ОПТИЧЕСКИЙ ОТРАЖАТЕЛЬ Российский патент 2015 года по МПК G02B5/122 

Изобретение относится к оптическим системам лазерной локации и дальнометрии.

Известен уголковый отражатель (SU №1278764 A1, МПК G02B 5/122, 23.04.1985), состоящий из трех одинаковых элементов, каждый из которых выполнен в виде четырехугольной пирамиды с прямоугольной трапецией в основании. Соединение отдельных элементов происходит по их частям плоских граней так, что каждый из элементов контактирует с двумя оставшимися элементами, в результате чего формируется конструкция полого уголкового отражателя. Отличительной характеристикой данной конструкции является простая и однотипная конфигурация отдельных элементов и чрезвычайно сложный и нетехнологичный процесс сборки всего изделия.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является уголковый отражатель (SU 1439516 A1, МПК G02B 5/122, 24.04.1987), состоящий из трех разных, соединенных между собой пирамид, свободные части поверхностей которых образуют полый уголковый отражатель. Сборка такого изделия может осуществляться последовательным соединением отдельных пирамид по одной плоскости, позволяющим сделать процесс получения готового изделия более технологичным.

Работа такого устройства наиболее эффективна с энергетической точки зрения при направлении на отражатель светового потока по его оптической оси, а поле зрения такого отражателя даже в пределах передней полусферы является ограниченным. Энергетическая эффективность работы устройства существенно снижается в случае, когда оптический отражатель движется с высокой скоростью относительно источников. Причиной этого является т.н. скоростная аберрация, отклоняющая световой поток, отраженный от оптического отражателя на некоторый угол в плоскости, проходящей через направление вектора скорости движения оптического отражателя. Одним из способов компенсации влияния скоростной аберрации является изменение оптической характеристики оптического отражателя (т.н. диаграммы направленности отраженного светового потока) так, чтобы по-прежнему его направить к источнику-приемнику. Однако энергетическая эффективность такого решения не является оптимальной, так как только часть энергии (в лучшем случае - не более 50%) светового потока может быть перенаправлена в сторону единого источника-приемника.

Кроме того, такое устройство невозможно использовать в случае, когда источники излучения расположены в диаметрально противоположных направлениях и при этом необходимо вести одновременный прием отраженного излучения по обоим направлениям.

Задачей изобретения является создание конструкции оптического отражателя, обеспечивающей отражение максимально возможной энергии светового потока, направленной на него от источника излучения, в обратном направлении к источнику излучения, в непосредственной близости от которого расположен приемник, в случае, когда используются одновременно две системы, причем ориентированные навстречу друг другу.

Технический результат изобретения состоит в улучшении энергетических характеристик светового потока, отраженного от оптического отражателя, и направлении его к месту расположения двух диаметрально противоположно ориентированных систем, состоящих из источника и приемника.

Это достигается тем, что в оптический отражатель, включающий пирамиду, основанием которой является квадрат, две боковые грани пирамиды перпендикулярны основанию, а их общая грань равна стороне квадрата, - дополнительно введены идентичная по своей форме и размерам вторая пирамида и два одинаковых выпуклых многогранника, в основании каждого из которых лежит прямоугольная трапеция, у которой меньшая из параллельных сторон основания и высота трапеции равна стороне квадрата, лежащего в основании пирамиды, большая из параллельных сторон трапеции в два раза превосходит ее меньшую параллельную сторону, одна из боковых граней многогранника, проходящая через большую из параллельных сторон трапеции, перпендикулярна основанию многогранника, и представляет собой прямоугольную трапецию, равную трапеции, лежащей в основании многогранника, причем пирамиды соединены с выпуклыми многогранниками своими боковыми гранями так, что каждая образовавшаяся пара «многогранник-пирамида» формирует полый двугранный прямой угол и имеет общее многоугольное плоское основание, при этом обе пары «многогранник-пирамида» соединены между собой по многоугольным плоским основаниям так, что образуют два одинаковых полых уголковых отражателя, оптические оси которых параллельны и направлены в противоположные стороны.

