СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ СВЕТОВЫХ ПОТОКОВ В ВОЛНОВОДАХ Российский патент 2000 года по МПК G02B6/125 

Предлагаемый способ относится к области оптоэлектронной технике и может быть использован для построения систем отображения информации и преобразующих устройств.

Известны способы объединения световых потоков, например способы, рассмотренные в книгах: Г. П. Катыс и др., Модуляция и отклонение оптического излучения, изд. Наука, М., 1967 г., стр. 44 и Суэмацу Я. и др. Основы оптоэлектроники, изд. Мир, М. , 1988 г., стр. 133 - 135; в заявке Франции N 2686203, H 04 J 14/00, 1994 г., Оптическая система распределения сигналов.

К ближайшему аналогу можно отнести способ, описанный в книге: Суэмацу Я. и др. Основы оптоэлектроники, изд. Мир, М., 1988 г., стр. 133-135.

Аналог имеет следующие недостатки:
1. Низкая эффективность объединения световых потоков, принципиально не превышающая 50%.

2. Высокая помеха, создаваемая теряемыми световыми потоками.

Эти недостатки обусловлены способом объединения световых потоков в общую площадь поперечного сечения через полупрозрачное зеркало (см. фиг. 4) или через планарное волноводное соединение, где половина световых потоков обратно отражается и распространяется в противоположные стороны ко входам, а не к выходу, как это показано на фиг. 5.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение эффективности уплотнения световых потоков с сокращением помех.

Для достижения цели предлагаемый способ содержит процесс объединения световых потоков, распространяющихся в планарных волноводах посредством полных внутренних отражений под углом падения 45^o, при котором световой поток из первого и второго планарных волноводов вводят через соответственно первую и вторую контактные поверхности в третий планарный волновод; процесс формирования и распространения уплотненного светового потока по четвертому планарному волноводу с показателем преломления n₁ посредством полных внутренних отражений под углом падения 45^o, для чего световой поток из третьего планарного волновода с показателем преломления n₂ вводят в четвертый планарный волновод через плоскую торцевую поверхность, расположенную под углом ϕ к поверхности, перпендикулярной к граням четвертого волновода, причем для уплотнения световых потоков соотношение показателей преломления первого n₁ и третьего n₂ планарного волноводов выбирают таким образом, чтобы преломленный световой поток после полного внутреннего отражения в первом волноводе падал на нижнюю половину поверхности торца третьего волновода, перпендикулярного к направлению его граней, а световой поток из второго планарного волновода с показателем преломления n₁ вводят в третий волновод с обеспечением падения преломленного светового потока на верхнюю половину поверхности того же торца третьего волновода; и процессы дальнейшего уплотнения световых потоков с чередованиями зеркальных падений световых потоков на поверхности торцов волноводов.

Изложенная сущность поясняется вариантом реализации способа устройством, изображенным на чертежах, где:
на фиг.1 изображен вариант устройства уплотнения световых потоков в волноводах, содержащий первый планарный волновод с показателем преломления n₁ - 1, второй планарный волновод с показателем преломления n₁ - 2, третий планарный волновод с показателем преломления n₂ - 3, четвертый планарный волновод с показателем преломления n₁ - 4, пятый планарный волновод с показателем преломления n₁ - 5, шестой планарный волновод с показателем преломления n₂ - 6, седьмой планарный волновод с показателем преломления n₁ - 7, контактные поверхности для соединения волноводов оптическим клеем - 8, 9, 10, 11, 12, 13, на фиг. 1 обозначены: I₁, I₂, I₃ - интенсивности первого, второго и третьего световых потоков, I₀=I₁+I₂+I₃ - общий суммарный световой поток, ϕ - угол наклона поверхности торца относительно поверхности, перпендикулярной к граням волновода;
на фиг. 2 изображен планарный волновод - 14, поверхности обоих торцов которого перпендикулярны к граням волновода, на фиг. 2 обозначены: a - ширина волновода, b - высота волновода, c - длина волновода;
на фиг. 3 изображен планарный волновод - 15, поверхность одного торца которого наклонена на угол ϕ относительно поверхности, перпендикулярной к граням волновода, поверхность другого торца перпендикулярна к граням волновода, на фиг. 3 обозначены: d - ширина волновода, e - высота волновода, f - длина волновода, g - высота наклонной поверхности торца волновода, h - высота порога торца, поверхность которого перпендикулярна к граням волновода, значение h определяется из условия равенства g=e=b;
на фиг. 4 изображена схема объединения световых потоков ближайшего аналога, содержащая волновод для первого светового потока - 16, волновод для второго светового потока - 17, волновод общего объединенного светового потока - 18, полупрозрачное зеркало - 19, на фиг. 4 обозначены: I₁ - интенсивность первого светового потока, I₂ - интенсивность второго светового потока, I₀ ≅ 0,5(I₁+I₂) - интенсивность объединенного выходного светового потока, I_п ≅ 0,5(I₁+I₂) - интенсивность теряемого светового потока;
на фиг. 5 изображен другой вариант аналога объединения световых потоков, содержащий волновод для первого светового потока - 20, волновод для второго светового потока - 21, волновод для объединенного светового потока - 22, поверхности соединения волноводов оптическим клеем - 23, на фиг. 5 обозначены: I₁, I₂ - интенсивности первого и второго световых потоков, I₀ ≅ 0,5(I₁+I₂) - интенсивность объединенного выходного светового потока, I_п ≅ 0,5(I₁+I₂) - интенсивность теряемых световых потоков, показанных пунктирными линиями.

