ОПТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОДЕЛИТЕЛЬ

Настоящая полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована для разделения в пространстве потока излучения по спектральным диапазонам с целью построения изображений, пирометрии, наведения лазерных дальномеров, создания охранных систем наблюдения и др.
В оптическом приборостроении рабочими являются спектральные диапазоны, соответствующие «окнам» прозрачности атмосферы, а именно: ультрафиолетовый - от 0,2 до 0,4 мкм, видимый - от 0,4 до 0,75 мкм, ближний инфракрасный от 0,75 до 1,8 мкм, средний инфракрасный - от 3,0 до 5,0 мкм и дальний инфракрасный - от 8,0 до 14,0 мкм. Эффективность спектроделения определяют соответствием выделяемых спектральных диапазонов пределам спектральной чувствительности выбранных фотоприемных устройств, величиной потерь световой энергии в процессе спектроделения в каждом спектральном диапазоне, качеством передачи оптических характеристик и их стабильностью при воздействии внешних факторов: температуры, влажности, пыли и т.д.
Возможность одновременного анализа изображений, полученных в разных спектральных диапазонах в реальном масштабе времени, с учетом дистанций до объектов наблюдения, полученных с помощью лазерных дальномеров, работающих в выделенном спектральном канале, позволяет существенно повысить информационную емкость систем наблюдения.
Известно устройство спектроделения [В.В.Тарасов, Ю.Г.Якушенков. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. М., Университетская книга; Логос, 2007, стр.62], выполненное в виде дифракционной решетки, обеспечивающей возможность регистрации отраженного излучения под разными углами. Такое решение позволяет получать последовательные во времени изображения, что приводит к потере информации для сцены с движущимися объектами. Сужение спектрального диапазона, характерное для таких устройств, приводит к пропорциональному уменьшению энергии светового потока и ухудшению качества каждого изображения.
Известно выбранное нами в качестве прототипа устройство для спектроделения [см. пат. США №5.022.723, МПК G02B 23/04, публ. 11.06.1991 г], где с целью выделения двух спектральных диапазонов традиционно использована пластина с интерференционными покрытиями, прозрачная в инфракрасном и отражающая в видимом диапазоне оптического спектра. Недостатком такой конструкции является наличие многослойных интерференционных покрытий. Такие покрытия обычно плохо воспроизводимы, неустойчивы к внешним климатическим воздействиям, вызывают потери энергии излучения в процессе спектроделения.
Предложенный нами оптический спектроделитель (далее - спектроделитель) разделяет излучение на три спектральных диапазона, фокусирует излучение и обеспечивает возможность построения изображения в каждом из них,. Он надежен, обладает высокой воспроизводимостью характеристик, повышенной устойчивостью к внешним климатическим воздействиям.
1
2
1
2
Такой технический результат получен нами, когда в оптическом спектроделителе из оптического материала, прозрачного в одном из рабочих спектральных диапазонов, имеющем две поверхности с оптическими покрытиями, новым является то, что тело оптического спектроделителя выполнено в форме обращенного вогнутой стороной к пространству предметов мениска толщиной Н по оси и диаметром D, в качестве оптического материала спектроделителя выбран материал, прозрачный в двух рабочих спектральных диапазонах, первый из которых - видимый, и отражающий в третьем диапазоне оптического спектра, на входной поверхности мениска, в центре, со световым диаметром D нанесено покрытие из материала, прозрачного во втором и отражающего в первом (видимом) диапазоне оптического спектра, на выходной поверхности в зоне с внешним диаметром D и внутренним световым диаметром D нанесено покрытие, отражающее излучение в первом (видимом) и втором оптических диапазонах, при этом соотношение диаметров выбрано из условия D>D>D, a геометрические характеристики оптического спектроделителя взаимно согласованы на основе показателя преломления оптического материала оптического спектроделителя, выбранного диаметра и положения объекта наблюдения.
