СВЕТОФИЛЬТР ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОЙ ПЛОТНОСТИ Российский патент 1999 года по МПК G02B5/20 G02B5/18 

Заявляемое изобретение относится к области оптического приборостроения и в частности к устройствам для плавной регулировки интенсивности оптического излучения. Заявляемое устройство так же может использоваться в оптических системах, как светоделитель с переменным коэффициентом деления.

Известен светофильтр переменной плотности состоящий из оптического клина изготовленного из однородного поглощающего вещества и установленного последовательно подклина из прозрачного для оптического излучения вещества [1]. Световое излучение частично поглощается веществом первого клина. Изменение толщины клина по одной из координат обеспечивает плавную регулировку проходящего светофильтр оптического излучения. Интенсивность выходного излучения I_O связана с входным I_in экспотенциальным законом [2]. Коэффициент пропускания поглощающего фильтра определяется выражением:
η = I_o/I_in= exp[-βl(x)], (1)
β коэффициент поглощения, l(x) - толщина поглощающего слоя клина в зависимости от координаты x. Линейное изменение толщины клина приводит к логарифмическому изменению пропускания фильтра (т.е. к линейному изменению оптической плотности). Недостатком данного устройства является: сложность конструкции, низкая лучевая стойкость и невозможность обеспечения требуемого закона изменения коэффициента пропускания.

Известен так же светофильтр переменной плотности, состоящий из пластины оптического материала с поверхностным слоем, имеющим переменный коэффициент пропускания или отражения вдоль хотя бы одной из координат [3]. Поверхностный слой создается, как правило, путем напыления на прозрачную подложку из оптического материала поглощающего слоя (обычно - хрома) переменной толщины. Изменение толщины слоя по координате x обеспечивает плавную регулировку оптического излучения. Недостатком данного устройства является:
- закон изменения коэффициента пропускания (1) нарушается, в частности из-за явления интерференции в поглощающем слое;
- технически очень сложно обеспечить воспроизводимое напыление поглощающего слоя с заданным законом изменения толщины;
- поглощающие светофильтры переменной плотности оптического излучения не работают при больших плотностях мощности оптического излучения, так как имеет низкую лучевую стойкость. Поверхностный слой светофильтра нагревается и разрушается. Это делает невозможным использование таких светофильтров для управления излучением мощных технологических лазеров;
- слой поглощающего покрытия (например хрома) имеет достаточно высокий коэффициент отражения (около 50-60%). Попадание отраженного излучения обратно в лазер приводит к нарушению его работы.

Известен также светофильтр оптического излучения переменной плотности, состоящий из пластины оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде дифракционной решетки [4]. Светофильтр предназначен для воспроизведения полутоновых цветных изображений (слайдов) на экран и выполнен в виде набора дифракционных решеток с сечениями синусоидальной формы, имеющих разную глубину и период. Его недостатками является сложность конструкции, заключающаяся в необходимости интерференционного изготовления структуры фильтра, невозможности его изготовления фотолитографическими методами (вследствие синусоидальной формы канавок решеток) и низкая лучевая стойкость из-за того, что структура решеток имеет синусоидальную форму и выполняется в слое фоторезиста или другого органического полимера.

Наиболее близким техническим решением является светофильтр с поверхностным слоем состоящий из пластины оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде дифракционной решетки [4].

Для обеспечения возможности управления оптическим излучением в большом диапазоне мощностей (увеличения лучевой стойкости) и воспроизводимости закона изменения коэффициента пропускания, а так же упрощения конструкции и снижения стоимости предлагается следующее техническое решение. В светофильтре оптического излучения переменной плотности, состоящего из пластины оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде дифракционной решетки, штрихи дифракционной решетки выполнены в виде концентрических колец с переменной вдоль окружности шириной. Кроме того, что штрихи решетки выполнены в виде углублений в поверхностном слое пластины с глубиной не превышающей h = λ/2(n-1), для светофильтра, работающего на пропускание, или не превышающей h = λ/4 для светофильтра, работающего на отражение, где λ длина волны оптического излучения, n - коэффициент преломления материала поверхностного слоя.

Техническая эффективность предлагаемого изобретения заключается в увеличении лучевой стойкости светофильтра, что обеспечивает возможность управления оптическим излучением в большом диапазоне мощностей, а так же в увеличении воспроизводимости коэффициента пропускания. Эффект обеспечивается так же за счет простоты конструкции, удобства работы и снижения себестоимости изготовления светофильтра. Новыми отличительными признаками изобретения являются то, что штрихи дифракционной решетки выполнены в виде концентрических колец с переменной вдоль окружности шириной. Кроме того, штрихи решетки выполнены в виде углублений в поверхностном слое пластины с глубиной не превышающей h = λ/2(n-1), для светофильтра, работающего на пропускание, или не превышающей h = λ/4 для светофильтра, работающего на отражение, где λ длина волны излучения, n - коэффициент преломления материала поверхностного слоя.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующим графическим материалом.

