КОМПОНЕНТ СПЕКТРАЛЬНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ БЕЗ ВИДИМОГО ПАРАЗИТНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Область техники, к которой относится изобретение, связана с монозрачковыми многоспектральными оптронными системами с использованием матричных датчиков, такими как, например, подвесные авиационные контейнеры с разведывательной аппаратурой, контейнеры с лазерной аппаратурой целеуказания или оптронные системы переднего обзора, устанавливаемые на боевой летательный аппарат.

Обычно эти системы ассоциируются с диапазоном формирования изображений в средневолновой инфракрасной области спектра (от 3 мкм до 5 мкм), с диапазонами формирования изображений в видимой области спектра (от 0,4 мкм до 0,7 мкм), и/или ближней инфракрасной области спектра (от 0,7 мкм до 1,1 мкм), и/или коротковолновой инфракрасной области спектра (от 1,4 мкм до 2,4 мкм), и лазерными каналами, обычно при 1,06 мкм и/или 1,54 мкм.

Естественно, в таких системах необходимо выполнять спектральное разделение различных каналов с использованием одного или нескольких компонентов спектрального разделения. Вопрос, обсуждаемый в этой заявке, относится к первому каскаду разделения, который, например, пропускает в диапазоне средневолновой инфракрасной области спектра и отражает в других диапазонах, при этом другие каскады разделения имеют отношение к разделению в других диапазонах после отражения этим первым каскадом.

Исключительно эффективное решение заключается в пропускании диапазона средневолновой инфракрасной области спектра и отражении при более коротких длинах волн. Дело в том, что решение, заключающееся в отражении в средневолновой инфракрасной области спектра и пропускании при более коротких длинах волн, считается практически невозможным или по меньшей мере особенно трудным для реализации с учетом сложности тонкопленочной многоуровневой структуры, позволяющей получать эту функцию.

Разделение с использованием дихроичной пластинки в параллельные пучки ниже по световому потоку от афокальной фронтальной системы априори представляется выгодным, поскольку не создаются никакие паразитные изображения или аберрации. Зато требуются многочисленные многоспектральные компоненты выше по световому потоку от разделителя для формирования фронтальной афокальной системы, так что выгода является относительной.

Чтобы гарантировать компактность оптики и чтобы оптимизировать передачу в каждом из каналов, целесообразно повышать эффективность разделения падающего пучка на пучки, которые сходятся ниже по световому потоку на небольшом расстоянии от фокальной точки многоспектрального головного объектива. Направления выше по световому потоку и ниже по световому потоку представляют собой направления, связанные с распространением света в системе.

Итак, компонент спектрального разделения:

- пропускает диапазон средневолновой инфракрасной области спектра и отражает диапазоны более коротких длин волн: в видимой области спектра (от 0,4 мкм до 0,7 мкм), и/или ближней инфракрасной области спектра (от 0,7 мкм до 1,1 мкм), и/или коротковолновой инфракрасной области спектра (от 1,4 мкм до 2,4 мкм);

- работает со сходящимися пучками;

- не ухудшает модуляционную передаточную функцию (МПФ) при пропускании или при отражении; и

- не создает видимого паразитного изображения, в частности, в диапазоне средневолновой инфракрасной области спектра.

Дихроичные пластинки и наборы разделительных призм представляют собой известные средства для разделения сходящихся пучков, и эти средства будут последовательно описаны.

Как показано на фигурах 1а и 1b, дихроичная пластинка 1 использована в системе под углом наклона к оптической оси Oz, этот угол наклона обычно составляет от 30 до 45°. Оптическая ось фактически следует по ломаной линии и содержит оптическую ось Oz пучка, падающего на пластинку, и оптическую ось пучка, преломленного пластинкой.

Пластинку обычно изготавливают из кремния (Si), германия (Ge), сульфида цинка (ZnS) или селенида цинка (ZnSe).

