ОПТИЧЕСКИЙ ОТРАЖАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК G02B5/12 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано при создании многоапертурных адаптивных систем и отражателей для светодальномерных систем.

Известен оптический рефлектор [1] содержащий оптические отражатели в виде трехгранного угла с отражением от внутренних поверхностей с одним прямым и двумя равными друг другу двугранными углами. Трехгранные отражатели могут быть выполнены в виде полых трехгранников с металлизированными отражающими поверхностями или в виде призм с тремя отражающими гранями. Технология изготовления из тонких пластин полых трехгранников освоена в США, но не обеспечивает вибропрочность склеенной конструкции.

Известно выполнение оптического отражателя в виде полого трехгранного угла [2] В нем оптический отражатель выполнен из трех пластин, каждая из которых имеет отражающую и вспомогательную плоские поверхности, причем каждая вспомогательная поверхность пластины соединена с отражающей поверхностью другой пластины. Соединение выполнено либо оптическим контактом, либо склейкой, либо глубоким оптическим контактом с нанесением на соединяемые поверхности специальных тонких пленок.

Недостатком известного оптического отражателя являются чрезвычайно высокие требования к изготовлению двугранных углов между отражающей и вспомогательной поверхностями на трех пластинах. При отклонениях этих углов от номинала более, чем на 0,2 с дуги, соединение оптическим контактом не получается из-за возникающего воздушного клина при соединении третьей (последней по порядку соединения) пластины с первой. Хотя при этом отражатель может выполнять функцию обратного отражения света, волновой фронт разбивается на две части, идущие под углом друг к другу. При использовании склейки пластин клей заполняет клинообразный промежуток, но из-за усадки клея при полимеризации в широкой части промежутка между пластинами происходит искривление поверхностей пластин и происходит искривление отраженного волнового фронта.

Наиболее близким по своей технической сущности и эффекту является полый оптический отражатель [3] В нем оптический отражатель выполнен в виде трехгранного угла с внутренними отражающими поверхностями. Он состоит из плоской подложки и трех наклеенных на нее призматических элементов, каждый из которых имеет плоскую отражающую и расположенную под углом к ней плоскую вспомогательную поверхность, соединенную с подложкой. Призматические элементы обращены основаниями в три стороны от оси полого трехгранного угла.

Недостатком известном полого отражателя является необходимость высокоточного изготовления углов между отражающей и вспомогательной поверхностями призматических элементов, при отступлении которых от номинала происходит разделение отраженного волнового фронта на части, идущие под углами друг к другу.

Целью изобретения является уменьшение углов между частями волнового фронта, возникающих при отступлении углов призматических элементов от номинала.

Цель достигается за счет усовершенствования оптического отражателя в виде трехгранного угла с внутренними отражающими поверхностями, выполненного из подложки и трех скрепленных с ней призматических элементов, каждый из которых имеет одну плоскую отражающую поверхность и расположенную под углом к ней вспомогательную поверхность, соединенную с подложкой, причем призматические элементы обращены основаниями в три стороны от оси трехгранного угла.

Отличительными признаками заявляемого оптического отражателя является то, что вспомогательные поверхности призматических элементов и поверхность подложки выполнены сферическими с равными, но противоположными по знаку радиусами кривизны. Кроме того, у двух призматических элементов углы между плоской отражающей поверхностью и вспомогательной поверхностью могут быть выполнены равными, а третий призматический элемент может быть выполнен из оптически прозрачного материала в виде усеченной призмы с одной отражающей и двумя преломляющими поверхностями. При этом усеченная поверхность является вспомогательной и составляет с отражающей поверхностью угол, превышающий 90^о, усеченная катетная грань обращена к оси трехгранного угла, а главное сечение третьего призматического элемента проходит между первым и вторым призматическими элементами.

На фиг. 1-2 и фиг. 3-4 показаны два возможных варианта исполнения оптического отражателя, причем на фиг. 1, 3 вид сверху; на фиг. 2, 4 вид спереди.

Отражатель содержит призматические элементы 1-3 с наружным отражающим покрытием, зазоры 4 между призматическими элементами, подложку 5, призматический элемент 6 из оптически прозрачного материала, 7 излучение от источника света (не показанного на чертеже), падающее на отражатель, А-А, Б-Б сечение отражателя через зазор между элементами 2 и 3.

Изображенный на фиг. 1 вариант исполнения оптического отражателя показан со стороны падающего на него света (фиг. 1) и в сечении А-А, проходящем через ось симметрии отражателя (фиг. 2). Сплошной линией показана отражающая поверхность призматического элемента 1 для случая трех прямых двугранных углов между отражающими поверхностями, а пунктирная линия соответствует отклонению от этого случая. Подложка 5 показана с вогнутой поверхностью (кривизна для наглядности сильно преувеличена).

