Двухдиапазонная голографическая оптическая система

Настоящее устройство относится к области оптического приборостроения, а именно к голограммной оптике.
Хорошо известен метод взаимной коррекции хроматических аберраций положения двух и более голограммных оптических элементов. Например, в Applied Optics (Том 11, стр. 1686, 1972) J.N. Latta описывает голографическую оптическую систему, состоящую из пропускающей голографической решетки и пропускающей голографической зонной пластины. В этой двухкомпонентной системе имеет место взаимная компенсация пространственной дисперсии решетки и зонной пластины вблизи одной заданной длины волны.
Недостатками этой двухкомпонентной системы являются: неисправленная сферическая аберрация, маленькое относительное отверстие системы и то, что система рассчитана для плоской падающей волны. Также система имеет один рабочий спектральный диапазон. При использовании трех голограммных оптических элементов в этой системе возникает проблема низкой дифракционной эффективности использования света.
Также известен метод уменьшения хроматической аберрации положения в изображении, полученном с использованием двух и более голограммных пропускающих оптических элементов. Например, в журнале Applied Optics (Том 15, номер 2, стр. 542, 1976) S.J. Bennet описывает две ахроматические голографические оптические системы, состоящие из двух или трех голограммных пропускающих оптических элементов, расположенных на одной оптической оси. Недостатками этих голографических оптических систем являются: исправление только хроматической аберрации положения и маленькое относительное отверстие всей системы. Значение относительного отверстия системы мало из-за того, что исправление хроматической аберрации проводится в параксиальной области этой голографической оптической системы.
Недостатком голографической оптической системы из трех элементов является более низкая дифракционная эффективность по сравнению с системой из двух элементов. Эти системы также рассчитаны лишь для одного рабочего спектрального диапазона.
Из описаний технических решений существующих типов устройств голограммной и дифракционной техники известен патент SU1103180A, опубликованный 15.07.1984, в котором представлена ахроматическая голографическая оптическая система, состоящая из двух пропускающих дифракционных линз и апертурной диафрагмы в плоскости первой пропускающей дифракционной линзы.
Недостатком данного технического решения является то, что исправление сферической аберрации третьего порядка системы осуществляется для монохроматического источника света. Другим недостатком этой голографической оптической системы является использование лишь одного порядка дифракции.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является система, описанная в патенте US5477348A, опубликованном 19.12.1995, принятая в качестве прототипа. Ахроматическая голографическая оптическая система, состоит из двух голограмм криволинейной формы и наклоненных друг к другу, первая голограмма преобразует расходящуюся сферическую волну в другую сходящуюся (или расходящуюся) сферическую волну, а вторая голограмма преобразует сходящуюся (или расходящуюся) сферическую волну в другую расходящуюся сферическую волну.
Недостатком данного технического решения является то, что система, состоящая из двух пропускающих голограмм, представляющих голограммные пропускающие оптические элементы, формирует изображение световой волной, проходящей в параксиальной области голограмм, что приводит к уменьшению относительного отверстия голографической оптической системы. Система используется лишь в одном заданном порядке дифракции, что приводит к уменьшенной ширине рабочего спектрального диапазона. Система обладает неисправленной сферохроматической аберрацией третьего порядка.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в расширении рабочего спектрального диапазона двухкомпонентной голографической оптической системы в инфракрасную область спектра и в повышении ее светосилы, при одновременном исправлении хроматической аберрации положения и сферохроматической аберрации третьего порядка.
согласно полезной модели
разности
Данная задача решается за счет того, что двухдиапазонная голографическая оптическая система, содержит расположенные на оптической оси точечный полихроматический источник, два параллельных голограммных пропускающих оптических элемента и предметную плоскость, оба голограммных пропускающих оптических элемента являются фокусирующими и плоскими, и расположены перпендикулярно оптической оси, причем первый голограммный пропускающий оптический элемент находится от предметной плоскости на расстоянии в полтора раза превышающем его фокусное расстояние в первом порядке дифракции, а второй голограммный пропускающий оптический элемент расположен от первого голограммного пропускающего оптического элемента на расстоянии, равном утроенной  фокусного расстояния первого голограммного пропускающего оптического элемента и корня квадратного из произведения фокусных расстояний первого и второго голограммных пропускающих оптических элементов.
