Главная > Оптика > Оптическая голография, Т.2
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

10.8. ГОЛОГРАММНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Д. Клоуз

10.8.1. Введение

Цель данного параграфа заключается в рассмотрении проблемы использования оптических голограмм в качестве линз (или зеркал). Мы попытаемся дать исчерпывающее представление о свойствах таких оптических элементов, о характере работы и о тех трудностях, которые необходимо преодолеть, чтобы голограммные оптические элементы (ГОЭ) нашли практическое применение. В разд. 10.8.2 приводится качественное сравнение изображающих свойств ГОЭ и обычных линз и зеркал. Отсюда непосредственно следует вопрос об оптической эффективности, который мы рассматриваем в разд. 10.8.3. Если имеется желание использовать ГОЭ в оптической системе в любом случае, даже если низки их изображающие свойства и эффективность, то необходимо учесть возможности конструирования и изготовления элементов, рассматриваемые соответственно в разд. 10.8.4 и 10.8.5. В разд. 10.8.6 мы обсудим несколько конкретных примеров применения ГОЭ, чтобы показать, насколько в действительности полезны эти применения.

Оптики всегда представляют себе голограмму как аналог линзы. При такой аналогии записанная на голограмме интерференционная картина образует «внеосевую габоровскую зонную пластинку». Поскольку изображающие свойства зонных пластинок хорошо известны и давно изучены, интерпретация голограммы как суперпозиции зонных пластинок дает непосредственное и четкое понимание

изображающих свойств голограммы. В таком представлении ГОЭ - это всего лишь голограмма точечного объекта. Голограмма точечного объекта, когда она используется как ГОЭ, может быть «обращена», т. е. освещена совокупностью опорных или восстанавливающих точечных источников, составляющих объект, изображение которого должно быть сформировано с помощью ГОЭ. Совокупность всех восстановленных точек образует изображение, сформированное ГОЭ.

Из этой аналогии ясно, что для охвата какого-либо конечного поля зрения, ГОЭ не могут быть «обращены» непосредственно в той конфигурации, в какой были записаны. Поэтому изображение ГОЭ не бывает свободным от аберраций. Фактически количественное знание аберраций и возможность их минимизации или устранения на этапе расчета ГОЭ и есть главное, что позволяет использовать эти элементы в практических оптических системах.

Другой взгляд в сущность ГОЭ также основывается на интерпретации с помощью зонных пластинок. Для ГОЭ характерно наличие многих дифракционных порядков, причем оптическая сила каждого из них существенно различна. Кроме того, оптическая сила каждого порядка сильно зависит от длины волны, а количество света, дифрагировавшего в любой из порядков, зависит от конкретного способа изготовления зонной пластинки. Таким образом, если нам будут известны количественные данные об эффективности и мы сможем управлять ими, то это будет залогом успешного применения голограммных оптических элементов.

Обозначения, которые мы используем, соответствуют принятым в литературе. В частности, основные сведения по аберрациям можно найти в работе [2]. Латта [6] исследовал количественные характеристики аберраций и выполнил также большую оригинальную работу по определению хода лучей для анализа и конструирования ГОЭ [71. Анализ голографических элементов, имеющих высокую оптическую эффективность, основан на теории толстых голограмм, развитой Когельником [5]. Многие вопросы достаточно полно освещены в книге Кольера и др. «Оптическая голография» [31.

10.8.2. Изображающие свойства

Наиболее важным является то, что ГОЭ могут иметь практически любую геометрию формирования изображения при любой ориентации и кривизне подложки. Это означает, что направление входящих и выходящих лучей не зависит от кривизны или показателя преломления материала подложки. С другой стороны, ГОЭ можно сконструировать для преобразования любого входного волнового фронта в любой другой выходной фронт независимо от

параметров материала подложки. При конструировании ГОЭ должны учитываться характеристики подложки, поскольку работа ГОЭ при других длинах волн, углах падения и т. п. будет зависеть от материала подложки. В действительности существует хорошее правило, которое состоит в том, что, чем больше изображающие свойства ГОЭ отличаются от свойств, описываемых законами преломления и отражения, тем значительнее будут дисперсия, аберрация и изменения эффективности, когда входная волна отличается от расчетной. Из этого правила следует вывод, что прибегать к использованию ГОЭ необходимо лишь тогда, когда невозможно применить обычные линзы и зеркала. Иными словами, ГОЭ лучше использовать в тех конкретных применениях, в которых имеется необходимость в их специальных характеристиках.