Изображенный на фиг. 3 вариант исполнения соответствует случаю, когда взамен элемента 1 установлен призматический элемент 6 из оптически прозрачного материала. На фиг. 3 показан оптический отражатель со стороны падающего на него света, а на фиг. 4 сечение Б-Б, проходящее через ось симметрии отражателя. Сплошной линией показана отражающая поверхность призматического элемента 6 для случая трех прямых двугранных углов между отражающими поверхностями, а пунктирная линия соответствует отклонению от этого случая. Подложка 5 показана с выпуклой поверхностью (кривизна сильно преувеличена, как фиг. 1).

Оптический отражатель работает следующим образом.

Излучение 7 от источника света, не показанного на чертеже, попадает на двугранный угол, образованный отражающими поверхностями призматических элементов 2 и 3. Если они образуют прямой угол, то излучения далее попадает на отражающую поверхность призматического элемента 1. При условии, что двугранные углы между отражающими поверхностями элементов 1 и 2, а также 1 и 3 прямые, излучение отражается строго в обратном направлении. Если двугранные углы отличаются от прямых, например, на одинаковые угловые величины, то излучение отклоняется от строго обратного направления, как это показано на фиг. 2. Для того, чтобы изменить направление излучения, например, на строго обратное, при скреплении призматических элементов 1-3 с подложкой 5 можно изменить двугранные углы за счет скольжения сферических вспомогательных поверхностей призматических элементов 1-3 по сферической поверхности подложки 5. После получения нужного направления отраженного излучения призматические элементы 1-3 скрепляются с подложкой 5.

Вариант исполнения, изображенный на фиг. 2, отличается тем, что излучение дополнительно проходит две плоские преломляющие поверхности на катетных гранях призматического элемента 6. Преломление на этих поверхностях несколько меняет ход лучей, но не принципиально. Введение призматического элемента 6 из оптически прозрачного материала позволяет использовать не только отражение от металлизированных поверхностей, но и полное внутреннее отражение от гипотенузной поверхности призматического элемента 6. Это, в свою очередь, позволяет не только повысить коэффициент отражения, но и использовать изменение поляризации света, падающего на границу воздух-диэлектрик.

Разные углы между отражающими поверхностями элементов и дополнительными поверхностями позволяют в широких пределах менять углы отклонения от направления падающего света при использовании оптических отражателей в разных устройствах. При определении величин двугранных углов у дополнительных сферических поверхностей за образующую принимается совокупность хорд этих поверхностей.

Соединение сферических поверхностей призматических элементов 1-3, 6 с подложкой 5 может быть механическим, иммерсионным, с использованием оптического, в том числе глубокого, контакта и склейкой.

Наиболее важной особенностью оптического отражателя является то, что при соединении сферических поверхностей за счет скольжения их друг по другу можно выбирать ошибки изготовления углов у призматических элементов. За счет этого уменьшаются углы между частями отраженного волнового фронта, т.е. повышается качество отраженного излучения.

Использование: оптическое приборостроение, при создании многоапертурных адаптивных систем и отражателей для светодальномерных систем. Сущность изобретения: оптический отражатель содержит подложку и скрепленные с ней призматические элементы с зеркальным покрытием на плоских внешних гранях. Вспомогательная плоская поверхность выполняется под углом к зеркальной поверхности, соединяется с плоской поверхностью подложки. Предлагается для соединения с подложной призматических элементов полых отражателей выполнять вспомогательные поверхности призматических элементов и поверхность подложки сферическими с одинаковыми, но разными по знаку, радиусами кривизны. Кроме того, предлагается вариант исполнения с призматическим элементом из оптически прозрачного материала. Выполнение вспомогательных поверхностей и поверхности подложки сферическими позволяет корректировать ошибки, возникающие при изготовлении двугранных углов призматических элементов за счет скольжения сферических поверхностей друг по другу при скреплении призм. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ОПТИЧЕСКИЙ ОТРАЖАТЕЛЬ в виде трех ортогональных отражающих поверхностей, выполненный из подложки и трех соединенных с ней призматических элементов, каждый из которых имеет одну плоскую отражающую поверхность и расположенную под углом к ней вспомогательную поверхность, контактирующую с подложкой, причем призматические элементы обращены основаниями в три стороны от оси трехгранного угла, отличающийся тем, что вспомогательные поверхности призматических элементов и поверхность подложки выполнены сферическими с равными, но противоположными по знаку радиусами кривизны. 2. Отражатель по п.1, отличающийся тем, что один из призматических элементов выполнен из оптически прозрачного материала в виде усеченной прямоугольной призмы с одной отражающей и двумя преломляющими поверхностями, причем вспомогательной является усеченная поверхность, которая составляет с отражающей поверхностью угол, превышающий 90^o, при этом усеченная катетная грань обращена к оси трехгранного угла, а главное сечение этого призматического элемента проходит между остальными призматическими элементами.