Способы взаимного согласования геометрических характеристик спектроделителя на основе показателя преломления оптического материала спектроделителя, выбранного диаметра и положения объекта наблюдения, технология его изготовления, а также технология нанесения покрытий известны (см., например, [1]).
Если требуется получить изображение сцены одновременно в видимом, ближнем ИК и дальнем ИК-диапазонах, то в качестве оптического материала выбирают кристаллический кварц, прозрачный в первом - видимом и втором - ближнем ИК-диапазоне, и отражающий в третьем - дальнем ИК-диапазоне оптического спектра в интервале от 7,0 до 10,0 мкм, в качестве материала для покрытия на входной поверхности выбирают германий, а в качестве материала для отражающего покрытия на выходной поверхности - алюминий (см. п.2 Формулы).
Если требуется получить изображение сцены одновременно в видимом, ближнем и среднем ИК, и дальнем ИК-диапазонах, то в качестве оптического материала выбирают лейкосапфир, прозрачный в первом - видимом и втором - ближнем и среднем ИК-диапазонах, и отражающий в третьем - дальнем ИК-диапазоне оптического спектра в интервале от 10,0 до 14,0 мкм, в качестве материала покрытия на входной поверхности выбирают германий, а в качестве материала для отражающего покрытия на выходной поверхности - алюминий (см. п.3 Формулы).
Если необходимо разделить излучение на другие спектральные диапазоны, выбирают иные оптические материалы и покрытия с соответствующими характеристиками пропускания и отражения.
На фиг. представлена конструкция предложенного устройства с оптической схемой, где: покрытие 1 на входной поверхности мениска, покрытие 2 на выходной поверхности мениска;
1
2
диаметр D мениска спектроделителя, световой диаметр D покрытия на входной поверхности мениска, внутренний световой диаметр D покрытия на выходной поверхности мениска, толщина Н по оси мениска;
положение А фокальной плоскости для излучения 3-го спектрального диапазона, положение В фокальной плоскости для излучения 2-го спектрального диапазона, положение С фокальной плоскости для излучения 1-го спектрального диапазона;
ось О-О симметрии;
→ - стрелками показано направление потока излучения;
- знак оптического материала.
Спектроделитель работает следующим образом.
Определяют дистанцию до объекта наблюдения, поток излучения от которого подлежит спектроделению. Если дистанция конечна, способ расчета выбирают для сходящегося потока, если дистанция «бесконечна» - для параллельного. Методом последовательных приближений выбирают радиус кривизны входной поверхности и диаметр спектроделителя, откуда получают остальные характеристики.
1
1
1
1
2
1
2
1
2
Поток излучения от предмета наблюдения падает на входную поверхность. Излучение в 3-м спектральном диапазоне отражается от зоны входной поверхности между диаметрами D и D и фокусируется в плоскости А. Излучение в 1-м и 2-м спектральных диапазонах, соответствующих диапазону прозрачности материала спектроделителя, преломившись на входной поверхности между диаметрами D и D, проходит сквозь тело мениска, отражается от покрытия на выходной поверхности и попадает в зону входной поверхности внутри диаметра D, покрытую материалом, прозрачным во 2-м и отражающим в 1-м спектральных диапазонах: излучение 2-го диапазона проходит через покрытие и фокусируется в плоскости В; излучение 1-го диапазона, отразившись от покрытия на входной поверхности, внутри диаметра D, проходит через тело спектроделителя, преломляется на центральной, свободной от покрытия зоне выходной поверхности внутри диаметра D и фокусируется в плоскости С. Форма и размеры спектроделителя рассчитаны для условий D>D>D, и обеспечивают попадание всего отраженного излучения в зоны поверхностей с диаметрами D и D и в фокальные плоскости А, В и С.
Пример конкретного исполнения (см. п.2 Формулы).