ГОЭ представляет собой единственную преобразующую волновой фронт поверхность, поэтому его угловое увеличение должно быть равным единице. Как и в случае обычных линз и зеркал, чтобы построить телескоп или другой оптический инструмент, необходимо иметь много элементов. Привлекательная идея «создать голограмму» оптического инструмента, функции которого она бы выполняла, просто неосуществима и не соответствует пониманию изображающих свойств ГОЭ. Мы рассматриваем ГОЭ как единственную оптическую поверхность, «передаточная функция» которой зависит от многочисленных параметров, которыми можно управлять на этапе процесса конструирования. В настоящем разделе мы попытаемся дать понятие качественных и количественных характеристик ГОЭ, для того чтобы можно было понять, какие параметры ответственны за различного вида передаточные функции.

ГОЭ можно рассматривать как запись оптической интерференционной картины, такой, что в каждой точке регистрирующего материала поверхность интерференционных полос является зеркальной и отражает входной луч в выходной. Такой подход справедлив только для частной пары сопряженных волн, для которых рассчитывается ГОЭ. Подход полезен тем, что позволяет найти поверхностную решетку, которая действительно определяет геометрию формирования изображения голографическими элементами. Эта поверхностная решетка представляет собой геометрическое место точек, в которых пересекаются «зеркальные» интерференционные плоскости с поверхностью материала, на котором записывается голограмма. Чтобы быть точными, это поверхность регистрирующего материала, из которой выходят преобразованные или дифрагированные волны. Поверхностная решетка плоской и объемной голограмм полностью определяет изображающую геометрию, т. е. положение изображения, аберрации, увеличение и т. п., какой бы волновой фронт ни преобразовывался ГОЭ. (К счастью, на эффективность ГОЭ, т. е. на амплитуду преобразованного волнового фронта, оказывают влияние другие факторы.)

10.8.2.1. Уравнение решетки

Поскольку изображающая геометрия ГОЭ сравнительно произвольна, то для ее описания удобнее пользоваться векторными обозначениями. Любая точка поверхностной решетки описывается четырьмя лучами. Это входящий луч С, выходящий луч I и два луча которые определяют структуру, или схему, ГОЭ. Направления этих лучей задаются соответствующими единичными векторами. Модель «зеркальных интерференционных полос» особенно подходит для лучей формирующих ГОЭ. Объектный и опорный лучи используются при оптической записи голографических элементов. Рассмотренные четыре единичных вектора и единичный вектор нормальный к поверхности в рассматриваемой точке, связаны уравнением решетки. Это уравнение можно записать в двух видах, которые удобно использовать на практике, а именно:

и

где множитель, преобразующий вектор I в единичный, номер дифракционного порядка, длины волн, которые используются при записи и использовании ГОЭ, а соответствующие показатели преломления. Все единичные векторы определяются в объеме регистрирующего материала, они преломляются им и задают направления выходящих лучей.

Для расчета выходных характеристик объемных голограмм необходимо знать параметры объемных решеток. В таких решетках расстояние между интерференционными плоскостями равно

единичный вектор, нормальный этим плоскостям, запишется в виде

Если в промежутке между записью и применением среда с записью ГОЭ была деформирована, то расстояние между полосами и их ориентация отличаются от значений, даваемых выражением (3) и (4), и они должны быть рассчитаны вновь с учетом деформаций.

Расчет изображения и направления дифрагированных лучей для любой точки ГОЭ выполняется следующим образом. Через систему проводят луч до его входа в ГОЭ. Затем строят картину преломления этого луча голографическом материале и находят вектор С. Из конструкции схемы записи голограммы определяют для той же самой точки лучи Используя выражение (1), вычисляют дифрагированный луч I, преломляют его на выходе из

голографического материала и находят искомый луч, формирующий изображение. Если параметр комплексный, то выходная волна будет затухающей.

