СИСТЕМА ТРЕХ ЗЕРКАЛ Российский патент 2005 года по МПК G02B5/122 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к высокоточным оптическим устройствам, предназначенным для отклонения оптического пучка в пространстве с постоянным углом, и может быть использовано при проверке параллельности двух осей многоканальных оптических приборов, в том числе, предназначенных для работы в инфракрасной области спектра.

Известна призма БКР-180 (Кругер М.Я. и др. «Справочник конструктора оптико-механических приборов», Москва, Машгиз, 1963 г., стр.261), представляющая собой систему трех зеркал (Русинов М.М. «Юстировка оптических приборов», Москва, 1969 г., стр.146-148), состоящую из двух плоских зеркал, отражательные поверхности которых образуют между собой прямой двугранный угол с общим ребром, и третьего зеркала, отражательная поверхность которого составляет угол 90 градусов по отношению к ребру двугранного угла. Точность параллельности входного и выходного лучей зависит от точности изготовления двугранного угла и положения отражательной поверхности третьего зеркала. В этом случае такая точность достигается путем конструктивного выполнения двугранного угла и отражательной поверхности третьего зеркала в одном монолитном куске оптического материала. Все три оптических элемента здесь жестко связаны между собой. Входной пучок лучей, направленный со стороны двугранного угла, отражается третьим зеркалом в обратном направлении параллельно входному лучу. Такая система обладает постоянством углов отклонения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях при обратном ходе отраженных лучей.

Недостатком ее является то, что оптический материал призмы БКР-180 (марка стекла) зависит от ее использования в конкретной области спектра. Так, при использовании призмы БКР-180 в инфракрасной области спектра, в качестве оптического материала применяется фтористый барий (токсичный при обработке) или германий (очень дорогой).

Этот недостаток устранен в известной двухканальной оптической системе по международной заявке WO 9507490 (G 02 В 23/02, приоритет US 94101115 от 08.09.94), позволяющей использовать относительно недорогие отражатели и принятой за прототип. Каждый канал представляет собой систему трех зеркал, в которой между всеми отражательными поверхностями расположен воздушный промежуток, что позволяет использовать такую систему в любой области спектра. Отражатели представляют собой набор плоских зеркал, два из которых имеют главные сечения, расположенные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, и образуют между собой прямой двугранный угол с общим ребром, а третье плоское зеркало имеет отражательную поверхность, расположенную под углом 90 градусов к общему ребру двугранного угла. Такая система проста при изготовлении.

Недостатком прототипа является невысокая точность параллельности входного и выходного пучка лучей, обусловленная пониженными требованиями к точности юстировки зеркал по сравнению с традиционными системами, выполненными на основе оптических призм, поскольку, в этом случае, зеркала расположены на разных основаниях, отдельно друг от друга (нет жесткой связи между элементами), отдельно крепятся и юстируются. Кроме того, возможна разъюстировка системы в процессе эксплуатации, что в целом снижает возможность ее использования в точных измерительных оптических приборах.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в создании недорогой оптической системы, обеспечивающей высокую точность параллельности входного и выходного пучка лучей относительно друг друга в двух взаимно перпендикулярных плоскостях для любой области спектра.

Поставленная задача достигается тем, что система трех зеркал состоит из двух оптических элементов с отражательными поверхностями, которые имеют главные сечения, расположенные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, и образуют между собой прямой двугранный угол с общим ребром, и оптического элемента с отражательной поверхностью, которая составляет угол 90 градусов по отношению к ребру двугранного угла. При этом, между отражательными поверхностями оптических элементов расположен воздушный промежуток.

От прототипа данное техническое решение отличается тем, что все оптические элементы расположены на плоской поверхности общего основания и жестко с ним связаны, причем два оптических элемента, образующие прямой двугранный угол с общим ребром, выполнены в виде соединения двух пластин, одна из которых прямоугольная, имеющих отражательные и полированные поверхности так, что полированные поверхности жестко связаны между собой, а отражательные поверхности образуют точный прямой угол и имеют одинаковые размеры, при этом третий оптический элемент укреплен на общем основании так, что его отражательная поверхность направляет пучок лучей параллельно входному, но в обратном направлении.

Два оптических элемента с отражательными поверхностями, которые образую между собой прямой двугранный угол с общим ребром, разворачивают входной пучок лучей на 90 градусов в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Третий оптический элемент с отражательной поверхностью, которая составляет угол 90 градусов по отношению к ребру двугранного угла, позволяет отклонить пучок лучей еще на 90 градусов и, тем самым, развернуть входящий пучок в обратном направлении.

