ОС - оптична система

ДОЕ - дифракційний оптичний елемент

КЕ - кінформний елемент

БЕ - бінарний елемент

ДЛ - дифракційна лінза

ТКЛР - температурний коефіцієнт лінійного розширення

RMS - середнє квадратичне значення

КТД - коефіцієнт термічного дефокусування

МПФ - модуляційна передатна функція

Розглянемо найпростіший пасивний механічний термокомпенсатор, який складається з одного або кількох проміжних кілець із різних механічних матерівлів [8]. Принцип його роботи полягає в наступному: термокомпенсаційні кільця, які мають певні значення температурних коефіцієнтів лінійного розширення, зміною своїх лінійних розмірів під впливом температури компенсують терморозфокосування оптичних компонентів системи.

Якщо термокомпенсатор складається з двох циліндричних кілець, які встановлені між об'єктивом та фотоприймачем, то, обравши матеріали із яких будуть виготовлені кільця, можна досягти пасивної компенсації терморозфокусування ОС шляхом деформації термокомпенсатора.

Первинне фокусування об'єктива (при номінальній температурі) в такій конструкції здійснюється під час юстування системи, підрізанням одного з кілець термокомпенсатора, підрізанням оправи фотоприймача або оправи об'єктива.

В тому випадку, коли термооптичні сталі скла мають значення, які призводять до зменшення фокусної відстані системи при збільшенні температури, термокомпенсатор повинен зменшувати відстань між об'єктивом та фотоприймачем.

З іншими варіантами конструкцій механічних термокомпенсаторів більш грунтовно можна ознайомитися в роботі [8]

Однак наведений метод пасивної механічної атермалізації може бути реалізований тільки для систем, які функціонують у видимому діапазоні довжин хвиль. Це пояснюється тим, що більшість оптичних матеріалів ІЧ області спектру мають надзвичайно високі значення термооптичної сталої. Як наслідок цього, при зміні температури величина терморозфокусування оптичної системи в кілька разів буде перевищувати можливе теплове розширення всіх можливих матеріалів оправ, які використовуються в конструкціях ОС ІЧ діапазону.

Перевагою методів активної механічної атермалізації є висока точність, однак це врівноважується додатковою вартістю, збільшенням об'єму та ваги, зниженням надійності системи та складністю її експлуатації. Також слід пам'ятати, що більшість методик механічної атермалізації не можуть бути використані для компенсації температурних ефектів систем в ІЧ діапазоні.

1.3.2 Пасивна оптична атермалізація

Концепція конструювання оптики, яка нечутлива до температурних коливань не є новою [11-13]. Існуючі методи атермалізації можуть бути використані лише для оптичних систем видимого діапазону довжин хвиль, що забезпечується широкою номенклатурою матеріалів, які використовуються для цього спектрального діапазону. Це призводить до різноманіття можливих варіантів компоновки оптичних матеріалів в ОС із метою її пасивної атермалізації.

У фокусуючих системах на терморозфокусування, крім зміни характеристик ОС впливає також зміна лінійних розмірів несучої деталі корпуса. Ця зміна визначається габаритами деталі та її ТКЛР. В ході аналізу доцільно так підібрати матеріали оптичних компонентів дублету та несучої деталі корпусу, щоб розширення останньої компенсувало терморозфокосування ОС. При цьому мається на увазі, що довжина несучої деталі корпусу співпадає із величиною фокусної відстані оптичної системи, а сумарна оптична сила системи приймається рівною одиниці. Дублет буде одночасно атермальним та ахроматичним, якщо величина термооптичної сталої дублета буде відповідати величині (ТКЛР) для несучої деталі корпусу дублета [9,15].

