Лекция: Общие вопросы схемного построения оптических систем МОЭС с матричными многоэлементными приемниками излучения

Ряд из перечисленных требований сравнительно просто обеспечивается при использовании зеркальных или зеркально-линзовых систем, обладающих, по сравнению с линзовыми системами, меньшей массой и меньшими продольными габаритами. Атермализация в зеркальных системах легко осуществляется, если удается подобрать материалы для компонентов системы и их оправ с близкими температурными коэффициентами расширения. Хроматизм зеркальных систем, как известно, или практически отсутствует, или существенно меньше хроматизма линзовых систем. Однако, сложность конструкции и, как правило, более высокая стоимость зеркальных систем заставляют разработчиков искать пути совершенствования линзовых систем, работающих в широком спектральном диапазоне. Основным путем здесь является разработка новых оптических материалов и подбор таких комбинаций материалов отдельных линз, при которых обеспечиваются указанные выше требования.

В многочисленной литературе [10,11,14,18 и мн. др.] приводятся данные о спектральном пропускании, показателях преломления, дисперсии, термических и других физико-химических свойствах большого числа оптических материалов. В качестве примера в табл.3 указаны параметры материалов, часто используемых для изготовления оптических линзовых систем, работающих в широком ИК-диапазоне.

Таблица 3. Оптические материалы, используемые в линзовых ИК-системах [18]

В оптических системах МОЭС, работающих в широкой ИК- области спектра, с успехом используются детали, изготавливаемые не только из такого традиционного материала как Ge, но и из ZnS и ZnSe и сплавов на их основе - ZnS_1-xSe_x, а также ИК стекол на базе Ge₃₃As₁₂Se ₅₅ и Ge ₂₈ Sb ₁₂ Se ₆₀ [11,162]. Поликристаллический ZnS имеет почти постоянный коэффициент пропускания (0,78 без просветления) в диапазоне от 0,7 до 12 мкм, а ZnSe - 0,75% в диапазоне от 0,6 до 20 мкм. У ИК стекла марки Amtir1 коэффициент пропускания в диапазонах 0,6…0,9 мкм и 8…12 мкм также почти постоянен и составляет 75%. После просветления коэффициенты пропускания этих материалов доходят до 95% и даже более.

Компания Umicor IR Glass (Франция) наладила промышленный выпуск оптических деталей из халькогенидных стекол GASIR1 (Ge₂₂As₂₀Se₅₈) и GASIR2 (Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅) [71]. Стоимость этих материалов невелика, а детали изготавливаются гораздо более дешевым, чем алмазное точение, способом - моллированием. Эти материалы прозрачны в спектральном диапазоне 1…15 мкм. Воспроизводимость показателя преломления стекол разных партий достаточно хорошая (лучше 1,5?10^-4 на л =10 мкм). Стоимость производимых деталей сравнительно невелика, а качество сферических, асферических и дифракционных линз высокое. Так, дефекты формы поверхностей линз не превышают 0,3 мкм, а качество поверхности характеризуется микронеровностями порядка 10 нм. При просветлении линз их пропускание возрастает до 98%, по сравнению с 70% при отсутствии просветления. Двухлинзовые объективы с асферическими и асферико-дифракционными линзами дают изображение высокого качества, не уступающего качеству изображения, создаваемого объективами с асферическими линзами из Ge и ZnSe.

Стандартные заготовки для изготовления деталей из GASIR1 и GASIR2 имеют максимальные диаметры порядка 200 мм и толщины 60…70 мм. Термический коэффициент расширения равен 17?10^-6 К^-1 для GASIR1 и 16?10^-6 К^-1 для GASIR2, а температурный коэффициент показателя преломления при 20⁰С равен, соответственно, 5,5?10^-5 К^-1 и 5,8?10^-5 К^-1 (на длине волны 10,6 мкм). Показатель преломления GASIR1 равен 2,49437, а GASIR2 - 2,58415; плотности стекол равны 4,4 и 4,7 г?см^-3, допускаемые температуры нагрева - 240⁰С и 220⁰С, соответственно.

