ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G02B5/18 G02B27/44 

Дифракционная решетка, предназначенная для построения дифракционных изображений неточечного немонохроматического источника света, расположенного на конечном расстоянии x_s от дифракционной решетки, при этом изображения расположены в узлах сетки с прямоугольными ячейками с пределом допускаемого отклонения углов ячеек сетки от прямого величиной в ±10° таким образом, что расстояние между изображениями, соответствующими порядкам дифракции, отличающимся на единицу, не превышает половины диаметра D сферы, описывающей источник света, а также способ изготовления такой дифракционной решетки.

Здесь и далее под узлом понимается точка пересечения воображаемых линий, формирующих сетку с прямоугольными ячейками.

Данная дифракционная решетка может применяться в качестве оптического элемента, предназначенного для создания декоративных оптических эффектов при работе осветительных приборов.

В настоящее время известны дифракционные решетки, предназначенные для разложения света в спектр и измерения длин волн, например дифракционная решетка [1], представляющая собой плоскую стеклянную или металлическую поверхность, на которую делительной машиной нанесены штрихи.

Наиболее близким аналогом изобретения является дифракционная решетка [1], взятая в качестве прототипа, содержащая стеклянную пластину с нанесенными на нее штрихами.

Недостатком этой дифракционной решетки является то, что она не позволяет строить дифракционные изображения неточечного немонохроматического источника света, расположенного на конечном расстоянии x_s, мм от поверхности дифракционной решетки, таким образом, чтобы изображения располагались в узлах сетки с прямоугольными ячейками с пределом допускаемого отклонения углов ячеек сетки от прямого величиной в ±10° с расстоянием между изображениями, соответствующими порядкам дифракции, отличающимся на единицу, не превышающем половины диаметра сферы D, описывающей источник света.

Задачей изобретения является построение дифракционных изображений неточечного немонохроматического источника света, расположенного на конечном расстоянии x_s, мм от поверхности дифракционной решетки, таким образом, чтобы изображения располагались в узлах сетки с прямоугольными ячейками с пределом допускаемого отклонения углов ячеек сетки от прямого величиной в ±10° с расстоянием между изображениями, соответствующими порядкам дифракции, отличающимся на единицу, не превышающем диаметра сферы D, описывающей источник света.

Поставленная задача в соответствии с заявляемым изобретением решается тем, что штрихи на дифракционной решетке нанесены в двух взаимно ортогональных направлениях с пределом допускаемого отклонения угла между штрихами, нанесенными в разных направлениях, от прямого угла величиной ±10°, и пространственная частота штрихов в каждом направлении не превышает величины f=2D/(λx_s) линий на миллиметр, где λ - коэффициент, равный 0,00038 мм.

При этом дифракционная решетка может быть фазовой дифракционной решеткой или амплитудной дифракционной решеткой, или амплитудно-фазовой дифракционной решеткой.

При этом дифракционная решетка может иметь такой профиль штрихов, что, по меньшей мере, формирует изображения, соответствующие порядкам дифракции от минус второго до второго включительно.

Известны способы изготовления дифракционных решеток с помощью делительной машины [1] и с помощью регистрации фотографическим способом интерференционной картины двух когерентных источников света [2].

Наиболее близким аналогом способа изготовления дифракционной решетки является способ, заключающийся в регистрации фотографическим способом интерференционной картины, возникающей на фотопластинке при освещении ее излучением двух когерентных точечных источников света [2], расположенных в одной плоскости, параллельной плоскости фотопластинки.

Недостатком этого способа является то, что он не позволяет получить дифракционную решетку со штрихами, нанесенными в двух взаимно ортогональных направлениях.

Задачей изобретения является создание способа изготовления дифракционной решетки, предназначенной для построения дифракционных изображений неточечного немонохроматического источника света, расположенного на конечном расстоянии x_s, мм от поверхности дифракционной решетки, таким образом, чтобы изображения располагались в узлах сетки с прямоугольными ячейками с пределом допускаемого отклонения углов ячеек сетки от прямого величиной в ±10° с расстоянием между изображениями, соответствующими порядкам дифракции, отличающимся на единицу, не превышающем диаметра сферы D, описывающей источник света, со штрихами, расположенными в двух взаимно ортогональных направлениях, с пределом допускаемого отклонения угла между штрихами, нанесенными в разных направлениях, от прямого угла величиной ±10°, и пространственной частотой штрихов в каждом направлении, не превышающей величины f=2D/(λx_s) линий на миллиметр, где λ - коэффициент, равный 0,00038 мм.

