eng
Выпуск #2/2020
Г. И. Грейсух, В. А. Данилов, Е. Г. Ежов, А. И. Антонов, Б. А. Усиевич
ДИФРАКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ СРЕДНЕГО И ДВОЙНОГО ИК-ДИАПАЗОНА
ДИФРАКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ СРЕДНЕГО И ДВОЙНОГО ИК-ДИАПАЗОНА
Просмотры: 2581
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.2.160.169
Показано, что размещение дифракционной микроструктуры на плоской поверхности одной из рефракционных линз высокоапертурного триплета позволяет одновременно выполнить условия коррекции как хроматических, так и монохроматических аберраций и получить объективы, рассчитанные на средний и двойной ИК- диапазоны, имеющие достаточно высокие оптические характеристики.
Показано, что размещение дифракционной микроструктуры на плоской поверхности одной из рефракционных линз высокоапертурного триплета позволяет одновременно выполнить условия коррекции как хроматических, так и монохроматических аберраций и получить объективы, рассчитанные на средний и двойной ИК- диапазоны, имеющие достаточно высокие оптические характеристики.
Теги: chromatic and monochromatic aberrations diffraction microstructure lens middle and double ir ranges дифракционная микроструктура объектив средний и двойной ик- диапазоны хроматические и монохроматические аберрации
Дифракционные элементы
в оптических системах среднего и двойного ИК-диапазона
Г. И. Грейсух1, В. А. Данилов2,Е. Г. Ежов1, А. И. Антонов1, Б. А. Усиевич3
ФГБОУВО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, www. pguas.ru, Пенза, Россия
ФГБУН Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук, www. ntcup.ru, Москва, Россия
ФГБУН Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук, www. gpi.ru, Москва, Россия
Показано, что размещение дифракционной микроструктуры на плоской поверхности одной из рефракционных линз высокоапертурного триплета позволяет одновременно выполнить условия коррекции как хроматических, так и монохроматических аберраций и получить объективы, рассчитанные на средний и двойной инфракрасные диапазоны, имеющие достаточно высокие оптические характеристики.
Ключевые слова: средний и двойной ИК- диапазоны, объектив, дифракционная микроструктура, хроматические и монохроматические аберрации
Статья получена: 26.12.2019
Принята к публикации: 21.01.2020
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время одним из направлений оптического приборостроения, развитие которого наиболее востребовано, является направление, связанное с разработкой и созданием монофокальной оптики и оптики с изменяющимся фокусным расстоянием, предназначенной для работы в расширенных спектральных диапазонах. В видимом и ближнем инфракрасных (ИК) диапазонах это прежде всего массовая оптика мобильных телефонов, смартфонов и планшетов, а также систем безопасности и технического зрения (в частности, беспилотных наземных, подводных и воздушных транспортных средств). В двойном ИК диапазоне, включающем среднее и дальнее ИК излучение (3,7–11 мкм), это оптика тепловизоров и приборов ночного видения различного назначения.
Высококачественная оптика всех вышеперечисленных диапазонов необходима также и медицинскому приборостроению. При этом очевидно, что для удовлетворения все возрастающих требований к массогабаритным и техническим характеристикам оптических систем необходимо расширение элементной базы и ассортимента оптических материалов.
Один из возможных путей расширения элементной базы предполагает использование дифракционных оптических элементов (ДОЭ). При этом уникальные аберрационные свойства ДОЭ дают наибольший эффект в ИК диапазоне. Действительно, введение такого элемента в рефракционный объектив тепловизора позволяет упростить его оптическую схему и достичь при этом требуемых оптических характеристик (см., например, [1, 2]). Так, в частности, в среднем ИК диапазоне (3 ≤ λ ≤ 5 мкм) размещение дифракционной микроструктуры на плоской поверхности одной из рефракционных линз высокоапертурного триплета позволяет одновременно выполнить условия коррекции как хроматических, так и монохроматических аберраций. Не менее важной представляется возможность отказаться от использования в триплете германия, обладающего высоким и нелинейным температурным коэффициентом показателя преломления. При замене германия на халькогенидное стекло дифракционная микроструктура обеспечивает возможность сохранения апохроматизации и низкого уровня сферохроматизма, а незначительное тепловое изменение показателя преломления халькогенидного стекла позволяет избежать тепловой дефокусировки. Более того, использование ДОЭ, как будет показано в настоящей статье, весьма эффективно и в объективах двойного ИК диапазона, причем как монофокальных, так и с механически изменяемым фокусным расстоянием (zoom-объективах).