Как показано на фигуре 1а стрелками, дихроичная передняя сторона отражает на коротковолновом участке спектра (в видимой области спектра, или ближней инфракрасной области спектра (БИКОС), или средневолновой инфракрасной области спектра) и пропускает на длинноволновом участке (в средневолновой инфракрасной области спектра (СИКОС)); задняя сторона просто обработана антиотражающим средством, действующим в средневолновой инфракрасной области спектра. Кроме того, следует заметить, что в промежуточной фокальной плоскости 2 пластинка явно сдвигает полезные пучки вниз относительно оптической оси падающего пучка.

Если пластинка имеет плоские и параллельные стороны, то вследствие двух внутренних отражений создается паразитное изображение в средневолновой инфракрасной области спектра, которое несколько расфокусировано (сфокусировано на плоскость 2' вместо плоскости 2) и значительно сдвинуто вверх относительно основного изображения, как это показано на фигуре 1b, на которой полезные пучки из фигуры 1а не показаны, чтобы исключить перегрузку чертежа. Таким образом, должно быть понятно, что представляющая интерес слабо контрастирующая зона, расположенная на сцене вблизи яркого объекта, может маскироваться паразитным изображением этого объекта.

При сравнении двух предшествующих фигур можно видеть, что пластинка отделяет полезные пучки от паразитных пучков. При уменьшении толщины компонента паразитное изображение приближается к основному изображению, которое имеет хорошее качество; однако необходимо сохранять определенную толщину, чтобы поддерживать деформацию компонента (заметную во время работы) в допустимых пределах, и преимущество становится недостаточным.

Кроме того, при наклоне пластинки к падающему пучку в проходящем волновом фронте создаются аберрации, а именно кома и астигматизм; серьезность этих двух эффектов возрастает с толщиной пластинки. Делая пластинку несколько призматической и правильно ориентируя призму по отношению к пучку, то есть располагая пластинку относительно падающей оптической оси Oz так, чтобы задняя сторона пластинки была больше наклонена, чем передняя сторона, можно заметно или даже значительно снизить эти аберрации. К сожалению, при ориентации призмы, позволяющей снизить аберрации, паразитное изображение относится дальше от основного изображения, чем относится простой пластинкой с плоскими и параллельными сторонами, в результате чего оно делается более видимым и поэтому более проблематичным. Это показано на фигуре 1с для дихроичной пластинки толщиной 1,7 мм, изготовленной из алюмоиттриевого граната (АИГ), работающей при F/4,0, эта пластинка наклонена под углом 36° к оптической оси системы, снабженной этой пластинкой. Как показано на фиг. 1d, взвешенная полихроматическая модуляционная передаточная функция, вычисленная по пропусканию в диапазоне от 3,4 мкм до 4,2 мкм в радиальном направлении (Р) и в тангенциальном направлении (Т), является практически дифракционно-ограниченной. Чтобы не загромождать этот чертеж, показана только характеристика в центре поля, но легко показать, что модуляционная передаточная характеристика в поле диаметром 12 мм остается равномерной, соответствующей случаю использования матричного детектора.

Разделительная призменная сборка упрощенной версии, имеющая два выхода, показанная на фигуре 3 патента США №33202039, обеспечивает удовлетворение потребности, описанной выше. Поскольку клей, который является достаточного прозрачным в диапазоне средневолновой инфракрасной области спектра, не существует, две составные призмы приходится разделять тонким воздушным промежутком. Кроме того, наклон пучков к внутренней дихроичной поверхности означает, что две призмы следует изготавливать из оптического материала с низким коэффициентом преломления, обычно ниже чем 1,7, чтобы предотвращать в этом месте любое полное отражение пучков в средневолновой инфракрасной области спектра. С учетом представленных полезных спектральных диапазонов это условие сильно ограничивает выбор материалов. На практике для этого применения можно использовать только фтористый материал (=CaF₂), который имеет показатель преломления около 1,4, но он является хрупким и его трудно обрабатывать. Кроме того, поскольку этот материал имеет высокий коэффициент расширения, при осаждении сложной многоуровневой тонкопленочной структуры, необходимой для осуществления дихроичной функции, очень сильно понижается выход продукции. Наконец, сборка двух призм является особенно трудной. Короче говоря, это решение не является истинно промышленным решением и к тому же требует очень больших затрат.

Разработаны другие решения, в частности решения, описанные в нижеследующих патентах.

