Инфракрасная оптика – оригинальный проект инженеров из США / King Servers corporate blog / Habr

оригинальный проект инженеров из США / King Servers corporate blog / Habr

Группа разработчиков из США предложила заменить оптоволокно в ЦОД приемопередатчиками инфракрасного излучения. По их словам, для этого не нужны слишком дорогие элементы, а пространства в дата-центре такие системы будут занимать немного. В современных дата-центрах используется все больше проводов, которые объединяют как отдельные серверы, так и целые сетевые системы. Громадье проводов часто доставляет неудобства, хотя некоторые операторы ЦОД справляются с этой проблемой очень даже неплохо.

Так вот, группа инженеров из США, многие из которых работают в Пенсильванском университете (США) создали систему из передатчиков и приемников ИК-волн специально для дата-центров. В принципе, это уже не первая попытка избавиться в ЦОД от проводов, но прежние проекты развития не получали в силу ряда проблем. Одна из основных — расфокусировка при увелиичении расстояния между приемником и передатчиком. ЦОД-ы сейчас довольно большие, так что решить эту проблему было непросто. Но у команды текущего проекта это получилось.

О результатах своей работы представители Пенсильванского университета заявили на конференции Photonics West 2017. Они использовали оптические системы (объективы) с невысокой ценой. Тем не менее, авторы работы научились получать инфракрасные лучи с практически нулевым уровнем интерференции даже при помощи такого оборудования. Пропускная способность «тепловой сети», по словам представителей команды проекта, высока, хотя точные параметры ими не заявлены. Ограничений по количеству соединений нет.

Новинка получила название Free-space optical Inter-Rack nEtwork with high FLexibilitY (Firefly). У нее уникальная архитектура, которая разработана на основе результатов прежних проектов, как ученых из Пенсильванского университета, так и специалистов из Университета Карнеги-Меллона и Нью-Йоркского университета.

Для обеспечения работы Firefly необходимо устанавливать в верхней части серверных стоек специальные модули: инфракрасные лазеры и приемники. Конфигурацию модулей можно быстро изменять, а также нацеливать на любую из стоек ЦОД. Приемник, получая инфракрасный сигнал, направляет его уже в волоконно-оптический кабель. И уже по кабелю данные направляются в нужный сервер или сетевое устройство. По словам разработчиков, Firefly почти не требует сервисного обслуживания и способна работать в автоматическом режиме длительное время.

Позиционируются приемники и излучатели при помощи миниатюрных сервоприводов. Также при необходимости можно изменять направление зеркал микроэлектромеханических систем. Диаметр таких зеркал составляет всего 2 мм. Потребляемая мощность микроэлектромеханической системы — менее 1 мВт.

Система, о которой идет речь, вовсе не является кустарной, она может работать внутри ЦОД с десятками и даже сотнями тысяч серверов. Чем больше серверов в дата-центре, тем больше требуется кабелей. Особенности инфраструктуры ЦОД приводят к появлению «узких мест» со сниженной пропускной способностью. Если же использовать инфракрасную систему передачи данных, проблемы подобного рода не возникают. Во всяком случае, так утверждают разработчики.

Что касается испытаний в «поле», то Firefly еще не тестировалась в работе с большим количеством серверов. Пока есть лишь прототип системы небольшого масштаба, который работает без всяких проблем. В рамках этой системы инженеры продемонстрировали передачу двунаправленного потока данных со скоростью в 10 Гбит/с. Уровень ошибок невысокий и не превышает норму. Что касается длины волны лазера, она составляет 1550 нанометров — именно такая длина волны излучения в большинстве оптоволоконных систем.

habr.com

Просветление оптики — Википедия

Просветле́ние о́птики — это нанесение на поверхность линз, граничащих с воздухом, тончайшей плёнки или нескольких слоёв плёнок один поверх другого. Это позволяет увеличить светопропускание оптической системы и повысить контрастность изображения за счёт подавления бликов. Величи́ны показателей преломления чередуются по величине и подбираются таким образом, чтобы за счёт интерференции уменьшить (или совсем устранить) нежелательное отражение.

Объективы с многослойным просветлением, покрытие линз имеет характерный внешний вид

Просветлённые объективы обычно требуют бережного обращения, так как тончайшие плёнки просветления на линзах легко повредить. Плёнки загрязнения на поверхности просветляющего покрытия (жир, масло), нарушают условия его работы и снижают его эффективность, увеличивая отражение и рассеяние света. Кроме того, загрязнения (в том числе и отпечатки пальцев) со временем могут привести к эрозии просветляющего покрытия. Современные просветляющие покрытия обычно имеют защитный наружный слой, что делает их более стойкими к воздействию окружающей среды.

Просветляющие покрытия отличаются:

  • по числу слоёв;
  • методами нанесения: травлением, осаждением из раствора, напылением в вакуумных установках…;
  • составу: обычно это соли и оксиды разных химических элементов.

Исторически первым был метод травления, при котором на поверхности стекла образовывалась плёнка из кремнезёма.

