книги из ГПНТБ / Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. Оптические свойства и методы исследования

26. ДИХРОИЧЕСКИЕ ЗЕРКАЛА ДЛЯ КАМЕР ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Развитие цветного телевидения требует создания соответствую­ щих цветоделительных узлов для передачи цветного изображения. Известно, что все многообразие существующих в природе красок можно получить смешением трех основных цветов: красного, синего и зеленого. Цветное изображение предварительно должно быть раз­ ложено на три основных цвета, после чего и осуществляется дальнейщая передача. Работы последних лет показали, что наиболее успеш­ ное решение последовательного разложения изображения на три основных цвета осуществляется с помощью интерференционных ди­ хроических зеркал. Последние обладают рядом преимуществ по сравнению с металлическими зеркалами и различными селективно

по трем каналам, оснащенным соответствующими оптическими си­ стемами и приемными устройствами. Конструкции этих систем, электронные схемы и другие аналогичные вопросы не будут нами рассматриваться.

Характер спектрального отражения дихроических зеркал, полу­ ченных с помощью 9—11-слойных покрытий из чередующихся слоев высокого и низкого показателей преломления, оптической толщиной

я

-j-, показан на рис. I I 1.2. Изменяя оптическую толщину слоев, можно смещать максимум отражения в любую область спектра и получать зеркала, отражающие до 90—95%. В проходящем свете они имеют дополнительную окраску и пропускают до 90% и более излучения на других участках спектра. Недостатки спектрального разделения светового потока из-за наличия высоких побочных максимумов, достигающих у 11-слойных покрытий 40%, можно исправить, непаль­

ці

зовав неравнотолщинные покрытия и добавочные слои по -g-. В п. 12 даны соответствующие рекомендации.

Для правильной передачи цветов дихроические зеркала должны удовлетворять заданным значениям координат цветности х [70, 71]

стикам зеркал С и К- Так, например, расчетные кривые /, 4, 6 (рис. VI.2) удовлетворяют условиям правильной передачи цветных изображений. Свет отражается от поверхности зеркал под определен­ ным углом падения (рис. V I . 1), например 45°. Известно (гл. IV), что при отражении света под углом к поверхности с интерференци­ онным покрытием кривая, характеризующая спектральное отраже­ ние при падении света по нормали, смещается в направлении корот­ коволновой области. Это смещение необходимо учесть при изготов­

Кривыми 2 и 7 (рис. VI.2) показаны характеристики изготовлен­ ных дихроических зеркал, достаточно близко совпадающие с задан­ ными / и 6 для отражения света под углом 45°. Чтобы получить низ­ кие побочные максимумы,, покрытие на зеркале 7, отражающем крас­ ную часть спектра, состоит из слоев неравной оптической толщины. Оптическая толщина слоев с высоким показателем преломления (2,20) в два раза больше, чем с низким (1,45):

отражение которого близко к показанному кривой 2. Однако побоч­ ные максимумы снижены недостаточно и составляют около 20%.

теризуют покрытия, отражающие свет по нормали (0°), которые при угле 45° будут соответствовать кривым 2 и 7. Оптические толщины слоев рассчитаны на угол падения 45°. Спектральное отражение света но нормали удобно использовать для контроля положения экстре­ мумов, поскольку в первом приближении кривые спектрального пропускания являются дополнительными к кривым отражения. При­ мерная количественная оценка спектрального отражения по данным спектрального пропускания возможна, если ввести поправку на отра­ жение от второй поверхности подложки.

Вводимая поправка на отражение от второй поверхности тем меньше, чем выше коэффициент отражения. При использовании зеркал в цветоделительной схеме рекомендуется нанести на обратную сторону подложки ахроматические просветляющие покрытия, сни­ жающие отражение с 4% до 0,5 —0,7% во всей видимой области (гл. II) .

Описанные характеристики многослойных дихроических зеркал полностью не удовлетворяют заданным. Чтобы получить более пол­ ное совпадение с заданными, приходится вводить дополнительные фильтры. Обычно это цветное стекло, которое усиливает крутизну кривой, убирает фон и т. д. Введение в схему фильтров из цветного стекла приводит к большим потерям света, даже в лучшем случае составляющим половину общего светового потока. В настоящее время имеется тенденция использовать в качестве корригирующих фильтров также интерференционные покрытия, не вносящие потерь на поглощение и улучшающие чистоту разделения цветов. К зеркалу К (рис. V I . 1) добавляется аналогичное, но более многослойное, которое усиливает крутизну и почти уничтожает побочные максимумы. Дей­ ствительно, если у основного зеркала и корригирующего они будут порядка 10—12%, то у двух зеркал в паре фон от побочных макси­ мумов составит не более 1—4%.

Интерференционный корригирующий фильтр (кривая 5, рис. VI.2) можно внести также и в зеленый канал. Такое покрытие представляет собою 13-слойную систему, где слои расположены по следующей

низкого показателя преломления; к — длина волны максимума про­ пускания; Sx и 5 2 — подложка и окружающая среда (воздух). Такой фильтр значительно улучшает чистоту цвета. Свет падает по нормали на поверхность фильтра. Характеристики фильтра (кри­ вая 5, рис. VI.2) следующие. Показатели преломления слоев пв =

Помимо указанных, существенным осложнением при использова­ нии дихроических зеркал является поляризация отраженного (и проходящего) света, падающего под углом к поверхности, что также

зеркал уменьшены и не превышают 20°. Смещение при угле

духе. Система свободна от аберраций; воздушные прослойки слишком тонки (~0,1 мм), чтобы вносить ошибки.