1.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕФРАКЦИОННО-ДИФРАКЦИОННОГО ОБЪЕКТИВА СРЕДНЕГО ИК ДИАПАЗОНА
Описанные выше возможности продемонстрируем на примере ИК объектива, две рефракционные линзы которого выполнены из стекла AMTIR3 (показатель преломления на длине волны λ = 4 мкм nAMTIR = 2,621003, а коэффициент дисперсии при λmin = 3 мкм и λmax = 5 мкм νAMTIR = 173,38), третья же линза, несущая дифракционную микроструктуру, выполнена из сернистого цинка (nZnS = 2,250382; νZnS = 112,20). Показатели преломления и коэффициенты дисперсии, приведенные здесь и ниже, рассчитаны по дисперсионным формулам каталога «INFRARED» программы оптического проектирования ZEMAX [3] и работы [4].
Оптическая схема объектива представлена на рис. 1. Его фокусное расстояние fʹ = 40 мм, диафрагменное число K = 0,84, а угловое поле в пространстве предметов 2ω = 24°. Расстояние от вершинной касательной плоскости фронтальной линзы до плоскости изображения L = 73,7 мм.
В табл. 1 и 2 представлены конструктивные параметры объектива, полученные после предварительного габаритного и аберрационного расчета путем оптимизации с помощью программы оптического проектирования ZEMAX [3]. При этом каждая из неплоских поверхностей рефракционных линз объектива представляла собой так называемую четную асферическую поверхность, описываемую в ZEMAX уравнением:
,
где z(ρ) ‒ координата точки поверхности, отстоящей от оптической оси на расстоянии ρ в системе координат, плоскость XOY которой касается вершины этой поверхности; c ‒ кривизна поверхности в ее вершине; κ ‒ коническая константа; αp ‒ коэффициенты асферичности поверхности.
Что же касается дифракционной микроструктуры, размещенной на плоской фронтальной поверхности второй рефракционной линзы, то она в рамках ZEMAX моделировалась поверхностью типа Binary2 с фазовой задержкой вида
,
где m ‒ номер рабочего дифракционного порядка, Aj ‒ постоянные коэффициенты.
Данный ИК объектив при относительном отверстии 1 : 0,84 обеспечивает разрешение 50 мм–1 при контрасте не ниже 0,5 и 35 мм-1 при контрасте не ниже 0,65 в пределах полевого угла 2ω ≤ 24°. Остаточный хроматизм положения в диапазоне от λmin = 3 мкм до λmax = 5 мкм не превышает 3,4 мкм при допуске, ограниченном дифракцией, равном 11,3 мкм. Хроматизм увеличения составляет 4,1 мкм, что несколько меньше радиуса главного максимума картины Эйри. Дисторсия объектива меньше 0,25%.
2.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕФРАКЦИОННО-ДИФРАКЦИОННОГО ОБЪЕКТИВА ДВОЙНОГО ИК ДИАПАЗОНА
Аберрационный расчет и последующая оптимизация с помощью программы оптического проектирования ZEMAX показали, что рефракционно-дифракционный триплет после соответствующей модификации оптической схемы способен успешно работать и в двойном ИК диапазоне [5]. Модификация оптической схемы включала, в частности, замену используемых оптических материалов на GASIR1 (показатель преломления на длине волны λ = 7,35 мкм nGASIR1 = 2,501489, а коэффициент дисперсии при λmin = 3,7 мкм и λmax = 11 мкм νGASIR1 = 74,84) и ZnS_broad (nZnS_broad = 2,228805; νZnS_broad = 18,03).
У полученного объектива (см. рис. 2, табл. 3 и 4) в двойном ИК диапазоне сохранены апохроматическая коррекция продольного хроматизма с третичным спектром, не превышающим допуск, ограниченный дифракцией, и коррекция хроматизма увеличения до величины порядка радиуса главного максимума картины Эйри.
Однако хроматические аберрации высших порядков с расширением спектрального диапазона ощутимо возросли, что привело к снижению апертуры (K = 1,1) и разрешения. В пределах того же углового поля, на которое рассчитан выше представленный объектив среднего ИК диапазона (2ω ≤ 24°) данный объектив двойного ИК диапазона обеспечивает разрешение 35 мм–1 при контрасте не ниже 0,3 и 25 мм–1 при контрасте не ниже 0,5. Фокусное расстояние объектива по-прежнему fʹ = 40 мм, а расстояние от вершинной касательной плоскости фронтальной линзы до плоскости изображения L = 69,03 мм. Дисторсия не превышает 0,3%.
3.
ДИФРАКЦИОННАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИК КИНОФОРМА И ПУТИ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ
Дифракционная микроструктура, моделируемая в Zemax бесконечно тонким транспарантом, осуществляющим заданную фазовую задержку, в реальности выполняется в виде киноформа, т. е. пилообразного рельефа на поверхности оптического материала. Сегодня хорошо отлаженная технология алмазного точения позволяет в промышленных масштабах тиражировать гибридные элементы ИК диапазона с киноформной микроструктурой, выполненной в плоской, сферической или даже асферической поверхности рефракционной линзы [6].
