СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ СВЕТОВЫХ ПОТЕРЬ, ВЫЗВАННЫХ СФЕРИЧЕСКИМИ АБЕРРАЦИЯМИ В СИСТЕМЕ С ИНТЕРФЕРОМЕТРОМ ФАБРИ-ПЕРО Российский патент 2015 года по МПК G01B9/02 G01P3/36 

Изобретение относится к измерителям смещений длины волны электромагнитного излучения интерферометрическим методом по допплеровскому смещению длины волны света, переданного по волокну, с использованием интерферометра Фабри-Перо и может быть использовано для дополнительного увеличения освещенности щели регистратора при наличии сферических аберраций на коллимирующей линзе.

Компенсация световых потерь, связанных со сферическими аберрациями на коллимирующей линзе, основана на том, что форма пучка света на выходе коллимирующей линзы отклоняется от формы параллельного пучка, вследствие влияния сферических аберраций, а это позволяет дополнительно, относительно случая отсутствия сферических аберраций, увеличить яркость интерференционной картины на щелевой диафрагме регистратора. Увеличение яркости интерференционной картины на щелевой диафрагме регистратора основано на изменении формы сечения круглого входного пучка света на эллиптическую увеличением его размера перед фокусирующей линзой по одной из осей и расположением интерферометра Фабри-Перо в месте наименьшего сечения пучка света, за счет чего происходит большее сужение круглого пятна света в плоскости щелевой диафрагмы и увеличение ее освещенности, что приводит к попаданию большего количества света на регистрирующие приборы, расположенные за диафрагмой. Возможность дополнительно увеличить размер сечения пучка света, выходящего из коллимирующей линзы, связано с наличием сферических аберраций на коллимирующей линзе, выражающемся в плавном сужении его диаметра до некоторого значения, после которого он снова увеличивается за счет размытия, таким образом получается подобие перетяжки. Уменьшение расходимости пучка света по одной из осей при помощи увеличения его размера ограничено радиусом интерферометра Фабри-Перо. Наличие перетяжки на некотором расстоянии от линзы, размер сечения пучка в которой меньше изначального более чем в два раза, позволяет использовать систему цилиндрических линз, увеличивающих размер пучка по одной из осей в большее количество раз относительно изначального, при неизменной апертуре интерферометра, а значит во столько же раз уменьшится его расходимость, что даст сжатие пучка света по оси цилиндрических линз в линию меньшей ширины.

Известен способ исправлений сферических аберраций, применяющийся в устройстве коррекции сферических аберраций, содержащем жидкий кристалл, описанный в европейском патенте ЕР №1892704А1, МПК G11B 7/135, опубликованном 27.02.2008, где свет после коллимирующей линзы проходит через компенсатор оптических искажений на основе жидкого кристалла.

Недостатками этого способа являются неполная компенсация световых потерь, вызванных сферическими аберрациями, и дороговизна.

Известен способ коллимирования пучка света без сферических аберраций на выходе, применяющийся в коллимирующем объективе и сканирующем устройстве, использующем этот объектив, описанный в патенте США US 6396640 B2, МПК G02B 27/30, опубликованном 28.03.2001, где пучок света коллимируют несколькими линзами с разными коэффициентами преломления таким образом, что сферические аберрации отсутствуют.

Недостатками этого способа являются неполная компенсация световых потерь, вызванных сферическими аберрациями.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототип) является способ увеличения освещенности щели регистратора на выходе оптической системы, реализованный в устройстве доплеровского измерителя скорости на основе интерферометра Фабри-Перо с волоконным вводом излучения, описанном в Патент РФ №2511606, МПК G01P 3/36, опубликован 10.04.2014 г., содержащем последовательно расположенные на одной оптической оси цилиндрическую линзу с положительным фокусным расстоянием, интерферометр Фабри-Перо, длиннофокусную строящую линзу, в фокальной плоскости которой находится щелевая диафрагма и детектор, отличающемся тем, что содержит последовательно расположенные на одной оптической оси перед цилиндрической линзой с положительным фокусным расстоянием коллимирующую линзу и две цилиндрические линзы с отрицательным фокусным расстоянием, в котором изменяется форма сечения круглого входного пучка света на эллиптическую, за счет чего происходит увеличение освещенности щелевой диафрагмы и попадание большего количества света на регистрирующие приборы, расположенные за диафрагмой.

Недостатком прототипа является отсутствие компенсации световых потерь, вызванных сферическими аберрациями в системе с интерферометром Фабри-Перо.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым способом, является возможность компенсации световых потерь, вызванных сферическими аберрациями в системе с интерферометром Фабри-Перо, поскольку учитывается влияние сферических аберраций на форму пучка света, использование которой позволяет снизить ограничения апертуры интерферометра на возможности увеличения света на выходной щелевой диафрагме, что компенсирует ослабляющий эффект сферических аберраций и даже превышает его.