Эффект «просветления» оптики в результате естественного старения стекла был обнаружен случайно и независимо друг от друга фотографами в разных странах уже в начале XX века. Было замечено, что объективы, находящиеся в эксплуатации несколько лет давали более четкое и контрастное изображение по сравнению с совершенно новыми аналогичных моделей. Теоретическое объяснение этому факту было найдено несколько позже — в начале 1920-х годов, опять таки, независимо друг от друга советскими, немецкими и американскими оптиками. Было установлено, что оптическое стекло некоторых сортов при контакте с влажным воздухом склонно к образованию на поверхности тонкой плёнки окислов металлов, соли которых легируют стекло. Явление «просветления» было объяснено интерференцией света в тонких плёнках. Достаточно быстро началось внедрение данного эффекта в производство линз. Первые технологии просветления фактически воспроизводили процесс естественного старения поверхности стекла путём травления. В Государственном оптическом институте был предложен и другой процесс — окисление продуктами сгорания этилена при избытке кислорода. Просветлённые поверхности таких линз были чрезвычайно устойчивы к износу и действию воды. Для полевых биноклей и очковых линз подобная технология применялась до 1980-х годов. По мере развития технологий вакуумного напыления просветляющую плёнку стали наносить как покрытие (в англоязычных источниках появился термин «Coated Lens»). Сначала это были неорганические материалы, но с 1970-х годов стали применяться органические плёнки на основе высокомолекулярных соединений. Просветляющие покрытия стало возможно наносить в несколько слоев, повышая эффективность просветления не только в одном диапазоне длин волн, но и в широком спектре, что особенно актуально для цветной фотографии/киносъёмки/видео. В СССР объективы с многослойным просветлением имели в обозначении буквы «МС» (например объектив «МС-Гелиос-44М»), в англоязычных источниках встречалась аналогичная аббревиатура «MC» на латинице (Multilayer Coating).

Просветление оптики (или антибликовое покрытие) применяется во многих областях, где свет проходит через оптический элемент и требуется снизить потери интенсивности или устранить отражение. Наиболее распространёнными случаями являются линзы очков и объективы камер.

Корректирующие линзы[править | править код]

Антибликовое покрытие наносится на линзы очков, поскольку отсутствие бликов улучшает внешний вид и снижает нагрузку на глаза. Последнее особенно заметно при вождении автомобиля в тёмное время суток и при работе за компьютером. Кроме того, большее количество света, проходящего через линзу, повышает остроту зрения. Часто антибликовое покрытие линз сочетается с другими видами покрытий, например, защищающих от воды или жира.

Камеры[править | править код]

Просветлёнными линзами снабжаются фото- и видеокамеры. За счёт этого увеличивается светопропускание оптической системы и повышается контраст изображения за счёт подавления бликов, однако в отличие от очков объектив состоит из нескольких линз.

Фотолитография[править | править код]

Антибликовые покрытия часто используются в фотолитографии для улучшения качества изображения за счёт устранения отражений от поверхности подложки. Покрытие может наноситься как под фоторезист, так и поверх него, и позволяет уменьшить стоячие волны, интерференцию в тонких плёнках и зеркальное отражение[1][2].

Интерференция в четвертьволновом противобликовом покрытии

Толщина одиночного просветляющего слоя (например, фторида магния) должна быть равна или кратна 1/4 длины световой волны. В этом случае лучи, отражённые от её наружной поверхности плёнки и от поверхности раздела плёнка-стекло отразятся в противофазе и при равных амплитудах отражения погасятся вследствие интерференции — интенсивность отражения станет равной нулю.

Для наилучшего эффекта (уравнивания амплитуд отражённого света от двух поверхностей) показатель преломления просветляющей плёнки n1{\displaystyle n_{1}} должен быть:

n1=n0⋅ns,{\displaystyle n_{1}={\sqrt {n_{0}\cdot n_{s}}},}
где n0,ns{\displaystyle n_{0},n_{s}} — показатели преломления сред, разделённых просветляющей плёнкой.

Обычно внешняя среда для стекла — воздух по показателем преломления очень близким к 1 и показатель преломления просветляющей плёнки должен быть равен квадратному корню показателя преломления оптического стекла линзы.

Традиционным материалом для просветляющей плёнки является фторид магния, обладающий относительно низким (n=1,38){\displaystyle (n=1_{,}38)} показателем преломления. При просветлении фторидом магния кронового стекла с показателем преломления 1,57 слой фторида магния может снизить коэффициент отражения с примерно 4 % до 2 %. На более преломляющем флинтовом стекле с показателем преломления около 1,9 плёнка фторида магния может уменьшить отражение практически до нуля.

Но отражательная способность стекла, просветлённого таким способом, сильно зависит от длины волны, что является основным недостатком однослойного просветления. Минимум отражательной способности соответствует длине волны λ=4d×n{\displaystyle \lambda =4d\times n}, где d{\displaystyle d} — толщина плёнки, n{\displaystyle n} — её показатель преломления, В первых просветлённых объективах добивались понижения коэффициента отражения для лучей зелёного участка спектра (555 нм — область наибольшей чувствительности человеческого глаза), поэтому блики от стёкла таких объективов имеют пурпурную или голубовато-синюю окраску («голубая оптика»). Соответственно, пропускание света таким объективом максимально для зелёного участка спектра, что приводит к некоторой ошибке в цветопередаче цветных изображений.

В настоящее время однослойное просветление (главное его преимущество — дешевизна) используется в недорогих оптических системах и в лазерной оптике, предназначенной для работы в узком спектральном диапазоне.

Состоит из двух просветляющих слоёв, наружный — с меньшим коэффициентом преломления. Имеет лучшие характеристики, чем однослойное.

Многослойное просветляющее покрытие представляет собой последовательность из не менее чем трёх чередующихся слоёв материалов с различными показателями преломления. Раннее считалось, что для видимой области спектра достаточно 3-4 слоёв. Современные многослойные просветляющие покрытия практически всех изготовителей имеют 6-8 слоёв и характеризуются низкими потерями на отражение во всей видимой области спектра. Основное преимущество многослойного просветления применительно к фотографической и наблюдательной оптике — незначительная зависимость отражательной способности от длины волны в пределах видимого спектра.