- В патенте США №4412723 описан корректор аберраций, размещаемый позади пластинки с плоскими и параллельными сторонами. Но им не подавляются паразитные изображения.

- В патенте США №4541688 описано устройство, которое удовлетворяет требованиям применительно к детекторам в виде матричной линейки, но оно абсолютно непригодно при матричных детекторах; в частности, в этом патенте рассматриваемая проблема решается путем повышения толщины пластинки, чтобы вывести паразитное изображение из поля детектора в виде матричной линейки, а аберрации, вносимые в связи с этой дополнительной толщиной, корректируются дополнительными компонентами. Для достижения такого же результата при матричном детекторе необходимо значительно повышать толщину компонента, что делает более трудным или даже невозможным коррекцию результирующих аберраций.

- В патенте США №7502117 В1 описан двулучевой интерферометр Майкельсона, разделитель и компенсатор которого содержат по меньшей мере одну неплоскую поверхность для сведения к нулю интерференции между различными паразитными волнами, создаваемыми двумя компонентами. Компенсатор и разделитель имеют одинаковую оптическую силу и не являются призматическими.

- В патентных документах ЕР1083554 В1/US6611383 B1 описана коррекция астигматизма с использованием призматической пластинки, но паразитные изображения не подавляются.

Задача изобретения заключается в смягчении этих недостатков. Соответственно, в настоящее время сохраняется необходимость в компоненте спектрального разделения, который удовлетворяет всем упомянутым выше требованиям в части паразитного изображения, наблюдаемого при наличии сходящихся пучков (особенно в диапазоне средневолновой инфракрасной области спектра), аберраций, модуляционной передаточной функции, затрат и технологичности.

Одним объектом изобретения является компонент спектрального разделения, имеющий две стороны, плоскую переднюю сторону, содержащую нанесенное дихроичное покрытие, и заднюю сторону. Он отличается главным образом тем, что задняя сторона является выпуклой и создает цилиндрическую поверхность, задаваемую образующей фиксированного направления, перемещающейся перпендикулярно по дуге окружности, содержащей два конца, при этом плоскость проходит через эти два конца и параллельна образующей цилиндрической поверхности, создающей двугранный угол с плоскостью передней стороны, образующая цилиндрической поверхности параллельна ребру двугранного угла.

Иначе говоря, обсуждаемым предметом является выпуклый, цилиндрический и слабо призматический компонент спектрального разделения, предназначенный для эффективного спектрального разделения сходящихся пучков.

Угол призматичности компонента (равный углу раствора двугранного угла) оптимизирован таким образом, что паразитное изображение, создаваемое двумя сторонами компонента, сдвигается под дифракционное пятно основного изображения в средневолновой инфракрасной области спектра; для этого призма ориентирована в несоответствующем направлении, если исходить из аберраций, совершенно противоположно тому, как это делается в предшествующем уровне техники, и поэтому в волновой фронт вносятся значительная кома и астигматизм вместо коррекции этих аберраций. Слабо цилиндрическая выпуклая задняя сторона компонента спектрального разделения позволяет компоненту компенсировать аберрации, вносимые призматичностью.

Плоская передняя сторона компонента спектрального разделения несет дихроичное покрытие, а цилиндрическая задняя сторона обработана антиотражающим средством, действующим в средневолновой инфракрасной области спектра.

В итоге, это решение является менее затратным, чем набор разделительных призм, более технологичным и в равной мере эффективным.

Другим объектом изобретения является монозрачковая многоспектральная оптронная система, предназначенная для формирования изображения объекта и содержащая на оптической оси:

- собирающий объектив;

- компонент спектрального разделения, такой, как описанный, наклоненный к оптической оси под заданным углом наклона; и

- матричный детектор;

отличающаяся тем, что оптическая ось системы имеет форму ломаной линии вместе с оптической осью пучка, падающего на компонент спектрального разделения, и оптической осью пучка, преломленного компонентом, компонент наклонен вокруг оси, параллельной образующей цилиндрической поверхности, проходящей через точку пересечения оптической оси падающего пучка с плоской передней стороной, а угол наклона является таким, что задняя сторона компонента меньше наклонена к оптической оси падающего пучка, чем передняя сторона, так что изображение содержит основное изображение с учетом дифракции и паразитное изображение, созданное при двойном отражении на компоненте спектрального разделения, при этом паразитное изображение сдвинуто под дифракционное пятно основного изображения.