1
Спектроделитель был предназначен для наблюдения за бесконечно удаленной сценой и выполнен из кристаллического кварца, для которого показатель преломления принят равным 1,4600 и у которого интервал прозрачности, включающий 1-й и 2-й спектральные диапазоны, расположен в пределах от 0,2 до 3,5 мкм, а интервал отражения расположен в спектральном диапазоне от 7,0 до 10,0 мкм. Диаметр D тела мениска выбран равным 80,0 мм, радиус кривизны входной поверхности - 139,64 мм, тогда, в соответствии с расчетом, толщина Н корпуса мениска равна 50 мм. В центре входной поверхности нанесено покрытие из германия, с рассчитанным световым диаметром D=34,6 мм. Спектральный диапазон прозрачности германия расположен в области более 1,8 мкм, а диапазон отражения в области менее 1,8 мкм. Выходная поверхность мениска выполнена в виде сферы, для которой расчетом радиусом кривизны также был найден равным 139,64 мм. На выходной поверхности в зоне с внешним диаметром 80,0 мм и рассчитанным внутренним световым диметром 3,0 мм, нанесено покрытие из алюминия, который имеет коэффициент отражения в спектральном диапазоне от 0,2 до 3,5 мкм в пределах от 0,86 до 0,98.
1
2
Поток излучения в спектральном диапазоне от 7,5 мкм до 10,0 мкм, попадая на входную поверхность между диаметрами D и D, отражается и фокусируется в плоскости А на расстоянии 74,3 мм от входной поверхности по оси O-O. В плоскости А собирается 52% энергии 3-го спектрального диапазона, причем в диапазоне от 8,0 до 9,0 мкм собирается 85% энергии. Излучение в спектральном диапазоне от 0,2 мкм до 3,5 мкм, после преломления на входной поверхности и отражения от слоя алюминия изнутри попадает на поверхность, покрытую германием. При этом излучение в спектральном диапазоне от 1,8 мкм до 3,5 мкм проходит через германий и фокусируется на расстоянии 19,7 мм от входной поверхности по оси O-O в плоскости В, где собирается 45% энергии излучения 2-го спектрального диапазона. Поток излучения в спектральном диапазоне от 0,2 мкм до 1,8 мкм отразившись от слоя германия, выходит через центральную, световым диаметром D прозрачную часть выходной поверхности и на расстоянии 2,8 мм от выходной поверхности фокусируется в плоскости С, где собирается 30% энергии 1-го спектрального диапазона. Концентрация энергии в фокальных плоскостях рассчитана по измеренным спектральным коэффициентам отражения и пропускания кристаллического кварца, германия и алюминия.
Подбором материала спектроделителя и покрытий, пределы 1-го, 2-го и 3-го спектральных диапазонов могут быть смещены. Так, например, для спектроделителя выполненного из лейкосапфира (см. п.3 Формулы), 1-й и 2-й спектральные диапазоны расположены в зоне прозрачности от 0,15 до 5,5 мкм, а 3-й спектральный диапазон расположен в пределах от 10,0 до 14,0 мкм. Если для разделения 1-го и 2-го спектральных диапазонов использовать германий, для отражения - алюминий, то концентрация энергии в фокальных плоскостях составит 30% и 48%, а для 3-го диапазона - 60%.
Известно, что нанесение однослойных покрытий, в отличие от многослойных интерференционных, не представляет технологических сложностей, а выбранные нами покрытия устойчивы к внешним воздействиям в течение длительного времени эксплуатации, их параметры воспроизводимы.
Достоинством заявленного спектроделителя является соответствие выделяемых им спектральных диапазонов окнам прозрачности атмосферы, возможность разделения потока излучения на три широко используемых рабочих спектральных диапазона с эффективностью, достаточной для построения изображений. Спектроделитель надежен, прост в изготовлении и может быть использован в различных оптических системах.
Литература:
1. Н.П.Заказнов, С.И.Кирюшин, В.Н.Кузичев. Теория оптических систем. М. Машиностроение, 1992 г., стр.378÷389.