Оптический интерференционный спектроделитель

Изобретение относится к области конструирования оптических тонкопленочных покрытий. Спектроделитель содержит оптическую интерференционную систему с чередующимися четвертьволновыми слоями, часть из которых имеет оптическую толщину, не кратную четверти длины волны излучения. Конструкция спектроделителя позволяет получить оптимизированную спектральную характеристику, имеющую небольшие флюктуации коэффициента пропускания в рабочем диапазоне прозрачности. Спектроделитель может быть использован при прямых и наклонных углах падения лучей света в различных геодезических приборах и приборах специального назначения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к оптической интерференционной технике в видимом диапазоне спектра, а именно к средствам визуального наблюдения и слежения за целью на фоне изображения марки, и может быть использовано в геодезических приборах и приборах специального назначения.

В общем случае основные оптические параметры спектроделителей (спектральная ширина зоны отражения, спектральная ширина и интегральное значение коэффициента пропускания зоны прозрачности) зависят от отношения показателей преломления n_в/n_н (где n_в и n_н соответственно высокий и низкий показатели преломления слоев), количества слоев и соотношения оптических толщин слоев.

Известны оптические интерференционные спектроделители, содержащие интерференционную систему из чередующихся слоев с высоким и низким показателями преломления и оптической толщиной λ₀/4, в четверть длины волны излучения [1].

Указанные выше спектроделители имеют недостатки, заключающиеся в том, что в зоне пропускания имеются значительные флюктуации коэффициента пропускания, что, в свою очередь, снижает контрастность изображения цели на фоне марки.

Для устранения этих флюктуаций предлагают изменить конструкции спектроделителей несколькими способами:

1. Конструкцию спектроделителей рассчитывают с использованием полиномов Чебышева, что приводит к тому, что оптические толщины отдельных слоев, формирующих интерференционную систему, берутся неравными между собой и некратными друг другу [2];

2. Между подложкой и интерференционной системой, а также между интерференционной системой и воздухом наносят корректирующие слои, показатели преломления и оптические толщины которых рассчитываются по известным формулам и зависят от конкретных значений показателей преломления используемых чередующихся слоев и подложки (наиболее близкая по технической сущности конструкция). Так, например, для спектроделительного покрытия из слоев n_в=2,3 и n_н=1,35 на подложке с показателем преломления n_п=1,52 показатели преломления корректирующих слоев должны быть равны 3,02 и 2,15 [3]. Это техническое решение было выбрано прототипом к заявляемому устройству.

Однако точная реализация конструкции по первому методу затруднительна. Из-за ошибок, возникающих при контроле оптических толщин слоев в процессе изготовления спектроделителя, значительно искажается форма спектральной характеристики в зоне пропускания, особенно если спектроделитель используется при наклонном падении лучей света.

Недостатком второго метода является то, что не все полученные расчетным путем значения показателей преломления могут быть практически реализованы (в приведенном случае 3,02).

Цель изобретения - увеличение коэффициента пропускания оптических интерференционных спектроделителей на основе слоев с высоким (n_в=1,9) и низким (n_н=1,41) показателями преломления на подложке с низким (n_п=1,46÷1,52) показателем преломления. При этом предлагаемая конструкция оптического интерференционного спектроделителя должна обеспечивать получение качественной спектральной характеристики как при прямом, так и при наклонном падении лучей света.

Поставленная цель достигается тем, что в оптическом интерференционном спектроделителе оптические толщины двух крайних по отношению к воздуху слоев равны K₁·λ₀/4 (ближний к воздуху слой) и K₂·λ₀/4, где K₁=(2,18÷2,22), K₂=(1,08÷1,12), а оптические толщины трех крайних по отношению к подложке слоев равны K₃·λ₀/4,

K₄·λ₀/4 и K₅·λ₀/4, где K₃=K₄=K₅=(1,08÷1,12). При этом наилучшие показатели имеют оптические интерференционные спектроделители, в которых крайний к воздуху и крайний к подложке слои интерференционной системы имеют низкий показатель преломления.

Расположение слоев заявляемого оптического интерференционного спектроделителя условно представлено на фиг.1.