Дифракционная эффективность (ДЭ) киноформной микроструктуры может приближаться к единице, но только на одной длине волны и при одном угле падения излучения, а достоверную оценку падения ДЭ в зависимости от длины волны и угла падения дает только строгая теория дифракции, основанная на решении системы уравнений Максвелла. Расчет ДЭ киноформных микроструктур обоих объективов, описанных в настоящей работе, выполнялся методом строгого анализа связанных волн [rigorous coupled-wave analysis (RCWA)] [7]. При этом расчет микроструктур объектива среднего ИК диапазона выполнялся с использованием разработанной авторами компьютерной программы «RCWA-PSUACE», а микроструктур объектива двойного ИК-диапазона – с использованием компьютерной программы, представленной в работе [8].
Киноформная микроструктура объектива среднего ИК диапазона состоит из 33 кольцевых зон. При этом ширина самой узкой зоны (минимальный период киноформа) P > 400 мкм, а максимальный угол падения излучения на микроструктуру из воздуха θ ≤ 13,5°. Расчет показал, что ДЭ этого киноформа при оптимальной глубине рельефа (h = 3,2 мкм), благодаря значительному отношению пространственного периода микроструктуры к глубине рельефа (P / h > 125), оказалась близкой к пределу, прогнозируемому скалярной теорией дифракции, т. е. не ниже 0,8 во всем рабочем спектральном диапазоне. При этом двадцать процентов падающей на киноформ энергии, приходящиеся на побочные дифракционные порядки, неминуемо приведут к падению контраста в формируемом объективом изображении и в ряде случаев к недопустимому снижению отношения сигнал / шум.
Поднять ДЭ во всем спектральном диапазоне и для всего интервала углов падения излучения до уровня 0,85 и даже до 0,95 можно путем перехода к двух- или трехслойным киноформным микроструктурам. Так, в частности, двухслойная однорельефная микроструктура (см. рис. 3), скомпонованная из Al2O3 и ZnS (n1 = 1,660731, n2 = 2,250382) при оптимальной глубине рельефа (h = 6,72 мкм), углах падения излучения –15 ≤ θ ≤ 15° и в спектральном диапазоне 3 ≤ λ ≤ 5 мкм обеспечивает ДЭ ≤ 0,87 при P / h ≤ 5 и ДЭ ≥ 0,90 при P / h ≥ 30.
Здесь сразу же заметим, что современные технологии позволяют, используя плоскую поверхность рефракционной линзы как подложку, нанести на нее слой другого ИК прозрачного материала с толщиной, достаточной для выполнения в нем пилообразного рельефа, а его в свою очередь покрыть еще одним слоем, который и завершит формирование двухслойной однорельефной пилообразной микроструктуры. Анализ показал, что лучшей парой материалов для такой микроструктуры в спектральном диапазоне 3 ≤ λ ≤ 5 мкм могут служить Al2O3 и AgCl (n2 = 1,99996). При оптимальной глубине рельефа (h = 12,22 мкм) и углах падения излучения –15 ≤ θ ≤ 15° эта микроструктура обеспечивает ДЭ ≤ 0,9 при P / h ≤ 5 и ДЭ ≥ 0,92 при P / h ≥ 30.
Трехслойная же микроструктура (см. рис. 4) при оптимальных глубинах двух рельефов (h1 = 18,76 мкм, h2 = 10,96 мкм), скомпонованная из Al2O3, MgF2 и ZnS (n1 = 1,660731, n2 = 1,348829, n3 = 2,250382) в тех же угловом и спектральном диапазонах обеспечивает ДЭ ≥ 0,92 при P / (h1 + h2) ≤ 5 и ДЭ ≥ 0,95 при P / (h1 + h2) ≥ 30.
Киноформная микроструктура представленного выше объектива двойного ИК диапазона состоит всего из 5 кольцевых зон и выполняется в плоской поверхности оптического материала GASIR1 (показатель преломления на длине волны λ = 7,35 мкм nGASIR1 = 2,501489, а коэффициент дисперсии при λmin = 3,7 мкм и λmax = 11 мкм νGASIR1 = 74,84). При этом ширина самой узкой зоны, т. е. минимальный период киноформа P > 2,8 мм, а максимальный угол падения излучения на микроструктуру из воздуха θ ≤ 12°.
Расчет показал, что при оптимальной глубине рельефа h = 3,7 мкм ДЭ на краях рабочего спектрального диапазона (3,7 ≤ λ ≤ 11 мкм) будет опускаться до 0,4 даже при очень больших отношениях пространственного периода микроструктуры к глубине рельефа.