Отражения от поверхности линз с многослойным просветлением, вызванные отражением на спектральных границах просветлённой области, имеют различные оттенки зелёного и фиолетового цвета, вплоть до очень слабых серо-зеленоватых у объективов последних годов выпуска. Но это не есть показатель качества просветляющей системы.

Оптика с многослойным просветлением ранее маркировалась буквами МСМногоСлойное, MultiCoating (например, МС Мир-47М 2,5/20) Как правило, аббревиатура «МС» подразумевала трёхслойное просветление. В настоящее время специальное обозначение многослойного просветления встречается редко, так как его использование стало стандартом. Иногда встречаются «фирменные» обозначения особых его разновидностей SMC (Super Multi Coating, Pentax), HMC (Hyper Multi Coating, Hoya), MRC (Multi-Resistant Coating, B+W), SSC (Super Spectra Coating, Canon), SIC (Super Integrated Coating), Nano (Nikon), EBC (Electron Beam Coating, Fujinon/Fujifilm), T* (Zeiss), «мультипросветление» (Leica), «ахроматическое покрытие» (Minolta), и другие.

В состав многослойного просветляющего покрытия, помимо собственно просветляющих слоёв, обычно входят вспомогательные слои — улучшающие сцепление со стеклом, защитные, гидрофобные и др.

Некоторые оптические материалы, используемые в инфракрасном диапазоне, имеют очень большой показатель преломления. Например, у германия показатель преломления близок к 4,1. Такие материалы требуют обязательного просветления.

Добиться уменьшения отражения можно с помощью текстурирования поверхности, то есть создания на ней массива из конусообразных рассеивателей или двумерных канавок размерами порядка половины длины волны. Такой способ был впервые обнаружен при изучении структуры глаза некоторых видов мотыльков. Наружная поверхность роговицы глаза таких мотыльков, играющая роль линзы, покрыта сетью конусообразных пупырышек, называемых роговичными сосками, обычно высотой не больше 300 нм и примерно таким же расстоянием между ними. Поскольку длина волны видимого света больше размера пупырышек, их оптические свойства могут описываться с помощью приближения эффективной среды. Согласно этому приближению, свет распространяется через них так же, как если бы он распространялся через среду с непрерывно меняющейся эффективной диэлектрической проницаемостью. Это в свою очередь приводит к уменьшению коэффициента отражения, что позволяет мотылькам хорошо видеть в темноте, а также оставаться незамеченными для хищников вследствие уменьшения отражательной способности глаз.

Текстурированная поверхность обладает антиотражающими свойствами и в коротковолновом пределе, при длинах волн, много меньших характерного размера текстуры. Это связано с тем, что лучи, первоначально отразившиеся от текстурированной поверхности, имеют шанс всё же проникнуть в среду при последующих переотражениях. При этом текстурирование поверхности создаёт условия, при которых прошедший луч может отклониться от нормали, что ведёт к эффекту запутывания прошедшего света (англ. — light trapping), используемому, например, в солнечных элементах.

В длинноволновом пределе (длины волны больше размера текстуры) для расчёта отражения можно использовать приближение эффективной среды, в коротковолновом пределе (длины волны меньше размера текстуры) для расчёта отражения можно использовать метод трассировки лучей.

В случае, когда длина волны сопоставима с размером текстуры, отражение можно рассчитать только путём численного решения уравнений Максвелла.

Антиотражающие свойства текстурированных покрытий хорошо изучены в литературе для широкого диапазона длин волн[3][4].

  • Яштолд-Говорко В. А. Фотосъёмка и обработка. Съёмка, формулы, термины, рецепты. — 4-е, сокр.. — М.: Искусство, 1977.
  • Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. — 2, доп.и испр.. — М.: Наука, 1973. — 343 с.

ru.wikipedia.org

Инфракрасная оптика — Справочник химика 21

    II. Наилучшие акустические св-ва у особо чистого стекла I. Произ-во прозрачного отекла начинается с предварительной обработки природного сырья, к-рое подвергают дроблению, обогащению и классификации на фракции крупки от 0,1 -4- 0,5 до 10 25 мм. Прозрачное оптическое получают газопламенным наплавлением крупки (0,2 мм) в водороднокислородном пламени, прозрачное особо чистое стекло — плавлением чистейшей синтетической двуокиси кремния, а также высокотемпературным парофазным гидролизом или парофазным окислением тетрахлорида кремния в кислородной низкотемпературной плазме. Для получения прозрачного технического стекла крупку кварца плавят в индукционных электр. печах при т-ре выше 2000 С. Чтобы удалить пузырьки из чрезвычайно вязкого расплава, плавку ведут в разреженной среде при давлении около 1 плавки давление повышают до атмосферного либо до 25—50 ат. Прозрачное оптическое стекло применяют для устройств ультрафиолетовой и инфракрасной оптики (линз, ламп, трубок излучения). [c.561]
    Для инфракрасной оптики применяются искусственные кристаллы йодида-бромида таллия, обладающие большой пропускной способностью инфракрасных лучей. [c.427]

    Инфракрасный оптико-акустический газоанализатор ГИП-ЮМБ представляет собой автоматический, непрерывно действующий прибор для определения микроконцентраций оксида и диоксида углерода в воздухе производственных помещений и в технологических смесях  [c.164]

    Важной областью использования германия является инфракрасная оптика, так как лучи [c.627]

    Из элементарного германия изготавливают линзы для приборов инфракрасной оптики (германий прозрачен для инфракрасных лучей), дозиметры ядерных частиц, анализаторы в рентгеновской спектроскопии. Германий с добавкой индия применяется для низкотемпературных термометров сопротивления, работающих при температуре жидкого гелия [53]. Предложены германийсодержащие магнитные сплавы [54.1 [c.173]