В МОЭС, работающих в космических условиях, часто необходимо учитывать воздействие солнечного ионизирующего излучения на оптические детали и особенно на фотоприемники. Для защиты от солнечной радиации в оптических системах применяются радиационно-стойкие стекла и другие подобные материалы, а в приемниках излучения используются специальные покрытия. Так, для приемников на базе КРТ, работающих в длинноволновом ИК-диапазоне, в [136] рекомендуется применять противоотражательные (просветляющие) покрытия, выполняющие также функции защитных слоев. При заднем облучении приемников (со стороны подложек из CdZnTe или Si) предлагается использовать комбинации разнотолщинных слоев из Cd, Si₃N₄, BaF₂ и алмазных пленок, обладающих необходимыми спектральным пропусканием в диапазонах 2…25 мкм, 2,0…11,6 мкм, 0,15…13,75 мкм и 0,4…300 мкм, соответственно, и имеющих показатели преломления 2,67 (CdTe); 2,0 (Si₃N₄), 1,46 (BaF₂) и 2,37 (алмаз). Качество покрытий во многом зависит от качества подложек из CdZnTe или буферного слоя CdTe на кремниевых подложках.

Продолжаются попытки использования в ИКС дешевых, облегченных и не требующих просветляющих покрытий пластмассовых линз. Сравнительно прост процесс формирования их преломляющих поверхностей, включая асферические, путем прессования (моллирования). В длинноволновом ИК-диапазоне 8…14 мкм по коэффициенту пропускания они уступают линзам из германия, селенида цинка и других материалов, однако, при уменьшении толщины пластмассовых линз пластмассовые линзы можно использовать в простых и дешевых конструкциях ИКС массового применения с неохлаждаемыми приемниками излучения. Так, в [40] сообщается об изготовлении объектива с фокусным расстоянием 50 мм и диафрагменным числом 0,8, который состоит из двух пластмассовых линз с асферическими или френелевскими поверхностями и германиевой пластинки толщиной 1,5 мм, располагаемой на расстоянии 4,3 мм от плоскости чувствительного слоя микроболометрического МПИ. Для изготовления пластмассовых линз Френеля использовались пластмассы марки POLY IR, разработанные компанией Fresnel Technologies, Inc. (США).

Еще одним путем обеспечения отмеченных выше требований является использование дифракционных (гибридных) элементов - линз или плоскопараллельных пластинок, у которых на одной из поверхностей создается микрорельеф, осуществляющий фазовую модуляцию проходящего через него излучения. С помощью этих элементов ведется эффективная коррекция хроматизма и других аберраций, а также атермализация оптической системы. Применение дифракционных элементов позволяет уменьшить число линз в объективах, т.е. уменьшить их габариты и массу, увеличить светосилу системы без значительного ее усложнения. В [11,25,106,112] приводятся примеры схем объективов с такими элементами.

В ряде МОЭС, где используются диспергирующие элементы, работающие в параллельных пучках лучей (спектроделители, призмы, дифракционные решетки, интерферометры), в составе оптических систем используются телецентрические компоненты. Пример такой оптической системы видеоспектрометра в виде обобщенной схемы приведен на рис.10.

В оптических системах, где для выделения спектральных рабочих диапазонов используются спектроделители в виде плоскопараллельных пластинок, отражающие излучение в одном из диапазонов (обычно в видимом и ближнем ИК) и пропускающие в другом (обычно в среднем и длинноволновом ИК), приходится учитывать необходимость размещения спектроделителя между последней поверхностью объектива и МПИ, его охлаждения совместно с МПИ, а также вносимые спектроделителем аберрации, прежде всего, астигматизм. По этой причине задние рабочие фокусные расстояния объектива должны быть достаточно велики и согласованы с размерами чувствительного слоя МПИ. Размещение спектроделителя в охлаждаемом объеме (холодильной камере) требует увеличения этого объема, что ведет к увеличению потребляемой системой охлаждения мощности и увеличению времени выхода на рабочий режим криогенного устройства. Поэтому важно уменьшать размеры спектроделителя, включая его толщину.