В случае двухслойной однорельефной микроструктуры, скомпонованной из GASIR1 и ZnS_broad, ДЭ ≤ 0,52. И даже в случае нанесения на плоскую поверхность первой рефракционной линзы двух слоев из материалов CdTe и ZnS_broad, разделенных одним пилообразным рельефом, поднять ДЭ выше 0,7 не удастся.
Ситуация становится принципиально иной при компоновке микроструктуры из тех же материалов GASIR1 и ZnS_broad, но с двумя рельефами разной глубины (h1 = 132 мкм, h2 = 155,8 мкм). Несмотря на столь значительную суммарную глубину рельефа и благодаря большому отношению пространственного периода микроструктуры к суммарной глубине (P / h ≈ 10), ДЭ ≥ 0,9.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты исследований, представленные в настоящей работе, наглядно демонстрируют эффективность использования дифракционных элементов в объективах среднего и двойного ИК-диапазонов. Показано, что размещение дифракционной микроструктуры на плоской поверхности одной из рефракционных линз высокоапертурного триплета позволяет одновременно выполнить условия коррекции как хроматических, так и монохроматических аберраций и достичь достаточно высоких оптических характеристик. В то же время значительная ширина рабочего спектрального диапазона вынуждает для обеспечения приемлемой ДЭ пилообразной рельефной микроструктуры переходить к двухслойным одно- или двухрельефным микроструктурам. При этом глубины рельефов многократно возрастают, что существенно ограничивает допустимые минимальный пространственный период микроструктуры и углы падения излучения на нее. Это в свою очередь накладывает определенные ограничения на размещение микроструктуры в пределах оптической схемы объектива [9]. Однако, как показано в настоящей работе, скомпоновать оптическую схему объектива, обеспечивающую надлежащую коррекцию аберраций при приемлемых минимальном пространственном периоде дифракционной микроструктуры и углах падения излучения на нее, удается даже в простейшем случае триплета.
ВКЛАД ЧЛЕНОВ АВТОРСКОГО КОЛЛЕКТИВА В РАБОТУ
Все авторы декларируют равный вклад каждого в подготовку, обсуждение и написание статьи.
Работа выполнена в рамках гранта РНФ-проект 20-19-00081.
СПИCОК ЛИТЕРАТУРЫ
Wang Hu, Bai Yu, Luo Jianjun. Hybrid refractive / diffractive optical system design for light and compact uncooled longwave infrared imager. Proc. of SPIE. Vol. 8416; 84162N 1.
Патент РФ 2621366. Компактный объектив среднего ИК диапазона / Бездидько С. Н., Тарасишин А. В.
Patent RF 2621366. Kompaktnyj ob»ektiv srednego IK diapazona / Bezdid’ko S.N., Tarasishin A. V.
ZEMAX: software for optical system design. http://www.radiantzemax.com.
Xie Hongbo, Ren D., Wang Ch., Mao Ch., Yang Lei. Design of high-efficiency diffractive optical elements towards ultrafast mid-infrared timestretched imaging and spectroscopy. Journal of Modern Optics. 2018; 65(3): 255–261.
Грейсух Г. И., Данилов В. А., Ежов Е. Г., Антонов А. И., Усиевич Б. А. Дифракционные элементы в оптических системах ИК диапазона. Труды XVI международной конференции по голографии и прикладным оптическим технологиям HOLOEXPO 2019. – М: МГТУ. 2019; 178–185.
Grejsuh G. I., Danilov V. A., Ezhov E. G., Antonov A. I., Usievich B. A. Difrakcionnye elementy v opticheskih sistemah IK diapazona. Trudy XVI mezhdunarodnoj konferencii po golografii i prikladnym opticheskim tekhnologiyam HOLOEXPO 2019. – M: MGTU. 2019; 178–185.
Edmund Optics: Germanium Infrared (IR) Hybrid Aspheric Lenses. https://www.edmundoptics.com/f/germanium-infrared-ir-hybrid-aspheric-lenses/14182/.
Moharam M. G., Gaylord T. K. Rigorous coupled-wave analysis of planar-grating diffraction. J. Opt. Soc. Am. 1981; 71(7): 811–818.
Lyndin N. M. Modal and C Methods Grating Design and Analysis Software. http: //www.mcgrating.com.
Грейсух, Г.И., Данилов В. А., Ежов Е. Г., Степанов С. А. Учет дифракционной эффективности при проектировании рефракционно-дифракционных оптических систем. Оптический журнал. 2016; 83(3): 32–38.