    Ситаллы обладают высокой механической прочностью и термостойкостью, водоустойчивы и газонепроницаемы, характеризуются низким коэффициентом расширения, высокой диэлектрической проницаемостью и низкими диэлектрическими потерями. Они применяются для изготовления трубопроводов, химических реакторов, деталей насосов, фильер для формования синтетических волокон, в качестве футеровки электролизных ванн и материала для инфракрасной оптики, в электротехнической и электронной промышленности. [c.57]

    И. цезия. С51. Растворимые в воде кристаллы применяется для создания инфракрасной оптики, как люминофор для флуоресцирующих экранов. [c.160]

    Тонкие пленки германия, нанесенные на стекло, применялись в качестве сопротивлений в радарных установках еще в сороковых годах и продолжают применяться в радиотехнике и в настоящее время. Металлический германий в виде монокристаллов применяется в качестве линз для приборов инфракрасной оптики, играющей в современной науке и технике очень важную роль. Порошок металлического германия применяется для микрофонных устройств и для металлокерамических изделий. [c.226]

    Интерметаллические соединения галлия находят применение в высокотемпературных выпрямителях и транзисторах. Галлий применяется также в инфракрасной оптике. Хлорид галлия нашел применение в качестве катализатора в органическом синтезе. находит применение в диагностике рака [361]. [c.40]


    Прогресс, достигнутый в последнее время в области автоматики, радиоэлектроники и преобразования различных видов энергии, в большой мере обусловлен применением германия в полупроводниковой технике. Он используется для изготовления полупроводниковых элементов — диодов и триодов (транзисторов), заменяющих собой обычные вакуумные радиолампы и отличающихся от них малыми размерами, устойчивостью к вибрации, долговечностью и меньшим расходом электроэнергии. Эти полупроводниковые элементы изготавливаются десятками и сотнями миллионов штук в год [П. Германиевые выпрямители по сравнению с селеновыми имеют больший коэффициент полезного действия при меньших размерах вследствие этого они находят все большее применение. Есть силовые германиевые выпрямители, пропускающие ток в десятки тысяч ампер. Применяются германиевые датчики эффекта Холла и многие другие полупроводниковые устройства [2. В последнее время большое внимание уделяется устройствам с применением монокристаллических германиевых пленок. Из элементарного германия изготавливают линзы для приборов инфракрасной оптики (германий прозрачен для инфракрасных лучей), дозиметры ядерных частиц, анализаторы в рентгеновской спектроскопии. Германий с добавкой индия применяется для низкотемпературных термометров сопротивления, работающих при температуре жидкого гелия [2]. [c.349]

    Оптические системы в приборах инфракрасной техники состоят из тех же элементов и используются для тех же целей, что и у приборов, предназначенных для видимой области спектра. Отличие заключается только в том, что инфракрасная оптика используется в области невидимого ИК-излучения, собирая и концентрируя его на приемниках лучистой энергии или отражая к направляя излучение от различных источников ИК-области спектра. [c.147]

    С одной стороны, для некоторых отраслей техники, как, например, инфракрасная оптика или лазерная техника, требуются монокристаллы разного рода соединений высокой степени чистоты. С другой стороны, применение зонной плавки к металлам иногда затруднено высокой температурой плавления или большой химической активностью металла. Иногда те или иные примеси не отделяются при зонной плавке металла в силу неблагоприятных коэффициентов распределения. В таких случаях ра- [c.40]

    Сопоставление областей стеклообразовани

www.chem21.info

Оптические материалы инфракрасные — Справочник химика 21


    Интенсивное изучение пространственного строения синтетических полипептидов продолжалось в течение 1950-х и первой половины 1960-х годов. Были привлечены практически все известные физические и физикохимические методы, позволяющие получать информацию о строении молекул в твердом состоянии и в растворах. Наибольшее количество данных было получено с помощью рентгеноструктурного анализа, методов рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами, дисперсии оптического вращения, кругового дихроизма и дейтерообмена, с помощью обычных и поляризованных инфракрасных спектров. Из полученного при исследовании синтетических полипептидов огромного экспериментального материала, однако, не удалось сделать обобщающих заключений о причинах стабильности регулярных структур и сказать что-либо определенное на этой основе о принципах структурной организации белков. И тем не менее, результаты исследования повсеместно были восприняты как подтверждающие ставшее общепринятым представление о том, что пространственное строение белковой глобулы представляет собой ансамбль унифицированных регулярных блоков вторичных структур, прямую информацию о геометрии которых дают высокомолекулярные синтетические пептиды. а-Спиральная концепция Полинга не только не была поставлена под сомнение, но еще более утвердилась. В 1967 г. Г. Фасман писал «Общепризнано, что лишь несколько конформаций, благодаря своей внутренней термодинамической стабильности, будут встречаться наиболее часто и, по-видимому, именно они составляют общую основу белковой структуры» [5. С. 255]. Между тем, в то время уже были известны факты, настораживающие от безусловного принятия а-спиральной концепции Полинга. Но они выпадали из множества других фактов, согласующихся с традиционным представлением, казавшимся логичным и правдоподобным, к тому же не имевшим альтернативы. Поэтому на данные, противоречащие концепции Полинга, долгое время не обращали внимания. [c.72]