Поставленная задача решается тем, что голографическую фотопластинку экспонируют в световом поле двух когерентных источников света и затем проявляют в соответствии с заявляемым изобретением, расстояние между двумя когерентными источниками света и расстояние от прямой линии, соединяющей когерентные источники света, до поверхности фотопластинки выбирают такими, что пространственная частота интерференционных полос в плоскости фотопластинки не превышает заданной величины f линий на миллиметр, и экспонирование осуществляется в два приема с приблизительно равной экспозицией, при этом после первой экспозиции голографическую фотопластинку поворачивают на угол, лежащий в пределах от 80 до 100°, вокруг нормали к поверхности фотопластинки и после этого осуществляют вторую экспозицию.

На существующем уровне техники не обнаружено аналогичных технических решений, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленных технических решений, критериям “новизна” и “изобретательский уровень”.

Фиг.1 - схема хода лучей через дифракционную решетку.

Фиг.2 - пример схемы установки для реализации способа изготовления дифракционной решетки.

На фиг.1 применены следующие обозначения: 1 - дифракционная решетка; 2 - неточечный источник излучения, дифракционные изображения которого строит дифракционная решетка 1; 3 - сфера, описывающая неточечный источник излучения.

На фиг.2 применены следующие обозначения: 1 - оптический квантовый генератор; 2 - затвор; 3 - светоделительное устройство; 4 - зеркало; 5, 7 - микрообъектив; 6, 8 - микродиафрагма; 9 - фотопластинка; 10 - оправа; 11 - поворотное приспособление.

В соответствии с изображением на фиг.1 дифракционная решетка строит дифракционные изображения следующим образом.

Пусть дифракционная решетка 1 рассматривается в декартовой системе координат с центром, совпадающим с центром дифракционной решетки, ось Х направлена нормально к поверхности дифракционной решетки от источника излучения 2 к поверхности дифракционной решетки, ось Y лежит в плоскости дифракционной решетки и составляет угол 90° со штрихами дифракционной решетки, ось Z направлена перпендикулярно плоскости рисунка так, что оси образуют правую систему координат, то есть ось Z направлена от наблюдателя.

Штрихи дифракционной решетки, направленные перпендикулярно оси Y, именуются в дальнейшем “вертикальные штрихи”, а штрихи дифракционной решетки, направленные перпендикулярно оси Z, именуются в дальнейшем “горизонтальные штрихи”.

Неточечный источник излучения 2 вписан в сферу 3 диаметром D.

Неточечный источник излучения можно представить в виде совокупности точечных источников излучения, соприкасающихся друг с другом.

Один из точечных источников S этой совокупности соприкасается с упомянутой выше сферой диаметром D. Он находится в точке пересечения оси Х и прямой, проходящей через центр сферы и направленной перпендикулярно оси Х и параллельно оси Y.

В соответствии с [3] угол дифракции θ лучей с длиной волны λ на дифракционной решетке с пространственной частотой штрихов f, соответствующий первому порядку дифракции, определяется следующим выражением:

где λ - длина волны падающего излучения;

f - пространственная частота штрихов дифракционной решетки, величина, обратная периоду штрихов;

θ₀ - угол падения луча на дифракционную решетку.

После выражения угла θ₀ падения луча на дифракционную решетку через координаты точки (x_s, 0), соответствующей положению точечного источника S в выбранной системе координат, и точки (0, у_r), соответствующей произвольно выбранной точке падения луча на дифракционную решетку, в выбранной системе координат формула (1) принимает следующий вид:

Ординату у_s’ точки с координатами (x_s’, y_s’), соответствующей положению изображения S’, соответствующего первому порядку дифракции лучей, распространяющихся от точечного источника S, можно найти как ординату точки пересечения прямых линий, вдоль которых распространяются два произвольно выбранных луча, исходящих из источника S и дифрагировавших на дифракционной решетке [4].