Это достигается также тем, что в оптическом отражателе перед каждым полым уголковым отражателем расположены две четвертьволновые фазовые пластинки, между которыми установлен оптический клин с плоскими сторонами из двулучепреломляющего одноосного оптического материала, где оптическая ось материала клина расположена в плоскости, перпендикулярной оси полого уголкового отражателя.

Это достигается также и тем, что в оптическом отражателе на боковые оптические поверхности полых уголковых отражателей нанесено диэлектрическое покрытие, суммарное отражающее действие которых эквивалентно действию прохождения излучения через четвертьволновую фазовую пластинку, а перед каждым полым уголковым отражателем со стороны входа лучей расположены четвертьволновая фазовая пластинка и оптический клин с плоскими сторонами из двулучепреломляющего одноосного оптического материала, где оптическая ось материала клина расположена в плоскости, перпендикулярной оси полого уголкового отражателя.

Изобретение поясняется чертежами, где изображены на

фиг. 1 - одна из двух идентичных по форме и размеру пирамид;

фиг. 2 - один из двух одинаковых выпуклых многогранников;

фиг. 3а и 3б - сборка одной из пар «многогранник - пирамида»;

фиг. 4а и 4б - оптический отражатель (сборка и окончательный вид);

фиг. 5 - схематичное расположение оптических клиньев и четвертьволновых фазовых пластинок относительно полых уголковых отражателей;

фиг. 6 - схематичное расположение оптических клиньев и четвертьволновых фазовых покрытий и пластинок относительно полых уголковых отражателей.

Оптический отражатель включает две пирамиды и два многогранника, являющиеся составными частями конструкций полых уголковых отражателей.

Пирамиды имеют одинаковые размеры. В основании каждой из них лежит квадрат ABCD (фиг. 1). Боковые грани ABE и СВЕ перпендикулярны основанию ABCD, а общая сторона боковых граней BE равна стороне основания (квадрата). Плоские поверхности ABCD, ABE выполнены полированными с оптической точностью.

Многогранники, как и пирамиды, тоже имеют одинаковые размеры. В основании многогранника (фиг. 2) лежит прямоугольная трапеция KLMN, у которой меньшая из параллельных сторон LM основания и высота MN трапеции равна стороне квадрата, лежащего в основании пирамиды (фиг. 1). Большая из параллельных сторон KN трапеции в два раза превосходит ее меньшую параллельную сторону LM. Одна из боковых граней KNOP многогранника, проходящая через большую из параллельных сторон KN трапеции, перпендикулярна основанию KLMN многогранника. Она представляет собой прямоугольную трапецию KNOP, равную трапеции KLMN, лежащей в основании многогранника. Плоская поверхность KNOP выполнена полированной с оптической точностью.

Процесс сборки оптического отражателя начинается со сборки двух одинаковых пар «многогранник-пирамида» (фиг. 3а и 3б). Совмещаются вершины Е и N, А и О отдельных элементов, в результате чего боковое ребро ЕВ направляется вдоль основания NK. Соединение пирамиды с многогранником рекомендуется осуществлять с помощью глубокого оптического контакта. При этом точность одного из двугранных углов полого уголкового отражателя определяется точностью двугранного угла между основанием ABCD и боковой гранью ABE в пирамиде EABCD. После сборки поверхность KLMNCB каждой пары «многогранник-пирамида» шлифуется и полируется с выдерживанием требований по точности двугранных углов полого уголкового отражателя между поверхностями KROP и KLMNCB и поверхностями ABCD и KLMNCB соответственно.

Соединение двух пар «многогранник-пирамида» осуществляется по плоским поверхностям K₁L₁M₁N₁C₁B₁ (для условно первой пары «многогранник-пирамида») и K₂L₂M₂N₂C₂B₂ (для условно второй пары «многогранник-пирамида») (фиг. 4а), при этом совмещаются точки N₁ и C₂, C₁ и N₂, B₁ и В₂, K₁ и L₂. При этом образуются два полых уголковых отражателя с диаметрально противоположно направленными параллельными оптическими осями. Вид со стороны одного из этих полых уголковых отражателей представлен на фиг. 4б. Соединение сборок рекомендуется осуществлять с помощью глубокого оптического контакта.

