ОПТИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬ Российский патент 1999 года по МПК G02F1/00 

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки.

Известны различные варианты оптических вентилей, например, устройства против ослепления водителей светом фар встречных машин [1], содержащие поляроидные пленки, однако они имеют большие потери световой энергии, что ограничивает возможности их применения.

Акустооптический вентиль, описанный в [2], содержит последовательно расположенные на оптической оси интерферометр Фабри-Перо, настроенный на пропускание излучения с частотой, равной частоте излучения источника света, и акустооптический брэгговский модулятор. Оптическое излучение с частотой ν проходит через интерферометр Фабри-Перо и попадает на акустооптический брэгговский модулятор. На его выходе частота оптического излучения становится равной ν+f, где f - частота акустической волны. Излучение, отраженное от какого-либо элемента оптического тракта или от какого-либо объекта и распространяющееся в обратном направлении, после прохода через акустооптический брэгговский модулятор будет иметь частоту, равную ν+2f. Параметры интерферометра Фабри-Перо подобраны таким образом, что излучение с частотой ν+2f не пройдет через него (при частоте ν кривая зависимости пропускания интерферометра Фабри-Перо от частоты имеет максимум, а при частоте ν+2f имеет минимум). Недостаток акустооптического вентиля заключается в том, что он требует затрат энергии, расходуемой на возбуждение акустической волны в акустооптическом брэгговском модуляторе. Кроме того, частота оптического излучения на выходе акустооптического вентиля не равна частоте оптического излучения на его входе, что сужает область применения такого вентиля.

Магнитооптический вентиль, описанный, например, в [3], содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор и анализатор. На магнитооптический ротатор воздействует магнитное поле, создаваемое магнитной системой. Оптическое излучение проходит через поляризатор и становится линейно поляризованным. В магнитооптическом ротаторе вследствие магнитооптического эффекта Фарадея плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается на 45^o относительно исходной плоскости поляризации и проходит через анализатор, главная плоскость которого повернута на 45^o относительно главной плоскости поляризатора. Излучение, распространяющееся в обратном направлении, пройдя через анализатор и магнитооптический ротатор, будет иметь плоскость поляризации, повернутую на 90^o относительно исходной плоскости поляризации и, следовательно, поглотится в поляризаторе (если в качестве поляризатора использована дихроичная пленка), либо уйдет в сторону от луча, распространяющегося а прямом направлении (если в качестве поляризатора использована двулучепреломляющая призма). Недостатком такого вентиля является то, что он может эффективно работать с излучением, имеющим только линейную поляризацию, в противном случае возрастают потери излучения, распространяющегося в прямом направлении.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому оптическому вентилю является оптический вентиль, описанный в [4]. Он содержит последовательно расположенные на оптической оси собирающую линзу с продольной хроматической аберрацией и поглощающую маску, причем поглощающая маска расположена в пределах области продольной хроматической аберрации собирающей линзы. Оптическое излучение, вошедшее в оптический вентиль в направлении слева направо (в обратном направлении) вследствие продольной хроматической аберрации собирающей линзы разделится на ряд спектральных составляющих. Из них поглотится только та спектральная составляющая, которая сфокусирована в точке расположения поглощающей маски. Все остальные спектральные составляющие пройдут через оптический вентиль в направлении слева направо. В прямом направлении (справа налево) оптическое излучение пройдет практически без ослабления, т.к. площадь поглощающей маски ничтожно мала по сравнению с площадью поперечного сечения оптического пучка.

Недостатком известного оптического вентиля является то, что он осуществляет одностороннюю проводимость только в одном направлении (он пропускает оптическое излучение, идущее в направлении справа налево и обеспечивает селективное поглощение одной из спектральных составляющих оптического излучения, идущего слева направо). Работать в режиме односторонней проводимости противоположного направления (т.е. пропускать оптическое излучение, идущее в направлении слева направо и обеспечивать селективное поглощение одной из спектральных составляющих оптического излучения, идущего справа налево) он не может. В принципе, осуществить такой режим работы можно путем разворота оптического вентиля на 180^o вокруг оси, перпендикулярной оптической оси оптического вентиля, однако для этого необходимо какое-либо механическое устройство, осуществляющее требуемый разворот, что значительно усложняет конструкцию оптического вентиля. Кроме того, при этом неизбежно возникают проблемы с юстировкой.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей оптического вентиля путем обеспечения односторонней проводимости в требуемом направлении.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный оптический вентиль, содержащий последовательно расположенные на оптической оси фокусирующую оптическую систему с продольной хроматической аберрацией и поглощающую маску, дополнительно введена вторая фокусирующая оптическая система с продольной хроматической аберрацией, расположенная на оптической оси за поглощающей маской таким образом, что области продольных хроматических аберраций обеих фокусирующих оптических систем разнесены в пространстве, а поглощающая маска выполнена с возможностью перемещения в пределах областей продольных хроматических аберраций обеих фокусирующих оптических систем.