Вариант устройства, реализующий предлагаемый способ, функционирует следующим образом.

Приблизительно параллельные световые потоки красного, зеленого и синего (λ₁ = 0,65 мкм, λ₂ = 0,54 мкм, λ₃ = 0,44 мкм) цветов с интенсивностями I₁, I₂, I₃ вводят соответственно в первый - 1, второй - 2 и пятый - 5 волноводы с углом падения, обеспечивающим распространение световых потоков посредством полных внутренних отражений под углом падения 45^o при показателе преломления волноводов n₁≥2.

Световой поток красного цвета через контактную поверхность - 8 преломляется в волноводе - 3, один раз отражается и проецируется (падает) на нижнюю половину поверхности торца волновода. Такое сужение светового потока обеспечивается разными значениями показателей преломления первого и третьего волноводов, например n₁=2,18 и n₂=1,5 (или n₁=2, n₂=1,44). Световой поток зеленого цвета, распространяющийся по волноводу - 2, преломляется через контактную поверхность - 9, находящуюся у торца волновода, и непосредственно проецируется на верхнюю половину поверхности торца волновода - 3.

Уплотненные световые потоки красного и зеленого цветов через контактную поверхность - 12 преломляются в волноводе - 4 с показателем преломления n₁, при этом волновод - 4 наклонной поверхностью торца контактно соединяется с торцом волновода - 3 под углом ϕ, обеспечивающим распространение уплотненных световых потоков по волноводу - 4 посредством полных внутренних отражений под углом падения 45^o.

Уплотненный световой поток через контактную поверхность - 10 преломляется в волноводе - 6 с показателем преломления n₂ и через одно отражение проецируется на верхнюю половину поверхности торца волновода - 6. Световой поток синего цвета, распространяющийся по волноводу - 5, преломляется через контактную поверхность - 11, находящуюся у торца волновода, и непосредственно проецируется на нижнюю половину поверхности торца волновода - 6. Таким образом уплотняются все три световых потока. Уплотненные световые потоки преломляются через контактную поверхность - 13 в волноводе - 7, соединенном наклонной поверхностью торца с поверхностью торца волновода - 6 под углом ϕ , обеспечивающим распространение уплотненных световых потоков посредством полных внутренних отражений под углом 45^o.

Такой способ уплотнения световых потоков увеличивает эффективность объединения в два раза по сравнению с аналогом.

Работоспособность устройства в реализации предлагаемого способа подтверждают результаты экспериментальных исследований.

Способ используется в системах отображения информации и преобразователях. Способ содержит процесс объединения световых потоков, распространяющихся в планарных волноводах посредством полных внутренних отражений под углом падения 45°. Световой поток из первого и второго планарных волноводов вводят через соответственно первую и вторую контактные поверхности в третий планарный волновод. Для формирования и распространения уплотненного светового потока по четвертому планарному волноводу с показателем преломления n₁ посредством полных внутренних отражений под углом падения 45^o световой поток из третьего планарного волновода с показателем преломления n₂ вводят в четвертый планарный волновод через плоскую торцевую поверхность, расположенную под углом ϕ к поверхности, перпендикулярной к граням четвертого волновода. Для уплотнения световых потоков соотношение показателей преломления первого n₁ и третьего n₂ планарного волноводов выбирают таким образом, чтобы преломленный световой поток после полного внутреннего отражения в первом волноводе падал на нижнюю половину поверхности торца третьего волновода, перпендикулярного к направлению его граней, а световой поток из второго планарного волновода с показателем преломления n₁ вводят в третий волновод с обеспечением падения преломленного светового потока на верхнюю половину поверхности того же торца третьего волновода. Далее осуществляют уплотнения световых потоков с чередованиями зеркальных падений световых потоков на поверхности торцов волноводов. Увеличена эффективность уплотнения, уменьшены помехи в волноводах. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ уплотнения световых потоков в волноводах, содержащий процесс объединения световых потоков, распространяющихся в планарных волноводах посредством полных внутренних отражений под углом падения 45^o, при котором световой поток из первого и второго планарных волноводов вводят через соответственно первую и вторую контактные поверхности в третий планарный волновод, отличающийся тем, что включает процесс формирования и распространения уплотненного светового потока по четвертому планарному волноводу с показателем преломления n₁ посредством полых внутренних отражений под углом падения 45^o, для чего световой поток из третьего планарного волновода с показателем преломления n₂ вводят в четвертый планарный волновод через плоскую торцевую поверхность, расположенную под углом ϕ к поверхности, перпендикулярной к граням четвертого волновода, причем для уплотнения световых потоков соотношение показателей преломления первого n₁ и третьего n₂ планарных волноводов выбирают таким образом, чтобы преломленный световой поток после полного внутреннего отражения в первом волноводе падал на нижнюю половину поверхности торца третьего волновода, перпендикулярного к направлению его граней, а световой поток из второго волновода с показателем преломления n₁ вводят в третий волновод с обеспечением падения преломления светового потока на верхнюю половину поверхности того же торца третьего волновода. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает процессы дальнейшего уплотнения световых потоков с чередованиями зеркальных падений световых потоков на поверхности торцов волноводов.