ПРИЗМЕННЫЙ УГОЛКОВЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК G02B5/122 

Изобретение относится к локационной технике и оптическому приборостроению и может использоваться в системах ориентации и локации, в интерферометрах, дальномерах и лидарах.

Известен прямоугольный трехгранный уголковый отражатель возвратного действия, выполненный в виде стеклянной призмы с металлизированными отражающими гранями /1/. При определенном подборе характеристик материалов отражателя он формирует отраженный сигнал с очень малым значением эллиптичности, независимо от азимута поляризации падающего линейно-поляризованного света. Однако при трехкратном отражении от металла теряется до 40% энергии падающей волны.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является призменный прямоугольный уголковый отражатель, действующий в режиме полного внутреннего отражения /2/. Однако он формирует отраженное излучение линейной поляризации лишь при строго определенном для каждого показателя преломления азимуте поляризации падающего линейно-поляризованного света.

Цель изобретения создание призменного уголкового отражателя, взаимное расположение узлов которого позволяло бы за счет специального подбора двугранных углов, показателя преломления и экранирования части рабочей апертуры формировать линейно-поляризованное отраженное излучение независимо от азимута поляризации падающего линейно-поляризованного света.

Устройство выполнено в виде трехгранной пирамиды, два двугранных угла которой между боковыми отражающими гранями прямые, а третий равен π /[2(s+1)] при этом согласно изобретению сектора рабочей апертуры входной фронтальной грани отражателя, соответствующие порядку отражения света от боковых граней, в котором грань, противолежащая двугранному углу p /[2(s+1)] не стоит в середине цепочки из 2s+3 полных внутренних отражений, экранированы, s 1, 2, 7, а показатель преломления материала отражателя выбран равным n 1,73 для s 1, n 1,46 для s=2, n=1,41 для s 3, n 2,41 для s 4, n 1,77 для s 5, n 1,59 для s 6, n 1,50 для s 7.

Сравнение заявляемого технического решения с известными техническими решениями показывает, что введение новых существенных признаков (специальный подбор двугранных углов, показателя преломления и экранирование части рабочей апертуры) приводит к проявлению устройством нового свойства формированию линейно-поляризованного отраженного излучения независимо от азимута поляризации падающего линейно-поляризованного света.

На фиг. 1 приведен общий вид предлагаемого устройства. Оно выполнено в виде призменного трехгранного уголкового отражателя 1 с тремя боковыми отражающими гранями 2, 3 и 4 и входной фронтальной гранью 5. Двугранные углы между гранями 2 и 4, 3 и 4 равны p/2 а между гранями 2 и 3 p /[2(s+1)] Показатель преломления материала отражателя равен n=1,73 (s=1), n=1,46 (s=2), n= 1,41 (s=3), n=2,41 (s=4), n=1,77 (s=5), n=1,59 (s=6), n=1,50 (s=7). На гранях 2, 3 и 4 свет испытывает полное внутреннее отражение. Совокупность точек входа и выхода света из отражателя 1 образует его рабочую апертуру 6 (выделена толстой линией), которая представляет собой вытянутый симметричный шестиугольник, расположенный на фронтальной грани 5. Она получается как общая часть пересечения фронтальной грани 5 и ее зеркально-симметричного изображения относительно точки входа центрального луча (основание перпендикуляра, опущенного из вершины трехгранного угла на фронтальную грань 5). Экранированная часть рабочей апертуры отмечена штриховкой. Экранирование может осуществляться, например, посредством механического экрана, расположенного перед фронтальной гранью 5, или путем матирования части самой рабочей апертуры. Экранирована или отсечена также может быть часть фронтальной грани 5, не принадлежащая рабочей апертуре 6 и не участвующая в формировании отраженного в обратном направлении излучения. Рабочая апертура 6 состоит из совокупности 4s+6 секторов, границы между которыми совпадают с проекциями на фронтальную грань 5, в направлении, перпендикулярном к ней, боковых ребер отражателя и их зеркальных изображений в боковых гранях 2, 3 и 4. На фиг. 2 показана рабочая апертура в случае s=1, состоящая из совокупности десяти секторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 10 и 16. На фиг. 3 показана рабочая апертура 6 в случае s=2, состоящая из совокупности четырнадцати секторов 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 и 30. В скобках на фиг. 2, 3 показаны последовательности прохождения светом боковых граней 2, 3 и 4 при выходе из соответствующего сектора рабочей апертуры. Сектора 7, 8, 10, 11, 12, 13, 15, 16 и 17, 18, 19, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 28, 29, 30 экранированы, рабочими являются сектора 9, 14 и 20, 27.