Технический результат достигается тем, что в способе компенсации световых потерь, вызванных сферическими аберрациями в системе с интерферометром Фабри-Перо, заключающемся в том, что свет источника излучения направляют на коллимирующую линзу, получая на выходе близкий к параллельному пучок света, который затем направляют через цилиндрические линзы с отрицательным фокусным расстоянием и цилиндрическую линзу с положительным фокусным расстоянием, расширяя его и уменьшая его расходимость, затем его пропускают через интерферометр Фабри-Перо, после которого свет направляют на длиннофокусную линзу, которая фокусирует его на щелевой диафрагме детектора, в первое зеркало интерферометра свет вводят в точке, которая на половину расстояния между зеркалами интерферометра ближе к источнику излучения, чем точка, где сечение пучка минимально, и производят расширение сечения пучка света цилиндрическими линзами по сравнению с увеличением сечения пучка света в случае отсутствия сферических аберраций на коллимирующей линзе, в границах апертуры интерферометра Фабри-Перо.

Единственным ограничением на минимальную толщину конечного пятна света, настраиваемую цилиндрическими линзами, является величина эффективной области интерферометра Фабри-Перо, так как, уменьшая расходимость света, приходится увеличивать размер сечения пучка. Влияние сферических аберраций на ход лучей после коллимирующей линзы искажает параллельный пучок так, что он сначала сужается после выхода из линзы, а затем начинает постепенно размываться, снова увеличиваясь по ширине. Точка минимального диаметра пучка находится на расстоянии от коллимирующей линзы, примерно в пять раз большем, чем ее фокусное расстояние. Следовательно, при размещении точки минимального диаметра пучка, где размытие несущественно, внутри интерферометра возможно увеличить размер его сечения, уменьшая расходимость света, в большее количество раз при прежнем ограничении величиной эффективной области интерферометра Фабри-Перо. В точке минимального сечения пучка, где размытие еще несущественно, ширина пучка света сужается приблизительно в 2,5 раза относительно ширины пучка на выходе коллимирующей линзы, а следовательно, и от ширины параллельного пучка света, который должен быть в случае отсутствия сферических аберраций. Тогда минимальная толщина конечного пятна света, настраиваемая цилиндрическими линзами, уменьшится во столько раз, во сколько раз сужается пучок света. Результатом будет возможность увеличения яркости засветки щелевой диафрагмы в равное количество раз. При этом ослабление засветки щелевой диафрагмы вследствие влияния сферических аберраций на коллимирующей линзе не превышает 30 процентов, откуда следует, что данный способ позволяет использовать сферические аберрации для дополнительного увеличения яркости конечной световой полосы.

На фиг. 1 приведены две проекции схемы влияния сферических аберраций на пучок света в оптической системе измерителя смещений длины волны излучения с использованием интерферометра Фабри-Перо. Пунктиром показаны границы пучка в отсутствии сферических аберраций на коллимирующей линзе, сплошной линией - границы пучка вследствие их влияния. В верхней части изображен вид сверху, в нижней - вид сбоку, где: 1 - выход волоконно-оптического кабеля; 2 - коллимирующая линза; 3, 4 - цилиндрические линзы с отрицательным фокусным расстоянием; 5 - цилиндрическая линза с положительным фокусным расстоянием; 6 - интерферометр Фабри-Перо; 7 - длиннофокусная линза, строящая изображение интерференционных колец; 8 - щелевая диафрагма; 9 - регистратор положения интерференционных максимумов (детектор); 10 - точка наименьшего сечения пучка света.

На фиг. 2 показано выходное изображение оптической системы компактного измерителя скорости в фокусе строящей линзы без цилиндрических линз и интерферометра.

На фиг. 3 показано выходное изображение оптической системы компактного измерителя скорости в фокусе строящей линзы без цилиндрических линз (схематично показана щелевая диафрагма регистратора).

На фиг. 4 показано выходное изображение оптической системы измерителя скорости на основе интерферометра Фабри-Перо с расстоянием между зеркалами 100 мм, коллимирующей линзой с фокусным расстоянием 100 мм, строящей линзой с фокусным расстоянием 1000 мм и цилиндрическими линзами с фокусными расстояниями минус 200, минус 150, 300 мм и диаметром оптического волокна 300 мкм.