Grejsuh, G.I., Danilov V. A., Ezhov E. G., Stepanov S. A. Uchet difrakcionnoj effektivnosti pri proektirovanii refrakcionno-difrakcionnyh opticheskih sistem. Opticheskij zhurnal. 2016; 83(3): 32–38.
ОБ АВТОРАХ
Григорий Грайсух, д. т. н., subscribing_2002@mail.ru
ORCID: 0000-0003-1905-1513
Евгений Ежов
ORCID: 0000-0001-9281-5394
Артем Антонов
ORCID: 0000-0003-1532-2750
Виктор Данилов
ORCID: 0000-0002-1766-5223
Борис Усиевич
ORCID: 0000-0001-5071-3058
в оптических системах среднего и двойного ИК-диапазона
Г. И. Грейсух1, В. А. Данилов2,Е. Г. Ежов1, А. И. Антонов1, Б. А. Усиевич3
ФГБОУВО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, www. pguas.ru, Пенза, Россия
ФГБУН Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук, www. ntcup.ru, Москва, Россия
ФГБУН Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук, www. gpi.ru, Москва, Россия
Показано, что размещение дифракционной микроструктуры на плоской поверхности одной из рефракционных линз высокоапертурного триплета позволяет одновременно выполнить условия коррекции как хроматических, так и монохроматических аберраций и получить объективы, рассчитанные на средний и двойной инфракрасные диапазоны, имеющие достаточно высокие оптические характеристики.
Ключевые слова: средний и двойной ИК- диапазоны, объектив, дифракционная микроструктура, хроматические и монохроматические аберрации
Статья получена: 26.12.2019
Принята к публикации: 21.01.2020
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время одним из направлений оптического приборостроения, развитие которого наиболее востребовано, является направление, связанное с разработкой и созданием монофокальной оптики и оптики с изменяющимся фокусным расстоянием, предназначенной для работы в расширенных спектральных диапазонах. В видимом и ближнем инфракрасных (ИК) диапазонах это прежде всего массовая оптика мобильных телефонов, смартфонов и планшетов, а также систем безопасности и технического зрения (в частности, беспилотных наземных, подводных и воздушных транспортных средств). В двойном ИК диапазоне, включающем среднее и дальнее ИК излучение (3,7–11 мкм), это оптика тепловизоров и приборов ночного видения различного назначения.
Высококачественная оптика всех вышеперечисленных диапазонов необходима также и медицинскому приборостроению. При этом очевидно, что для удовлетворения все возрастающих требований к массогабаритным и техническим характеристикам оптических систем необходимо расширение элементной базы и ассортимента оптических материалов.
Один из возможных путей расширения элементной базы предполагает использование дифракционных оптических элементов (ДОЭ). При этом уникальные аберрационные свойства ДОЭ дают наибольший эффект в ИК диапазоне. Действительно, введение такого элемента в рефракционный объектив тепловизора позволяет упростить его оптическую схему и достичь при этом требуемых оптических характеристик (см., например, [1, 2]). Так, в частности, в среднем ИК диапазоне (3 ≤ λ ≤ 5 мкм) размещение дифракционной микроструктуры на плоской поверхности одной из рефракционных линз высокоапертурного триплета позволяет одновременно выполнить условия коррекции как хроматических, так и монохроматических аберраций. Не менее важной представляется возможность отказаться от использования в триплете германия, обладающего высоким и нелинейным температурным коэффициентом показателя преломления. При замене германия на халькогенидное стекло дифракционная микроструктура обеспечивает возможность сохранения апохроматизации и низкого уровня сферохроматизма, а незначительное тепловое изменение показателя преломления халькогенидного стекла позволяет избежать тепловой дефокусировки. Более того, использование ДОЭ, как будет показано в настоящей статье, весьма эффективно и в объективах двойного ИК диапазона, причем как монофокальных, так и с механически изменяемым фокусным расстоянием (zoom-объективах).
1.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕФРАКЦИОННО-ДИФРАКЦИОННОГО ОБЪЕКТИВА СРЕДНЕГО ИК ДИАПАЗОНА
Описанные выше возможности продемонстрируем на примере ИК объектива, две рефракционные линзы которого выполнены из стекла AMTIR3 (показатель преломления на длине волны λ = 4 мкм nAMTIR = 2,621003, а коэффициент дисперсии при λmin = 3 мкм и λmax = 5 мкм νAMTIR = 173,38), третья же линза, несущая дифракционную микроструктуру, выполнена из сернистого цинка (nZnS = 2,250382; νZnS = 112,20). Показатели преломления и коэффициенты дисперсии, приведенные здесь и ниже, рассчитаны по дисперсионным формулам каталога «INFRARED» программы оптического проектирования ZEMAX [3] и работы [4].
