УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖАТИЯ-РАСШИРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ПУЧКА Российский патент 2004 года по МПК G02B27/09 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, предназначено для трансформирования изображений. Оно может быть использовано в приборах для регистрации колебательных процессов (светолучевых осциллографов, гравиметрах, сейсмографах, магнитометрах, звукозаписывающих и звуковоспроизводящих аппаратах), а также в полиграфии и кинотехнике.

Известны устройства для трансформирования изображений, содержащие пару преломляющих призм (Кожевников Ю.Г. Оптические призмы. Проектирование, исследование, расчет. М.: Машиностроение, 1984, с.39-41). Призмы ориентированы преломляющими углами в разные стороны и под углом одна к другой. В этих устройствах углы падения, преломления оптических пучков по каждой преломляющей грани призм не равны нулю. Поэтому оптический пучок испытывает трансформирование (сжатие-расширение) на каждой грани призмы. При этом, если на одной грани призмы происходит сжатие пучка, то на второй грани - расширение. В итоге коэффициент анаморфозы (степень сжатия или расширения) пучка снижается при его прохождении через призму и через устройство в целом.

Известно устройство для расширения-сжатия оптического пучка, содержащее оптический блок из пары прямоугольных призм, расположенных под углом друг к другу (заявка РФ №95109341, G 02 В 13/10), принятое за прототип. В этом устройстве оптический пучок (падающий и преломленный) направлен по нормали к одной из преломляющих граней каждой призмы. При прохождении этой грани оптический пучок не трансформируется, т.е. эта грань не оказывает отрицательного влияния на трансформацию пучка второй гранью призмы. В итоге коэффициент анаморфозы данного устройства в сравнении с вышеописанным повышается.

Основной недостаток прототипа заключается в том, что входной в устройство и выходной из устройства оптические пучки находятся не на одной оси. А это вызывает трудности при компоновке устройства в оптические схемы приборов, в которых все оптические пучки должны располагаться на одной оси. Возникает необходимость в дополнительных элементах, устраняющих вышеуказанный недостаток. Кроме этого данное устройство позволяет получить единственное значение коэффициента анаморфозы при постоянстве коэффициента преломления n материала призм, так как коэффициент анаморфозы определяется углом между призмами β=arctgn и преломляющим углом призмы

.

А это ограничивает возможности данного устройства.

Предлагаемым изобретением решается задача обеспечения соосности входного в устройство и выходного из устройства оптических пучков и придания устройству свойств оборачивающей системы.

Так как предлагаемое устройство кроме основной функции (сжатие-расширение оптического пучка) выполняет функции обеспечения соосности входных и выходных пучков, а также функцию оборачивания изображения, то это устройство упрощает оптические системы.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что устройство для сжатия-расширения оптического пучка, содержащее блок из пары призм, расположенных под углом друг к другу, в котором одна из граней каждой призмы перпендикулярна оптическому пучку, снабжено зеркалом, оптически связывающим призмы и закрепленным против преломляющих углов обеих призм параллельно оси входного оптического пучка, вторая по ходу оптического пучка призма повернута вокруг оси, образованной пересечением ее преломляющей грани с осью входного оптического пучка, так, что угол между одноименными гранями призм составляет β=arcsin(n·sinα)-α, где α - преломляющий угол призм, n - коэффициент преломления материала призм, β - угол между одноименными гранями призм.

Кроме того, преломляющий угол α выполнен равным

где “+” - знак при К≤1, “-” - знак при К≥1.

Отличительными признаками устройства для сжатия-расширения оптического пучка по сравнению с прототипом являются следующие: преломляющие углы двух призм направлены в одну сторону, против преломляющих углов призм закреплено плоское зеркало параллельно входному лучу, оптически связывающее две призмы, вторая по ходу пучка призма повернута вокруг оси, образованной пересечением ее преломляющей грани с осью входного пучка так, что угол между одноименными гранями призм составляет β=arcsin(n·sinα)-α.

Кроме того преломляющий угол призм выполнен равным

где “+” - знак при К≤1, “-” - знак при К≥1.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявленного технического решения и достигаемым техническим результатом заключается в следующем. В устройстве оптический пучок, проходя через одну из граней каждой призмы по нормали к этой грани, не преломляется, следовательно пучок не сжимается и не расширяется, т.е. в устройстве эти грани в сжатии-расширении пучка не участвуют и не противодействуют вторым граням призм сжатию-расширению пучка. Таким образом, совокупность вышеприведенных признаков устройства (кроме последнего признака) позволяет преломлять оптический пучок только на одной грани каждой призмы. Кроме этого точки преломления оси пучка на первой и второй призме расположены на оси входного в устройство пучка, а также на оси поворота преломляющей грани каждой призмы, которая расположена на пересечении преломляющих граней с осью входного в устройство оптического пучка. Поэтому начало выходного из устройства оптического пучка будет находиться на оси входного пучка. Крепление зеркала параллельно оси входного в устройство пучка так, чтобы точка пересечения оси выходного из первой призмы и оси входного во вторую призму пучков находилась в плоскости зеркала, и позволяет направить выходной из устройства оптический пучок параллельно входному. А так как начало выходного пучка находится на оси входного в устройство пучка, то следовательно и вся ось выходного пучка будет совпадать с осью входного пучка. При ориентации преломляющих углов призм в одну сторону обеспечивается оптическая связь между призмами через зеркало. Кроме того, зеркало выполняет функцию оборачивания изображения. Таким образом, все признаки необходимы, действуют в совокупности и достаточны для обеспечения соосности входного в устройство и выходного из устройства оптических пучков и оборачивания изображения.