В приведенной на рис. VI.4 схеме требование равных углов паде­ ния света на каждое из зеркал не выполняется. Угол падения света на красное зеркало снижен до 13°, что примерно эквивалентно углу падения света в воздухе, равному 20°. Угол падения света на синее зеркало равен 25°, что эквивалентно углу падения в воздухе 41° (рис. VI.5). Обратная сторона многослойного покрытия синего зеркала граничит со слоем воздуха.

27. ПОКРЫТИЯ НА ПЛАСТИНАХ ИНТЕРФЕРОМЕТРА ФАБРИ—ПЕРО

Исключительно большое значение имеет применение непоглощающих слоев диэлектриков в качестве высокоотражающих покры­ тий на пластинах интерферометров Фабри—Перо. Если ранее, при использовании частично прозрачных слоев металлов (серебро, алю­ миний) исследования ограничивались интенсивными линиями, то в результате применения непоглощающих слоев появилась возмож­ ность работать с малыми световыми потоками, что значительно расши­ рило область интерферометрических исследований (например, сла­ бых спутников и т. п.). Светосила интерферометра Фабри—Перо резко возросла по сравнению с другими спектральными приборами.

Последнее время, в связи с исследованиями в области физики лазе­ ров, значительное развитие получили интерферометры Фабри—Перо н интерферометры со сферическими зеркалами.

Интерферометр Фабри—Перо интересен еще и потому, что яв­ ляется основой создания обычных, наиболее распространенных типов интерференционных светофильтров. Ниже приведены основные зако­ номерности, характеризующие интерферометр Фабри—Перо, которые в дальнейшем будут использованы при описании светофильтров.

Основные соотношения теории интерферометра Фабри—Перо наиболее просто и наглядно "можно.получить из рассмотрения интер­

где Х0 и К — длина волны света в пустоте и в пластине с показателем преломления п; ц> — угол, составляемый лучом света с нормалью внутри пластины; / — толщина пластины (рис. VI.6). Суммирование большого числа N интерферирующих пучков дает в пределе суммар­ ную амплитуду прошедшей^световой волны

где ЕЕ — амплитуда волны падающей, которую можно принять равной единице. Интенсивность прошедшего излучения получается умноже­ нием Ет на сопряженную величину Ет, что дает известную формулу Эри

Аналогично определяется интенсивность I R отраженного света с учетом того, что уже первая отраженная волна имеет дополнитель­ ный сдвиг фазы. Тогда

При отсутствии поглощения, характерного для тонких слоев диэлектриков, R - f Т = 1 и интерференционные картины в проходя­ щем и отраженном свете будут дополнительными. Это не имеет места

где т — порядок интерференции (т = 1, 2, 3,. . .); и тогда А = т2л.

Ослабление интенсивности интерферирующих лучей происходит, если разность хода равна целому числу полуволн:

21 cos ф = т -у-; А = тл.

Тогда

Контрастность интерференционных полос, определяемая отношением •^шах и ^min» П Р И отсутствии поглощения зависит только от коэффи­ циента отражения:

Формула (VI.6) дает распределение интенсивности в полосе пропуска­ ния интерферометра для разных значений коэффициента отражения.

метра, эта возможность ограничивается несовершенством поверх­ ностей. Неточность изготовления последних снижает разрешающую силу и интенсивность пропускания в максимуме. Если ошибки по­ верхности А1 выразить в долях длины волны используемого излуче­ ния Я, то рациональное значение коэффициента отражения зеркаль­ ных покрытий интерферометра определяется величиной [44, 46]

Так, например, при высокой точности изготовления поверхности пластин А/ — уже не имеет смысла иметь коэффициент отраже­ ния выше 92—95%. Использова­ ние покрытий для пластин интер­ ферометра Фабри—Перо с коэф­ фициентом отражения около 99% требует изготовления поверхности с ошибкой не более 0,5 нм (50 А)

для видимой и порядка 0,25 нм (25 А) для ультрафиолетовой обк­ ласти спектра.

При использовании многослой­ ных покрытий в интерферометре Фабри—Перо необходимо учесть свойство интерференционных зер­ кал избирательно повышать отра­ жение. При большом числе слоев высокие значения коэффициентов отражения можно получить в

сравнительно узком спектральном интервале порядка нескольких десятков нанометров. По обе стороны от максимума отражение быстро падает до нескольких процентов. Чтобы охватить широкий спек­ тральный интервал, приходится пользоваться сменными зеркалами, рассчитанными на разные участки спектра. С этой точки зрения боль­ шой интерес представляют многослойные ахроматические покрытия, описанные в п. 13, к сожалению, еще не получившие широкого прак­ тического применения.

Высокая точность поверхности пластин интерферометра Фабри— Перо требует нанесения очень равномерных по толщине покрытий, не снижающих качества исходных. Чтобы удовлетворять этим требо­ ваниям, разработаны специальные технологические приемы. Недо­ статки технологии приводят к искажению поверхности и проявляются в виде «бугра» или «ямы», достигающих 0,1—0,2 интерференционной полосы и больше. Причинами появления искажений могут быть недо­ статочно равномерное нанесение покрытия, а также появление на­ пряжений в пленках. Последнее может быть результатом разницы коэффициентов расширения пленок и подложки, различное уплот­ нение чередующихся слоев при термообработке впроцессе стабилиза-