Точный прямой угол между двумя оптическими элементами обеспечивается положением отражательных поверхностей двух соединенных полированными поверхностями пластин, одна из которых прямоугольная.

Точность расположения отражательной поверхности третьего оптического элемента в пространстве обеспечивается его жесткой связью со всеми элементами системы.

Одинаковые размеры отражательных поверхностей двух прямоугольных пластин обеспечивают прохождение полного светового пучка лучей без его срезания.

Воздушный промежуток, расположенный между отражательными поверхностями оптических элементов, позволяет использовать систему с недорогим оптическим материалом в любой области спектра, в т.ч. в инфракрасной.

Расположение оптических элементов на плоской поверхности общего основания и жесткая связь всех элементов между собой обеспечивают неизменность положения оптических лучей в пространстве. При этом отсутствует необходимость дополнительной юстировки системы в процессе эксплуатации.

Такая система обладает простотой конструкции и технологичностью.

Сущность изобретения представлена на фиг.1-3.

На фиг.1 изображен общий вид системы трех зеркал.

На фиг.2 изображен вид А системы трех зеркал.

На фиг.3 изображено сечение Г-Г системы трех зеркал.

Система состоит из основания 1 (фиг.1), имеющего плоскую поверхность 2, на которой жестко закреплены: оптический элемент 3, имеющий отражательную поверхность 4 (фиг.2) и полированную поверхность 5 (фиг.3), оптический элемент 6 (фиг.2), имеющий полированную поверхность 7 с отражательным участком 8, равным по размеру отражательной поверхности 4 оптического элемента 3, и оптический элемент 9 (фиг.1), имеющий плоскую поверхность 10 и отражательную поверхность 11 (фиг.2). Отражательные поверхности 4 и 8 образуют прямой двугранный угол с общим ребром 12 (фиг.3).

Оптический элемент 3 (фиг.3) выполнен в виде прямоугольной пластины, отражательная поверхность 4 которой перпендикулярна полированной поверхности 5. Полированная поверхность 7 оптического элемента 6 жестко соединена с полированной поверхностью 5 элемента 3. При этом, образованный отражательной поверхностью 4 и отражательным участком 8 прямой двугранный угол выполнен с высокой точностью, обеспеченной точностью изготовления оптических элементов и жесткой связью их между собой, что легко выполнимо.

Принцип работы системы трех зеркал заключается в следующем.

Входной световой пучок лучей падает на отражательные поверхности 4 и 8 оптических элементов соответственно 3 и 6 (фиг.1, фиг.2), отклоняется этими поверхностями на 90 градусов, проходит воздушный промежуток и попадает на точно установленную зеркальную поверхность 11 элемента 9. Затем пучок лучей отражается от этой поверхности, с повторным разворотом на 90 градусов и выходит параллельно входному пучку лучей, но в обратном направлении (фиг.1). Причем, выходной пучок лучей всегда остается параллельным входному пучку лучей независимо от изменения положения в пространстве указанной системы.

Система трех зеркал может быть использована для отклонения оптического пучка в пространстве с постоянным углом. Система состоит из трех оптических элементов с отражательными поверхностями и общего основания, на котором они расположены и жестко закреплены. Два оптических элемента, образующие между собой прямой двугранный угол с общим ребром, имеют отражательные и полированные поверхности и выполнены в виде соединения двух пластин, одна из которых прямоугольная. Полированные поверхности жестко связаны между собой, а отражательные поверхности образуют точный прямой угол и имеют одинаковые размеры. Третий элемент имеет отражательную поверхность, составляющую угол 90⁰ с ребром двугранного угла, и укреплен на общем основании так, что его отражательная поверхность направляет пучок лучей параллельно входному, но в обратном направлении. Обеспечивается высокая точность параллельности входного и выходного пучков в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. 3 ил.

Система трех зеркал, состоящая из двух оптических элементов с отражательными поверхностями, которые образуют между собой прямой двугранный угол с общим ребром, и оптического элемента с отражательной поверхностью, которая составляет угол 90 градусов по отношению к ребру двугранного угла так, что между отражательными поверхностями оптических элементов расположен воздушный промежуток, отличающаяся тем, что все оптические элементы расположены на плоской поверхности общего основания и жестко с ним связаны, причем два оптических элемента, образующих прямой двугранный угол с общим ребром, выполнены в виде соединения двух пластин, одна из которых прямоугольная, имеющих отражательные и полированные поверхности так, что полированные поверхности жестко связаны между собой, а отражательные поверхности образуют точный прямой угол и имеют одинаковые размеры, при этом третий оптический элемент укреплен на общем основании так, что его отражательная поверхность направляет пучок лучей параллельно входному, но в обратном направлении.