    Инфракрасные микроскопы представляют собой приборы, которые используют принципы построения аппаратуры оптического контроля и дают большое увеличение изображения, поэтому отметим лишь их отличительные черты. Основными особенностями инфракрасных микроскопов по сравнению с микроскопами оптического диапазона являются более тщательный подбор материала оптики, работающей как в видимом, так и в инфракрасном диапа-«зоне, применение источника освещения, излучающего в видимом и инфракрасном диапазоне, использование светофильтров для инфракрасного диапазона, наличие электронно-оптического преобразователя и блока питания для него. Кроме инфракрасных микроскопов выпускаются специальные насадки (НИК-1, НИК-3 и др.) для расширения области применения серийных микроскопов видимого диапазона (типа МБР-1, МБИ-11 и др.). [c.201]


    Оптические материала для инфракрасной техники [c.6]

    Все оптические детали в приборах, используемых для измерений в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, сделаны из стекла. При работе в ультрафиолетовой области применяется кварцевая оптика. Соответствующий материал используется и при изготовлении кювет. [c.470]

    Иодид цезия — не только хороший оптический материал [182, 187] для инфракрасной спектроскопии (область оптической прозрачности лежит в интервале длин волн от 242 до 5,0- 10 нм), но и ценный негигроскопичный сцинтиллятор [34],обладающий максимумом (460 нм) флуоресценции при —180° С. Качество иодида цезия как сцинтиллятора возрастает при добавлении к нему примеси таллия. Монокристаллы иодида цезия, активированные тал- [c.104]

    Спектральный диапазон прибора. Область спектра, регистрируемая призменным прибором, ограничена главным образом прозрачностью материала призм (материал других прозрачных деталей подбирают в соответствии с материалом призмы), а также особенностями конструкции прибора. Обычно в приборах для эмиссионного спектрального анализа установлены призмы и линзы из кварца или из некоторых сортов

www.chem21.info

Оптические материалы — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Оптические материалы — природные и синтетические материалы, монокристаллы, стёкла (оптическое стекло, фотоситаллы), поликристаллические (Прозрачные керамические материалы), полимерные (Органическое стекло) и другие материалы, прозрачные в том или ином диапазоне электромагнитных волн. Их применяют для изготовления оптических элементов, работающих в ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной областях спектра.

В разговорной речи и в промышленности нередко все твёрдые оптические материалы называют стёклами.

Роль оптических материалов иногда выполняют и оптические среды, некоторые полимеры, плёнки, воздух, газы, жидкости и другие вещества, пропускающие оптическое излучение.

Самым древним и известным оптическим материалом является обычное стекло, состоящее из смеси диоксида кремния и других веществ. Развитие технологии и ужесточение требований по мере роста совершенства оптических приборов привели к созданию особого класса технических стёкол — оптического стекла.

От прочих стёкол оно отличается особенно высокой прозрачностью, чистотой, бесцветностью, однородностью, а также строго нормированными преломляющей способностью и дисперсией.

Кварцевое стекло[править | править код]

Переплавляя чистый диоксид кремния (например, горный хрусталь), получают так называемое кварцевое стекло. От прочих силикатных стёкол оно отличается существенной химической стойкостью, чрезвычайно малым коэффициентом линейного расширения и относительно высокой температурой плавления (1713–1728 °C). Благодаря этому возможно построение оптических систем, работающих в более широком диапазоне температур и агрессивных сред.

Кроме того, кварцевое стекло прозрачно для ультрафиолетового диапазона электромагнитных волн, что делает этот материал незаменимым для оптических систем, работающих в этой области спектра.

Основным поводом к созданию искусственного заменителя — органического стекла, стало отсутствие в пору его разработки (1930-е годы) материалов, пригодных для использования в авиации — прозрачных но нехрупких и достаточно прочных и гибких — этими качествами и был наделён данный синтетический полимер. В настоящее время органическое стекло уже не способно удовлетворять всем требованиям, предъявляемым ни авиацией, ни, тем более — космонавтикой, однако на смену ему пришли другие виды пластиков и новые модификации «обычного» стекла (наделённые повышенной отражательной способностью, термостойкие и прочные). Оргстекло по строгим физико-химическим характеристикам к своему прототипу отношения не имеет.

Инфракрасная область[править | править код]

Линза, изготовленная из однородного кремния, прозрачна для инфракрасного излучения и непрозрачна для видимого света. В этой области спектра кремний имеет:

  • сверхвысокую дисперсию;
  • самое большое абсолютное значение показателя преломления n=3,4;

Рентгеновские линзы[править | править код]

Свойства кремния позволили создать новый тип фокусирующих систем для волн рентгеновского диапазона. Для изготовления таких систем используется контролируемое формирование периодического массива пор в процессе глубокого фотоанодного травления кремния. в ИПТМ РАН были разработаны способы управления формой пор.

В результате были созданы матрицы параболических короткофокусных рентгеновских линз и элементов трехмерных фотонных кристаллов на основе кремния.[1]

  • Винчелл А. Н., Винчелл Г., Оптические свойства искусственных минералов, пер. с англ., М., 1967;
  • Сонин А. С., Василевская А. С., Электрооптические кристаллы, М., 1971;
  • Физико-химические основы производства оптического стекла, под ред. Н. И. Демкиной, Л., 1976;
  • Мидвин-тер Д. Э., Волоконные световоды для передачи информации, пер. с англ., М., 1983;
  • Кочкин Ю. И., Румянцева Г. Н., «Зарубежная радиоэлектроника», 1985, № 9, с. 89-96;
  • Леко В. К., Мазурин О. В., Свойства кварцевого стекла, Л., 1985;
  • Deutsch Т. F., «J. Electronic Materials», 1975, v. 4, № 4, р.663-719;
  • Lucas I., «Infrared Physics», 1985, v.25, № 1/2, p.277-81.

ru.wikipedia.org

TYDEX: Кремниевая оптика для ИК-объективов

Мы производим широкий диапазон кремниевой оптики для различных применений, в том числе, и для высококачественных изображающих систем. В изготовлении последних важнейшим звеном является строжайший контроль качества на всех стадиях производства, от выбора материала до измерения итоговых параметров обработки и спектральных характеристик покрытия.
Наш подход к изготовлению изображающей ИК-оптики описан ниже и проиллюстрирован на примере 17-элементного объектива. Объектив был спроектирован для работы в двух спектральных диапазонах: 1.6-3.0 микрона и 3.5-5.5 микрона. Он включает в себя 14 менисковых и плоско-выпуклых линз диаметром от 10 до 210 мм и 3 окна размерами до 134х198 мм.