На фиг. 1 представлен светофильтр оптического излучения переменной плотности.

На фиг.2 представлено поперечное сечение светофильтра в областях А и В, показанных на фиг.1.

На фиг. 3 приведены зависимости коэффициента пропускания светофильтра от скважности решетки.

На фиг. 4 показан вариант исполнения светофильтра на основе линейной решетки.

Предложенный светофильтр (фиг. 1) состоит из оптической подложки 1 с поверхностным слоем, выполненным в виде дифракционной решетки 2, с шириной штрихов изменяющейся в зависимости от угла θ вращения пластины. Ось вращения 3 пластины 1 совмещена с центром дифракционной решетки, которая выполнена в виде набора концентрических колец, с переменной вдоль окружности шириной. Штрихи решетки выполнены в виде углублений в поверхностном слое пластины с глубиной не превышающей h = λ/2(n-1), для светофильтра, работающего на пропускание, или не превышающей h = λ/4 для светофильтра, работающего на отражение, где λ - длина волны оптического излучения, n - коэффициент преломления материала поверхностного слоя. Вид штрихов решетки в поперечных сечениях А и Б показан на фиг. 2. Период кольцевой решетки Т и глубина штрихов h в обеих сечениях одинаковая, а ширина штрихов d₁ и d₂ лежит в пределах от нуля до T/2. Оптические оси входного светового потока I_m и выходного светового потока I_o находятся в одной плоскости, но по разные стороны пластины 1. Оптические оси светового потока дифракционных порядков с интенсивностью I_-1 и I₊₁ (более высокие дифракционные порядки на фиг. 1 не показаны), лежат в плоскости выходного светового потока и наклонены под углом α_k к оптической оси выходного светового потока.

Световой поток проходя дифракционную решетку (ДР) разлагается в угловой спектр на ряд дифракционных порядков [2]. Нулевой порядок дифракции с интенсивностью I_o, не изменяет направления распространения, а боковые дифракционные порядки с интенсивностью I_k, распространяются под углами α_k= nλ/T к оптической оси (фиг. 1), где k номер дифракционного порядка, T - период штрихов решетки λ длина волны оптического излучения.

Интенсивность излучения на выходе из ДР с прямоугольной формой штрихов описывается выражениями [5]:


где I_m - интенсивность света на входе решетки, Q = d/T - скважность решетки, d - ширина штриха ДР ϕ и t - соответственно, фазовый сдвиг и амплитудный коэффициент пропускания штриха решетки.

Из выражений (2) видно, что распределение интенсивности выходного излучения зависит от геометрических параметров штрихов решетки и длины волны света λ. Таким образом, изменяя параметры вдоль одной из координат ДР можно управлять величиной выходного излучения. Предлагаемый светофильтр представляет собой круговую дифракционную решетку с постоянным периодом штрихов. Ширина штрихов решетки изменяется в зависимости от угла поворота ϑ как показано на фиг. 1.

Изменение ширины штриха решетки и приводит к изменению коэффициента пропускания предлагаемого светофильтра равного
η = I_o/I_in. (3)
Регулировка выходного излучения достигается вращением светофильтра относительно оси, проходящей через центр пластинки. Нулевой порядок дифракции I_o не изменяет направления распространения и не имеет ограничений по дифракционной эффективности (если Q=0, то из выражения (2) следует, что I_in = I_o) и поэтому предполагается использовать как выходной. Боковые дифракционные порядки, распространяющиеся под углами к оптической оси необходимо экранировать. Для изменения коэффициента пропускания светофильтра, пластину 1 необходимо вращать относительно оси 3.

Используемая в светофильтре ДР может быть как амплитудная так и фазовая. Фазовая решетка не поглощает излучение (t=1), а перераспределяет его по дифракционным порядкам. Это позволяет управлять очень большими мощностями излучения, например, технологических лазеров. В фазовой решетке штрихи 2 выполнены в виде рельефных углублений в поверхностном слое пластины 1. Методом фотолитографии [5] технически проще изготовить фазовую решетку с прямоугольным профилем штрихов. Коэффициент пропускания светофильтра на основе фазовой ДР зависит от скважности Q и фазового сдвига ϕ вносимого штрихами и определяется выражением
η = [(1-Q)²+Q²+2Q(1-Q)cos(ϕ)] (4)
Если светофильтр работает на пропускание, то фазовый сдвиг ϕ связан с глубиной h штрихов решетки выражением: ϕ = h(n-1)2π/λ, где n - коэффициент преломления материала решетки. Если же светофильтр работает на отражение, то фазовый сдвиг ϕ связан с глубиной h штрихов решетки выражением: ϕ = (h/2)2π/λ. Из выражения (4) следует, что при изменении фазового сдвига ϕ от 0 до π коэффициент пропускания светофильтра будет соответственно изменяться от η = 1 (полное пропускание) до минимума, определяемого величиной скважности Q.

На фиг. 2 показаны два поперечных сечения (области А и Б на фиг. 1) предлагаемого светофильтра с ДР с прямоугольной формой штрихов в поверхностном слое. Штрихи решетки выполнены в виде углублений в поверхностном слое пластины.