Оптическая схема объектива представлена на рис. 1. Его фокусное расстояние fʹ = 40 мм, диафрагменное число K = 0,84, а угловое поле в пространстве предметов 2ω = 24°. Расстояние от вершинной касательной плоскости фронтальной линзы до плоскости изображения L = 73,7 мм.
В табл. 1 и 2 представлены конструктивные параметры объектива, полученные после предварительного габаритного и аберрационного расчета путем оптимизации с помощью программы оптического проектирования ZEMAX [3]. При этом каждая из неплоских поверхностей рефракционных линз объектива представляла собой так называемую четную асферическую поверхность, описываемую в ZEMAX уравнением:
,
где z(ρ) ‒ координата точки поверхности, отстоящей от оптической оси на расстоянии ρ в системе координат, плоскость XOY которой касается вершины этой поверхности; c ‒ кривизна поверхности в ее вершине; κ ‒ коническая константа; αp ‒ коэффициенты асферичности поверхности.
Что же касается дифракционной микроструктуры, размещенной на плоской фронтальной поверхности второй рефракционной линзы, то она в рамках ZEMAX моделировалась поверхностью типа Binary2 с фазовой задержкой вида
,
где m ‒ номер рабочего дифракционного порядка, Aj ‒ постоянные коэффициенты.
Данный ИК объектив при относительном отверстии 1 : 0,84 обеспечивает разрешение 50 мм–1 при контрасте не ниже 0,5 и 35 мм-1 при контрасте не ниже 0,65 в пределах полевого угла 2ω ≤ 24°. Остаточный хроматизм положения в диапазоне от λmin = 3 мкм до λmax = 5 мкм не превышает 3,4 мкм при допуске, ограниченном дифракцией, равном 11,3 мкм. Хроматизм увеличения составляет 4,1 мкм, что несколько меньше радиуса главного максимума картины Эйри. Дисторсия объектива меньше 0,25%.
2.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕФРАКЦИОННО-ДИФРАКЦИОННОГО ОБЪЕКТИВА ДВОЙНОГО ИК ДИАПАЗОНА
Аберрационный расчет и последующая оптимизация с помощью программы оптического проектирования ZEMAX показали, что рефракционно-дифракционный триплет после соответствующей модификации оптической схемы способен успешно работать и в двойном ИК диапазоне [5]. Модификация оптической схемы включала, в частности, замену используемых оптических материалов на GASIR1 (показатель преломления на длине волны λ = 7,35 мкм nGASIR1 = 2,501489, а коэффициент дисперсии при λmin = 3,7 мкм и λmax = 11 мкм νGASIR1 = 74,84) и ZnS_broad (nZnS_broad = 2,228805; νZnS_broad = 18,03).
У полученного объектива (см. рис. 2, табл. 3 и 4) в двойном ИК диапазоне сохранены апохроматическая коррекция продольного хроматизма с третичным спектром, не превышающим допуск, ограниченный дифракцией, и коррекция хроматизма увеличения до величины порядка радиуса главного максимума картины Эйри.
Однако хроматические аберрации высших порядков с расширением спектрального диапазона ощутимо возросли, что привело к снижению апертуры (K = 1,1) и разрешения. В пределах того же углового поля, на которое рассчитан выше представленный объектив среднего ИК диапазона (2ω ≤ 24°) данный объектив двойного ИК диапазона обеспечивает разрешение 35 мм–1 при контрасте не ниже 0,3 и 25 мм–1 при контрасте не ниже 0,5. Фокусное расстояние объектива по-прежнему fʹ = 40 мм, а расстояние от вершинной касательной плоскости фронтальной линзы до плоскости изображения L = 69,03 мм. Дисторсия не превышает 0,3%.
3.
ДИФРАКЦИОННАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИК КИНОФОРМА И ПУТИ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ
Дифракционная микроструктура, моделируемая в Zemax бесконечно тонким транспарантом, осуществляющим заданную фазовую задержку, в реальности выполняется в виде киноформа, т. е. пилообразного рельефа на поверхности оптического материала. Сегодня хорошо отлаженная технология алмазного точения позволяет в промышленных масштабах тиражировать гибридные элементы ИК диапазона с киноформной микроструктурой, выполненной в плоской, сферической или даже асферической поверхности рефракционной линзы [6].
Дифракционная эффективность (ДЭ) киноформной микроструктуры может приближаться к единице, но только на одной длине волны и при одном угле падения излучения, а достоверную оценку падения ДЭ в зависимости от длины волны и угла падения дает только строгая теория дифракции, основанная на решении системы уравнений Максвелла. Расчет ДЭ киноформных микроструктур обоих объективов, описанных в настоящей работе, выполнялся методом строгого анализа связанных волн [rigorous coupled-wave analysis (RCWA)] [7]. При этом расчет микроструктур объектива среднего ИК диапазона выполнялся с использованием разработанной авторами компьютерной программы «RCWA-PSUACE», а микроструктур объектива двойного ИК-диапазона – с использованием компьютерной программы, представленной в работе [8].
