СПОСОБ ФОКУСИРОВКИ ОСЕСИММЕТРИЧНОГО ПОТОКА ИЗЛУЧЕНИЯ, ГЕНЕРИРУЕМОГО ИСТОЧНИКОМ ВОЛНОВОЙ ПРИРОДЫ, И ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК G02B17/06 

Изобретения относятся к области оптики и могут быть использованы в качестве средств и методов фокусировки (в частном случае - коллимации) осесимметричных потоков излучения, генерируемых широким спектром источников волновой природы.

Из уровня техники известен способ фокусировки осесимметричного потока излучения, генерируемого источником волновой природы, заключающийся в следующем. Генерируемый поток излучения разбивают на ряд элементарных пучков, для чего используют интегральную периодическую оптическую структуру, обладающую свойством вращательной симметрии. Данную структуру организуют посредством набора идентичных оптических элементов с, по крайней мере, одной отражающей поверхностью в каждом из них. При этом посредством каждого из упомянутых оптических элементов из потока излучения, генерируемого источником, выделяют элементарный пучок и изменяют направление его распространения относительно упомянутого потока излучения (RU №2366866, 2009 г.).

Из уровня техники также известна оптическая система для фокусировки осесимметричного потока излучения, генерируемого источником волновой природы. Данная система включает интегральную периодическую оптическую структуру, обладающую свойством вращательной симметрии. Упомянутая структура организована посредством набора идентичных оптических элементов с, по крайней мере, одной отражающей поверхностью в каждом из них. При этом каждый из упомянутых оптических элементов пространственно сформирован с возможностью выделения из потока излучения, генерируемого источником, элементарного пучка и последующего изменения направления распространения выделенного элементарного пучка относительно упомянутого потока излучения (RU №76430, 2008 г.).

К недостаткам вышеуказанных известных из уровня техники технических решений (как в отношении объекта изобретения «способ», так и в отношении объекта изобретения «устройство») следует отметить:

- во-первых, сложность конструкции вследствие необходимости формирования двух интегральных периодических оптических структур, обладающих свойством вращательной симметрии (каждая из которых образована совокупностью идентичных оптических элементов, причем идентичных исключительно для каждой оптической структуры); вследствие чего усложняется технологический цикл изготовления данной структуры и, как следствие, технология реализации известного из уровня техники способа фокусировки потока излучения, генерируемого источником волновой природы (в частном случае, коллимации, при удалении фокальной области /например, точечной, линейной или пространственной/ в бесконечности);

- во-вторых, в известных технических решениях вследствие двукратного (по отношению к заявленным объектам изобретения) увеличения отражающих поверхностей увеличиваются энергетические потери в процессе фокусировки (в частном случае, коллимации) потока излучения, обладающего энергетикой источника излучения волновой природы.

Техническим результатом заявленного изобретения является сокращение энергетических потерь в процессе реализации способа фокусировки посредством заявленной оптической системы при упрощении технологии осуществления фокусировки (в частном случае, коллимации) и конструкции средств для ее реализации.

Поставленный технический результат в отношении объекта изобретения «способ» решается посредством того, что в способе фокусировки осесимметричного потока излучения, генерируемого источником волновой природы, заключающемся в том, что генерируемый поток излучения разбивают на ряд элементарных пучков, для чего используют интегральную периодическую оптическую структуру, обладающую свойством вращательной симметрии, которую организуют посредством набора идентичных оптических элементов с, по крайней мере, одной отражающей поверхностью в каждом из них, при этом посредством каждого из упомянутых оптических элементов из потока излучения, генерируемого источником, выделяют элементарный пучок и изменяют направление его распространения относительно упомянутого потока излучения, согласно изобретению отражающие поверхности оптических элементов организуют в виде поверхностей двойной кривизны, протяженных в радиальном направлении от оси симметрии потока излучения, генерируемого источником, которые ограничивают непрерывными пространственными кривыми, проходящими вблизи указанной оси, преимущественно с, по меньшей мере, одной общей точкой на указанной оси симметрии и посредством указанных поверхностей формируют в каждом элементарном пучке семейство косых лучей с фокусом за пределами упомянутой оси симметрии, в том числе и в бесконечности.