Другие признаки и преимущества изобретения станут очевидными при чтении нижеследующего подробного описания, которое приводится в качестве не создающего ограничения примера и с обращением к сопровождающим чертежам, на которых:

фигуры 1a-1d – схематические виды дихроичной пластинки, которая была описана ранее, предназначенной для сходящихся пучков, при этом указанная пластинка наклонена к оптической оси, в промежуточной фокальной плоскости пластинки формируется основное изображение (фигура 1а) и в промежуточной фокальной плоскости пластинки формируется паразитное изображение (фигура 1b); и результаты, полученные для системы, снабженной такой пластинкой (ПДП обозначает призматическую дихроичную пластинку): график (фигура 1с), показывающий распределение освещения в промежуточной фокальной плоскости для геометрического изображения источника, изображения источника с учетом дифракции и паразитного изображения источника; и график (фигура 1d) взвешенной модуляционной передаточной функции в средневолновой инфракрасной области спектра, вычисленной для центра прошедшего поля, и дифракционного предела;

фигуры 2а и 2b – приведенные для примера схематические виды компонента спектрального разделения согласно изобретению, показанные в сечении (фигура 2а) и в перспективе (фигура 2b);

фигура 3 – приведенный для примера схематический вид компонента спектрального разделения согласно изобретению, предназначенного для сходящихся пучков, наклоненного к оптической оси системы;

фигуры 4а-с – результаты, полученные для системы, снабженной компонентом спектрального разделения из первого примера согласно изобретению (ЦПДП обозначает цилиндрическую призматическую дихроичную пластинку), с учетом формы взвешенной модуляционной передаточной функции в средневолновой инфракрасной области спектра, вычисленной для центра прошедшего поля, в сравнении с дифракционным пределом (фигура 4а); и графики, показывающие распределение освещения в промежуточной фокальной плоскости для геометрического изображения, изображения с учетом дифракции и паразитного изображения диска диаметром 0,5 мм (фигура 4b) и диаметром 0,05 мм (фигура 4с);

фигуры 5а-5с – результаты, полученные для системы, снабженной компонентом спектрального разделения из второго примера согласно изобретению (ЦПДП обозначает цилиндрическую призматическую дихроичную пластинку), с учетом формы взвешенной модуляционной передаточной функции в средневолновой инфракрасной области спектра, вычисленной для центра прошедшего поля, в сравнении с дифракционным пределом (фигура 5а); и графики, показывающие распределение освещения в фокальной плоскости для геометрического изображения, изображения с учетом дифракции и паразитного изображения диска диаметром 0,5 мм (фигура 5b) и диаметром 0,05 мм (фигура 5с); и

фигуры 6а-6с – результаты, полученные для системы, снабженной компонентом спектрального разделения из третьего примера согласно изобретению (ЦПДП обозначает цилиндрическую призматическую дихроичную пластинку), с учетом формы взвешенной модуляционной передаточной функции в средневолновой инфракрасной области спектра, вычисленной для центра прошедшего поля, в сравнении с дифракционным пределом (фигура 6а); и графики, показывающие распределение освещения в фокальной плоскости для геометрического изображения, изображения с учетом дифракции и паразитного изображения диска диаметром 0,5 мм (фигура 6b) и диаметром 0,05 мм (фигура 6с).

На всех чертежах одинаковым элементам приданы одни и те же позиции.

Пример компонента 10 спектрального разделения согласно изобретению описывается с обращением к фигурам 2а и 2b (которые выполнены не в масштабе).

Он содержит плоскую переднюю поверхность 11 спектрального разделения (или дихроичную поверхность) и выпуклую цилиндрическую заднюю поверхность 12'.

Нанесение дихроичного покрытия обычно делает возможным пропускание волн длиной в пределах от 3 мкм до 5 мкм и в случае необходимости также делает возможным отражение волн длиной меньше чем 3 мкм или больше чем 8 мкм.