Киноформная микроструктура объектива среднего ИК диапазона состоит из 33 кольцевых зон. При этом ширина самой узкой зоны (минимальный период киноформа) P > 400 мкм, а максимальный угол падения излучения на микроструктуру из воздуха θ ≤ 13,5°. Расчет показал, что ДЭ этого киноформа при оптимальной глубине рельефа (h = 3,2 мкм), благодаря значительному отношению пространственного периода микроструктуры к глубине рельефа (P / h > 125), оказалась близкой к пределу, прогнозируемому скалярной теорией дифракции, т. е. не ниже 0,8 во всем рабочем спектральном диапазоне. При этом двадцать процентов падающей на киноформ энергии, приходящиеся на побочные дифракционные порядки, неминуемо приведут к падению контраста в формируемом объективом изображении и в ряде случаев к недопустимому снижению отношения сигнал / шум.
Поднять ДЭ во всем спектральном диапазоне и для всего интервала углов падения излучения до уровня 0,85 и даже до 0,95 можно путем перехода к двух- или трехслойным киноформным микроструктурам. Так, в частности, двухслойная однорельефная микроструктура (см. рис. 3), скомпонованная из Al2O3 и ZnS (n1 = 1,660731, n2 = 2,250382) при оптимальной глубине рельефа (h = 6,72 мкм), углах падения излучения –15 ≤ θ ≤ 15° и в спектральном диапазоне 3 ≤ λ ≤ 5 мкм обеспечивает ДЭ ≤ 0,87 при P / h ≤ 5 и ДЭ ≥ 0,90 при P / h ≥ 30.
Здесь сразу же заметим, что современные технологии позволяют, используя плоскую поверхность рефракционной линзы как подложку, нанести на нее слой другого ИК прозрачного материала с толщиной, достаточной для выполнения в нем пилообразного рельефа, а его в свою очередь покрыть еще одним слоем, который и завершит формирование двухслойной однорельефной пилообразной микроструктуры. Анализ показал, что лучшей парой материалов для такой микроструктуры в спектральном диапазоне 3 ≤ λ ≤ 5 мкм могут служить Al2O3 и AgCl (n2 = 1,99996). При оптимальной глубине рельефа (h = 12,22 мкм) и углах падения излучения –15 ≤ θ ≤ 15° эта микроструктура обеспечивает ДЭ ≤ 0,9 при P / h ≤ 5 и ДЭ ≥ 0,92 при P / h ≥ 30.
Трехслойная же микроструктура (см. рис. 4) при оптимальных глубинах двух рельефов (h1 = 18,76 мкм, h2 = 10,96 мкм), скомпонованная из Al2O3, MgF2 и ZnS (n1 = 1,660731, n2 = 1,348829, n3 = 2,250382) в тех же угловом и спектральном диапазонах обеспечивает ДЭ ≥ 0,92 при P / (h1 + h2) ≤ 5 и ДЭ ≥ 0,95 при P / (h1 + h2) ≥ 30.
Киноформная микроструктура представленного выше объектива двойного ИК диапазона состоит всего из 5 кольцевых зон и выполняется в плоской поверхности оптического материала GASIR1 (показатель преломления на длине волны λ = 7,35 мкм nGASIR1 = 2,501489, а коэффициент дисперсии при λmin = 3,7 мкм и λmax = 11 мкм νGASIR1 = 74,84). При этом ширина самой узкой зоны, т. е. минимальный период киноформа P > 2,8 мм, а максимальный угол падения излучения на микроструктуру из воздуха θ ≤ 12°.
Расчет показал, что при оптимальной глубине рельефа h = 3,7 мкм ДЭ на краях рабочего спектрального диапазона (3,7 ≤ λ ≤ 11 мкм) будет опускаться до 0,4 даже при очень больших отношениях пространственного периода микроструктуры к глубине рельефа.
В случае двухслойной однорельефной микроструктуры, скомпонованной из GASIR1 и ZnS_broad, ДЭ ≤ 0,52. И даже в случае нанесения на плоскую поверхность первой рефракционной линзы двух слоев из материалов CdTe и ZnS_broad, разделенных одним пилообразным рельефом, поднять ДЭ выше 0,7 не удастся.