Такое построение оптического вентиля позволяет обеспечить требуемое направление односторонней проводимости путем установки поглощающей маски либо в области продольной хроматической аберрации фокусирующей оптической системы, либо в области продольной хроматической аберрации второй фокусирующей оптической системы.

Сущность изобретения поясняется описанием конкретных, но не ограничивающих заявляемое техническое решение, вариантов выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых;
- на фиг. 1 приведен вариант функциональной схемы оптического вентиля, имеющего минимальные размеры вдоль оптической оси;
- на фиг. 2 приведен второй вариант функциональной схемы оптического вентиля.

На фиг. 1 и фиг. 2 приняты следующие обозначения: 1 - фокусирующая оптическая система с продольной хроматической аберрацией, 2 - поглощающая маска, 3 - вторая фокусирующая оптическая система с продольной хроматической аберрацией. На фиг. 1 и фиг. 2 область продольной хроматической аберрации фокусирующей оптической системы 1 заключена между точками F₁ и F₂, область продольной хроматической аберрации второй фокусирующей оптической системы 3 заключена между точками F₃ и F₄. Фокусирующие оптические системы 1 и 3 расположены таким образом, что отрезки F₁F₂ и F₃F₄ не имеют общих точек (области продольных хроматических аберраций обеих фокусирующих оптических систем разнесены в пространстве). На фиг. 1 приведен вариант оптического вентиля, в котором область продольной хроматической аберрации F₁F₂ фокусирующей оптической системы 1 расположена между второй фокусирующей оптической системой 3 и ее областью продольной хроматической аберрации F₃F₄, а область продольной хроматической аберрации F₃F₄ второй фокусирующей оптической системы 3 расположена между фокусирующей оптической системой 1 и ее областью продольной хроматической аберрации F₁F₂. Поглощающая маска 2 выполнена с возможностью перемещения в пределах областей продольных хроматических аберраций обеих фокусирующих оптических систем 1 и 3 (т.к. точки F₃, F₄, F₁ и F₂ расположены на оптической оси оптического вентиля, то поглощающая маска 2 должна иметь возможность перемещения в пределах отрезка, заключенного между точками F₃ и F₂).

Оптический вентиль может быть выполнен также в виде, изображенном на фиг. 2. В этом варианте область продольной хроматической аберрации F₁F₂ фокусирующей оптической системы 1 расположена вне области, заключенной между второй фокусирующей оптической системой 3 и ее областью продольной хроматической аберрации F₃F₄, а область продольной хроматической аберрации F₃F₄ второй фокусирующей оптической системы 3 расположена вне области, заключенной между фокусирующей оптической системой 1 и ее областью продольной хроматической аберрации F₁F₂. Поглощающая маска 2 в этом варианте оптического вентиля должна быть также выполнена с возможностью перемещения в пределах областей продольных хроматических аберраций обеих фокусирующих оптических систем 1 и 3 (т.к. точки F₁, F₂, F₃ и F₄ расположены на оптической оси оптического вентиля, то поглощающая маска 2 в данном варианте должна иметь возможность перемещения в пределах отрезка, заключенного между точками F₁ и F₄).

Вариант оптического вентиля, приведенный на фиг. 1, имеет меньшие габариты вдоль оптической оси по сравнению с вариантом, приведенным на фиг. 2.

Оптический вентиль работает следующим образом. Пусть поглощающая маска 2 расположена в пределах области продольной хроматической аберрации F₁F₂ фокусирующей оптической системы 1. Тогда оптическое излучение, проходящее через оптический вентиль справа налево, выйдет из оптического вентиля практически без ослабления, т.к. площадь поглощающей маски 2 ничтожно мала по сравнению с площадью поперечного сечения оптического пучка. Оптическое излучение, проходящее через оптический вентиль слева направо, вследствие продольной хроматической аберрации фокусирующей оптической системы 1 разделится на ряд спектральных составляющих, которые сфокусируются в области продольной хроматической аберрации фокусирующей оптической системы 1. В зависимости от положения поглощающей маски 2 между точками F₁ и F₂ поглотится только та спектральная составляющая оптического излучения, которая сфокусируется в точке, где расположена поглощающая маска 2.