Интегральную периодическую оптическую структуру формируют с шагом расположения оптических элементов, который определяют из условия обеспечения минимального, преимущественно полного исключения наложения отклоненных элементарных пучков на смежные оптические элементы.

В качестве оптических элементов допустимо использовать любые известные из уровня техники волноводы, пространственная структура которых организована с учетом условий, описанных в п.1 формулы.

Поставленный технический результат в отношении объекта изобретения «устройство» решается посредством того, что в оптической системе для фокусировки осесимметричного потока излучения, генерируемого источником волновой природы, включающей интегральную периодическую оптическую структуру, обладающую свойством вращательной симметрии, которая организована посредством набора идентичных оптических элементов с, по крайней мере, одной отражающей поверхностью в каждом из них, при этом каждый из упомянутых оптических элементов пространственно сформирован с возможностью выделения из потока излучения, генерируемого источником, элементарного пучка и последующего изменения направления распространения выделенного элементарного пучка относительно упомянутого потока излучения, согласно изобретению отражающие поверхности оптических элементов функционально являются средством формирования в каждом элементарном пучке семейства косых лучей с фокусом за пределами упомянутой оси симметрии, в том числе и в бесконечности, при этом отражающие поверхности выполнены в виде поверхностей двойной кривизны, протяженных в радиальном направлении от оси симметрии потока излучения, генерируемого источником, и ограничены непрерывными пространственными кривыми, проходящими вблизи указанной оси, преимущественно с, по меньшей мере, одной общей точкой на указанной оси симметрии.

Величина шага расположения оптических элементов в интегральной периодической оптической структуре 4, как правило, рассчитывается из условия обеспечения минимального, преимущественно полного исключения наложения отклоненных элементарных пучков 3 на смежные оптические элементы 5.

В качестве оптических элементов могут быть использованы любые известные из уровня техники волноводы, пространственная структура которых организована с учетом условий, описанных в п.4 формулы.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками и связями между ними, идентичными всем существенным признакам заявленных технических решений, а выбранные из выявленных аналогов прототипы, как наиболее близкие по совокупности признаков аналоги, позволили выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявленных объектах изобретения, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна» по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленных объектов изобретения требованию условию патентоспособности «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленных объектов, результаты которого показывают, что заявленные объекты изобретения не следуют для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленных технических решений преобразований на достижение усматриваемого заявителем технического результата.

В частности, в заявленных объектах изобретения не предусматриваются следующие преобразования известных объектов-прототипов:

- дополнение известного объекта каким-либо известным признаком, присоединяемым к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;

- замена какого-либо признака известного объекта другим известным признаком для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;

- исключение какого-либо признака известного объекта с одновременным исключением обусловленной наличием этого признака функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;

- увеличение количества однотипных признаков в известном объекте для усиления технического результата, обусловленного наличием в объекте именно таких признаков;

- выполнение известного объекта или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;

- создание объекта, включающего известные признаки, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами признаков этого объекта и связей между ними.

Следовательно, заявленные объекты изобретения соответствуют требованию условия патентоспособности «изобретательский уровень» по действующему законодательству.

Изобретения поясняются графическими материалами.

Фиг.1 - общий вид одного из возможных вариантов выполнения заявленной оптической системы (интегральной оптической структуры) в изометрии.

Фиг.2 - вид в плане другого возможного варианта выполнения оптической системы (со срезанной вершиной, т.е. в виде усеченной полусферической структуры).

Фиг.3 - распределение освещенности после преобразования (фокусировки) потока излучения, генерируемого источником, в соответствии с заявленным изобретением (согласно варианта по фиг.1).