В зависимости от вида ГОЭ расчет направлений дифрагированных лучей может быть более или менее сложным. В случае, когда структура ГОЭ образуется двумя точечными источниками, вычисления оказываются простыми. Однако в большинстве практических случаев при создании ГОЭ для формирования записывающих пучков требуются оптические элементы, и расчет оказывается довольно сложным.

10.8.2.2. Уравнение решетки и вытекающие из него следствия

Из того факта, что работа ГОЭ определяется поверхностной дифракционной решеткой, вытекают следующие четыре основных изображающих свойства. Это сильная зависимость оптической силы от длины волны, значительная дисперсия, отсутствие зависимости дифракционной эффективности от геометрии воспроизведения изображения и двойственность отражающих и пропускающих элементов. Кроме того, в некоторых случаях дифракционная эффективность сильно зависит от длины волны и угла падения света; этот вопрос мы обсудим в разд. 10.8.3.

Значительные изменения оптической силы и дисперсии объясняются тем, что длина восстанавливающей волны входит в уравнение решетки (1) как линейный коэффициент. Шампань [2] получил уравнение для изменения оптической силы в случае голограммы с эквивалентным фокусным расстоянием записанной с помощью двух точечных источников, отстоящих от голограммы на расстояния

Шампань [21 получил также уравнение для дисперсии дифрагированных лучей, выраженной через геометрические параметры схемы записи голограммы. Это уравнение для угла дифрагированных лучей записывается в виде

Весьма интересным и полезным следствием из уравнения решетки является тот факт, что изображающие свойства ГОЭ не зависят от амплитуды изображения. Уравнения (2) и (4) показывают, что направление дифрагированных лучей зависит только от составляющих интерференционных полос, нормальных лучу т. е. касательных к поверхности среды. Это иллюстрируется на рис. 1,

на котором показаны поперечные сечения трех интерференционных структур с одинаковыми поверхностными составляющими. Поскольку период поверхностной решетки для этих структур один и тот же, направление дифрагированных лучей для всех трех ГОЭ будет одинаковым, и, следовательно, эти элементы будут иметь одинаковые изображающие свойства, т. е. положение изображения, аберрации и т. д. Амплитуда света на выходе, безусловно, будет различной для каждого из рассматриваемых случаев. Это объясняется тем, что амплитуда дифрагированных лучей зависит не только от ориентации в пространстве интерференционных плоскостей, но и от их физической природы (т. е. изменений показателя преломления и т. п.).

Рис. 1. Поперечные сечения трех голограмм с одинаковыми изображающими свойствами. а — пропускающий элемент; б - отражающий элемент; в — тот же отражающий элемент, но большей толщины.

То, что изображающие свойства не зависят от амплитуды света, приводит к двум следствиям, имеющим практическое значение. Во-первых, имеется возможность рассчитывать геометрию формирования изображения с помощью ГОЭ без учета явлений, связанных с физическим процессом записи. Во-вторых, это позволяет сдвинуть максимум эффективности ГОЭ, изготовленного, например, для длины волны света в область другой длины волны, скажем для этого нужно лишь изменить на соответствующую величину толщину регистрирующего материала. Это иллюстрируется на рис. 1, б и в, откуда мы видим, что увеличение толщины слоя приводит к изменению наклона интерференционных полос и происходит согласование решетки с большей длиной волны. Такой цветовой сдвиг находит применение на практике, хотя при этом возникают довольно специфические условия формирования изображения, и такой прием полезен только для толстых голограмм. Голографические элементы, работающие на отражение, имеют коэффициент расширения, равный отношению длин волн восстанавливающего и записывающего лучей, или 1,119 для приведенного выше примера.