Для нахождения y_s’ выбираются следующие лучи: луч, проходящий через начало координат (первый луч), и луч, проходящий через любую точку дифракционной решетки (0, y_d) с координатой у_d, отличной от нуля (второй луч), то есть величина у_r в формуле (2) для первого луча равна нулю, для второго луча величина у_r равна ординате y_d точки падения второго луча на дифракционную решетку.

Уравнение прямой, вдоль которой распространяется первый луч после дифракции на дифракционной решетке, имеет вид

где θ₁ - угол дифракции первого луча на дифракционной решетке, а уравнение прямой, вдоль которой распространяется второй луч после дифракции на дифракционной решетке, имеет вид

где θ₂ - угол дифракции второго луча на дифракционной решетке.

Искомая ордината y_s’ получается решением системы из уравнений (3) и (4):

После использования уравнения (2) для определения углов θ₁ и θ₂ и подстановки результатов в уравнение (5), после несложных преобразований получается, что

где

Для того чтобы изображения, построенные дифракционной решеткой в видимой части оптического спектра для разных порядков дифракции располагались в пространстве непрерывно для наиболее короткой длины волны видимой части оптического спектра, необходимо выполнение следующего неравенства:

где у_s’ - ордината изображения источника S, построенного на наиболее короткой длине волны видимой части спектра.

После разложения правой части уравнения (6) в степенной ряд до членов первого порядка включительно относительно пространственной частоты f дифракционной решетки получается уравнение прямой, аппроксимирующей зависимость координаты у_s’, от пространственной частоты дифракционной решетки f:

где O(f²) - член первого порядка малости, которым можно пренебречь. Уравнение (8) после отбрасывания члена первого порядка малости принимает вид:

С учетом (7) и (9), а также коэффициента, учитывающего допускаемую величину неперекрытия областей локализации изображений, соответствующих разным порядкам дифракции, равного 0,5 для случая, соответствующего задаче изобретения, когда расстояние между изображениями, соответствующими соседним порядкам дифракции, отличающимся на единицу, не превышает диаметра сферы, описывающей тело накала лампы накаливания, можно получить максимально допустимую пространственную частоту f дифракционной решетки для заданных условий применения, то есть для диаметра D сферы, описывающей неточечный источник света, для построения изображений которого предназначена дифракционная решетка, и расстояния x_s от поверхности дифракционной решетки до центра этой сферы:

где λ - коэффициент, равный 0,00038 мм.

Для дифракционной решетки, предназначенной для построения изображений источника света, вписывающегося в сферу, диаметром 10 мм, расположенного на расстоянии 55 мм от поверхности дифракционной решетки, получается максимально допустимая пространственная частота, равная 950 мм^-1. Такая дифракционная решетка может быть изготовлена фотоспособом, например, на фотопластинках, изготовленных по техническим условиям [5]. При этом в зависимости от химического процесса обработки фотопластинок получаются амплитудные, амплитудно-фазовые или фазовые дифракционные решетки.

Для того чтобы дифракционная решетка формировала изображения, соответствующие порядкам дифракции от минус второго до второго включительно, необходимо и достаточно, чтобы форма профиля штрихов дифракционной решетки была отличной от формы, описываемой гармонической функцией. Это следует из рассуждения, приведенного в [6], в результате которого показано, что дифракционная решетка формирует порядки дифракции от минус первого до первого включительно только в том случае, когда она является дифракционной решеткой Релея, то есть когда профиль ее штрихов имеет форму, описываемую гармонической функцией.

Форму штрихов, отличную от формы, описываемой гармонической функцией, можно получить, например, переэкспозицией фотопластинок в световом поле, созданном двумя когерентными точечными источниками. В этом случае нарушается пропорциональная связь между изменением оптических свойств фотопластинки и экспозицией фотопластинки [7, 8]. Происходит нелинейное искажение регистрируемой на фотопластинке картины распределения интенсивностей света первоначально описываемой гармонической функцией и, следовательно, форма штрихов перестает описываться гармонической функцией.