На фиг. 3 показаны зависимости коэффициента пропускания предлагаемого светофильтра от величины скважности Q, рассчитанные по формуле (4) для различных значений фазового сдвига вносимого решеткой. Видно, что при ϕ = π (или 180^o) диапазон изменения пропускания светофильтра наиболее широкий: от η = 1 (полное пропускание) при Q=0 до η = 0 (полное отсутствие пропускания) при Q = 0,5. В этом случае выражение (4) для коэффициента пропускания светофильтра имеет вид:
η = (1-2Q)² (5)
Если необходимо иметь заданную функцию f(ϑ) изменения коэффициента пропускания светофильтра в зависимости от угла поворота ϑ, то ширина штрихов d решетки должна меняться по следующему закону:

Наиболее часто на практике используется линейная или логарифмическая зависимость коэффициента пропускания светофильтра от угла поворота . Например, если f(ϑ) = lg(ϑ), то подставляя выражение (6) в (5) получим η = lg(ϑ), т.е. логарифмическую зависимость коэффициента пропускания светофильтра.

Возможны другие варианты выполнения светофильтра. Возможен вариант выполнения светофильтра с радиальными штрихами, ширина которых изменяется вдоль угла поворота ϑ. Однако период такой решетки будет меняться от центра к периферии, что затрудняет разделение дифракционных порядков на выходе светофильтра. Другой вариант выполнения светофильтра показан на фиг. 4. В этом случае решетка имеет линейную форму с постоянным периодом Т, а ширина штрихов изменяется вдоль направления перемещения пластины, которое показано стрелкой. Изменение коэффициента пропускания светофильтра осуществляется линейным перемещением пластины с решеткой. Однако, такой светофильтр будет иметь большие габариты и по сравнению с основным вариантом (фиг. 1), линейное перемещение светофильтра технически труднее реализовать. Основные преимущества предлагаемого технического решения заключаются в следующем. По сравнению с известными светофильтрами переменной плотности предлагаемый светофильтр дешевле и проще в изготовлении. Это обусловлено тем, что в предлагаемом светофильтре поверхностный слой, выполненный в виде ДР, изготавливается методом фотолитографии [5]. Этот метод изготовления значительно проще по сравнению с методом шлифовки стекла, использованном при изготовлении светофильтра состоящего из двух клиньев [1] иди управляемого вакуумного напыления, использованного для изготовления светофильтра с покрытием переменной толщины [3]. Фотолитографический метод изготовления позволяет изготавливать ДР с произвольной формой штрихов в отличие от интерференционного, примененного в [4]. Это дает возможность легко формировать заданную и воспроизводимую функцию пропускания светофильтра.

Предлагаемый светофильтр обеспечивает принципиально новые возможности применения, отсутствующие у известных аналогов - возможность регулировки излучения с очень большой плотностью мощности. Это дает возможность использовать предлагаемый светофильтр в лазерных технологических установках для регулировки выходного излучения.

Источники информации
1. Справочник конструктора оптико-механических приборов /В.А. Панов и др. - Л., Машиностроение, 1980, стр.47.

2. Г.С. Ландсберг. Оптика, - М., Наука, 1976, стр. 563.

3. Melles Griot. Optics Guide 5. Каталог продуктов производимых фирмой Melles Griot), Germany D-6100, Darmstadt, 1990, стр. 11-23.

4. Патент США N 4062628, G 02 B 5/22. Black-and white diffractive subtractive light filter.

5. B. H.Котлецов. Микроизображения. Оптические методы получения и контроля. Л., Машиностроение, 1985, стр. 210.

Светофильтр состоит из пластины оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде дифракционной решетки. Штрихи дифракционной решетки выполнены в виде концентрических колец с переменной вдоль окружности шириной. Штрихи решетки могут быть выполнены в виде углублений в поверхностном слое пластины с глубиной, не превышающей h = λ/2(n-1) для светофильтра, работающего на пропускание, или не превышающей h = λ/4 для светофильтра, работающего на отражение, где - λ длина волны оптического излучения, n - коэффициент преломления материала поверхностного слоя. Обеспечивается возможность управления излучением в большом диапазоне мощностей и воспроизводимость закона изменения коэффициента пропускания. 1 з.п.ф-лы. 4 ил.

1. Светофильтр оптического излучения переменной плотности, состоящий из пластины оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде дифракционной решетки, отличающийся тем, что штрихи дифракционной решетки выполнены в виде концентрических колец с переменной вдоль окружности шириной. 2. Светофильтр оптического излучения переменной плотности по п.1, отличающийся тем, что штрихи решетки выполнены в виде углублений в поверхностном слое пластины с глубиной, не превышающей h = λ/2(n-1) для светофильтра, работающего на пропускание, или не превышающей h = λ/4 для светофильтра, работающего на отражение, где λ длина волны оптического излучения, n - коэффициент преломления материала поверхностного слоя.