И наконец, дуализм отражательных и пропускающих элементов можно определить следующим образом. Изображающие свойства двух элементов будут одинаковыми, если один из них записан с заданными объектной и опорной волнами, а второй, когда одна из этих волн отражается в материале подложки. Это объясняется тем, что поверхностная дифракционная решетка остается неизменной, когда нормальная составляющая вектора полос меняет знак. Один из элементов будет отражательной голограммой, а второй — пропускающей. Разумеется, амплитуды дифрагированных волн различных порядков будут сильно отличаться, поэтому практически оба элемента трудно сравнивать. Дуализм бывает полезно использовать на этапе конструирования ГОЭ.

10.8.3. Эффективность

Эффективность, т. е. амплитуда дифрагированной волны, определяется физической природой зарегистрированной интерференционной структуры. Поскольку эти вопросы обсуждаются в § 8.3, здесь мы рассмотрим их лишь кратко.

Голографические оптические элементы мы рассматриваем лишь на основе фазовых голограмм, поскольку только фазовые голограммы обладают требуемой высокой дифракционной эффективностью и(или) малыми потерями света. Представляют интерес два типа фазовых голограмм: толстые, или объемные, фазовые голограммы (отражательные и пропускающие) и тонкие, или поверхностные. Объемные голограммы записываются в виде модуляции показателя преломления в толще регистрирующей среды. Поверхностные голограммы регистрируются как поверхностный рельеф материала.

Дифракционная эффективность объемных фазовых ГОЭ наилучшим образом описывается теорией связанных волн, предложенной Когельником [5]. Эффективность может быть высокой как для отражательных, так и для пропускающих элементов. Отражательные элементы характеризуются высоким отражением в узком диапазоне длин волн, причем длина волны, на которой отражение максимально, зависит от угла падения света и изменения толщины регистрирующего материала между записью и использованием элемента. Параметр отражательных голограмм приблизительно равен числу интерференционных плоскостей, записанных в твлщине регистрирующего материала:

где толщина материала, расстояние между интерференционными полосами. Максимальная эффективность дается

выражением

где двойная амплитуда модуляции показателя преломления.

Рис. 2. (см. скан) Идеализиронанная геометрия толстых голограмм, объясняющая спектральную и угловую зависимости дифракционной эффективности, а — пропускающий элемент; отражающий элемент. расстояние между интерференционными полосами; толщина эмульсии.

Пропускающие фазовые голограммы характеризуются узким диапазоном углов, в котором для данной длины волны наблюдается высокая эффективность, и высокой эффективностью для широкого спектра длин волн при некотором угле падения. Угловой параметр пропускающего элемента также равен отношению толщины материала к расстоянию между интерференционными полосами:

Максимальная эффективность пропускающего элемента дается выражением

в которое входят те же параметры, что и в выражение для эффективности отражательного элемента. На рис. 2 показаны интерференционные структуры отражательных и пропускающих толстых голограмм.

Дифракционная эффективность голограмм с поверхностным рельефом сильно зависит от формы профиля рельефа и его глубины по сравнению с используемой длиной волны. Чтобы показать это, рассмотрим модель тонкой фазовой решетки, которая вносит в падающую волну фазовую модуляцию с амплитудой и вычислим эффективность для некоторых частных случаев. Разложение модулированной волны в ряд Фурье дает значение эффективности для прямоугольного профиля:

и для синусоидального профиля [3, стр. 223—226] 1):

здесь а — дифракционный порядок, функция Бесселя. Из этих выражений максимальная эффективность получается равной 30—40% при

Для того чтобы достичь высокой эффективности рельефных голограмм, поверхность делается блестящей и покрывается непрозрачным слоем хорошо отражающего свет металла, такого, как алюминий или золото. В этом случае дифракционную эффективность приходится определять численными методами, решая задачу о граничных значениях. С этой целью были составлены программы вычислений эффективности с помощью ЭВМ, причем полученные таким образом результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными [4, 8]. В некоторых случаях рассмотренный тип поверхностной решетки может иметь почти 100% эффективность.