Фиг.4 - диаграмма распределения освещенности после преобразования (фокусировки) потока излучения, генерируемого источником, в соответствии с заявленным изобретением (согласно варианту по фиг.2)

Фиг.5 - оптическая схема распространения потока излучения, генерируемого источником (а также выделенных из него и отклоненных пучков), в процессе его преобразования согласно изобретению.

Составляющие структуры, элементы и потоки излучения (в том числе, выделенные и отклоненные пучки) заявленной оптической системы в графических материалах обозначены следующими позициями.

1 - поток (излучения осесимметричный);

2 - источник (излучения волновой природы);

3 - пучок (элементарный волновой;

4 - структура (оптическая периодическая, обладающая свойством вращательной симметрии;

5 - элемент (оптический структуры 4);

6 - ось (симметрии генерируемого источником 2 потока1 излучения);

7 - точка (общая для непрерывных пространственных кривых, ограничивающих отражающие поверхности двойной кривизны оптических элементов 5);

8 - кривая (непрерывная пространственная, которая ограничивает отражающую поверхность оптических элементов 5).

Физическая сущность заявленного способа фокусировки (в частном случае, коллимации) осесимметричного потока излучения, генерируемого источником волновой природы, заключается в следующем.

В способе фокусировки осесимметричного потока 1 излучения, генерируемого источником 2 волновой природы, поток 1 излучения разбивают на ряд элементарных пучков 3. Для этого используют интегральную периодическую оптическую структуру 4, обладающую свойством вращательной симметрии. Данную структуру 4 организуют посредством набора идентичных оптических элементов 5 с, по крайней мере, одной отражающей поверхностью в каждом из них. При этом посредством каждого из упомянутых оптических элементов 5 из потока 1 излучения, генерируемого источником 2, выделяют элементарный пучок 3 и изменяют направление его распространения относительно упомянутого потока 1 излучения. Отражающие поверхности оптических элементов 5 организуют в виде поверхностей двойной кривизны, протяженных в радиальном направлении от оси 6 симметрии потока 1 излучения, генерируемого источником. Данные отражающие поверхности ограничивают непрерывными пространственными кривыми 8, проходящими вблизи указанной оси 6, преимущественно с, по меньшей мере, одной общей точкой 7 на указанной оси 6 симметрии и посредством указанных поверхностей формируют в каждом элементарном пучке 3 семейство косых лучей с фокусом F за пределами упомянутой оси 6 симметрии, в том числе и в бесконечности.

Интегральную периодическую оптическую структуру 4 формируют с шагом расположения оптических элементов 5 в окружном направлении, который определяют из условия обеспечения минимального, преимущественно полного исключения наложения отклоненных элементарных пучков на смежные оптические элементы 5.

В качестве оптических элементов 5 допустимо использовать любые известные из уровня техники волноводы, пространственная структура которых организована с учетом условий, описанных в п.1. формулы.

Таким образом, согласно заявленному способу обеспечивается фокусировка (в частном случае, коллимация) потока 1 излучения, генерируемого источником 2, по крайней мере, в одном направлении (одной области пространства). То есть, если посредством источника 2 обеспечивается поток 1 излучения (с вертикальной осью 6 симметрии этого потока 1), например, в область пространства, приближенную к полусфере, то на выходе из оптической системы получаем некий сфокусированный (коллимированный) круговой поток в горизонтальный области пространства.

Следовательно, если на входе в оптическую структуру 4 половинный апертурный угол был равен, например, 90°, то на выходе из этой структуры 4 он должен быть меньше 90°, а в предельном случае стремится к нулю.

Вследствие чего и осуществляется фокусировка (в частном случае, коллимация) практически полного потока 1 излучения, генерируемого источником 2, в заданной кольцевой (круговой) области пространства.

Оптические элементы 5 оптической структуры могут быть выполнены: с отражающими, преломляющими, частично рассеивающими поверхностями, в виде какой-то градиентной или дифрагирующей среды, в том числе в виде набора волноводов.

Данный способ фокусировки (коллимации) потока 1 излучения в заданной области пространства приемлем к любому излучению волновой природы, в частности: электромагнитному, рентгеновскому, звуковому и т.п.