Если поглощающая маска 2 расположена в пределах области продольной хроматической аберрации F₃F₄ второй фокусирующей оптической системы 3, то оптическое излучение, проходящее через оптический вентиль слева направо, выйдет из оптического вентиля практически без ослабления, т.к. площадь поглощающей маски 2 ничтожно мала по сравнению с площадью поперечного сечения оптического пучка. Оптическое излучение, проходящее через оптический вентиль справа налево, вследствие продольной хроматической аберрации второй фокусирующей оптической системы 3 разделится на ряд спектральных составляющих, которые сфокусируются в области продольной хроматической аберрации F₃F₄ второй фокусирующей оптической системы 3. В зависимости от положения поглощающей маски 2 между точками F₃ и F₄ поглотится только та спектральная составляющая оптического излучения, которая сфокусируется в точке, где расположена поглощающая маска 2.

Если поглощающая маска 2 находится вне областей продольных хроматических аберраций обеих фокусирующих оптических систем, то оптическое излучение, проходящее через оптический вентиль в любом направлении, поглощаться не будет.

Таким образом, введение в известный оптический вентиль второй фокусирующей оптической системы с продольной хроматической аберрацией, расположенной за поглощающей маской таким образом, что области продольных хроматических аберраций обеих линз разнесены в пространстве, и выполнение поглощающей маски с возможностью перемещения в пределах областей продольных хроматических аберраций обеих фокусирующих оптических систем позволяет обеспечить одностороннюю проводимость оптического вентиля в требуемом направлении.

Реализация заявляемого оптического вентиля не вызывает затруднений. Фокусирующие оптические системы могут быть выполнены в виде собирающих линз, например, из оптического стекла ТФ-5, ТФ-7, ТФ-10 (ГОСТ 13917-68 и ГОСТ 13659-78). Если собирающая линза из стекла ТФ-5 имеет фокусное расстояние 100 мм, то продольная хроматическая аберрация для длин волн 0,6565 мкм и 0,4861 мкм составляет 3,6 мм, что вполне достаточно для раздельного воздействия на спектральные составляющие и перестройки в этом диапазоне длин волн. Поглощающая маска может быть закреплена, например, с помощью стойки или растяжек на какой-либо направляющей [5], обеспечивающей ее перемещение в пределах областей продольных хроматических аберраций обеих собирающих линз.

Источники информации
1. Галкин Ю.Н. Электрооборудование автомобилей. М.: 1947. С. 12-14.

2. Патент N 2109122 (Великобритания), МПК G 02 F 1/11, НКИ G2F, публ. 25.03.83.

3. Белостоцкий Б. P. , Любавский Ю.В., Овчинников В.М. Основы лазерной техники. М.: Сов. радио, 1972. С. 138-141.

4. Авт. свид. N 881650 (СССР), МПК G 02 F 3/00, публ. 15.11.81, Бюл. N 42.

5. Справочник конструктора оптико-механических приборов /В.А.Панов, М.Я. Кругер, В. В. Кулагин и др.; Под общ. ред. В.А.Панова. Л.: Машиностроение, 1980. С. 456-475.

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано как элемент оптической развязки. Оптический вентиль содержит две фокусирующие оптические системы с продольной хроматической аберрацией и поглощающую маску, устанавливаемую в область продольной хроматической аберрации либо первой, либо второй фокусирующей оптической системы в зависимости от требуемого направления односторонней проводимости. Техническим результатом является обеспечение односторонней проводимости в требуемом направлении. 2 ил.

Оптический вентиль, содержащий последовательно расположенные на оптической оси фокусирующую оптическую систему с продольной хроматической аберрацией и поглощающую маску, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вторую фокусирующую оптическую систему с продольной хроматической аберрацией, расположенную на оптической оси за поглощающей маской так, что области продольных хроматических аберраций обеих фокусирующих оптических систем разнесены в пространстве, а поглощающая маска выполнена с возможностью перемещения в пределах областей продольных хроматических аберраций обеих фокусирующих оптических систем.