10.8.4. Конструктивные решения

При конструировании системы голографических оптических элементов важную роль играет вопрос о том, в каких случаях их следует применять в конкретной оптической системе. Мы не рекомендуем разработчикам систем использовать ГОЭ в каждой системе. По нашему мнению, ГОЭ следует применять лишь в тех случаях, когда какие-либо существенные характеристики очень трудно или вообще невозможно реализовать с помощью обычных линз и

зеркал. В тех случаях, когда случается согласовывать характеристики ГОЭ с практическими потребностями, ГОЭ могут обеспечить элегантное решение проблемы. Мы рассмотрим здесь те характеристики ГОЭ, которые в случае их применения окажутся полезными, а также обсудим и те, польза от которых вызывает сомнение. Обсудим также некоторые общие способы предсказания характеристик ГОЭ и средства, требуемые для детальной разработки системы.

В общем случае ГОЭ следует рассматривать как некий тип элемента, который при необходимости должен использоваться в комбинации с другими элементами. Наш опыт показывает, что лучи, формируемые ГОЭ, следует рассматривать как создаваемые отдельными оптическими системами. Это означает, что ГОЭ представляет собой обычный элемент в трех оптических системах, причем параметры всех этих трех систем должны учитываться при конструировании.

10.8.4.1. Сравнение со стандартными оптическими элементами

Голографические и обычные оптические элементы имеют одно общее важное свойство: любой отдельный элемент может быть изготовлен так, что он будет иметь нулевые или малые аберрации для одной пары сопряженных точек. При этом для других сопряженных точек возникают аберрации. Чтобы избежать аберраций в некоторой протяженной области поля зрения или зрачка, в систему вводят дополнительные элементы. Параметры дополнительных элементов позволяют конструктору уменьшить аберрации системы в целом. В этом смысле задача разработчика состоит в том, чтобы определить, какие элементы и в какое место системы их нужно вставить, чтобы они действительно позволили устранить аберрации.

Голографические оптические элементы с успехом используются как внеосевые криволинейные зеркала или сдвинутые децентрированные линзы. Иными словами, они вносят в систему относительно большие абберрации, как правило астигматизм и кому. Кроме того, применение ГОЭ вызывает большую дисперсию, что приводит к необходимости использовать монохроматический свет или применять другие решительные меры (другие ГОЭ), чтобы получать изображения хорошего качества. Решить эту проблему можно также путем изготовления систем с необычными геометрическими конфигурациями и особыми спектральными характеристиками. В наших исследованиях большой уровень аберраций и значительная дисперсия играли отрицательную роль, но в других случаях, разумеется, они могут представлять интерес, например в спектроскопических исследованиях.

Особое свойство ГОЭ, которое не имеет аналога с обычными оптическими элементами, — это возможность их использования в

оптических системах формирования пучков света. Однако любые голографические элементы, предназначенные для этой цели, имеют очень высокую стоимость. Эти элементы обеспечивают дополнительные возможности для управления аберрациями, причем не требуется вводить дополнительных элементов в такие системы.

10.8.4.2. Некоторые полезные характеристики

Укажем теперь на некоторые применения ГОЭ в тех случаях, когда они действительно необходимы. Другие применения, обсуждаемые в данной главе, касаются выполнения произвольных очень точных преобразований волновых фронтов (§ 10.5), изготовления высокодисперсионных решеток с малым рассеянием (§ 10.9) и мультиплицирования изображений (§ 10.11). Теме данного параграфа более соответствуют такие применения ГОЭ, как создание необычных оптических схем (голографическое устройство воспроизведения информации, устанавливаемое на шлеме оператора), изготовление большого оптического элемента с малым весом (голографические приборы ночного видения), создание элементов высокой прозрачности и одновременно высокой отражательной способности в узком диапазоне длин волн (голографический экран для проектора, устанавливаемого на шлеме оператора), осуществление дополнительных оптических функций без введения новьь. поверхностей (формирование пучков). Эти примеры мы обсудим в разд. 10.8.6.

10.8.4.3. Предварительное проектирование

Конструирование оптических систем чем-то похоже на искусство, поскольку разработчик должен хотя бы приблизительно знать, с чего надо начинать решение задачи. В случае обычной оптики из опыта мы имеем набор исходных положений, которые можно назвать «конструкторскими схемами». Кроме того, по крайней мере для систем с круговой симметрией мы имеем достаточно хорошо разработанную теорию аберраций и можем определить, к каким эффектам приводит перемещение апертурной диафрагмы.