Совокупность горизонтальных штрихов дифракционной решетки 1 (фиг.1) строит дифракционные изображения неточечного источника света 2 аналогично приведенному выше описанию, с тем отличием, что изображения расположены не в направлении, параллельном оси Y, а в направлении, параллельном оси Z. Кроме того, совокупность горизонтальных штрихов решетки воздействует на излучение, идущее от мнимых изображений источника света 2, построенных совокупностью вертикальных штрихов решетки, совершенно так же, как на излучение самого источника света 2. В свою очередь совокупность вертикальных штрихов дифракционной решетки воздействует на излучение, идущее от мнимых изображений источника света 2, построенных совокупностью горизонтальных штрихов так же, как на излучение самого источника света 2. В результате все изображения, построенные дифракционной решеткой 1, располагаются в узлах сетки. Величина углов ячеек этой сетки равна углу между направлениями горизонтальных и вертикальных штрихов, так как дифракционные изображения всегда строятся в направлении, перпендикулярном направлению штрихов. Для того чтобы углы в ячейках сетки отличались от прямого не более чем на ±10° достаточно, чтобы угол между горизонтальными и вертикальными штрихами отличался от прямого на величину меньшую чем ±10°.

Таким образом, достигается задача изобретения, заключающаяся в построении дифракционных изображений неточечного немонохроматического источника света, расположенного на конечном расстоянии x_s, мм от поверхности дифракционной решетки, таким образом, чтобы изображения располагались в узлах сетки с прямоугольными ячейками с пределом допускаемого отклонения углов ячеек сетки от прямого величиной в ±10° с расстоянием между изображениями, соответствующими порядкам дифракции, отличающимся на единицу, не превышающем половины диаметра сферы D, описывающей источник света.

Способ изготовления дифракционной решетки может быть осуществлен, например, в установке, изготовленной по схеме, изображенной на фиг.2.

Излучение от квантового генератора 1 проходит через затвор 2, попадает на светоделительное устройство 3, где разделяется на каналы. Первый канал состоит из микрообъектива 5 и микродиафрагмы 6, формирующих точечный источник света S₁. Второй канал состоит из зеркала 4, микрообъектива 7 с микродиафрагмой 8. Во втором канале формируется точечный источник света S₂.

Два когерентных точечных источника света S₁ и S₂ формируют в плоскости фотопластинки 9, закрепленной в оправе 10, интерференционную картину, состоящую из системы параллельных полос, направленных перпендикулярно прямой линии, соединяющей эти источники света и параллельной плоскости фотопластинки. При этом расстояние между источниками света и расстояние от прямой линии, соединяющей источники света до поверхности фотопластинки, выбирается таким, чтобы пространственная частота интерференционных полос в плоскости фотопластинки не была большей, чем заданная частота f, рассчитанная в соответствии с выражением (10). Расчет пространственной частоты в зависимости от расстояния между источниками света и расстояния от прямой до поверхности дифракционной решетки может быть проведен, например, по формуле, приведенной в [2], с учетом того, что пространственная частота есть величина, обратная периоду изменения интенсивности интерференционной картины.

В соответствии с чувствительностью фотопластинок рассчитывается мощность экспонирующего излучения и время его воздействия на фотопластинку так, чтобы фотопластинка работала на нелинейном участке характеристической кривой [7, 8]. Далее открывается затвор 2 и в соответствии с результатами расчета экспозиции осуществляется экспонирование фотопластинки, после чего затвор 2 закрывается.

В поворотном приспособлении 11 осуществляется разворот фотопластинки вокруг нормали к ее поверхности на угол, лежащий в пределах от 80 до 100°, то есть на угол, равный (90±10)°.

Затвор 2 открывается, и производится повторное экспонирование фотопластинки 9, затвор 2 закрывается.

Осуществляется обработка фотопластинок химическими реактивами в соответствии с требованиями процесса проявления.

