Дифракционные оптические элементы

[Дрюша]

Тут, вот, в теме "Самостоятельное изготовление корректора хроматической аберрации (Хромакора)" - очередной раз всплыла тема ДОЭ (дифракционных оптических элементов). Прошлый раз, помнится, она муссировалась в связи с обещанной так называемой "революцией" в АПО от Валерия Дерюжина. Злые языки также говорят, что означенные ДОЭ - вовсю используются в фотографической оптике то ли от Никона, то ли от Кэнона...

Оговорюсь сразу. Я абсолютно не собираюсь самостоятельно изготавливать эти ДОЭ на коленке, там, или на кухне. Чисто для самообразования. Ну, и для вящей покупательской грамотности: вот, если увижу в рекрамном проспекте, что такая-то оптическая приблуда, будь она фото- или астро-, содержит в себе ДОЭ, и тем самым обеспечивает супер-пупер-мега-характеристики, то насколько этому можно верить? Стоит ли отдавать свои кровные за такие, вот, даже весьма брендовые "нанотехнологии", которые сулят всякие прорывы и революции...?

Как вообще устроены эти ДОЭ? Я понимаю, - дифракционная решётка, состоящая из прозрачных (либо отражающих) и поглощающих (или не отражающих) полос... Но тут, ежу понятно, что половина энергии света - сразу теряется. Ещё я допускаю, что можно нанести ступенчатый профиль...Тогда половину световой энергии - терять даже не обязательно. Но смущает - другое.

Вот, скажем, классическая дифракционная решётка, - она отклоняет свет не на один какой-то определённый угол, а имеет место быть сразу много углов, которые соответствуют разным периодам. Надо полагать, и ступенчатая ДОЭ-линза или зеркало - будет с каждого участка своей поверхности направлять падающий свет - не в одном направлении, в во множестве оных, соответствующим разным периодам. Возможно, конечно, эти вторичные, третичные и все остальные  направления будут расположены так, что направленный по ним свет - не попадёт в глаз или иной светоприёмник, а будет отсечён диафрагмами. Я точно не знаю, как это конкретно реализуется, но, допустим, - поверю (чисто условно, хотя верится - с трудом). Но по-любому, туда уйдёт - значительная часть энергии падающего света. Дай бог, если хотя бы только половина света была бы направлена по основному направлению. Ну не, ну, для фотографического применения - я допускаю, если пропадёт половина или даже 2/3 энергии падающего света, но для астрономии, - там каждый фотон дорог.

Другой проблемой мне видится - точность. Вот, для традиционной оптики есть критерий Релея, по которому допускается отклонение в 1/4 длины волны по фронту. Хотя, конечно, 1/8 было бы лучше, а 1/16 - ещё лучше... Ну, дифракционный кружок, вроде бы, должен быть виден во всех случаях, но распределение между энергией, попавшей в этот кружок Эйри и в окружающие его дифракционные кольца, - зависит от любых отклонений, и 1/8, и 1/10 лямбды. Тут можно вспомнить про Штреля... Но это всё - для традиционной оптики. А для ДОЭ, там в пределах каждой полоски - заложено отклонение на пол-лямбды по фронту. В таких пределах световая волна будет "обрабатываться" разными частями даже одной полоски ДОЭ. Не приведёт ли это к тому, что любой, даже самый наиидеальнейший ДОЭ будет работать не лучше, чем обычный оптический элемент с точностью 1/2 лямбды? Опять же, для фотографии это можнт быть за глаза, а, вот, для астрономии - смерти подобно?

[Yuri P.]

Другой проблемой мне видится - точность.

- там есть еще одно небольшая проблема - изменчивость температуры...

[Дрюша]

Ну, да, и фазы Луны, и настроения с утра у Терезы Мэй...
Ну, а первые-то две проблемы, - они стоЯт, или каким-то хитроумным способом - успешно решены?

[Serj]

Это абстракция, типа варп-драйва или сферического коня в вакууме.

[Piter_Korn]

В канцелярских магазинах продают "увеличительную линзу" в виде пластиковой пластинки (Френеля) толщиной ~ 0,3 - 0,5 мм . размером (на глаз) 150х75 мм. Действительно увеличивает! но, хроматизм - запредельный.

[ekvi]

Дрюша, почитайте Коронкевича, Сойфера, Полещука. У Гана есть работа по расчёту ДОЭ.
ДОЭ получают посредством  прецизионной, буквально - нано - технологии, в термостатированном и виброизолированном, идеально чистом помещении.