В дальнейшем заявленный способ и устройство для его реализации можно использовать в более сложных фокусирующих (коллимирующих) оптических системах, в которых сконцентрированный в ограниченной области пространства (посредством заявленного способа и устройства для его реализации) поток подвергается дальнейшему преобразованию, например изменению его направления, с использованием известных из современного уровня техники средств и методов.

Отражательная поверхность смежного оптического элемента 5 периодической структуры 4 организуется простым поворотом в окружном направлении на заданный дискретный угол предыдущего оптического элемента 5 относительно оси симметрии 6. При осуществлении поворота (с заданным шагом) вокруг данной оси 6 на 360° формируется замкнутая периодическая структура 4, обладающая свойством вращательной симметрии, реализующая вышеупомянутое свойство, необходимое и достаточное для организации выходной угловой апертуры рассматриваемой структуры 4 меньшей величины, по отношению к величине угловой апертуры этой же структуры 4 на входе в нее потока 1.

Оптическая система для фокусировки (в частном случае, коллимации) осесимметричного потока 1 излучения, генерируемого источником 2 волновой природы, включает следующие структуры и элементы.

Интегральную периодическую оптическую структуру 4, обладающую свойством вращательной симметрии. Данная структура 4 организована посредством набора идентичных оптических элементов 5 с, по крайней мере, одной отражающей поверхностью в каждом из них (условно не обозначена). При этом каждый из упомянутых оптических элементов 5 пространственно сформирован с возможностью выделения из потока 1 излучения, генерируемого источником 2, элементарного пучка 3 и последующего изменения направления распространения выделенного элементарного пучка 3 относительно упомянутого потока 1 излучения. Отражающие поверхности оптических элементов 5 функционально являются средством формирования в каждом элементарном пучке 3 семейства косых лучей с фокусом F за пределами упомянутой оси 6 симметрии, в том числе и в бесконечности, при этом отражающие поверхности выполнены в виде поверхностей двойной кривизны, протяженных в радиальном направлении от оси 6 симметрии потока 1 излучения, генерируемого источником 2, и ограничены непрерывными пространственными кривыми 8, проходящими вблизи указанной оси 6, преимущественно с, по меньшей мере, одной общей точкой 7 на указанной оси 6 симметрии.

Величину шага расположения (в окружном направлении) оптических элементов 5 в интегральной периодической оптической структуре 4, как правило, формируют с шагом расположения оптических элементов, который определяют из условия обеспечения минимального, преимущественно полного исключения наложения отклоненных элементарных пучков 3 на смежные оптические элементы 5.

В качестве оптических элементов 5 могут быть использованы любые известные из уровня техники волноводы, пространственная структура которых организована с учетом условий, описанных в п.4 формулы.

Принцип работы заявленной оптической системы с физической точки зрения для специалиста в данной области с очевидностью вытекает из оптической схемы по фиг.5 графических материалов, а также вышеизложенной информации при описании заявленного способа и дополнительных пояснений не требует.

На всем протяжении описания и формулы изобретения термины «содержит», «содержащий», «включает», «включающий» и подобные, если не оговорено особо, следует понимать в смысле содержащий, а не исключающий или исчерпывающий, то есть «включающим в себя, но не ограниченным этим».

Настоящее изобретение описано выше только посредством примеров, следовательно, изменения и дополнения могут быть внесены в пределах сущности изобретения, которая распространяется на эквиваленты описанных особенностей.