Кроме того, сохраняя перпендикулярность оптического пучка к одной из граней каждой призмы, можно изменять (увеличить) коэффициент анаморфозы, но при этом должна выдерживаться следующая взаимосвязь между коэффициентом анаморфозы К и преломляющим углом призм α:

где n - показатель преломления материала призм;

К - коэффициент анаморфозы устройства;

“+” - знак при К≤1;

“-” - знак при К≥1.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 приведена принципиальная схема устройства для сжатия оптического пучка, на фиг.2 - оптическая система с использованием предлагаемого устройства.

Устройство для сжатия-расширения оптического пучка содержит две призмы 1 и 2 с преломляющими углами α, которые ориентированы в одну сторону. Входная грань а₁ призмы 1 перпендикулярна оси 3 входного в устройство оптического пучка. Вторая по ходу оптического пучка призма 2 повернута относительно призмы 1 на угол β=arcsin(n·sinα) - α вокруг оси 4, проходящей через точку пересечения оси 3 входного в устройство пучка с выходной гранью δ₂ этой призмы.

Призмы 1 и 2 оптически связаны через плоское зеркало 5, закрепленное параллельно оси 3 входного в устройство пучка против преломляющих углов призм. При этом плоскость зеркала проходит через точки сопряжения оси выходного из призмы 1 и оси входного в призму 2 пучков.

Устройство работает следующим образом. Входной в устройство оптический пучок входит в призму 1 по нормали к ее входной грани a₁, не преломляясь, следовательно не сжимаясь. Проходя через выходную грань призмы 1, оптический пучок преломляется в направлении зеркала 5. При этом происходит первое сжатие пучка. От зеркала 5 оптический пучок отражается в направлении призмы 2, входит в призму по нормали к ее входной грани, не преломляясь. На оси 4 поворота призмы 2 ось пучка преломляется и идет по оси входного пучка. При этом происходит второе сжатие пучка. Таким образом, совокупность существенных признаков предлагаемого устройства позволяет выходной пучок направить по оси входного пучка. При необходимости расширения оптического пучка устройство разворачивают на 180° или направление распространения оптического пучка меняют на противоположное.

Предлагаемое устройство можно использовать в системе для формирования оптического пучка полупроводникового лазера (см. фиг.2). Полупроводниковый лазер создает расходящийся световой пучок. При этом углы расходимости в двух взаимно перпендикулярных плоскостях отличаются в несколько раз. Система содержит последовательно закрепленные полупроводниковый лазер 6, коллиматор 7, предлагаемое устройство 8, коллиматор 9.

Формирование пучка происходит следующим образом. Расходящийся оптический пучок от лазера 6 направляют в коллиматор. Коллиматор преобразует расходящийся пучок в параллельный пучок прямоугольной формы в сечении. Этот пучок направляют в предлагаемое устройство 8, где он сжимается до квадратной формы в сечении. Затем его направляют в коллиматор 9, где он формируется и приобретает характеристики, необходимые для выполнения своих функций. Оптические пучки, входящие и выходящие из элементов системы, находятся на одной оси, поэтому системе не требуется дополнительных элементов, обеспечивающих совпадение пучка, выходящего из устройства 8, относительно оси системы в целом. Таким образом, прелагаемое устройство, кроме основной функции сжатия-расширения пучков, приобретает функции элементов, обеспечивающих соосность пучков и оборачивание изображения. Кроме этого устройство позволяет увеличить степень сжатия, расширения (коэффициент анаморфозы) оптических пучков, изменяя преломляющие углы призм.

Устройство для сжатия-расширения оптического пучка содержит блок из пары призм, расположенных под углом друг к другу, и зеркало. Одна из граней каждой призмы перпендикулярна оптическому пучку. Зеркало оптически связывает призмы и закреплено против преломляющих углов обеих призм параллельно оси входного оптического пучка. Вторая по ходу оптического пучка призма развернута вокруг оси, образованной пересечением ее преломляющей грани с осью входного оптического пучка, так, что угол между одноименными гранями призм составляет β=arcsin(n·sinα)-α, где α - преломляющий угол призм, n - коэффициент преломления материала призм. В устройстве обеспечивается соосность входного в устройство и выходного из устройства оптических пучков и оборачивание изображения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Устройство для сжатия-расширения оптического пучка, содержащее блок из пары призм, расположенных под углом друг к другу, одна из граней каждой призмы перпендикулярна оптическому пучку, отличающееся тем, что оно снабжено зеркалом, оптически связывающим призмы и закрепленным против преломляющих углов обеих призм параллельно оси входного оптического пучка, вторая по ходу оптического пучка призма развернута вокруг оси, образованной пересечением ее преломляющей грани с осью входного оптического пучка, так что угол между одноименными гранями призм составляет

β= arcsin(n·sinα)-α,

где α - преломляющий угол призм;

n - коэффициент преломления материала призм.

где n - показатель преломления материала призм;

К - коэффициент анаморфозы устройства;

"+" - знак при К≤1;

"-" - знак при К≥1.