Суть бинарного ДОЭ в том, что он вырезает из пучка света только "значимые" узкие участки, которые в данную фокальную точку приходят в фазе максимума, а минимальную фазу ДОЭ перекрывает, т.е. работает как фазовая решётка. Для бинарных структур половина (как минимум! - см."скважность") зрачка перекрыта. Для профилированного ДОЭ (типа линз Френеля) хроматизм остаётся проблемой, хотя спецы уверяют, что его можно устранить с помощью линз - нечто, вроде хромакора (см. упомянутую тему).

Если бы всё это было решено, традиционная оптика была бы давно забыта. Но, как видим, она живёт и благоухает...
Полищук правильно сделал практический акцент для этой технологии на контроле крупных телескопов.

О влиянии температуры, влажности и т.п. факторов на коррекционные свойства ДОЭ - думаю, на том же уровне, что и на обычную оптику.

[Алексей Юдин]

. Для профилированного ДОЭ (типа линз Френеля) хроматизм остаётся проблемой, хотя спецы уверяют, что его можно устранить с помощью линз - нечто, вроде хромакора (см. упомянутую тему).

Он не то что не проблема - он благо, поскольку дифракция противоположна дисперсии. Объективы в магазинах лежат, лёгкие и компактные.

[ekvi]

Объективы в магазинах лежат

Алексей, назовите какую-нибудь марку - посмотреть, какие характеристики удаётся получать на гибридной оптике?

[Дрюша]

Ну, с одним вопросом я - разобрался. Оказывается, бывают не просто бинарные, а профилированные ДОЭ. Это снимает только один вопрос. Другой (насчёт множества альтернативных направлений) - есть какие-то намётки, как его решить, но всё равно не совсем всё ясно.

Но вырисовывается - третий вопрос. Дело в том, что у естественного (не лазерного) света - есть своя "длина когерентности". Это, грубо говоря, на какой разности хода (в длинах волн, микронах, миллиметрах или метрах) свет ещё может интерферировать сам с собой. Ну, так вот, если разность хода по разным зонам превысит эту величину... То сами понимаете, что будет. И это уже - ничем не лечится.

[ekvi]

на какой разности хода

Как утверждают знатоки, длина фотона порядка 3 м - т.е. его "голова" может сочетаться с его же "хвостом" при разности в 3 м.
Тогда плоским ДОЭ-объектив Ф 10 м может быть более, чем 1 : 1:  у осевого луча ход = 5 м, у краевого ход = sqrt(5^2 + 5^2) = 7.06 м, т.е. только на 2 м длиннее - 1 м в запасе.

[Star Hunter]

Объективы в магазинах лежат

Алексей, назовите какую-нибудь марку - посмотреть, какие характеристики удаётся получать на гибридной оптике?

Объективы Canon с маркировкой DO
http://www.canon-asia.com/cplus/en/do-lens-elements/

[Дрюша]

на какой разности хода

Как утверждают знатоки, длина фотона порядка 3 м - т.е. его "голова" может сочетаться с его же "хвостом" при разности в 3 м.

Это характеристика лучших (а может, - уже и средних) газовых лазеров постоянного действия. А я - про естественный свет. А бывают, кстати, - и фемтосекундные лазеры, у которых "длина" фотона - буквально один гребень волны.

[Алексей Юдин]

Но вырисовывается - третий вопрос. Дело в том, что у естественного (не лазерного) света - есть своя "длина когерентности". Это, грубо говоря, на какой разности хода (в длинах волн, микронах, миллиметрах или метрах) свет ещё может интерферировать сам с собой. Ну, так вот, если разность хода по разным зонам превысит эту величину... То сами понимаете, что будет. И это уже - ничем не лечится.

Интерферировать он может на любой разности хода, вопрос исключительно в том, чтобы разделить при этом полосы от разных длин волн. Временная когерентность это не следствие какого-то "благородного, лазерного происхождения" - свет у лазера самый обычный, фотонный. Просто он монохромен и мощен. Стоит выделить ту же полосу из теплового излучения - будет та же временная когерентность, вопрос лишь в том чтобы сигнал накопить. Тут матрица и помогает, ей наложение полос безразлично, ведь интересует нас лишь ЧКХ.

[Дрюша]

Но почему-то, вот, оконное стекло на своей толщине - не даёт интерфененционных полос...

