ФОКУСИРУЮЩИЙ ЛИНЗОВЫЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2017 года по МПК G02B9/00 H01P3/20 

Изобретение относится к микроволновой технике, к устройствам, осуществляющим концентрацию энергии электромагнитного поля в свободном пространстве или в материальных средах, а также создающим изображения объектов (радиовидение) в частотных диапазонах от сверхвысокочастотного (СВЧ) далее КВЧ, ГВЧ до оптического включительно (Радиовидение. Российский энциклопедический словарь. М.: Большая Российская энциклопедия. 2001, книга 2, стр. 1288).

Аналогами патентуемого устройства являются фокусирующие линзы и линзовые объективы, выполненные из соответствующих материалов, прозрачных в указанных частотных диапазонах, при распространении электромагнитных волн в свободном пространстве или в однородных средах (Линза. Физическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1990, том 2, стр. 591-592. Объектив. Физическая энциклопедия. М.: Большая Российская энциклопедия, 1992, том 3, стр. 392-393).

Наиболее близким к патентуемому устройству является фокусирующий линзовый объектив, который может служить прототипом, содержащий фокусирующую линзу и вспомогательную линзу, улучшающую фокусирующие свойства основной линзы, например уменьшение аберрации, при распространении электромагнитных волн в свободном пространстве или в однородной среде (см. ссылку выше: Объектив …).

Недостаток такого объектива, однако, состоит в том, что при переходе сфокусированного им излучения из свободного пространства в материальную среду через ее границу происходит расфокусировка и, следовательно, существенное уменьшение концентрации поля в области локализации излучения, при этом имеет место искажение в изображении формы объекта при применении указанного объектива в радиовидении (Шевченко В.В. О локализации сходящейся сферической волны, проходящей через плоскую границу среды. Радиотехника и электроника. 2016. Том 61. №5, стр. 442-446).

Целью предлагаемого устройства - фокусирующего линзового объектива - является реализация возможности сохранения фокусировки проходящего через границу среды излучения. Предлагаемое устройство содержит для этого дополнительную линзу, которая обеспечивает сохранение фокусировки сходящейся сферической волны, созданной основной линзой, при прохождении этой волны в материальную среду через ее границу.

Существо изобретения поясняется на чертежах, где: фиг. 1 - структурная схема устройства при применении к плоской границы среды; фиг. 2 - описание формы дополнительной линзы при прохождении излучения через выпуклую по отношению к среде границу; фиг. 3 - описание формы дополнительной линзы при прохождении излучения через вогнутую границу среды.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, иллюстрирующая его применение при прохождении излучения через плоскую границу среды. Устройство содержит две линзы: обычную фокусирующую линзу 1 и дополнительную линзу 2, расположенные соответственно на верхнем и нижнем торцах трубки 3 - механического держателя линз. Устройство нижним торцом непосредственно прилегает к границе среды 4.

В качестве концентратора электромагнитного поля в среде устройство работает следующим образом. Расходящаяся сферическая волна от излучающей точки источника поля на высоте a₀ от границы среды преобразуется линзой 1 в сходящуюся сферическую волну, которая проходит без изменения структуры поля сначала через верхнюю границу дополнительной линзы 2, при этом направление прохождения фронта волны ортогонально верхней границе линзы, затем через нижнюю границу линзы 2 и одновременно через прилегающую к ней границу среды 4. При этом показатель преломления материала дополнительной линзы должен быть равным или близким к показателю преломления среды 4. В результате прошедшая сходящаяся волна фокусируется в среде на глубине -а.

Как уже сказано, на фиг. 1 нижняя граница дополнительной линзы и прилегающая к ней граница среды показаны плоскими. Фиг. 2 и фиг. 3 иллюстрируют случаи, когда граница среды оказывается выпуклой и вогнутой, соответственно, по отношению к среде.

Для выполнения работы предлагаемого устройства при заданных расстояниях расположения источника a₀ над границей среды и области фокусировки в среде на глубине а его параметры должны удовлетворять в параксиальном приближении следующим соотношениям: фокусное расстояние фокусирующей линзы (фиг. 1) F=(a₀-b)(a+b)/(а₀+а), где b - длина трубки-держателя линз; радиус кривизны верхней границы дополнительной линзы R_B=(а²+r²)^1/2, где r - внутренний радиус трубки-держателя линз; наибольшая толщина в центре дополнительной линзы d=R_B-а±r²/(2R_C), где R_C - абсолютное значение радиуса кривизны границы среды, верхний знак для выпуклой границы, нижний - для вогнутой, в частности для плоской границы R_C=∞ и d=R_B-а; показатель преломления материала дополнительной линзы n_Л=n, где n - показатель преломления среды, внутри которой осуществляется фокусировка на соответствующей частоте электромагнитного поля. Радиус кривизны нижней границы дополнительной линзы R_H=±R_C.

Указанные параметры сохраняются при использовании фокусирующего линзового объектива в качестве устройства радиовидения. Рассеянное от других источников объектом, расположенным в среде на глубине -а, излучение проходит через границу среды и границы дополнительной линзы, сохраняя свою структуру, и далее фокусируется верхней линзой в виде изображения объекта на высоте а₀.

Таким образом, технический результат предлагаемого технического решения состоит в сохранении фокусировки проходящего через границу среды электромагнитного излучения и сохранение формы объекта в изображении объекта при использовании предлагаемого объектива в радиовидении.

Объектив может использоваться для концентрации энергии электромагнитного поля, а также для создания изображения объекта в диапазонах от сверхвысокочастотного (СВЧ) и до оптического включительно. Объектив содержит фокусирующую линзу, дополнительную вторую линзу и трубку-держатель линз на ее торцах. Дополнительная линза выполнена так, чтобы излучение от источника электромагнитных волн, преобразованное первой линзой в сходящуюся сферическую волну, прошло без изменения своей структуры через обе границы дополнительной линзы и прилегающую к ней границу материальной среды и направление прохождения фронта сходящейся сферической волны было ортогонально верхней границе дополнительной линзы, радиус кривизны верхней границы которой равен R_B=(r²+а²)^1/2, где r - внутренний радиус трубки-держателя линз, а - расстояние от центра нижнего торца трубки вдоль ее оси до точки фокусировки излучения в среде. Выполняются равенство радиусов кривизны нижней границы линзы и прилегающей к ней границы среды и равенство показателей преломления материалов дополнительной линзы и среды. Технический результат - сохранение фокусировки проходящего через границу среды электромагнитного излучения и формы объекта в изображении. 3 ил.

Фокусирующий линзовый объектив, содержащий фокусирующую линзу, дополнительную вторую линзу и трубку-держатель линз на ее торцах, отличающийся тем, что дополнительная линза имеет форму и введена в устройство так, чтобы преобразованное первой линзой в сходящуюся сферическую волну излучение от источника электромагнитных волн прошло без изменения своей структуры через обе границы дополнительной линзы и прилегающую к ней границу материальной среды и при этом направление прохождения фронта указанной сходящейся сферической волны было ортогонально верхней границе дополнительной линзы, радиус кривизны верхней границы которой равен R_B=(r²+а²)^1/2, где r - внутренний радиус трубки-держателя линз, а - расстояние от центра нижнего торца трубки вдоль ее оси до точки фокусировки излучения в среде, при этом выполняются равенство радиусов кривизны нижней границы линзы и прилегающей к ней границы среды и равенство показателей преломления материалов дополнительной линзы и среды на соответствующей частоте поля излучения.