При изготовлении подобных многокомпонентных объективов необходимо уделять особое внимание интегральному пропусканию системы и искажению изображения в ней. Эти 2 параметра, в свою очередь, определяются качеством материала, точностью изготовления оптических поверхностей, качеством просветляющих покрытий и качеством сборки. Поскольку вопросы контроля качества покрытий подробно освещены в разделе “Покрытия”, а сборка производилась нашим заказчиком, здесь мы остановимся на процедурах контроля качества материала и точности поверхностей.

Требования к материалу и процедура контроля

Для изображающих систем качество материала исключительно важно. Неоднородность показателя преломления вызывает искажение изображения. Рассеяние в материале, например,  на объемных дефектах, понижает контрастность картинки. С другой стороны, завышенные требования к материалу многократно повышают его стоимость и сужают диапазон доступных размеров и, не давая никакого выигрыша в итоговом качестве системы, драматически увеличивают срок поставки материала (а значит и системы). Сами оптические поверхности изображающих систем, как правило, сложны, и следовательно, дороги в производстве, а жёсткие допуски нередко не оставляют возможностей для их переполировки. Следует также иметь в виду, что и в России, и за рубежом производители кремния оперируют «неоптическими» спецификациями, и связь контролируемых при производстве кремния параметров с оптическими свойствами выращенных слитков нетривиальна. Именно поэтому выбор правильной категории кремния и его входной контроль до начала производства оптики оказываются принципиально важными.

В разбираемом случае, с учётом изложенного выше, был выбран бездислокационный монокристаллический кремний, выращенный по методу Чохральского, со специальными требованиями к содержанию некоторых примесей, а также к среднему значению и радиальной однородности удельного электросопротивления. Одним из наших партнёров была проведена специальная серия ростов и изготовлены слитки диаметром 219 мм. От нижнего и верхнего торца каждого слитка были отрезаны контрольные пластины, которые прошли как рутинные тесты качества на заводе-изготовителе, так и дополнительное исследование собственно оптических свойств в нашей лаборатории. Проводилось прямое измерение общего пропускания, рассеяния (процедура подробно описана в статье про германий) и непрямая оценка однородности показателя преломления (при необходимости возможно проведение прямых измерений неоднородности показателя преломления, процедура подробно описана в той же статье). Вот типичная кривая пропускания контрольного образца:



Рис. 1. Пропускание кремниевого контрольного образца №219-2-7. Толщина образца 10.0 мм.


Контроль точности поверхностей изделий

Как указано выше, следующими важными параметрами изображающих ИК-систем являются  точность оптических поверхностей и аттестация их ошибок.

По-прежнему основным методом рутинного производственного контроля остаётся контроль по пробному стеклу. Однако, этот метод мало пригоден для аттестации ответственных высокоточных деталей, т.к. во-первых, он не позволяет фиксировать наблюдаемую картину,  во-вторых, оценка ошибки является субъективной и адекватность этой оценки существенно зависит от опыта контролёра. В таких ответственных случаях после предварительного контроля под пробное стекло проводится окончательная аттестация на интерферометре, сопряженном с системой регистрации и обработки интерферограмм. Компьютерная обработка интерферограммы позволяет получить детальную информацию об общей ошибке поверхности и её компонентах: астигматизме, зонной ошибке, коме, местных ошибках, вычисляет размах ошибки (PtV), среднеквадратическое отклонение и проч.

Данная информация объективна и репродуктивна, не зависит от мнения контролёра и базируется на записанной и доступной для независимого анализа интерферограмме. Например, заказчик может самостоятельно провести расчет ошибок по передаваемой нами картинке или учесть взаимное влияние ошибок различных поверхностей при окончательной сборке системы. Также немаловажно, что информация отображается в чрезвычайно наглядной и удобной для восприятия форме. Удобно и то, что анализу можно подвергнуть как всю интерферограмму, так и любой её участок (см. ниже).

В приведенном примере интерферометрический контроль вёлся в схеме Физо на длине волны  c = 632.8 нм (HeNe лазер). Были использованы соответствующие радиусам кривизны и апертурам измерительные объективы и расширители пучка. Фиксировалось искажение волнового фронта тестового (отраженного от исследуемой поверхности) пучка в сравнении с фронтом отраженного от эталонной сферы опорного пучка. Анализ полученных интерферограмм проводился с помощью специализированного программного обеспечения, ищущего центральные линии полос и аппроксимирующего волновой фронт полиномами Цернике.

На картинках ниже приведены результаты контроля двух поверхностей:  вогнутой поверхности мениска диаметром 210 мм и плоской поверхности окна 198х134 мм.

Интерферометрический контроль ошибки поверхности менисковой линзы Д210 мм

Рис. 2 Интерферограмма поверхности.