При конструюванні ОС, які складаються із трьох оптичних компонентів, існує можливість підбору матеріалів із метою пасивної атермалізації системи. За умови, що всі оптичні компоненти розглядаються як абсолютно тонкі, для трьохкомпонентної системи умова атермалізації включає в себе три рівняння: рівняння сумарної оптичної сили триплета, а також умови ахроматизації та атермалізації ОС. Ця методика передбачає, що сумарна оптична сила Ф приймається рівною одиниці. Однак цей розрахунок є лише оціночним, оскільки виконується за умови абсолютно тонких компонентів та без врахування нелінійності залежності характеристик оптичних матеріалів від температури.

Методи пасивної оптичної атермалізації [16-19] базуються в першу чергу на даних про характеристики оптичних матеріалів, тому при їх використанні необхідно мати реалістичні дані про матеріали у обраних спектральних та температурних режимах роботи. Також при компенсації температурного впливу на оптичну систему важливо враховувати матеріал несучої конструкції та його деформацію.

Застосування пасивної оптичної атермалізації надає наступні переваги: простоту конструкції, відсутність рухомих елементів та переміщень в системі, низьку масу та габарити, високу надійність та простоту експлуатації конструкції. Існують і певні недоліки: висока вартість, технологічні особливості та обмежена номенклатура ІЧ оптичних матеріалів. Також застосування цієї техніки атермалізації значно ускладнюється при збільшенні кількості компонентів в ОС або при роботі в ІЧ діапазоні через обмежену номенклатуру та специфіку термооптичних властивостей оптичних матеріалів.

1.4 Дифракційні оптичні елементи та їх класифікація

Оптичний елемент, як невід'ємна складова кожної ОС, використовується для керування хвильовим фронтом. Якщо традиційний оптичний елемент керує хвильовим фронтом за допомогою заломлення або відбивання світла, то ДОЕ - за допомогою дифракції світла на його мікроструктурі. Залежно від типу ДОЕ може виконувати амплітудну, фазову або амплітудно-фазову модуляцію світла. Амплітудний ДОЕ в кожній точці площини елемента «пропускає» певну частку падаючої амплітуди (енергії); фазовий ДОЕ ? вносить задану величину набігу фази [21?24].

Ще у XIX ст. були створені перші ДОЕ - дифракційні ґратки. Дифракційна ґратка ? це амплітудний плоский елемент, у якого чергуються світлі та темні паралельні полоси (штрихи та щілини) однакової ширини [24]. Іншим типом амплітудного ДОЕ є радіально-симетрична пластинка Релея зі змінним періодом зон, що виконує фокусування світла у безліч дифракційних порядків. У результаті поглинання значної частини світла ефективність амплітудних ДОЕ у першому дифракційному порядку не перевищує 10%, що є значним обмеженням для їх використання [25]. У свою чергу ефективність бінарних фазових дифракційних ґраток та зонних пластинок наближається до 40% [22]. Фазова функція пропускання таких ДОЕ є періодичною, постійною в межах однієї зони і відмінною на значення р по відношенню до сусідньої зони.

Сучасні технології виготовлення ДОЕ запозичені з мікроелектроніки та почали розвиватися з моменту проникнення в оптику комп'ютерів [24]. Завдяки комп'ютерам стали можливими чисельні розрахунки амплітудно-фазових характеристик світлового поля в площині ДОЕ. Тому вже сьогодні існує можливість проектувати та створювати поверхні з різноманітною мікроструктурою, що значно розширює їх функціональні можливості та область застосування. На зміну дифракційним ґраткам і зонним пластинкам прийшли такі види ДОЕ, як кіноформи, бінарні елементи, комп'ютерні голограми, голографічні елементи, котрі в загальному випадку сегментують падаючий хвильовий фронт та змінюють напрямок розповсюдження сегментів шляхом інтерференції і/або контролю фази [22].