На фиг. 5-11 показаны изображения и профили яркости распределения света в пучке света, получаемые на разных расстояниях от коллимирующей линзы при действии сферических аберраций. Линза с фокусным расстоянием f=100 мм, источник света - волокно диаметром 0.3 мм и числовой апертурой NA=0.22:

на фиг. 5 показаны изображения на расстоянии от коллимирующей линзы, равном 2 мм,

на фиг. 6 показаны изображения на расстоянии от коллимирующей линзы, равном 100 мм,

на фиг. 7 показаны изображения на расстоянии от коллимирующей линзы, равном 300 мм,

на фиг. 8 показаны изображения на расстоянии от коллимирующей линзы, равном 450 мм,

на фиг. 9 показаны изображения на расстоянии от коллимирующей линзы, равном 530 мм,

на фиг. 10 показаны изображения на расстоянии от коллимирующей линзы, равном 990 мм,

на фиг. 11 показаны изображения на расстоянии от коллимирующей линзы, равном 2000 мм.

Все изображения на фиг. 2-11 получены моделированием в программе ZEMAX.

Свет от выхода 1 волоконно-оптического кабеля, являющегося источником излучения, направляют на коллимирующую линзу 2, получая на выходе близкий к параллельному пучок света, который затем направляют через цилиндрические линзы 3 и 4 с отрицательным фокусным расстоянием и цилиндрическую линзу 5 с положительным фокусным расстоянием, расширяя его и уменьшая его расходимость, затем его пропускают через интерферометр Фабри-Перо 6, вводя его в первое зеркало интерферометра в месте, которое на половину расстояния между зеркалами интерферометра ближе, чем точка 10 наименьшего сечения пучка света, после интерферометра Фабри-Перо 6 свет направляют на длиннофокусную линзу 7, строящую изображение интерференционных колец, которая фокусирует свет на щелевой диафрагме 8 регистратора 9 положения интерференционных максимумов.

Наличие точки 10 наименьшего сечения пучка света, связанное с влиянием сферических аберраций на коллимирующей линзе 2, позволяет подобрать цилиндрические линзы 3, 4 и 5 таким образом, чтобы сечение пучка в областях на расстоянии половины длины интерферометра Фабри-Перо 6 от точки 10 наименьшего сечения пучка света, являющейся аналогом перетяжки, было равно диаметру эффективной области интерферометра Фабри-Перо 6, тогда увеличение будет больше, чем при параллельном пучке в отсутствии аберраций. При этом в первое зеркало интерферометра Фабри-Перо 6 свет вводят в точке, которая на половину расстояния между зеркалами интерферометра Фабри-Перо 6 ближе, чем точка, где сечение пучка минимально. Увеличить сечение пучка до размеров эффективной области интерферометра Фабри-Перо 6, уменьшив его расходимость, относительно изначального пучка в области точки 10 наименьшего сечения пучка света возможно в большее количество раз, чем возможно увеличить сечение пучка до размеров эффективной области интерферометра Фабри-Перо 6, в случае, когда пучок параллелен и на всем своем протяжении сохраняет сечение, бывшее на выходе коллимирующей линзы 2 или цилиндрической линзы 5 с положительным фокусным расстоянием.

Изобретение относится к измерителям смещений длины волны электромагнитного излучения интерферометрическим методом по допплеровскому смещению длины волны света, переданного по волокну, с использованием интерферометра Фабри-Перо и касается способа компенсации световых потерь. Указанный способ основан на том, что при помощи цилиндрических линз обеспечивают сечение предварительно коллимированного пучка на входном зеркале интерферометра Фабри-Перо, равное диаметру эффективной области интерферометра. Причём на расстоянии половины длины интерферометра между зеркалами обеспечивается минимальное сечение пучка. Указанное выше обеспечивает технический результат, заключающийся в компенсации световых потерь, вызванных сферическими аберрациями в системе с интерферометром Фабри-Перо. 11 ил.

Способ компенсации световых потерь, вызванных сферическими аберрациями в системе с интерферометром Фабри-Перо, заключающийся в том, что свет источника излучения направляют на коллимирующую линзу, получая на выходе близкий к параллельному пучок света, который затем направляют через цилиндрические линзы с отрицательным фокусным расстоянием и цилиндрическую линзу с положительным фокусным расстоянием, расширяя его и уменьшая его расходимость, затем его пропускают через интерферометр Фабри-Перо, после которого свет направляют на длиннофокусную линзу, которая фокусирует его на щелевой диафрагме детектора, отличающийся тем, что в первое зеркало интерферометра свет вводят в точке, которая на половину расстояния между зеркалами интерферометра ближе к источнику излучения, чем точка, где сечение пучка минимально, и производят расширение сечения пучка света цилиндрическими линзами по сравнению с увеличением сечения пучка света в случае отсутствия сферических аберраций на коллимирующей линзе, в границах апертуры интерферометра Фабри-Перо.