Заявленные объекты изобретения могут найти широкое применение в различных областях науки и техники для осуществления фокусировки (в частном случае, коллимации) потока излучения волновой природы.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленных технических решений следующей совокупности условий:

- объекты, воплощающие заявленные технические решения, при их осуществлении предназначены для использования, преимущественно для осуществления фокусировки (в частном случае, коллимации) потока излучения волновой природы;

- для заявленных объектов в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах нижеизложенной формулы, подтверждена возможность их осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объекты, воплощающие заявленные технические решения, при их осуществлении способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленные объекты соответствуют требованию условия патентоспособности «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Способ фокусировки заключается в том, что поток излучения 1 с помощью интегральной периодической оптической структуры 4, обладающей свойством вращательной симметрии, разбивают на ряд элементарных пучков 3 и изменяют направление их распространения. Оптическая структура 4 включает набор идентичных оптических элементов 5 с по крайней мере одной отражающей поверхностью в каждом из них. Отражающие поверхности имеют вид поверхностей двойной кривизны, протяженных в радиальном направлении от оси симметрии потока излучения, которые ограничивают непрерывными пространственными кривыми 8, проходящими вблизи указанной оси 6, преимущественно с по меньшей мере одной общей точкой 7 на указанной оси симметрии 6. Посредством указанных отражающих поверхностей формируют в каждом элементарном пучке 3 семейство косых лучей с фокусом за пределами оси симметрии, в том числе и в бесконечности. Технический результат - сокращение энергетических потерь при фокусировке при упрощении технологии осуществления фокусировки, в частном случае коллимации, и конструкции средств для ее реализации. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ фокусировки осесимметричного потока излучения, генерируемого источником волновой природы, заключающийся в том, что генерируемый поток излучения разбивают на ряд элементарных пучков, для чего используют интегральную периодическую оптическую структуру, обладающую свойством вращательной симметрии, которую организуют посредством набора идентичных оптических элементов с по крайней мере одной отражающей поверхностью в каждом из них, при этом посредством каждого из упомянутых оптических элементов из потока излучения, генерируемого источником, выделяют элементарный пучок и изменяют направление его распространения относительно упомянутого потока излучения, отличающийся тем, что отражающие поверхности оптических элементов организуют в виде поверхностей двойной кривизны, протяженных в радиальном направлении от оси симметрии потока излучения, генерируемого источником, которые ограничивают непрерывными пространственными кривыми, проходящими вблизи указанной оси, преимущественно с по меньшей мере одной общей точкой на указанной оси симметрии и, посредством указанных поверхностей, формируют в каждом элементарном пучке семейство косых лучей с фокусом за пределами упомянутой оси симметрии, в том числе и в бесконечности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что интегральную периодическую оптическую структуру формируют с шагом расположения оптических элементов, который определяют из условия обеспечения минимального, преимущественно полного исключения наложения отклоненных элементарных пучков на смежные оптические элементы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что оптические элементы выполняют в виде волноводов.

4. Оптическая система для фокусировки осесимметричного потока излучения, генерируемого источником волновой природы, включающая интегральную периодическую оптическую структуру, обладающую свойством вращательной симметрии, которая организована посредством набора идентичных оптических элементов с по крайней мере одной отражающей поверхностью в каждом из них, при этом каждый из упомянутых оптических элементов пространственно сформирован с возможностью выделения из потока излучения, генерируемого источником, элементарного пучка и последующего изменения направления распространения выделенного элементарного пучка относительно упомянутого потока излучения, отличающаяся тем, что отражающие поверхности оптических элементов функционально являются средством формирования в каждом элементарном пучке семейства косых лучей с фокусом за пределами упомянутой оси симметрии, в том числе и в бесконечности, при этом отражающие поверхности выполнены в виде поверхностей двойной кривизны, протяженных в радиальном направлении от оси симметрии потока излучения, генерируемого источником, и ограничены непрерывными пространственными кривыми, проходящими вблизи указанной оси, преимущественно с по меньшей мере одной общей точкой на указанной оси симметрии.

5. Оптическая система по п.4, отличающаяся тем, что величина шага расположения оптических элементов в интегральной периодической оптической структуре рассчитывается из условия обеспечения минимального, преимущественно полного исключения наложения отклоненных элементарных пучков на смежные оптические элементы.

6. Оптическая система по п.4, отличающаяся тем, что оптические элементы выполняют в виде волноводов.