После обработки получается дифракционная решетка со штрихами, расположенными в двух взаимно перпендикулярных направлениях с пределом допускаемого отклонения угла между штрихами, нанесенными в разных направлениях, от прямого угла величиной ±10°, и пространственной частотой штрихов в каждом направлении, не превышающей заданной величины f линий на миллиметр. При этом в зависимости от процесса проявления возможно получение пропускающих амплитудных, фазовых или амплитудно-фазовых дифракционных решеток.

Изобретения этой группы могут быть применены промышленно в качестве оптических элементов, строящих изображение тела накала лампы накаливания, например, при создании осветительных приборов.

Источники:

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. М.: Наука. - 1980 г. - С.302 (прототип).

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. М.: Наука. - 1980 г. - С.194-195(прототип).

3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. М.: Наука. - 1980 г. - С.307.

4. Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х томах. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. - 3-е изд., испр. - М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит., 1988. - С.337.

5. ТУ 6-43-00205133-38-93. Пластинки фотографические высокоразрешающие ВР-П.

6. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. М.: Наука. - 1980 г. - С.338.

7. Яштольд-Говорко В.А. Фотоматериалы, их характеристика и применение. - М.: Искусство, 1954. - С.17-27.

8. Каценеленбоген Э. Свойства и применение фотографических материалов. - М.: Госкиноиздат, 1950. - С.18-22.

Заявлены дифракционная решетка и способ ее изготовления. Дифракционная решетка предназначена для построения дифракционных изображений неточечного немонохроматического источника света с размерами такими, что диаметр сферы, описанной вокруг источника света, равен D, и расположенного на расстоянии x_s, мм от поверхности дифракционной решетки. Штрихи на дифракционной решетке нанесены в двух взаимно перпендикулярных направлениях с пределом допускаемого отклонения угла между штрихами, нанесенными в разных направлениях, от прямого угла величиной ±10°, и пространственная частота штрихов в каждом направлении не превышает величины f=2D/(λx_s), где λ=0,00038. Способ изготовления дифракционной решетки по п.1 заключается в экспонировании в световом поле двух когерентных источников света и их проявке. Расстояние между источниками света и расстояние от прямой линии, соединяющей источники света, до поверхности фотопластинки выбирают такими, что пространственная частота интерференционных полос в плоскости фотопластинки не превышает заданной частоты f линий на мм, и экспонирование осуществляется в два приема с равной экспозицией. Технический результат - построение дифракционных изображений на конечном расстоянии от дифракционной решетки, чтобы изображения располагались в узлах сетки с прямоугольными ячейками. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Пропускающая дифракционная решетка, предназначенная для построения дифракционных изображений неточечного немонохроматического источника света, с размерами такими, что диаметр сферы, описанной вокруг источника света, равен D мм, и расположенного на расстоянии x_s мм от поверхности дифракционной решетки, отличающаяся тем, что штрихи на дифракционной решетке нанесены в двух взаимно перпендикулярных направлениях с пределом допускаемого отклонения угла между штрихами, нанесенными в разных направлениях, от прямого угла величиной ±10°, и пространственная частота штрихов в каждом направлении не превышает величины f=2D/(λx_s) линий на миллиметр, где λ - коэффициент, равный 0,00038 мм.2. Дифракционная решетка по п.1, отличающаяся тем, что является фазовой дифракционной решеткой, или амплитудной дифракционной решеткой, или амплитудно-фазовой дифракционной решеткой.3. Дифракционная решетка по п.1, отличающаяся тем, что имеет такой профиль штрихов, что, по меньшей мере, формирует изображения, соответствующие порядкам дифракции от минус второго до второго включительно.4. Способ изготовления дифракционной решетки по п.1, заключающийся в том, что голографическую фотопластинку экспонируют в световом поле двух когерентных источников света и затем проявляют, отличающийся тем, что расстояние между источниками света и расстояние от прямой линии, соединяющей источники света, до поверхности фотопластинки выбирают такими, что пространственная частота интерференционных полос в плоскости фотопластинки не превышает заданной частоты f линий на мм, и экспонирование осуществляется в два приема с равной экспозицией, при этом после первой экспозиции голографическую фотопластинку поворачивают на угол, лежащий в пределах 80-100°, вокруг нормали к поверхности фотопластинки и после этого осуществляют вторую экспозицию.