1.4.1 Кіноформний елемент

Кіноформний елемент (КЕ) - це фазовий ДОЕ, в якому фазова модуляція світла забезпечується мікрорельєфом його поверхні (рис. 1.1) [26?28]. Поверхня КЕ складається із концентричних зон змінної ширини (зі збільшенням порядку ширина зони зменшується). Періоди зон розраховуються за допомогою принципу Френеля таким чином, щоб різниця оптичних довжин шляху від осьової фокальної точки до країв сусідніх зон відрізнялася на ціле значення довжини хвилі. Для забезпечення постійної оптичної довжини шляху кожна зона має вигляд канавки змінної глибини. Для більшості КЕ максимальна глина канавок обирається такою, щоб для заданої розрахункової довжини хвилі максимальна фазова модуляція, введена елементом, дорівнювала 2р.

Рис. 1.1 Приведення фазової функції рефракційної лінзи до інтервалу 0..2р

На рис.1.1 показано як в результаті квантування фазової функції рефракційної лінзи і видалення складових із постійною фазовою затримкою 2р отримується фазова функція КЕ. За умови інтерференції когерентних хвиль постійна додаткова фазова різниця 2р є несуттєвою, тому як і звичайна рефракційна лінза, світло, що падає нормально, КЕ буде фокусувати з ефективністю 100%. У випадку природного світла вихідний хвильові фронти від рефракційної лінзи і КЕ будуть однаковими для розрахункової довжини хвилі. Таким чином концепція представлення рефракційних лінз у вигляді КЕ дозволяє спроектувати тонкі та легкі елементи.

Оптичні властивості КЕ в першу чергу залежать від геометрії її мікрорельєфу, а не від показника заломлення матеріалу. Форма і глибина канавок визначають розподіл світла між дифракційними порядками КЕ, а періоди зон ? фокусну відстань елемента, котра в значній мірі залежить від довжини хвилі. Для світла із не розрахунковою довжиною хвилі елемент створюватиме фазову затримку відмінну від 2р, а фокусна відстань зміниться пропорційно зміні довжини хвилі [23, 28]. У свою чергу фокусна відстань рефракційної лінзи, як функція дисперсії показника заломлення, змінюється значно менше, у чому і полягає її основна відмінність від КЕ. Навіть для найбільш дисперсійного скла типу флінт поздовжня хроматична аберація рефракційної лінзи в сім разів менша ніж у КЕ [23, 24].

Таким чином, КЕ займає проміжне положення між дифракційними і рефракційними оптичними елементами, оскільки в межах однієї дифракційної зони оптична довжина шляху залишається постійною, а при переході від однієї зони до сусідньої змінюється стрибкоподібно.

За допомогою КЕ можна створювати довільний розподіл освітленості в площині зображення точкового джерела світла [24, 25, 27]:

· КЕ циліндричної лінзи має прямолінійні паралельні канавки, ширина і профіль котрих змінюються за таким же законом, як і у вісесиметричного КЕ. Паралельний пучок світла такий елемент фокусує в лінію, паралельну канавкам.

· Вісесиметричний КЕ-аксіон із трикутними в перерізі канавками, період яких є постійним. Паралельний пучок світла такий елемент фокусує в безліч точок, розташованих вздовж оптичної осі.

· КЕ прозорого тора, що має вільне коло з радіусом у центрі елемента, а кільцеві канавки мають радіуси і т.д. Паралельний пучок світла такий елемент фокусує в безліч точок, розташованих на колі із радіусом .

1.4.2 Бінарний елемент

Бінарний елемент (БЕ) - це фазовий ДОЕ із дискретним числом фазових контролюючих поверхонь (22, 26). Найпростішим БЕ є дворівнева фазова пластинка Вуда, що має два рівня фазового зсуву: 0 і р. (рис.1.2). Як і у випадку КЕ, зони дворівневого БЕ розраховуються згідно принципу Френеля, але таким чином, щоб різниця оптичних довжин шляху від осьової фокальної точки до країв сусідніх зон відрізнялася на значення, кратне половині довжини хвилі. На відміну від КЕ, оптична довжина шлях дворівневого БЕ в межах однієї зони не є постійною.