В случае голографических оптических элементов дело обстоит не столь просто. Во-первых, система оказывается более сложной в силу отсутствия симметрии и наличия многочисленных параметров, например в случае элементов в устройствах формирования пучков. Во-вторых, в первую очередь должна учитываться оптическая эффективность, поскольку во многих случаях ею определяются и другие характеристики устройства. -третьих, мы не накопили еще большого опыта, которым можно было бы руководствоваться при конструировании.

Отметив трудности, укажем теперь на теоретические предпосылки, которые помогут установить некоторые правила конструирования. Во-первых, это теория аберраций отдельных элементов, например разработанная Шампанем 12]. Поскольку, по всей вероятности, система будет иметь лишь один ГОЭ, эта теория является весьма полезной. Основной недостаток большинства теорий аберраций голограмм заключается в рассмотрении только точечных источников для формирования пучков и плоских подложек. Во-вторых, значительную помощь оказывает простой путь получения некоторых результатов в приближении первого порядка или условий параксиальности. Одним из примеров этого служит теория геометрической оптики, рассмотренная Арсено [1]. Другим примером является аналогия с тонкими линзами, которую заметил Свитт [11]. и которая позволяет строить лучи в системе ГОЭ без детального рассмотрения образования пучков. Наконец, имеется ряд общих теоретических результатов, которые позволяют выбрать геометрию ГОЭ. Хорошие примеры имеются в работе, опубликованной Смитом и Уилфордом [9, 12].

10.8.4.4. Построение, хода лучей

Конструирование оптических систем с ГОЭ теперь не обходится без вычисления с помощью ЭВМ. Это позволяет быстро получать количественные значения параметров. Такой расчет необходим также на заключительном этапе конструирования, когда решаются задачи оптимизации и расчета допустимых отклонений параметров.

Геометрия оптических систем с ГОЭ такова, что в них целесообразно рассматривать все лучи как косые. Этот подход необходим также для наклонных и децентрированных элементов, которые часто используются в системах с ГОЭ. Основные сведения по построению хода лучей для таких элементов замечательно изложили Спенсер и Мерти в своей работе [10]. Единственная трудность, которая встречается при построении хода лучей в системе с ГОЭ, состоит в вычислении лучей для произвольных точек голографического элемента, когда для образования записывающих лучей используются оптические элементы. В этом случае приходится применять итерации, поскольку невозможно узнать, каким образом следует направить луч, чтобы он попал в желаемую точку на голографическом элементе. Если овладеть соответствующими навыками, то процедура становится совершенно простой. По-видимому, единственной еще возможностью при построении хода лучей является автоматическая оптимизация параметров записывающих лучей ГОЭ в соответствии с критериями, определяемыми характеристиками всей системы.

10.8.5. Изготовление голографических элементов

Процесс изготовления ГОЭ состоит из подготовки установки для экспонирования и собственно записи голограммы на соответствующем регистрирующем материале. Установка для экспонирования обеспечивает необходимую геометрию записи с допустимыми отклонениями. Необходимо следить, чтобы во время экспозиции соблюдалась также интерферометрическая стабильность. Если при изготовлении ГОЭ для образования записывающих лучей используются оптические элементы, то последние должны быть установлены соответствующим образом и отъюстированы. После того как установлена аппаратура, подготовлены подложки и регистрирующий материал, проведено экспонирование и выполнена соответствующая обработка материала, можно считать, что ГОЭ готов. Достижение высокого качества ГОЭ требует чистоты и однородности обработки, что является правилом для большинства оптических производств.

Решающим моментом в производстве ГОЭ является регистрирующий материал. Для наших целей мы нашли только два подходящих материала: бихромированную желатину для объемных фазовых голограмм и обычный фоторезист для поверхностных рельефных голограмм. Хотя мы столкнулись с некоторыми трудностями, связанными с управлением процессом обработки, нам удалось получить хорошие реультаты с этими материалами. Поскольку регистрирующие среды рассматриваются в § 8.3, мы их здесь не будем рассматривать.