Цилиндрическая поверхность 12' задается образующей фиксированного направления, перемещающейся перпендикулярно по дуге 12 окружности (сильно подчеркнутой на этих фигурах), имеющей два конца. Плоскость 13', проходящая через два конца дуги окружности и параллельная образующей цилиндрической поверхности, создает двугранный угол с плоскостью передней стороны 11 (этот двугранный угол сильно подчеркнут на этих фигурах), при этом образующая цилиндрической поверхности параллельна ребру 14' двугранного угла. По практическим соображениям вершину двугранного угла обычно удаляют.

Средняя толщина «е» компонента спектрального разделения является по возможности небольшой, находящейся в разумных пределах, то есть такой, что компонент сохраняет форму во время монтажа и работы, а отношение диаметра к толщине обычно находится в пределах от 14 до 36. На фигуре 2b передняя сторона 11 компонента 10 спектрального разделения является прямоугольной, чтобы сделать фигуру более легкой для понимания, но изобретение не ограничено этим случаем; она может быть в значительной степени круговой с диаметром D.

Угол α раствора двугранного угла регулируют так, чтобы залить паразитное изображение под дифракционным пятном проходящего основного изображения, это равносильно ориентации призмы в несоответствующем направлении, если исходить из аберраций. Паразитное изображение необязательно точно налагать на прямое изображение, чтобы маскировать его. Это позволит ограничивать аберрации, вносимые призмой, и эти аберрации впоследствии можно легко компенсировать цилиндром.

Аберрации, вносимые призмой, корректируются выпуклой цилиндрической задней стороной.

Обычно угол α призмы и радиус кривизны цилиндрической задней стороны (равный радиусу дуги 12 окружности) зависят от геометрической протяженности пучка средневолновой инфракрасной области спектра, от угла наклона компонента к оптической оси системы, в которую он помещен, от коэффициента преломления его, от толщины его, от положения зрачка и от положения компонента относительно фокальной плоскости. Чем больше угол наклона, тем труднее становится находить удовлетворительный компромисс между качеством пропускаемого волнового фронта и сокрытием паразитного изображения.

Два параметра, призматичность и радиус кривизны дуги окружности, определяют экспериментально или оптимизируют, используя пакет программ для оптических расчетов, такой как пакеты программ ZEMAX™ или Code V™. Угол раствора двугранного угла обычно находится в пределах от 0,4 мрад до 2 мрад; дуга окружности обычно имеет радиус кривизны в пределах от 10 м до 100 м.

Предпочтительно подвергать заднюю сторону 12' обработке антиотражающим средством.

Предпочтительно изготавливать компонент спектрального разделения из материала, имеющего высокий показатель преломления, обычно выше чем 1,65, и достаточно жесткого, чтобы компонент не деформировался во время монтажа и работы. В частности, высокий показатель преломления способствует выравниванию паразитного изображения и основного изображения и ограничивает аберрации; высокая жесткость позволяет уменьшать толщину компонента и, кроме того, легко выравнивать паразитное изображение и основное изображение и ослаблять аберрации.

Поэтому из предыдущего логически вытекает, что подходящими материалами являются, например, кремний (Si), алюмоиттриевый гранат (Y₃Al₅O₁₂), шпинель (MgAl₂O₄), AL₂₃O₂₇N₅, обозначаемый торговым товарным знаком ALON^ТМ, и оксид магния (MgO). Тем не менее можно использовать материалы с меньшей жесткостью, имеющие подходящую толщину, такие как сульфид цинка (ZnS), селенид цинка (ZnSe), германий (Ge) или арсенид галлия (GaAs).