Рис. 1.2. Фаза функції дворівневої фазової пластинки Вуда

Світлова хвиля, що проходить через дворівневий БЕ, дифрагує на його структурі і концентрується в точці Р (рис. 1.3 а). Розглянемо хвилі, що прийшли в точку Р від поверхні елемента в межах радіуса r₁. Зі збільшенням радіальної координати оптична довжина шляху, відповідно, і фаза коливань плавно збільшується, і у хвиль, що прийшли від точок О і А відрізняються на значення р. Якщо елементарні світлові коливання представити у вигляді векторів, то внаслідок збільшення фази, кожний наступний вектор буде повертатися відносно попереднього (нижня права гілка на рис. 1.3 б). Сумарний цих вектор Е₁ визначає амплітуду коливань від першої зони дворівневого БЕ.

Рис. 1.3. а - Дифракція плоскої хвилі на дворівневому БЕ; б - сума світлових хвиль в точці Р

Якщо між точками А і В не було канавки, то фаза елементарних світлових хвиль продовжувала б плавно збільшуватися до значення 2р. Тоді результуюча амплітуда від ділянки ОВ дорівнювала б практично нулю (нижня ліва гілка на рис. 1.3 б).У свою чергу наявність канавки призводить до зменшення фази кожного елементарного коливання на значення р (верхня гілка на рис. 1.3 б), і результуюча амплітуда від кільця АВ складатиме Е₂. Вектори Е₁ і Е₂ колінеарні, тому дають максимум інтерференційної картини. Фази світлових хвиль від інших зон елемента в точці Р співпадатимуть, відповідно всі наступні вектори амплітуди будуть також паралельні один одному. Ефективність такої дворівневої фазової пластинки сягає 40%, тобто в точці Р концентрується 40 % світлової енергії падаючої хвилі.

У той же час аналогічно дворівневій фазовій пластинці, можна розрахувати трьохрівневу, чотирьохрівневу і т.д. фазові пластинки, таким чином, поступово збільшуючи частку сфокусованої енергії у фокальній точці. Для випадку, коли кількість таких рівнів наближається до нескінченності, БЕ перетворюється у КЕ. І навпаки, якщо проводити дискретну апроксимацію безперервної поверхні КЕ у межах кожної дифракційної зони, то отримується багаторівневий БЕ.

1.4.3 Оптичні характеристики дифракційної лінзи

Дифракційною лінзою (ДЛ) будемо називати ДОЕ, фазова функція якого подібна фазовій функції рефракційної лінзи [28]. Тобто ДЛ здатна фокусувати або розсіювати світло подібно рефракційній лінзі. Очевидно, що ДЛ має бути високоефективним фазовим елементом. Ці умови задовольняє ДОЕ типу КЕ, тому в першу чергу під ДЛ будемо розуміти КЕ.

ДЛ, як і всім ДОЕ, характерна наявність одразу декількох дифракційних порядків, у результаті чого елемент створює декілька зображень одного предмета. Якщо фокусна відстань ДЛ у першому порядку дорівнює f, то у n-му ?. Зазвичай в якості головного (робочого) порядку обирається перший. Мультифокальність ДЛ успішно використовується для проектування рефракційно-дифракційних інтраокулярних лінз, і водночас є вадою при проектуванні монофокальнрих рефракційно-дифракційних ОС [22].

Очевидно, що неробочі дифракційні порядки створюють фонову засвітку головного зображення, у результаті чого знижується його контраст. Зі збільшенням ефективності неробочих порядків зменшується ефективність головного порядку, у результаті чого понижується контраст головного зображення. На ефективність ДЛ у різних порядках впливають [23]:

· співвідношення між розрахунковою та робочою довжинами хвиль, зі збільшенням різниці між ними зменшується ефективність головного зображення;

· ступінь дискретизації неперервного мікрорельєфу, зі збільшенням кількості дискретних рівнів фазової функції ДЛ збільшується ефективність головного зображення;

· точність виготовлення мікрорельєфу ДЛ;

· кількість дифракційних зон та їх період, зі збільшенням кількості дифракційних зон зменшується їх період, у результаті чого крайні дифракційні зони зазвичай екранують та розсіюють світло в інші дифракційні порядки.