Оптические системы с ГОЭ имеют сложную геометрию, поэтому их исследование представляет непростую задачу. Это связано с большими аберрациями ГОЭ, которые компенсируются аберрациями других систем. Следовательно, мы получаем элемент, который сам по себе имеет низкое качество, и единственная возможность испытать его заключается в том, чтобы собрать и настроить всю систему. Необходимо, чтобы отдельный элемент компенсировал аберрации ГОЭ хотя бы в одной точке поля зрения. По-видимому, хорошие перспективы для этого имеют голограммы, синтезированные на ЭВМ, которые довольно легко получить с помощью той же самой программы, которая используется для построения хода лучей и позволяет получить оптимальную конструкцию ГОЭ.

10.8.6. Примеры

В этом разделе обсудим кратко четыре примера оптических систем с ГОЭ. Разумеется, эти примеры не являются исчерпывающими, но они демонстрируют конкретные преимущества, которые можно получить, применяя ГОЭ.

10.8.6.1. Необычная геометрия

Эта оптическая система представляет собой устройство, установленное на шлеме оператора, которое формирует изображение экрана катодно-лучевой трубки на бесконечности, не заслоняя поле зрения оператора. Отражательный ГОЭ накладывается на защитное стекло шлема, он повторяет его форму и направляет свет от обычной оптической системы со стороны шлема в глаз оператора. В этой системе главный луч отражается под углом 13° при угле падения 47° по одну сторону от нормали к поверхности. Благодаря оптической силе ГОЭ изображение зрачка системы формируется на зрачке глаза и обеспечивает высокую его яркость. Такую систему нельзя осуществить средствами обычной оптики.

10.8.6.2. Большой элемент с малым весом

В этой оптической системе использовались два отражательных ГОЭ и дополнительный обычный оптический элемент, который изображает выходной экран усилителя света на бесконечность. Такая система устанавливается в прибор ночного видения и позволяет наблюдателю видеть усиленное изображение окружающей обстановки. Элементы являются достаточно большими, чтобы обеспечить расширенное поле зрения и чтобы наблюдатель при этом мог работать в обычных очках. Даже при значительных размерах голографические оптические элементы, расположенные на некотором расстоянии от головы наблюдателя, не создают большого момента силы на голову. В этом случае ГОЭ снова формирует изображение зрачка, а обычный оптический элемент, используемый для изготовления ГОЭ, позволяет компенсировать аберрации сложной оптической системы.

10.8.6.3. Отражательная способность в узкой спектральной полосе

В этой оптической системе ГОЭ используется в комбинации с элементами самолетной системы, предназначенной для воспроизведения информации с датчика, установленного на шлеме пилота. В данном случае используется способность ГОЭ отражать свет в узком спектральном диапазоне. Максимальное отражение достигало 80% при ширине полосы около на уровне отражения в 10%. Максимум отражательной способности соответствовал длине волны (сильной зеленой линии излучения люминофора Эта система обеспечивала воспроизведение информации с достаточной яркостью и без заметного отражения света от внешних объектов, не нарушая их цветовые характеристики. Например, хотя ГОЭ отражал зеленый свет, при рассматривании через отражатель индикатора листья выглядели зелеными, а небо было голубым.

10.8.6.4. Дополнительные функции

В одной из оптических систем ГОЭ в виде поверхностной дифракционной решетки был вытравлен на металлическом покрытии вогнутого зеркала. Дифракционная эффективность составляла и решетка обеспечивала образование дополнительного пучка от зеркала. Этот пучок распространялся от зеркала под углом к основному отраженному пучку; оптическая сила ГОЭ, добавленная к оптической силе подложки, обеспечивала фокусировку такого пучка в соответствующей точке. При коррекции аберраций, связанных с различием в длинах волн при записи и использовании решетки, а также с отклонением дифрагированного пучка, дополнительный пучок ничем не отличался от основного. Чтобы образовать такой пучок средствами обычной оптики, потребовалась бы значительно более сложная система; применение же ГОЭ не потребовало никаких дополнительных приспособлений.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление