микрорельефных покрытий, гораздо меньше, чем для видимого спектра. Поэтому основные успехи в создании дифракционных элементов связаны с использованием тонкого алмазного точения таких материалов, как германий, кремний, сульфид цинка и некоторых других.

Один из важнейших показателей качества ИКС — минимальная разрешаемая разность температур АГр - находится в обратно пропорциональной зависимости от коэффици­ента пропускания То и квадрата относительного отверстия (р/р) оптической системы, а также значения оптической передаточной функции С0Пт? входящей в качестве одно­го из сомножителей в выражение для частотной характеристики (передаточной функ­ции) всей ИКС - Аикс (см - п - 4.2.2). Увеличение чувствительности особенно важно для ИКС с неохлаждаемыми МПИ, поскольку такие приемники по чувствительности уступают охлаждаемым МПИ. Поэтому дифракционные элементы, обеспечивающие высокое качество изображения при увеличении и Сопт на заданной пространст­венной частоте, А также позволяющие сократить число компонентов (линз) в оптиче­ской системе, т. е. увеличивать т0, оказались особенно эффективными для ИКС с не­охлаждаемыми МПИ.

В качестве примера можно указать, что в объективах на базе линз из германия, по­строенных по классической схеме Пецваля, с диаметрами входного зрачка 80... 100 мм и относительными отверстиями, близкими к 1:0,8... 1:1,2, размер кружка рассеяния из - за хроматизма составляет десятки микрометров (40...60 мкм), что превышает размеры чувствительных элементов ряда современных МПИ [82]. Еще значительнее дефицит разрешения из-за хроматизма и других аберраций может сказаться в ИКС с микроска­нированием (см. гл. 9).

Как уже отмечалось, выбор материалов для оптических деталей, работающих в диа­пазоне 8... 14 мкм, довольно ограничен, поэтому коррекция хроматизма в традицион­ных оптических системах ИКС этого диапазона часто затруднена. То же самое можно сказать и об атермализации оптических систем, т. е. об устранении термических аберра­ций, в частности, расфокусировок, в оптических системах, работающих в большом диапазоне окружающих температур. Поэтому применение дифракционных элементов в ИКС оказывается весьма эффективным.

Оптическая сила дифракционного элемента (поверхности, на которой дифрагирует излучение) зависит от длины волны, причем эта зависимость обратно пропорциональна дисперсии материала подложки, т. е. линзы или пластинки, на задней поверхности ко­торой образуется дифракционный элемент. Комбинируя оптические силы обычной преломляющей и дифракционной поверхностей, можно ахроматизировать оптическую систему без ввода дополнительного компонента (линзы).

Эффективность решения задачи, поставленной перед дифракционным элементом, оценивается по рабочему порядку дифракционной картины (обычно первому) для не­которой выбранной или заданной длины волны А, о. Для других X дифракционная эф­фективность

Где т - порядок дифракции; п - показатель преломления, меняется, т. е. часть излучения «переходит» на другие, «паразитные», порядки. Это вызывает появление рассеянного мешающего (несфокусированного) излучения, с которым следует бороться, уменьшая влияние «паразитных» порядков (обычно, нулевого и второго). На краях диапазона

8.. . 14 мкм спад дифракционной эффективности для рабочего первого порядка может составить 20% [82].

Среднее значение дифракционной эффективности г[для рабочего спектрального

Диапазона можно определить путем интегрирования выражения для г(т, А) по Л. и деле­ния полученного значения на ширину этого диапазона. Пользуясь этим значением, мож­но приближенно оценить изменение (спад) оптической передаточной функции (ОПФ, функции передачи модуляции) из-за влияния «паразитных» порядков дифракции:

С06“1 « СГ1 її,

Опт опт I *

Где б^и <5^ - значения ОПФ гибридного элемента и +1-го порядка дифракции [82].

Этот спад может составлять до 8.. .10%.

Объективы на рис. 6.10, работают в спектральном диапазоне 8... 14 мкм и имеют диафрагменное число К = 1,2, коэффициент пропускания не менее 80% и угловое по­ле 4,5°. В схеме, изображенной на рис. 6.10,а, с помощью отрицательного мениска 2 из материала АМТ1Я-1 и положительного мениска 4 из ZnSe устранен продольный хроматизм, а также вторичный спектр. Мениск 2 служит также для механической атермализации, осуществляемой перемещением мениска вдоль оси. После входного окна 5 приемника излучение попадает на чувствительные элементы 6. Положитель­ные мениски 1 и 3 выполнены из ве. Задняя поверхность мениска 1 имеет асфериче­скую форму для коррекции сферической аберрации. А для коррекции комы и астиг­матизма надлежащим образом подбирают кривизну менисков. Общая длина конст­рукции составляет 229 мм.

Изготовление задней поверхности мениска 1 (рис. 6.10,6) в виде дифракционного эле­мента позволяет выполнить все мениски из германия и сократить их число. Используя ме­ниски 2 и 3 с разными по знаку оптическими силами и перемещая мениск 2 для атермали­зации, удается уменьшить астигматизм и кривизну поля. При этом положение входного
окна 4 приемника и его чувствительного слоя 5 остается постоянным. Продольный размер такой системы равен 206 мм. Для обеспечения наилучшей средней дифракцион­ной эффективности в диапазоне 8... 14 мкм была выбрана Я-0=Ю мкм.

Из-за вредного влияния паразитных порядков дифракции оптическая передаточная функция схемы, представленной на рис. 6.10,6, на пространственной частоте 16 период/мм оказалась на 2% меньше аналогичного параметра схемы, изображенной на рис. 6АО, а. Однако общий выигрыш в энергетической эффективности (чувствительности), вызван­ный увеличением коэффициента пропускания и относительного отверстия, составил около 3%. Учитывая более высокую стоимость AMTIR-1 по сравнению с Ge (по данным [82] в 1,7 раза), себестои­мость системы с дифракционным эле­ментом более чем на 14% ниже, чем системы с компонентами из Ge,

AMTIR-1 и ZnSe, хотя стоимость изго­товления системы с дифракционным элементом методом тонкого алмазного точения примерно на 2% выше, чем системы, состоящей из одних герма­ниевых менисков.

В [107] приводится ряд примеров эффективного использования дифрак­ционных оптических элементов в ин­фракрасных системах. В объективе для работы в диапазоне 8...14 мкм с отно­сительным отверстием 1:1 и угловым полем 8°, состоящем из двух германие­вых менисков, передняя поверхность первого из них выполнена асфериче­ской, а задняя представляет собой ди­фракционный элемент (киноформ).

Почти по всему полю достигнут дифракционный предел разрешения, с запасом превы­шающий размер элемента МПИ (50 мкм). Продольный размер объектива (около 100 мм) определяется его фокусным расстоянием. В аналоге схемы, состоящем из трех линз со сферическими поверхностями (Ge, AMTIR-1 и Ge), качество изображения гораздо хуже.

Учитывая сложность и дороговизну получения асферических и дифракционных по­верхностей на деталях, изготавливаемых из такого твердого материала, как кремний, фирма «Lockheed Martin-Missiles and Fire Control-Orlando» (США) предложила новую технологию: нанесение на плоскую поверхность детали из Si тонкой пленки прозрачно­го в средневолновом ИК-диапазоне пластика с ее последующим (или предваритель­ным) профилированием под нужную форму одноточечным алмазным точением или прессованием (моллированием) [264]. В качестве пластикового покрытия использова­

Лись тонкие (0,32...0,76 мм) пленки флюорополимеров и полиэтилена, обладающие усредненными в диапазоне 3...5 мкм коэффициентами пропускания 0,39...0,67. Не­смотря на ряд трудностей, возникающих при реализации такой технологии (ограничен­ная номенклатура пластиков, сложность достижения хорошей адгезии и подбора клея, различие в температурных коэффициентах расширения кремния и пластика, сложность просветления и ряд других) для опытного образца объектива с/' = 50 мм и К = 2,6 было получено достаточно хорошее качество изображения.

В [220] кратко описывается ряд объективов для длинноволнового ИК-диапазона, разработанных в ГОИ им. С. И. Вавилова, в которых применение дифракционных син­тезированных микроструктур (киноформов) позволяет уменьшать на 20...30% и более (вдвое) число линз, что упрощает конструкцию и заметно снижает массу и стоимость ИКС. В таких объективах с/' = 20...500 мм и увеличением 2...20х (для телескопиче­ских систем) удалось на 20...30% уменьшить массу по сравнению с аналогами из тра­диционных компонентов, а качество изображения повысить на 15...20%.

Для тепловизионной системы AN/PAS-13, принятой на вооружение в ОТТА и имеющей четыре типовых модуля (унифицированная оптическая система для по­строения изображений - базовый модуль и три афокальные телескопические насадки для легкого, среднего и тяжелого оружия), в качестве приемника излучения принята линейка КРТ-элементов с термоэлектрическим холодильником. В системе использу­ется одномерное сканирование, а базовый модуль имеет относительное отверстие 1:1,4. Телескопическая насадка для легкого оружия имеет увеличение 2х, для средне­го и тяжелого оружия, увеличения насадок могут меняться и равны 2...3х и 3,3... 10х, соответственно. В каждом из четырех модулей используется один киноформ для ах - роматизации и по крайней мере один асферический элемент, изготавливаемые мето­дом алмазного точения из Si, Ge и ZnS. Тем самым удается сократить число линз, со­ставляющих базовый модуль, до трех вместо пяти в модулях на традиционных эле­ментах (даже с использованием асферики). Кроме того, применение дифракционных элементов позволяет повысить качество изображения, уменьшить массу системы и вдвое дисторсию, упростить сборку и юстировку модуля. Хотя для телескопических насадок выигрыш не столь велик, как для базового модуля, однако и здесь достигнуто заметное повышение качества изображения, уменьшение на 33....40% числа компо­нентов, упрощение юстировки.

В ИКС с неохлаждаемыми МПИ, где требуются значительные относительные от­верстия (порядка 1:1), применение дифракционных элементов также оказывается весь­ма эффективным, особенно при необходимости уменьшить массу и габариты системы. Кроме того, при установке в фокальную плоскость объектива микролинзового растра на основе дифракционного элемента позволяет увеличить коэффициент заполнения МПИ и обеспечить равномерность облучения его отдельных элементов. Последнее дает возможность отказаться от специального конденсора (см. рис. 6.1), т. е. упростить кон­струкцию, уменьшить ее габариты и массу, а также заметно увеличить уровень сигнала, снимаемый с приемника, поскольку этот сигнал прямо пропорционален коэффициенту заполнения МПИ и квадрату относительного отверстия объектива.

Для микроболометрического МПИ с коэффициентом заполнения 0,2 использование микролинзового растра из 64x96 линз, имеющих размеры 61 ><51 мкм, при работе в спектральном диапазоне 8....12 мкм позволило увеличить сигнал на выходе МПИ в 2,5 раза [105].

Еще одним примером эффективного использования дифракционных элементов в ИКС служит перестраиваемый оптический фильтр, описанный в [107]. Методом рент­геновской литографии удалось создать высокоточную металлическую микроструктуру с отношением высоты элемента рельефа к его ширине порядка 60. При этом фронт на­растания крутизны отдельных элементов (штрихов, полосок) рельефа может быть сде­лан очень малым (менее 0,1 мкм на высоте 100 мкм). Растр из никелевых микропластин образует дифракционную решетку.

Система работает как низкочастотный оптический фильтр линейно-поляризо - ванного излучения, приходящего на описанную дифракционную решетку после пред­варительной поляризации, например, с помощью решетки, ориентированной под прямым углом к растру из никелевых микропластин. Управляя периодом решетки с помощью электромагнитного привода, можно изменять границу спектральной харак­теристики подобного фильтра. Первые экспериментальные исследования таких уст­ройств [107] подтвердили возможность изменения граничной частоты в диапазоне от 9 до 25 мкм при изменении периода растра от 5 до 13 мкм соответственно. При этом пропускание фильтра в максимуме его спектральной характеристики при этом изме­нялось от 15 до 90%.