  Результаты расчёта

  • Форма поверхности
  • Контролируемая зона
  • Единицы измерения ошибки
  • Опорная поверхность

вогнутая сфера, R = -206.99 мм
вся световая зона (206 мм)
микроны
сфера

Общая ошибкa

D= .080 LX= 2.839 LY= -.013 C= 2.829 RMS(W)= .031
A= .050 FIA= .354   RMS(W-A)= .023 FA= .442
B0= -.025 RZ= .037
  RMS(W-Z)= .029 FZ= .131
B2= .149          
B4= -.149        
C= .110 FIC= 164.892   RMS(W-C)= .028 FC= .178


Местная ошибка

 Параметры поверхности 

RMS MIN MAX R STRL STRH
.031 -.144 .092 .237 .964 .988

 

X : -1.000 .000
Y : .000 -1.000

 


Рис. 3. Восстановленная топография искажений отраженного волнового фронта в двумерном и трёхмерном представлениях.

  Интерферометрический контроль ошибки поверхности плоско-параллельного окна 198х134 мм 

Рис. 4. Интерферограмма поверхности S1.

Заказчику требовалась аттестация данной пластины как по всей апертуре 194х130 мм, так и в центральной зоне 70х70 мм.

Результаты расчёта (вся апертура)

  • Форма поверхности
  • Контролируемая зона
  • Единицы измерения ошибки
  • Опорная поверхность
плоскость
вся световая зона (194 x 130 мм)
микроны
плоскость

Общая ошибкa

D= .000 LX= 1.447 LY= .033 C= .964 RMS(W)= .014
A= .045 FIA= 82.986   RMS(W-A)= .010 FA= .489
B0= -.014 RZ= .023   RMS(W-Z)= .012 FZ= .235
B2= .064        
B4= -.045        
C= .012 FIC= 173.740   RMS(W-C)= .014 FC= .009


Местная ошибка


Параметры поверхности

RMS MIN MAX R STRL STRH
.014 -.035 .044 .079 .993 .998
X : -.680 .680
Y : .680 -.680

 



Рис. 5. Восстановленная топография искажений отраженного волнового фронта в двумерном и трёхмерном представлениях.

Результаты расчёта (центральная зона)

  • Форма поверхности
  • Контролируемая зона
  • Единицы измерения ошибки
  • Опорная поверхность
плоскость
центральная зона (70 x 70 мм)
микроны
плоскость

Общая ошибкa

D= .000 LX= 2.811 LY= .053 C= 2.045 RMS(W)= .024
A= .104 FIA= 81.477   RMS(W-A)= .011 FA= .787
B0= -.020 RZ= .083   RMS(W-Z)= .016 FZ= .561
B2=.039          
B4= .117        
C= .022 FIC= 50.186   RMS(W-C)= .023 FC= .014


Местная ошибка


Параметры поверхности 

RMS MIN MAX R STRL STRH
.024 -.036 .076 .112 .978 .993
X : -.200 .680
Y : .480 -.440


Рис. 6. Восстановленная топография искажений отраженного волнового фронта в двумерном и трёхмерном представлениях.

  

 Наш опыт позволяет утверждать, что только такой тщательный контроль всех параметров всех компонентов на всех стадиях изготовления позволяет добиться  высочайшего качества передачи изображения и адекватной работы системы в сборе.

 

Для получения котировки заполните, пожалуйста, форму запроса с указанием интересующих Вас элементов. 

www.tydexoptics.com

Видеть невидимое. Ближний инфракрасный диапазон (0.9-1.7мкм) / Habr

На видео может показаться, что вольфрамовым ломом черпают расплавленный светящийся уран, но… но нет. И это не изображение тепловизора — это самый ближний инфракрасный спектральный диапазон. Возможно, вы больше не увидите таких уникальных картинок, которые спрятались под кат, добро пожаловать…

ps: читающие заголовок в мобильной версии анимацию сейчас не видят, поэтому добро пожаловать сразу в статью… ваша чашка со свежезаваренным кофе далее по тексту… =)

Обычные кремниевые детекторы ПЗС и CMOS не могут использоваться для получения изображения в спектральном диапазоне с длиной волны более 1мкм. Кванты с длиной волны 1мкм не могут индуцировать электроны в кремниевых детекторах, квантовая эффективность в ближнем ИК диапазоне быстро спадает до нуля.

Для регистрации ближнего ИК излучения используют уже детекторы на основе арсенид галлия-индия (InGaAs). Ну и несколько лет назад нам попал в руки коммерческий детектор такого типа ближнего ИК диапазона (SWIR, Near-infrared). Разрешение детектора небольшое: 320х256 элементов. Спектральная характеристика детектора представлена на рисунке ниже.

Казалось, ничто не предвещало сложностей, и разработка камеры на данном детекторе не должна была бы отличаться от разработки камеры видимого диапазона, но это оказалось не так. Основной сложностью оказался очень большой темновой ток детектора и очень большой разброс в параметрах отдельных элементов. Посмотрите на график ниже:

За время 16мс потенциальная яма отдельных элементов детектора быстро заполняется на 3-5%, а для частоты 25 кадров в секунду (40мс) это уже 8-12%. Для ёмкости потенциальной ямы элемента детектора 6млн. электрон — это 600 000 электронов темнового тока отдельного элемента, а шум в отдельном пикселе составляет более 800 электрон. Много это или мало? Для регистрации освещенных объектов вполне нормально, но для чувствительной камеры, которая способна регистрировать собственное излучение объектов с температурой до 100’C (как представленное на первом видео) — шум 800 электронов это очень и очень много.
На графике представлено излучение абсолютно черного тела, как видно, для объектов с температурой 300-400K излучение в диапазоне 1-2мкм очень слабое.