На фиг.1 показаны:

1 - слой с оптической толщиной K₁·λ₀/4, где K₁=(2,18÷2,22);

2 - слой с оптической толщиной K₂·λ₀/4, где K₂=(1,08÷1,12);

3 - слой с оптической толщиной K₅·λ₀/4, где K₅=(1,08÷1,12);

4 - слой с оптической толщиной K₄·λ₀/4, где K₄=(1,08÷1,12);

5 - слой с оптической толщиной K₃·λ₀/4, где K₃=(1,08÷1,12);

6 - внутренние слои спектроделителя (показаны условно);

7 - подложка спектроделителя.

Использование такой конструкции спектроделителя позволяет практически ликвидировать флюктуации коэффициента пропускания в зоне прозрачности и увеличить тем самым коэффициент пропускания.

На чертежах представлены:

фиг.1 - расположение слоев заявляемого оптического интерференционного спектроделителя;

фиг.2 - расчетные спектральные характеристики коэффициента пропускания предлагаемой конструкции 19-слойного спектроделителя на основе оксида циркония

(n_в=1,9) и оксида кремния (n_н=1,41) на подложке из K8 (n_п=1,52) под углом падения лучей света 45° без учета (кривая 1) и с учетом (кривая 2) отражения второй поверхности подложки с оптической толщиной двух крайних по отношению к воздуху слоев, равных K₁·λ₀/4 и K₂·λ₀/4, где K₁=(2,18÷2,22), K₂=(1,08÷1,12), и оптической толщиной трех крайних по отношению к подложке слоев, равных K₃·λ₀/4, K₄·λ₀/4 и K₅·λ₀/4, где K₃=K₄=K₅=(1,08÷1,12);

фиг.3 - расчетные спектральные характеристики коэффициента пропускания традиционной четвертьволновой системы - конструкции 19-слойного спектроделителя на основе оксида циркония (n_в=1,9) и оксида кремния (n_н=1,41) на подложке из K8 (n_п=1,52) под углом падения лучей света 45° без учета (кривая 1) и с учетом (кривая 2) отражения второй поверхности подложки;

фиг.4 - экспериментальная спектральная характеристика коэффициента пропускания предлагаемой конструкции 19-слойного спектроделителя на основе оксида циркония (n_в=1,9) и оксида кремния (n_н=1,41) на подложке из K8 (n_п=1,52) под углом падения лучей света 45° без просветляющего покрытия на обратной поверхности подложки с оптической толщиной двух крайних по отношению к воздуху слоев, равных K₁·λ₀/4 и K₂·λ₀/4, где K₁=(2,18÷2,22), K₂=(1,08÷1,12), и оптической толщиной трех крайних по отношению к подложке слоев, равных K₃·λ₀/4, K₄·λ₀/4 и K₅·λ₀/4, где K₃=K₄=K₅=(1,08÷1,12).

Таким образом, технико-экономическая эффективность использования предлагаемой конструкции спектроделителя состоит в том, что на (10÷14)% повышается коэффициент пропускания в рабочем диапазоне спектра, что, в свою очередь, повышает контрастность изображения цели на фоне марки.

Источники информации

1. Борисевич И.А. и др. Инфракрасные фильтры. Минск, «Наука и техника», 1971.

2. Смит С. и др. Инфракрасные методы в космических исследованиях. М., «Мир», 1977.

3. Фурман Ш.A. Оптические тонкослойные покрытия. Л., «Машиностроение», 1977.

1. Оптический интерференционный спектроделитель, содержащий интерференционную систему из чередующихся слоев с высоким (n_в=1,9) и низким (n_н=1,41) показателями преломления и оптической толщиной в четверть длины волны излучения λ₀/4, расположенную на подложке с низким (n_п=1,46÷1,52) показателем преломления, отличающийся тем, что оптические толщины двух крайних по отношению к воздуху слоев равны К₁·λ₀/4 и K₂·λ₀/4, где K₁=(2,18÷2,22), а K₂=(1,08÷1,12), а оптические толщины трех крайних по отношению к подложке слоев равны K₃·λ₀/4, K₄·λ₀/4 и K₅·λ₀/4, где K₃=K₄=K₅=(1,08÷1,12).

2. Оптический интерференционный спектроделитель по п.1, отличающийся тем, что крайний к воздуху и крайний к подложке слои интерференционной системы имеют низкий показатель преломления.