Ситуация становится принципиально иной при компоновке микроструктуры из тех же материалов GASIR1 и ZnS_broad, но с двумя рельефами разной глубины (h1 = 132 мкм, h2 = 155,8 мкм). Несмотря на столь значительную суммарную глубину рельефа и благодаря большому отношению пространственного периода микроструктуры к суммарной глубине (P / h ≈ 10), ДЭ ≥ 0,9.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты исследований, представленные в настоящей работе, наглядно демонстрируют эффективность использования дифракционных элементов в объективах среднего и двойного ИК-диапазонов. Показано, что размещение дифракционной микроструктуры на плоской поверхности одной из рефракционных линз высокоапертурного триплета позволяет одновременно выполнить условия коррекции как хроматических, так и монохроматических аберраций и достичь достаточно высоких оптических характеристик. В то же время значительная ширина рабочего спектрального диапазона вынуждает для обеспечения приемлемой ДЭ пилообразной рельефной микроструктуры переходить к двухслойным одно- или двухрельефным микроструктурам. При этом глубины рельефов многократно возрастают, что существенно ограничивает допустимые минимальный пространственный период микроструктуры и углы падения излучения на нее. Это в свою очередь накладывает определенные ограничения на размещение микроструктуры в пределах оптической схемы объектива [9]. Однако, как показано в настоящей работе, скомпоновать оптическую схему объектива, обеспечивающую надлежащую коррекцию аберраций при приемлемых минимальном пространственном периоде дифракционной микроструктуры и углах падения излучения на нее, удается даже в простейшем случае триплета.
ВКЛАД ЧЛЕНОВ АВТОРСКОГО КОЛЛЕКТИВА В РАБОТУ
Все авторы декларируют равный вклад каждого в подготовку, обсуждение и написание статьи.
Работа выполнена в рамках гранта РНФ-проект 20-19-00081.
СПИCОК ЛИТЕРАТУРЫ
Wang Hu, Bai Yu, Luo Jianjun. Hybrid refractive / diffractive optical system design for light and compact uncooled longwave infrared imager. Proc. of SPIE. Vol. 8416; 84162N 1.
Патент РФ 2621366. Компактный объектив среднего ИК диапазона / Бездидько С. Н., Тарасишин А. В.
Patent RF 2621366. Kompaktnyj ob»ektiv srednego IK diapazona / Bezdid’ko S.N., Tarasishin A. V.
ZEMAX: software for optical system design. http://www.radiantzemax.com.
Xie Hongbo, Ren D., Wang Ch., Mao Ch., Yang Lei. Design of high-efficiency diffractive optical elements towards ultrafast mid-infrared timestretched imaging and spectroscopy. Journal of Modern Optics. 2018; 65(3): 255–261.
Грейсух Г. И., Данилов В. А., Ежов Е. Г., Антонов А. И., Усиевич Б. А. Дифракционные элементы в оптических системах ИК диапазона. Труды XVI международной конференции по голографии и прикладным оптическим технологиям HOLOEXPO 2019. – М: МГТУ. 2019; 178–185.
Grejsuh G. I., Danilov V. A., Ezhov E. G., Antonov A. I., Usievich B. A. Difrakcionnye elementy v opticheskih sistemah IK diapazona. Trudy XVI mezhdunarodnoj konferencii po golografii i prikladnym opticheskim tekhnologiyam HOLOEXPO 2019. – M: MGTU. 2019; 178–185.
Edmund Optics: Germanium Infrared (IR) Hybrid Aspheric Lenses. https://www.edmundoptics.com/f/germanium-infrared-ir-hybrid-aspheric-lenses/14182/.
Moharam M. G., Gaylord T. K. Rigorous coupled-wave analysis of planar-grating diffraction. J. Opt. Soc. Am. 1981; 71(7): 811–818.
Lyndin N. M. Modal and C Methods Grating Design and Analysis Software. http: //www.mcgrating.com.
Грейсух, Г.И., Данилов В. А., Ежов Е. Г., Степанов С. А. Учет дифракционной эффективности при проектировании рефракционно-дифракционных оптических систем. Оптический журнал. 2016; 83(3): 32–38.
Grejsuh, G.I., Danilov V. A., Ezhov E. G., Stepanov S. A. Uchet difrakcionnoj effektivnosti pri proektirovanii refrakcionno-difrakcionnyh opticheskih sistem. Opticheskij zhurnal. 2016; 83(3): 32–38.
ОБ АВТОРАХ
Григорий Грайсух, д. т. н., subscribing_2002@mail.ru
ORCID: 0000-0003-1905-1513
Евгений Ежов
ORCID: 0000-0001-9281-5394
Артем Антонов
ORCID: 0000-0003-1532-2750
Виктор Данилов
ORCID: 0000-0002-1766-5223
Борис Усиевич
ORCID: 0000-0001-5071-3058
Отзывы читателей