[Gleb1964]

Длина когерентности для тепловых источников света ограничена длиной цугов волн, которые еще способны излучать атомы. Сколько не фильтруй тепловое излучение, нельзя отфильтровать полосу уже, чем она определена длиной цугов. За пределами длины когерентности фаза излучения может измениться как угодно и интерференции наблюдаться не будет. Для тепловых источников время когерентности не превосходит \( 10^{-8} s \), чему соответствует длина когерентности, которую свет преодолевает за это время \( 10^{-8} s \cdot 3 \cdot 10^{8} m/s = 3m  \), примерно такого порядка.
Лазерное излучение состоит из таких же цугов, но они наложены друг на друга в единой фазе, образуя "единый" цуг. Поэтому для лазерного излучения возможны длины когерентности, исчисляемые в сотнях метров и даже километрами. Сивухин, Оптика:


Все это, правда, не является ограничением в использовании дифракционных оптических элементов, ведь никто не обязывает делать дифракционный элемент именно на плоской поверхности, его можно нанести на сферическую и даже на асферическую поверхность.
Оптическая сила ДОИ состоит из двух компонентов: оптической силы, задаваемой разницей кривизн оптических поверхностей совместно с показателем преломления линзы и плюс к тому, оптической силой, определяемым уравнением дифракции на дифракционной структуре элемента.
Возможен расчет термокомпенсированных ДОИ, у которых обеспечивается баланс за счет противоположного изменения оптической силы элемента, определяемой изменением показателя преломления и геометрии дифракции. Подробнее, с формулами, есть здесь https://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-47/issue-12/features/optics-hybrid-optical-components-deliver-benefits-for-system-design.html.
К недостаткам дифракционных элементов относят их высокую стоимость. Для одиночного производства используют технологию алмазного точения, что дорого. Для серийного производства используют формирование слоя пластика на подложке основного материала линзы, но пластик менее стойкий материал. Еще один недостаток заключается в том, что эффективность дифракции зависит от длины волны, ее невозможно обеспечить одинаково высокой в очень широком диапазоне спектра.

Пример гибридной асферики от Edmund Optics, где они устраняют хроматическую аберрацию для широкой полосы спектра, дифракционный элемент сформирован на первой асферической поверхности, светосильный однолинзовый компонент работает на дифракционном пределе почти на всем участке спектра 500-700нм:



Последний график эффективности дифракции, он отражает потери на вторичные максимумы.

На reseach gate есть публикация https://www.researchgate.net/figure/a-The-hybrid-aspherical-diffractive-lens-design-S1-planar-surface-S2-aspherical_fig1_231065577 поясняющими иллюстрациями, как выглядит поверхность дифракционного элемента.

[Gleb1964]

Примеры использования дифракционных оптических элементов от Canon http://www.canon-asia.com/cplus/en/do-lens-elements/ (кстати, та же самая ссылка, что Алексей дал)

Иллюстрация принципа построения ахроматического объектива на компенсации хроматической аберрации обычной линзы противоположной хроматической аберрацией ДОИ компонента:

назовите какую-нибудь марку - посмотреть, какие характеристики удаётся получать на гибридной оптике?

ДОИ объективы от Canon:

http://www.canon-asia.com/cplus/en/product/ef70300f4556do http://www.canon-asia.com/cplus/en/product/ef400f4do http://www.canon-asia.com/cplus/en/product/ef400f4dois2usm

[библиограф]

  Есть и побольше, для будущего космического телескопа.
https://str.llnl.gov/str/March03/Hyde.html

[alexann]

Примеры использования дифракционных оптических элементов от Canon http://www.canon-asia.com/cplus/en/do-lens-elements/ (кстати, та же самая ссылка, что Алексей дал)

Иллюстрация принципа построения ахроматического объектива на компенсации хроматической аберрации обычной линзы противоположной хроматической аберрацией ДОИ компонента:

http://www.canon-asia.com/cplus/en/product/ef70300f4556do http://www.canon-asia.com/cplus/en/product/ef400f4do http://www.canon-asia.com/cplus/en/product/ef400f4dois2usm

Скорее всего Canon использовали такие элементы для сокращения габаритов и массы объектива. Толстая линза могла просто не вписаться в схему.

[Алексей Юдин]

Ещё от термоаберраций можно таким образом побегать. В светосильных АПО-телевиках это существенная проблема. Я несколько лет назад рассчитал линзовый 170/200 среднеформатник, идеологически близкий к Canon 200/2L и похожему длиннофокусному объективу Акермана, мороз, увы, противопоказан...

[ekvi]

http://www.canon-asia.com/cplus/en/do-lens-elements/

та же самая ссылка, что Алексей дал

Спасибо!!

дифракция противоположна дисперсии

- принципиальное замечание!
Теперь дело за немногим: освоить расчёт гибридной оптики, поскольку её изготовление - это только совмещение двух отлаженных производств.
Остаётся распространить это производство на астро-оптику - и любители получат вожделенные приборы дифракционного качества - лёгкие, светосильные, широкопольные.