Оскільки ДЛ є дифракційним елементом, то його фокусна відстань у кожному порядку в значній мірі залежить від довжини хвилі світла (напрямок розповсюдження світла за дифракційним елементом визначається співвідношення між періодом його зони та довжиною хвилі світла) [22, 23]. Тому для ДЛ характерна значна хроматична аберація, що значно обмежує її використання у широкому спектральному діапазоні. Проте унікальність ДЛ полягає в тому, що світло із меншою довжиною хвилі елемент «заломлює» менше, ніж із більшою, у результаті чого по відношенню до традиційної лінзи коефіцієнт дисперсії ДЛ є від'ємним [22, 23]. Тезисне представлення оптичних характеристик ДЛ у даному підпункті базується на основі уявлень про звичайні дифракційні ґратки та зонні пластинки.

1.5 Рефракційно-дифракційні інфрачервоні оптичні системи

Особливого розповсюдження рефракційно-дифракційне компонування ОС набуває у інфрачервоній техніці. Саме використання ДЛ сприяє вирішенню проблеми обмеженості оптичних матеріалів, прозорих в інфрачервоній області спектру. Завдяки своїм унікальним характеристикам ДЛ успішно використовуються для проектування ахроматичних та атермалізованих ОС [23].

Оскільки розміри та глибина канавок ДЛ визначаються розрахунковою довжиною хвилі, то виготовлення інфрачервоних ДЛ є більш технологічним, ніж ДЛ для роботи у видимій області спектру.

1.5.1 Атермалізовані об'єктиви

Проектування ОС не завершується корекцією її аберацій. Конструктор має враховувати багато інших факторів, котрі можуть впливати на оптичні характеристики системи. Одним із таких чинників є коливання температури, при яких буде працювати ОС. Для врахування термічного впливу на оптичні характеристики ОС необхідно враховувати коефіцієнт теплового розширення матеріалів механічних та оптичних елементів конструкції, зміну показників заломлення матеріалів оптичних компонентів та показника заломлення оточуючого середовища (зазвичай, повітря). Таким чином, у результаті коливання температури змінюються всі конструктивні параметри ОС, що призводить до зміни її фокусної відстані. Зміна фокусної відстані ОС зі зміною температури виражається через коефіцієнт термічного дефокусування (КТД) [4]. Наприклад, германій має (див. табл.1.4), від'ємний знак означає, що при збільшенні температури фокусна відстань зменшується. Отже, при збільшенні температури на 10 ? С у лінзи із германію при фокусна відстань зменшиться на 124,95 мкм [23]. Для мінімізації впливу температури на оптичні характеристики ОС проводиться атермалізація ОС На сьогодні відомо декілька механічних та оптичних методів атермалізації [29]:

· Механічний пасивний: Основний принцип методу полягає в пасивному переміщенні оптичних елементів вздовж оптичної вісі з метою компенсації зсуву зображення. Це переміщення досягається природнім розширенням або звуження механічних компонент.

· Механічний активний: Переміщення оптичних елементів виконується або вручну, або електромеханічним пристроєм. Зазвичай використовується двигун по сигналу із теплового датчика переміщує атермалізаційний елемент у необхідне положення.

· Оптичний пасивний: Полягає у підборі матеріалів оптичних елементів, сумарний фокусний зсув яких буде мінімальним.

· Оптико-механічний: Оптика зі зменшеною чутливістю до температури може бути доатермалізованою з використанням незначного активного або пасивного переміщення.

· Пасивно-активно механічний: Передбачає поєднання механічних пасивного і активного методів.

· Рефлективна оптика: Якщо одиничне сферичне дзеркало і простір між ним і його фокальною площиною виготовлені із одного матеріалу, то така система є самоатермалізованою.

Пасивний підхід атермалізації ОС є більш прийнятним, особливо у випадках, коли маса та габарити конструкції мають бути мінімальними.

Таблиця 1.1 Рефракційний та дифракційний КТД оптичних матеріалів

У свою чергу КТД ДЛ не залежить від зміни показника заломлення матеріалу, проте у значній мірі залежить від його коефіцієнта теплового розширення. Завдяки такому унікальному КТД ДЛ може успішно використовуватися для атермалізації ОС [22].

1.5.2 Гібридний атермалізований об'єктив Петцваля [20]

Пасивну атермалізацію об'єктива Петцваля можна виконати шляхом заміни першого асферичного елемента групою із трьох рефракційних лінз. В якості матеріалів цієї групи лінз використовують германій, цинк селеніда та цинк сульфіду. Проте цинк сульфіду має низьке пропускання у заданому діапазоні хвиль. Також заміна однієї лінзи трьома значно підвищує масу, габарити та ціну об'єктива.

Використання гібридної лінзи є альтернативною традиційній пасивній атермалізації. Асферична лінза об'єктива замінюється двома лінзами, одна із яких є гібридною. У таблиці 1.2 наведено набір рішень атермалізованої гібридної групи лінз для об'єктива Петцваля. Фокусна відстань атермалізованої гібридної групи складає 120 мм. Оптичні сили та хроматизм представлені по відношенню до загальної оптичної сили об'єктива ц.

Таблиця 1.2 Атермалізована група лінз для об'єктива Петцваля

Наведені рішення забезпечують не лише компенсацію температурних коливань, а і хроматичну корекцію. Значення оптичної сили ДЛ у значній мірі залежить від того, на лінзі з якого матеріалу нанесені дифракційні зони (див. у табл.1.2 комбінації матеріалів №1 і №6). Тому поєднання двох матеріалів і ДЛ має два різних рішення атермалізації ОС. Гібридна атермалізація ОС об'єктива в значній мірі обмежується великою дисперсійністю ДЛ, тому рефракційні компоненти в більшій мірі виконують атермалізацію, а ДЛ - ахроматизацію. Хроматизм германієвої асферичної лінзи, яка замінюється атермалізованою групою, складає -0.00117ц, таким чином запропоновані у таблиці 1.5 рішення є достатньо ахроматичними.

Очевидно, що з точки зору оптичних характеристик найбільш вигідним є рішення №5, проте KRS5 відносно добре розчиняється у воді, токсичний, у звичайному вигляді чутливий до температури. Рішення №2 також є непідходящим, оскільки характеризується значним хроматизмом, ДЛ має багато дифракційних зон, а ZnS має відносно низький коефіцієнт пропускання світла. Рішення №1 є найбільш підходящим, оскільки ZnSe широко використовується в заданому спектральному діапазоні і має підходящі технічні характеристики. Хоча хроматизм та кількість зон більші, ніж у групи №3, проте вихідні характеристики все ж задовільні. До того ж AMTIR I характеризується значним тепловим розширення. Щодо рішення №4, то із-за значної оптичної сили лінзи із GaAs розміри та маса ОС об'єктива значно збільшуються.

Рис.1.4 Атермалізований ахроматичний гібридний об'єктив Петцваля

На рис.1.6 зображено атермалізований ахроматичний гібридний об'єктив Петцваля.. Теоретична поліхроматична МПФ такого об'єктива для просторової частоти 9 лін/мм показана у табл.1.3.

Таблиця 1.3 Теоретична МПФ модифікованого об'єктива Петцваля

Значення у таблиці 1.3 розраховувались за умови, що все світло із заданого спектрального діапазону фокусується в перший дифракційний порядок. Проте усереднена по всьому спектральному діапазоні дифракційна ефективність в першому порядку згідно скалярної теорії дифракції складає 95%. Таким чином, МПФ слід промасштабувати на усереднене значення дифракційної ефективності. У результаті цього теоретичне значення осьової поліхроматичної МПФ для просторової частоти 9 лін/мм складатиме 79%. У свою чергу температурна варіація фокусної відстані ДЛ також призводить до пониження її дифракційної ефективністі. Проте цей вплив є відносно незначним, тому не враховуються при оцінці МПФ. Практичні дослідження МПФ модифікованого об'єктива Петцваля підтверджують теоретичні розрахунки [20].

Таким чином, атермалізовані гібридні ОС здатні забезпечувати високу якість зображення. Використання ДЛ значно розширює кількість можливих варіантів атермалізованих груп, та сприяє зменшенню ваги та розмірів ОС.

1.6 Особливості використання дифракційних лінз при проектуванні інфрачервоних оптичних систем

Як було показано у попередньому пункті, використання ДЛ у інфрачервоних ОС сприяє вирішенню проблеми обмеженості оптичних матеріалів, прозорих в інфрачервоній області спектру. Сучасне поліхроматичне рефракційно-дифракційне компонування інфрачервоних ОС базується на використанні ДЛ як коректорів хроматичної і/або термічної аберацій, що дозволяє підвищити якість зображення таких ОС. Із-за дифракційної природи перенаправлення світла ДЛ характеризується значним хроматизмом, тому таке компонування основане на використанні ДЛ із малою оптичною силою і, відповідно, із незначною кількістю дифракційних зон.

Через невиправну мультифокальність для ДЛ важливою є оцінка її дифракційної ефективності головного зображення, котра у першу чергу визначається типом профілю елемента: бінарний, багаторівневий бінарний, безперервний. Від вибору того чи іншого типу профілю залежить інтенсивність розсіяного світла у неробочі порядки, яке у результаті створює фон і погіршує якість головного зображення. Оскільки безперервний профіль є не технологічним, то вибір типу профілю зводиться до вибору кількості дискретних фазових рівнів [23]. Зі збільшенням таких рівнів підвищуються ефективність ДЛ і, відповідно, вартість її виготовлення. На кількість світла розсіяного у неробочі порядки також впливає точність положення та розмірів дифракційних зон ДЛ, що має бути врахована при оцінці ефективності головного зображення. Дифракційна ефективність таких елементів також залежить від довжини хвилі. Наприклад, у випадку інфрачервоної ДЛ із розрахунковою довжиною хвилі 10 мкм ефективність світла для довжини 8 мкм у 1-ому дифракційному порядку складає 81%. Окрім ефективності, від довжини хвилі залежить вже згадувана оптична сила ДЛ. Наприклад, для вже зазначеної інфрачервоної ДЛ фокусна відстань для довжини хвилі 8 мкм на 25% більша, ніж для 10 мкм. Такі залежності оптичних характеристик ДЛ від довжини хвилі є унікальною, тому є перспективним подальше їх дослідження з метою розширення коригувальних властивостей ДЛ у ОС.

Важливим етапом проектування ДЛ є оцінка її технологічності. Зі збільшенням порядкового номеру дифракційної зони її ширина швидко зменшується, тому технологія виготовлення визначає максимально можливий відносний отвір ДЛ. Наприклад, у випадку фотолітографічного методу виготовлення дифракційної поверхні обмеження технології пов'язане із обмеженням щодо виготовлення мінімального періоду фотолітографічної маски [23].

Слід зазначити, що сучасні рефракційно-дифракційні ОС зазвичай складаються із декількох елементів, оскільки зі збільшенням складових ОС переваги використання ДЛ менш помітні. Також такі ОС використовують параксіальні ДЛ. Подальший розвиток такого компонування потребує розробку методів проектування ДЛ із заданими оптичними характеристиками та їх використання для корекції інших вад ОС, зокрема, монохроматичних аберацій. Розробка таких елементів, що формують асферичні хвильові фронти, має бути заснована на непараксіальному підході [20].

1.7 Аналіз характеристик ІЧ матеріалів

При проектуванні ОС вибір оптичного матеріалу може базуватися на різних критеріях до механічних та оптичних властивостей, таких як: спектральний діапазон роботи, поглинання та розсіювання випромінювання матеріалом, температурна залежність показника заломлення, приріст показника заломлення залежно від довжини хвилі л, теплове розширення, теплопровідність, простота обробки, відсутність токсичних та уражаючих здоров'я людини домішок та ін. Останнім часом при конструюванні ОС для різних спектральних діапазонів випромінювання широко використовуються наступні матеріали: оптичне скло, оптична кераміка (на основі ZnSe, МgF₂), оптичні кристали (Si, Ge, SiO₂, Al₂O₃, ZnSe) та велика кількість інших структур [30-32].

Номенклатура матеріалів для ІЧ області спектру також набуває все більшого різноманіття. В таблиці 1.4 наведені оптичні та термооптичні характеристики найбільш типових оптичних матеріалів інфрачервоної області спектра, які застосовуються у конструкціях ІЧ систем.

Таблиця 1.4 Оптичні та термооптичні характеристики ІЧ матеріалів [9]

Важливим фактором при виборі матеріалу оптичних компонентів при проектуванні ОС є його технологічні властивості, які можуть бути дуже специфічними для деяких, особливо синтезованих в останні два десятиліття, оптичних матеріалів, таблиця 1.5.

Із наведеної таблиці можна зробити висновок, що більшість ІЧ матеріалів мають специфічні або навіть унікальні технологічні влачтивості, що потребує особливої уваги при їх виборі із метою прокетування ОС різноманітного призначення. Монокристали KRS5 и KRS6 - унікальні оптичні матеріали, які володіють високою прозорістю в далекій інфрачервоній області спектра, яка поєднується із влагостійкістю. Ці кристали широко використовуються в приладах інфрачервонох техніки, в тому числі у приладах, які працюють в атмосферних умовах, де використання інших відомих кристалів (NaCl, Csl та ін.) неможливо.

Таблиця 1.5 Технологічні властивості деяких ІЧ матеріалів

Загалом номенклатура оптичних матеріалів ІЧ області спектра, у порівнянні із матеріалами видимої області, значно обмежена. Також слід звернути увагу на дуже великі значення коефіцієнтів та для оптичних матеріалів, які працюють в інфрачервоному діапазоні та різницю в цих значеннях для різних матеріалів (таблиця 1.5).

При проектуванні ОС необхідно враховувати не тільки властивості оптичних матеріалів, але і матеріал несучої конструкції, оскільки зміна параметрів механічних матералів під дією температури також призводить до зміни характеристик ОС. Таблиця 1.6 містить характеристики механічних матеріалів, які найбільш часто використовуються при консруюванні ІЧ ОС.

Таблиця 1.6 Основні характеристики механічних матеріалів

При виборі матеріалу несучої конструкції можна керуватися великою кількістю критеріїв, такими як: вартість, простота обробки, стійкість до негативних впливів навколишнього середовища, технологічність. При цьому необхідно враховувати умови роботи деталей та конструкцій, характер навантажень та напруг, а також такі властивості матеріалів як: пружність, в'язкість, супротив зношуванню, міцність та ряд інших характеристик.

За узагальненим показником якості перевагу має титан, який частіше за все використовується для виготовлення несучих деталей в конструкціях ІЧ ОС. У питаннях температурного впливу на систеу головну роль відіграє ТКРЛ матеріалу та його теплопровідність. Найменш схильні до температурного впливу титанові та інварові сплави.

Висновки до розділу 1