Для устранения астигматизма, т.е. искривления плоскости изображений, в [34] предлагается ряд путей:

- ввод в оптическую систему специального компенсатора (пластинки) между спектроделителем и МПИ;

- использование асферических поверхностей, в частности, тороидальной задней поверхности спектроделителя;

- выбор материалов, позволяющих уменьшить аберрации;

- уменьшение толщины спектроделителя.

Первый путь усложняет схему и повышает требования к системе охлаждения, почему разработчики ИКС, описанной в [34], и отказались от него. Второй - слишком сложен и дорог, а кроме того, вызывает необходимость увеличивать толщину спектроделителя, что также усложняет систему охлаждения. Уменьшение толщины спектроделителя заметно снижает аберрации, но может привести к уменьшению механической прочности и виброустойчивости системы. Поэтому наиболее предпочтительным часто представляется выбор надлежащей комбинации материалов, из которых изготавливаются компоненты объектива, включая спектроделитель. В [150] приводится схема шестилинзового объектива с К = 1,9 и f' = 180 мм, работающего одновременно в среднем и длинноволновом ИК-диапазонах, отдельные элементы которого изготавливаются из Ge, AMTIR, КCl и ZnSe.

Удобной для использования в МОЭС является оптическая схема зеркального объектива Кассегрена - Максутова с зеркальным конденсором (рис.11) [121]. При выборе конструктивных параметров этой схемы необходимо учитывать следующие факторы:

1. необходимость увеличивать фокусное расстояние объектива Кассегрена - Максутова для получения требуемого фокусного расстояния всей системы;

2. обеспечение удобного расположения входного зрачка относительно защитного стекла или обтекателя МОЭС;

3. обеспечение постоянства освещенности по полю изображений, которая может изменяться из-за перекрытия входного зрачка в центральной его зоне контр-рефлектором (вторым компонентом объектива Кассегрена - Максутова) и виньетирования.

Для уменьшения виньетирования в системах с изменяющейся линией визирования, например, в МОЭС с гироскопической стабилизацией оптической оси, оба зеркала объектива Кассегрена - Максутова делают концентрическими с расположением центра кривизны в центре вращения оптической оси. Такая схема может использоваться в качестве первого компонента в системах со спектроделителями (дихроичными зеркалами) и независимыми МПИ в каждом из рабочих спектральных диапазонов МОЭС. Для коррекции аберраций первое зеркало часто делают асферическим. Для компенсации хроматизма, вносимого обтекателем, и температурной расфокусировки, т.е. для ахроматизации и атермализации всей оптической системы, используют схему, в которой одним из элементов является зеркало Манжена с центральным отверстием.

На базе такой схемы P.J.Rogers предложил оптическую систему с изменяемым в три раза угловым полем (рис.12). Перемещая дополнительно введенный в схему вогнутый мениск с центральным отверстием ближе к первому зеркалу объектива Кассегрена - Максутова (вправо на рис.12), можно увеличить угловое поле всей системы. Полевая диафрагма при ее расположении в плоскости изображений является общей для двух режимов работы системы - узкопольного и широкопольного.

В [121] приведены результаты исследований оптической системы, схема которой дана на рис.12. Ряд из полученных выводов носит достаточно общий характер и будет полезен для оценки особенностей различных схем, могущих быть использованными в МОЭС. К ним относятся:

- по мере увеличения длины волны излучения наблюдается более заметный спад функции передачи модуляции (ФПМ) оптической системы; в длинноволновой ИК части спектра (8… 12 мкм) этот спад во многом обусловлен дифракционным пределом разрешения, и значение ФПМ достигает примерно 0,4 на пространственной частоте f_х = 10 мм^-1 от ФПМ на f_х = 0;