ЛИНЗА-ФОКОН Российский патент 1996 года по МПК G02B3/02 

Изобретение относится к оптике и предназначено для использования в оптических приборах различного назначения.

Известны линзы, имеющие положительную постоянную или переменную гауссову кривизну преломляющей поверхности. Они характеризуются тем, что центры кривизны главных нормальных сечений лежат по одну сторону от преломляющей поверхности /1/.

Наиболее близкой по технической сущности является линза, описанная в /2/. В этой линзе радиус кривизны преломляющей поверхности является переменной величиной и изменяется от точки к точке. Однако такие линзы обладают рядом недостатков. Они имеют большую массу, их трудно соединять со световодами, по которым передается оптическое излучение, так как для передачи излучения в световод необходимы специальные приспособления, обеспечивающие размещение торца световода в фокусе линзы, имеющие, как правило, сложную конструкцию.

Кроме того, для уменьшения коэффициента рассеяния излучения на торце световода необходимо принимать специальные меры.

Техническим результатом от использования изобретения является устранение указанных недостатков.

Указанный результат достигается тем, что в устройстве линза и фокон выполнены в интегральном исполнении. Радиусы кривизны в каждой точке преломляющей поверхности устройства не одинаковы, а центры кривизны главных нормальных сечений лежат по разные стороны от преломляющей поверхности.

Максимальный размер внутреннего радиуса ≥ a, размер внешнего радиуса лежит в пределах от 0 до ∞.

Уравнение образующей поверхности линзы-фокона в меридиональной плоскости имеет вид
/1/
где a параметр, максимальный внутренний радиус линзы-фокона в экваториальной плоскости,
Z, r оси ортогональных прямоугольных координат.

На фиг. 1 схематично изображена линза-фокон, на фиг. 2 ход лучей в линзе-фоконе. Как видно из чертежа, собирательная линза-фокон имеет постоянную отрицательную гауссову кривизну преломляющей поверхности, сечение которой в одной плоскости является окружностью, а в ортогональной плоскости ограничено кривой /1/.

В соответствии с уравнением образующей /1/ высота линзы-фокона может выбираться различной и зависит от диаметра световода или другого устройства, например фотоприемника, который необходимо соединить с линзой-фоконом.

Ход лучей в линзе-фоконе показан на фиг. 2. Как видно из чертежа, на торце линзы-фокона имеются две области. Область, примыкающая к центру, 2 и область, примыкающая к ребру, 1. Линза-фокон состоит из двух частей: фокусирующей линзы 4 и фокона 5. При падении светового потока 3 на торец линзы-фокона распространение лучей зависит от угла θ между линией падения луча и нормалью к внутренней касательной линии к преломляющей поверхности. До тех пор, пока угол q меньше угла полного внутреннего отражения, падающий луч выходит из тела линзы-фокона. Наблюдается преломление пучка света в сторону геометрической оси и осуществляется фокусировка излучения на геометрической оси линзы-фокона в соответствии с законами геометрической оптики. Излучение фокусируется не в одной точке, а распределяется вдоль линии геометрической оси. Длина фокусного расстояния зависит от расстояния точки падения луча относительно центра линзы-фокона. Лучи, попадающие в область 1, фокусируются, поэтому область 4 выполняет функции линзы.

Если лучи света попадают в область 2, примыкающую к центру торца линзы-фокона, угол q становится равным или больше угла полного внутреннего отражения
tgθ≥ n,
где n коэффициент преломления материала линзы-фокона.

Лучи подвергаются волноводному распространению, поэтому область 5 является фоконом. Отрицательная кривизна поверхности фокона способствует повышению эффективности его работы.

Таким образом устройство является одновременно и линзой, и фоконом.

Для изменения фокусного расстояния плоскую торцевую поверхность линзы-фокона выполняют выпуклой или вогнутой с требуемыми радиусами кривизны в ортогональных сечениях.

Линза-фокон выгодно отличается от известных тем, что является устройством интегральной оптики, совмещающим линзу и фоконы, что позволяет устранить механизм крепления световолокна, исключить необходимость юстировки торца световода и упрощает процесс его крепления к линзе-фокону. Это достигается за счет того, что торец световода может быть приклеен к линзе-фокону со стороны ее узкого торца. При этом значительно уменьшаются потери светового потока за счет уменьшения отражения от торца световода. Одновременно значительно снижаются искажения структуры оптического сигнала, поступающего в световод.

Линза-фокон может найти применение в оптоэлектронике, лазерных дальномерах, фотоэкспонометрах и т.д.

Использование: в оптических приборах различного назначения, в микроволновой и электронной технике, а также акустике. Сущность изобретения: линза-фокон представляет собой собирательную линзу и фокон, выполненные в интегральном исполнении. Это позволяет одновременно вести визуальное наблюдение или фотографирование требуемых объектов и измерять расстояние до них электронным способом. При этом уменьшаются масса и стоимость оптического прибора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Линза-фокон, содержащая линзу и фокон, выполненные в интегральном исполнении, сечение которой в экваториальной плоскости является окружностью, отличающаяся тем, что сечение преломляющей поверхности в ортогональной плоскости является кривой с переменным внешним радиусом кривизны в соответствии с формулой:

где Z, r оси ортогональных прямоугольных координат;
a параметр максимальный внутренний радиус линзы-фокона в экваториальной плоскости,
причем центры кривизны образующих кривых лежат по разные стороны от преломляющей поверхности. 2. Линза-фокон по п.1, отличающаяся тем, что торцевые поверхности выполнены выпуклыми или вогнутыми с требуемыми радиусами кривизны в ортогональных сечениях.