Устройство работает следующим образом.

Линейно-поляризованный свет с произвольным азимутом поляризации падает на фронтальную грань 5 отражателя. Пройдя через неэкранированные сектора рабочей апертуры 6, свет испытывает 2s+3 полных внутренних отражения от боковых граней 2, 3 и 4 в порядке прохождения по цепочкам 23.4.23 и 32.4.32. Выходящий из отражателя свет имеет направление, строго противоположное падающей волне. При полных внутренних отражениях от боковых граней 2, 3 и 4 происходят изменения амплитудно-фазовых характеристик волны. Эти изменения зависят от показателя преломления материала отражателя, азимута поляризации падающего света, а также от последовательности переотражения волн от граней (номера сектора). Поэтому сектора рабочей апертуры отражателя выступают как отдельные оптические элементы, формирующие волны, в общем случае, с различными состояниями поляризации. Параметры заявляемого устройства (выбор рабочих секторов и показателя преломления) оптимизирован таким образом, что падающий на отражатель с произвольным азимутом поляризации линейно-поляризованный свет сохраняет на выходе линейность поляризации.

В качестве примеров исполнения рассмотрим призменный уголковый отражатель (π/2, π/2, π/4) (s=1), изготовленный из оптического стекла марки ТФ7 (n 1,728222 для λ 587,56 нм) и призменный уголковый отражатель (π/2, π/2, π/6) (s=2), изготовленный из кварцевого стекла (n 1,459925 для λ 550 нм) /3/. Для первого отражателя эллиптичность отраженного излучения не превышает значения ε^max 0,001 (для 9 сектора при a_вх 57,26^o и 147,26^o, для 14 сектора при α_вх 32,74^o и 122,74^o), для второго отражателя значения ε^max 0,002 (для 20 сектора при a_вх 40,18^o и 130,13^o, для 27 сектора при α_вх 49.82^o и 139,82^o).

На фиг. 4 приведены зависимости ε = ε(α_вх) отражателя (π/2, π/2, π/6) Азимут поляризации падающего излучения α_вх отсчитывается по часовой стрелке от оси (фиг. 1). Кривая 31 характеризует эллиптичность излучения, выходящего из 20 сектора, кривая 32 из 27 сектора. Кривые 33, 34 отвечают аналогичным зависимостям для прототипа, в случаях вариантов переотражения по цепочкам 243 и 342 соответственно (εmaxпрот

= 0,717) Расчеты, выполненные на ПЭВМ, показывают, что чем ближе показатель преломления материала заявляемого призматического уголкового отражателя к определенной величине, тем меньше эллиптичность отраженного излучения (ε^max __→ 0) Такими показателями преломления, при которых формируется отраженное излучение идеальной линейной поляризации независимо от азимута поляризации падающего линейно-поляризованного света, являются значения n 1,729431 (s=1), n 1,459551 (s=2), n 1,407999 (s= 3), n 2,414719 (s=4), n 1,769347 (s=5), n 1,585473 (s=6), n 1,501228 (s=7).

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает в режиме полного внутреннего отражения получение с большой степенью точности линейно-поляризованного возвращаемого света независимо от азимута поляризации падающего излучения. Это позволяет использовать устройство в оптических схемах, где необходимо сохранение линейности поляризации распространяющегося излучения.

Призменный уголковый отражатель, выполненный в виде трехгранной пирамиды, два двугранных угла которой между боковыми отражающими гранями прямые, а третий выполнен равным π/[2(S+1)], отличающийся тем, что сектора рабочей апертуры входной фронтальной грани отражателя, соответствующие порядку отражения света от боковых граней, в котором грань, противолежащая двугранному углу π/2([S+1)], не стоит в середине цепочки из 2S + 3 отражений, экранированы, при этом S 1,2, 7, а показатель преломления материала отражателя выбран равным n 1,73 для S 1, n 1,46 для S 2, n 1,41 для S 3, n 2,41 для S 4, n 1,77 для S 5, n 1,59 для S 6, n 1,50 для S 7.