Получение максимально возможной энергии отраженного светового потока, направленной от источника излучения, в обратном направлении к источнику излучения, в непосредственной близости от которого расположен приемник, основано на использовании физических эффектов, возникающих при прохождении поляризованного света через оптические элементы, выполненные из материалов, обладающих двулучепреломлением, и отражении поляризованного света на границе диэлектриков.

Работа каждого полого уголкового отражателя основана на отражении светового потока от двух систем, каждая из которых состоит из трех ортогонально ориентированных плоских зеркал, и в детальном описании не нуждается. Итоговые диаграммы направленности отраженных световых потоков формируются на этапах изготовления и сборки отдельных частей полых уголковых отражателей, которые описаны выше.

Получение максимально возможной энергии отраженного светового потока направленной от источника излучения в обратном направлении к источнику излучения, в непосредственной близости от которого расположен приемник, основано на использовании физических эффектов, возникающих при прохождении поляризованного света через оптические элементы, выполненные из материалов, обладающих двулучепреломлением, и отражении поляризованного света на границе диэлектриков.

Предлагаемый оптический отражатель работает следующим образом (фиг. 5). Монохроматический световой поток, обладающий круговой поляризацией источника излучения, падает на ориентированную первую четвертьволновую фазовую пластинку 1, которая преобразует поток в плоскополяризованный так, что плоскость его поляризации располагается перпендикулярно плоскости рисунка. Затем поток падает на оптический клин 2 с расчетным углом θ₁ при вершине клина. Материалом клина является двулучепреломляющее одноосное кристаллическое вещество, например, кристаллический кварц. Клин выполнен таким образом, что оптическая ось его материала расположена в плоскости, перпендикулярной оси полого уголкового отражателя. В результате световой поток не испытает двулучепреломляющего действия материала и пройдет через клин, отклонившись в сторону его основания, следуя обычным законам геометрической оптики. После прохождения второй четвертьволновой фазовой пластинки 3, установленной перед одним из полых уголковых отражателей 4, световой поток приобретает круговую поляризацию, но его направление распространения остается неизменным. После отражения от граней полого уголкового отражателя 4 направление круговой поляризации изменяет свою фазу на противоположную, но направление распространения выходящего потока параллельно падающему. Повторное прохождение через вторую четвертьволновую фазовую пластинку 3 изменяет состояние поляризации светового потока: световой поток приобретает линейную поляризацию с направлением, перпендикулярным исходному. Направление распространения светового потока по-прежнему остается неизменным. Если бы материал клина 2 не обладал двулучепреломляющими свойствами, то направление распространения светового потока, прошедшего через него в обратном направлении, изменилось бы согласно законам преломления и стало бы параллельным падающему световому потоку. Однако двулучепреломляющие свойства материала и изменение направления плоскости поляризации светового потока, падающего на клин 2, приводят к отклонению его направления относительно исходного направления на угол δ₁

δ₁=(n_e-n_o)∗θ₁, где

n_e - показатель преломления необыкновенного луча в двулучепреломляющем одноосном материале,

n_o - показатель преломления обыкновенного луча в двулучепреломляющем одноосном материале.

Таким образом, весь световой поток, направленный на оптический отражатель после его действия, будет отклонен по отношению к направлению падающего на угол δ₁. Т.к. угол δ₁ является расчетным и определяет конструкцию оптического клина, т.е. показатели преломления материала, из которого он изготовлен, и угол θ₁ при вершине, то имеется возможность полной компенсации отклонения светового потока, вызванного скоростной аберрацией, при этом весь световой поток будет направлен к источнику-приемнику. Повторное прохождение светового потока через первую четвертьволновую пластинку 1 преобразует плоскополяризованный световой поток в световой поток с круговой поляризацией.

