ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 2000 года по МПК G02B5/10 G02B17/06 

Изобретение относится к лазерной технике и может использоваться при обработке материалов, в том числе биологических тканей.

Известна оптическая система, используемая в стоматологических контактных наконечниках (Патент DE 4212391, опубл. 14.10.93 г.) и состоящая из источника излучения, нескольких сферических поверхностей и плоского наклонного зеркала, предназначенного для ввода излучения в оптическое волокно с разворотом оси этого излучения на угол 90^o. Недостатком этой системы является наличие нескольких линзовых оптических элементов и, как следствие, наличие френелевских потерь лазерного излучения при прохождении границ раздела стекло-воздух.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению и принятой за прототип является оптическая система ввода излучения (Патент США 5136417, опубл. 04.08.92 г.) состоящая из сферического зеркального фокусирующего элемента, смещенного относительно оптической оси, и линзового компонента, корректирующего внеосевые абберации (прежде всего астигматизм на оси и кому). Недостатком прототипа является также наличие нескольких оптических элементов и дополнительные потери при передаче энергии лазерного излучения в плоскость приемника.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности передачи энергии лазерного излучения и обеспечении максимальной плотности энергии излучения в плоскости изображения.

Указанная задача решается при осуществлении изобретения за счет технического результата, заключающегося в получении стигматического изображения приосевых точек действительного предмета, относительно которого оптические элементы расположены со смещением и разворотом на любом конечном расстоянии.

Указанный технический результат достигается тем, что в оптической системе, содержащей источник излучения и смещенный относительно него оптический элемент, поверхность которого является поверхностью второго порядка, оптический элемент выполнен в виде обращенного своей вогнутостью к источнику излучения зеркального эллиптического параболоида, параметры p и q в уравнении которого

связаны соотношением 1,5 < q/p < 2,3, вершина эллиптического параболоида смещена с оси падающего излучения на расстояние не более величины заднего отрезка, а угол наклона оси эллиптического параболоида α к оси падающего излучения и угол отклонения оси падающего излучения β удовлетворяют условию: 90^°-α < β < 280^°-3α.
Использование предлагаемого устройства для транспортировки излучения в виде одной нецентрированной зеркальной поверхности позволяет избежать, с одной стороны, френелевские переотражения лазерного излучения, что ведет к уменьшению величины паразитного излучения на приемнике, с другой стороны, уменьшает потери проходящего излучения, вызванные наличием нескольких поверхностей раздела сред с разной оптической плотностью.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 схематично изображен ход лучей в предлагаемой оптической системе. В качестве источника излучения выбран выходной торец 1 волокна 2 с диаметром D сердцевины (в качестве источника излучения может быть выбрано также и выходное окно лазера). После отражения от внутренней зеркальной поверхности зеркальной поверхности эллиптического параболоида 3 лучи приходят в плоскость изображения 4, где можно расположить при необходимости входной торец оптического волокна 5 с сердцевиной диаметром d, превышающим величину изображения источника излучения в данной плоскости или обрабатываемый материал. На фиг. 2 приведены графики аберраций конкретной оптической системы, которая работает следующим образом.

Пучок лучей выходит из торца 1 оптического волокна 2 с угловой расходимостью, соответствующей числовой апертуре этого волокна NA. Отразившись от зеркальной поверхности 3, пучок фокусируется в плоскости изображения 4. Источник излучения расположен от зеркала 3 на расстоянии S. Астигматизм, вызванный наклонным падением осевого пучка на зеркало 3, что обусловлено разворотом и смещением последнего с оси падающего излучения, компенсируется астигматизмом, возникающим при отражении гомоцентрического пучка от элемента поверхности зеркала 3, который в точке падения имеет в меридиональном и сагитальном сечениях разные кривизны. Величина смещения зеркала выбирается такой, чтобы исключить виньетирование падающего на него излучения контурами приемника или обрабатываемого предмета.

Расчеты и экспериментальные исследования, проведенные авторами, показали, что стигматическое изображение осевой точки источника излучения при заданных угле разворота пучка α, расстоянии до источника S и расстоянии от точки излома этой оси до плоскости изображения S', обеспечивается при соблюдении определенных соотношений между параметрами в уравнении (1) поверхности зеркала 3, ее разворотом β и смещением Y_p.

Расчеты и исследования проводились как для излучения, выходящего из волокна, так и когерентного лазерного излучения. Для разных сочетаний размера и числовой апертуры источника излучения, когда произведение D (мм) на NA не превышает величины 0,1, и расстояний S в пределах от 6 до 50 мм отношение p/q параметров уравнения (1) находятся в пределах 1,5 < p/q <<2,3.

В качестве примера на фиг. 2 представлены графики аберраций зеркального эллиптического параболоида, описываемого уравнением:
2,13817X² + Y² = -2•9,2757Z (2)
и предназначенного для фокусировки излучения либо непосредственно на обрабатываемом материале, либо через посредство сменного волоконного элемента, где X', Y' и u' - соответственно поперечные и угловые координаты в плоскости изображения. Аберрации расчитаны для следующих условий: S = -13 мм, D = 0,5 мм, NA = 0,05, α = 80^o, β = 30^o, S' = 5,4 мм, Yρ = 2,6166 мм.

Из приведенных графиков видно, что в предлагаемой оптической системе при передаче излучения в плоскость обработки можно устранить астигматизм на оси и свести до минимума осевую кому в обоих сечениях осевого пучка. Это обеспечивает одинаковое увеличение системы как в меридиональной, так и в сагиттальной плоскостях, а также гомоцентричность пучка в пространстве изображений и, как следствие, максимальную плотность излучения в плоскости его фокусировки.

Изготовление поверхности 3 (или ее работающей части) происходит методом холодной штамповки с помощью предварительно изготовленного пуансона, рабочая поверхность которого в виде заданного внешнего эллиптического параболоида получена на станке с программным управлением.

Оптическая система содержит источник излучения и смещенный относительно оси падающего излучения оптический элемент. Оптический элемент выполнен в виде обращенного своей вогнутостью к источнику излучения зеркального эллиптического параболоида. Вершина эллиптического параболоида смещена с оси падающего излучения на расстояние не более величины заднего отрезка. Угол наклона оси эллиптического параболоида β к оси падающего излучения и угол отклонения оси падающего излучения α удовлетворяют условию: 90^°-α < β < 280^°-3α. Параметры р и q в уравнении эллиптического параболоида (х²/р + у²/q) = 2z связаны соотношением 1,5 < q/p <2,3. Обеспечивается повышение эффективности передачи энергии лазерного излучения и ее максимальной плотности в плоскости изображения. 2 ил.

Оптическая система, содержащая источник излучения и смещенный относительно оси падающего излучения оптический элемент, поверхность которого является поверхностью второго порядка, отличающаяся тем, что оптический элемент выполнен в виде обращенного своей вогнутостью к источнику излучения зеркального эллиптического параболоида, параметры p и q в уравнении которого

связаны соотношением 1,5 < q/p < 2,3, вершина эллиптического параболоида смещена с оси падающего излучения на расстояние не более величины заднего отрезка, а угол наклона оси эллиптического параболоида β к оси падающего излучения и угол отклонения оси падающего излучения α удовлетворяют условию 90^°- α < β < 280^°- 3α.