сумме
Кроме того, в двухдиапазонной голографической оптической системе второй голограммный пропускающий оптический элемент расположен от первого голограммного пропускающего оптического элемента на расстоянии, равном утроенной  фокусного расстояния первого голограммного пропускающего оптического элемента и корня квадратного из произведения фокусных расстояний первого и второго голограммных пропускающих оптических элементов.
Кроме того, в двухдиапазонной голографической оптической системе между плоскостью предмета и первым голограммным пропускающим оптическим элементом и между первым и вторым голограммными пропускающими оптическими элементами помещена «прозрачная» для видимого и инфракрасного диапазонов спектра твердая или жидкая среда.
Устройство поясняется фиг., на которой изображены обе схемы двухдиапазонной голографической оптической системы.
1
1
1
1
Двухдиапазонная голографическая оптическая система содержит точечный полихроматический источник излучения S, имеющий светящуюся поверхность размером (диаметром), равным sλ/F, где s– расстояние от полихроматического источника до первого голограммного пропускающего оптического элемента (ГОЭ 1), λ – выбранная рабочая длина волны излучения этого источника. Два голограммных пропускающих оптических элемента ГОЭ 1 и ГОЭ 2 располагаются на одной оптической оси. Плоскости обоих этих элементов ГОЭ 1 и ГОЭ 2 перпендикулярны оптической оси.
1
1
1
1
1
'
'
'
'
Двухдиапазонная голографическая оптическая система работает следующим образом. От точечного полихроматического источника света S идет расходящаяся световая волна, которая попадая на первый голограммный пропускающий оптический элемент и дифрагируя на нем, становится сходящейся. Причем первый голограммный пропускающий оптический элемент формирует во втором порядке дифракции изображения Sточечного полихроматического источника в заданном участке видимой области спектра, а в первом порядке дифракции - изображения Sв заданном участке инфракрасной области спектра. Изображения Sточечного полихроматического источника в видимом и инфракрасном диапазонах спектра располагаются на оптической оси и образуют в видимом диапазоне непрерывный ряд окрашенных цветных точечных изображений как показано на фиг.1: (фиг. 1 а) - мнимые изображения, (фиг. 1 б) - действительные изображения. В первом и во втором порядках дифракции голограммного пропускающего оптического элемента имеет место наложение спектров и изображения Sполихроматического источника пространственно совпадают для длин волн излучения отличающихся в два раза.
2
2
'
'
Сходящаяся после первого голограммного пропускающего оптического элемента полихроматическая волна дифрагирует на втором голограммном пропускающем оптическом элементе и становится расходящейся, формируя ахроматическое изображение Sточечного полихроматического источника. Причем это полихроматическое изображение Sявляется результатом пространственного совмещения изображений, сформированных волнами, дифрагировавшими в первый и во второй порядки дифракции. Достигается это тем, что при дифракции на втором голограммном пропускающем оптическом элементе сходящихся волн происходит обратное наложение спектров первого и второго порядков дифракции, приводящее к возникновению расходящейся из одной точки уже полихроматической волны. Указанная ахроматизация изображения имеет место при двух определенных расстояниях L между первым и вторым голограммными пропускающими оптическими элементами, задаваемых выражением
1
1
2
0,5
L = 3F± 3(FF),
1
2
где Fи F- фокусные расстояния первого и второго голограммных пропускающих оптических элементов в первом порядке дифракции на заданной рабочей длине волны. Расстояние от второго голограммного пропускающего оптического элемента до изображения точечного полихроматического источника задается известной формулой тонкого голограммного оптического элемента.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является расширение рабочего спектрального диапазона, увеличение светосилы голографической оптической системы при одновременном исправлении хроматической аберрации положения и исправление сферохроматической аберрации третьего порядка за счет того, что оба голограммных пропускающих оптических элемента располагаются на заданных расстояниях от точечного полихроматического источника излучения, на заданном расстоянии между собой и используются в первом и втором порядках дифракции.