Аналогичным образом работает заявляемый оптический отражатель и со стороны второго полого уголкового отражателя 8, перед которым установлены первая четвертьволновая пластинка 5, оптический клин 6 из двулучепреломляющего оптического материала и вторая четвертьволновая пластинка 7. При этом угол δ₂ отклонения отраженного светового потока и угол θ₂ при вершине клина 6 со стороны дополнительного полого уголкового отражателя 8 могут отличаться от углов δ₁ и θ₁ соответственно. Это позволяет компенсировать иную величину скоростной аберрации при одновременной работе оптического отражателя с двумя диаметрально противоположно ориентированными системами, состоящими из источника и приемника.

В качестве варианта конструкции оптического отражателя возможно выполнение четвертьволновой фазовой пластинки нанесением диэлектрического покрытия 3 и 7 на отражающие поверхности полых уголковых отражателей 4 и 8 (фиг. 6), при этом суммарное отражающее действие покрытий эквивалентно действию четвертьволновой фазовой пластинки.

Изобретение касается оптического отражателя для оптических систем лазерной локации и дальнометрии. Оптический отражатель состоит из двух соединенных между собой пар пирамида - выпуклый многогранник. Указанное соединение обеспечивает образование двух трехгранных углов, направленных в противоположные стороны. Каждая пирамида имеет квадратное основание, две боковые грани пирамиды перпендикулярны основанию, а их общая грань равна стороне квадрата. Каждый многогранник имеет основание в виде прямоугольной трапеции. Причём меньшая из параллельных сторон основания и высота трапеции равна стороне квадрата, лежащего в основании пирамиды, большая из параллельных сторон трапеции в два раза превосходит ее меньшую параллельную сторону. Одна из боковых граней многогранника, проходящая через большую из параллельных сторон трапеции, перпендикулярна основанию многогранника, и представляет собой прямоугольную трапецию, равную трапеции, лежащей в основании многогранника. Технический результат изобретения состоит в направлении его к месту расположения двух диаметрально противоположно ориентированных систем, состоящих из источника и приемника с учётом скоростной аберрации. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Оптический отражатель, включающий пирамиду, основанием которой является квадрат, две боковые грани пирамиды перпендикулярны основанию, а их общая грань равна стороне квадрата, отличающийся тем, что в него дополнительно введены идентичная по своей форме и размерам вторая пирамида и два одинаковых выпуклых многогранника, в основании каждого из которых лежит прямоугольная трапеция, у которой меньшая из параллельных сторон основания и высота трапеции равна стороне квадрата, лежащего в основании пирамиды, большая из параллельных сторон трапеции в два раза превосходит ее меньшую параллельную сторону, одна из боковых граней многогранника, проходящая через большую из параллельных сторон трапеции, перпендикулярна основанию многогранника, и представляет собой прямоугольную трапецию, равную трапеции, лежащей в основании многогранника, причем пирамиды соединены с выпуклыми многогранниками своими боковыми гранями так, что каждая образовавшаяся пара «многогранник-пирамида» формирует полый двугранный прямой угол и имеет общее многоугольное плоское основание, при этом обе пары «многогранник-пирамида» соединены между собой по многоугольным плоским основаниям так, что образуют два одинаковых полых уголковых отражателя, оптические оси которых параллельны и направлены в противоположные стороны.

2. Оптический отражатель по п. 1, отличающийся тем, что перед каждым полым уголковым отражателем расположены две четвертьволновые фазовые пластинки, между которыми установлен оптический клин с плоскими сторонами из двулучепреломляющего одноосного оптического материала, где оптическая ось материала клина расположена в плоскости, перпендикулярной оси полого уголкового отражателя.

3. Оптический отражатель по п. 1, отличающийся тем, что на боковые оптические поверхности полых уголковых отражателей нанесено диэлектрическое покрытие, суммарное отражающее действие которых эквивалентно действию прохождения излучения через четвертьволновую фазовую пластинку, а перед каждым полым уголковым отражателем со стороны входа лучей расположены четвертьволновая фазовая пластинка и оптический клин с плоскими сторонами из двулучепреломляющего одноосного оптического материала, где оптическая ось материала клина расположена в плоскости, перпендикулярной оси полого уголкового отражателя.