Второй особенностью является очень большой разброс характеристик каждого элемента в отдельности. Разработка заняла несколько лет, упор делался на разработку малошумящей аналоговой схемотехники, а также на аппроксимацию характеристик отдельных элементов в зависимости от температуры. Повторюсь, детектор коммерческий, мы не могли охладить детектор и напрямую уменьшить уровень темнового тока возможности не было, но смогли реализовать термостатирование детектора, что значительно сказалось на стабильности характеристик.

Ранее мы в некоторых статьях упоминали данную камеру и приводили сравнение её работы с детекторами видимого диапазона, а также с электронно оптическим преобразователем ЭОП 3+:
«Как видят ночью разные камеры и приборы»
также демонстрировали возможности данной камеры в режиме наблюдения звезд днём:
«Наблюдение звёзд днём или дневная астрономия»

Сейчас же мы хотим дополнить опубликованное ранее и продемонстрировать другие уникальные возможности камеры ближнего ИК диапазона.

Самый распространенный вопрос — «Как камера видит в тумане?». Качественный туман застать довольно непросто, поэтому сразу извиняемся за, возможно, не очень показательное видео. Для того, чтобы продемонстрировать, как видно в реальности глазами, использовалась камера видимого диапазона PanasonicGM1.

само видео наблюдения в тумане SWIR камерой


оригиналы видео доступны по ссылкам
«Видео VS320 исходник»
«Видео PanasonicGM1 оригинал»
На всякий случай предупредим, что туманы очень сильно отличаются друг от друга, бывают туманы, когда ни в одном спектральном диапазоне ничего не видно. Результат сильно зависит от дисперсии частиц воды.

Чувствительность же камеры демонстрирует видео, фрагмент которого представлен в заголовке статьи. Это обычная чашка с вкусным свежезаваренным кофе. В начале видео мы наблюдаем собственное тепловое излучение объектов, а после включения освещения — отраженное. Пока камера VS320 единственная, которая может демонстрировать видео излучения объектов до 100’C. Мы несколько раз показывали это видео на выставках и всегда сталкивались со скепсисом =)


Для примера: цветная камера и глаз видят раскаленный металл с температурой выше 500’С, черно-белая ПЗС-матрица видит жало горячего паяльника с температурой 400’С, SWIR камера VS320 видит предметы начиная с 50-60’С.

Более объективные измерения по модели абсолютно черного тела. Примерно на уровне 50 градусов шум элементов детектора и сигнал модели абсолютно черного тела сравниваются.

оригинал видео можно получить здесь (внимание! большой размер, так как без сжатия)
«Видео VS320 черное тело»

Из некоторых интересных моментов, с которыми мы столкнулись во время работы с камерами,
это особенная защита, которую наносят на банкноты, возможно это люминесцентные маркеры:
Изображения банкнот при обычном освещении не отличается от указанных на сайте Центробанка России, для примера 500р:

но при освещении исключительно видимым спектром (люминесцентной лампой) наблюдаются маркеры, которые находятся у разных банкнот в разных местах и могли бы использоваться для дополнительной автоматической сортировки банкнот:

на сайте ЦБ РФ такая защита не обозначена

В новых купюрах от такой маркировки, видимо, отказались, теперь маркер находится в одном и том же месте, круглый с буквой Р:

и вот все банкноты вместе:

Так же следует отметить, что ночное небо очень яркое в ближнем ИК диапазоне. Это позволяет конкурировать камерам ближнего ИК диапазона с другими приборами ночного видения, а так же для каких-то применений вроде обнаружения объектов на фоне «яркого» ночного неба.


«VS320. Ночное небо в ближнем ИК. исходник (200МБайт)»

А вот днём наоборот, в ближнем ИК диапазоне небо намного темнее (в сравнении с яркостью неба в видимой части спектра), для примера кадр в очень яркий солнечный день.

Эта свойство может использоваться для наблюдения за небесными объектами днём, частный случай которого был описан в статье: «Наблюдение звёзд днём или дневная астрономия».

Наиболее важным свойством камеры ближнего ИК (наравне с возможностью улучшения видимости в тумане) — это значительно лучшая видимость в дымке, для сравнения кадры разных частей спектра:

А вот видео в ближнем ИК диапазоне по вантовому мосту на дальности 9-10км.


а вот демонстрация на дальности в 9км по Смольному (в середине видео включается функция камеры: локальное контрастирование (аналог HDR/DDE) )


Можно ещё довольно много рассказывать про ближний ИК-диапазон, но, к сожалению, это выходит за объём одной статьи. Если получится и будет достаточно материала, мы обязательно продолжим. Подводя итоги можно сказать, что камеры ближнего ИК можно применять:

— для улучшения видимости в тумане
— для улучшения видимости при атмосферной дымке, смоге
— в качестве приборов ночного видения (улучшения видимости ночью)
— поиске объектов на дневном небе
— при разработке мультиспектральных камер, когда важно увидеть значительно теплый
скрытый в видимом диапазоне объект
— для особых применений в промышленности, когда важен именно этот спектральный диапазон
— поиске замаскированных предметов, когда одни краски становятся малоконтрастными, а другие наоборот темнеют в данном диапазоне или люминесцируют.

Хотелось бы сказать спасибо организации НПК «Фотоника», которая предоставила данный детектор для разработки и финансировала работу в течение длительного времени. Результатом работы явилась камера с очень высокими характеристиками по чувствительности. Отдельное спасибо коллегам, которые её разработали, несколько раз переработали, а также построили математическую модель и разработали методику калибровки такого строптивого InGaAs детектора.

Ну и собственно фотография камеры VS320 «в размере»:

Ждем вопросы в комментариях, будем рады ответить.

habr.com

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о