Теперь будет рассмотрена монозрачковая многоспектральная оптронная система с использованием матричного датчика, содержащая компонент спектрального разделения, такой, какой описан выше. Компонент 10 спектрального разделения наклонен под углом 36° относительно оптической оси Oz системы вокруг оси, параллельной образующей цилиндрической поверхности 12', проходящей через точку пересечения оптической оси падающего пучка с плоской передней стороной 11. Вершина двугранного угла направлена вверх (в квадрант YoZ, где Y и Z являются положительными), если компонент отклонен книзу, как показано на фигуре 3. Он расположен ниже по световому потоку от собирающего фронтального многоспектрального объектива (не показанного на чертеже), который предполагается идеальным и который в диапазоне средневолновой инфракрасной области спектра (СИКОС) работает с апертурой F/4 и полем изображения 9,6 мм на 7,2 мм, то есть диагональю 12 мм. Зрачок 15 расположен выше по световому потоку от фокальной плоскости 2 объектива на расстоянии около 220 мм, а компонент 10 на расстоянии около 130 мм.

В дополнение к этому в средневолновой инфракрасной области спектра паразитное отражение от передней стороны 11 предполагается равным 7% и паразитное отражение от задней стороны 12' предполагается равным 1%, что является достижимым для компонента этого вида.

Очевидно, что никакая аберрация не вносится компонентом этого вида в отраженный пучок. Следовательно, можно считать, что в пределах допусков изготовления модуляционная передаточная функция при отражении не должна ухудшаться.

Согласно первому примеру варианта осуществления компонент спектрального разделения изготовлен из алюмоиттриевого граната (АИГ) и имеет среднюю толщину «е» 1,7 мм. Угол α раствора двугранного угла составляет около 0,06° (=1,05 мрад). Задняя сторона 12' является выпуклой и цилиндрической с радиусом дуги окружности около 38 м.

Взвешенная полихроматическая модуляционная передаточная функция системы, снабженной этим компонентом, вычисленная по пропусканию в диапазоне от 3,4 мкм до 4,2 мкм, показанная на фигуре 4а для центра поля, означает хроматизм, ограниченный и очень близкий к дифракционному пределу. Это справедливо в поле повсюду и означает, что компонент спектрального разделения не ухудшает значительно оптическую модуляционную передаточную функцию системы в любой точке поля. Сдвиг между барицентрами паразитного изображения и прямого (или основного) изображения составляет около 410 мкм, и этого достаточно для размещения паразитного изображения под дифракцией прямого изображения. Это иллюстрируется двумя фигурами, 4b и 4с, для изображений диска диаметром 0,5 мм и для изображений диска диаметром 0,05 мм, соответственно.

Согласно второму примеру варианта осуществления компонент спектрального разделения изготовлен из кремния и имеет среднюю толщину 3 мм. Угол α раствора двугранного угла составляет около 0,04° (=0,7 мрад). Задняя сторона 12' является выпуклой и цилиндрической с радиусом дуги окружности около 83 м.

Как и в предшествующем примере взвешенная модуляционная передаточная функция системы, снабженной этим компонентом, вычисленная по пропусканию в диапазоне от 3,4 мкм до 4,8 мкм, показанная на фигуре 5а для центра поля, очень близка к дифракционному пределу; и то же самое применимо повсюду в поле.

Сдвиг между барицентрами паразитного изображения и прямого (или основного) изображения составляет около 86 мкм и его более чем достаточно для размещения паразитного изображения под дифракцией прямого изображения. Это иллюстрируется двумя фигурами, 5d и 5с, для изображений дисков диаметром 0,5 мм и диаметром 0,05 мм, соответственно.

Согласно третьему примеру варианта осуществления компонент спектрального разделения изготовлен из сульфида цинка и имеет среднюю толщину 3,3 мм. Угол α раствора двугранного угла составляет около 0,08° (=1,4 мрад). Задняя сторона 12' является выпуклой и цилиндрической с радиусом дуги окружности около 34 м.

Как и в предшествующем примере, взвешенная модуляционная передаточная функция системы, снабженной этим компонентом, вычисленная по пропусканию в диапазоне от 3,4 мкм до 4,8 мкм, показанная на фигуре 6а для центра поля, очень близка к дифракционному пределу; и то же самое применимо повсюду в поле.

Сдвиг между барицентрами паразитного изображения и прямого изображения составляет около 450 мкм и его более чем достаточно для размещения паразитного изображения под дифракцией прямого изображения. Это иллюстрируется двумя фигурами, 6b и 6с, для изображений дисков диаметром 0,5 мм и диаметром 0,05 мм, соответственно.