СВЕТОВОЗВРАЩАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2022 года по МПК G02B5/126 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при решении задач мониторинга состояния окружающей среды, анализе экологического состояния атмосферы, в системах лазерной локации и дальнометрии удаленных объектов. Успешное функционирование оптико-электронных систем, применяемых в ряде указанных областей, связано с использованием световозвращающих оптических элементов, позволяющих получать отраженное излучение в направлении, обратном облучению.

Известны конструкции световозвращающих элементов в виде призм, использующих эффект либо полного внутреннего отражения, либо зеркальное отражение от граней, образующих прямой угол [Садовников М.А., Соколов А.Л., Шаргородский В.Д. Анализ эквивалентной поверхности рассеяния уголковых отражателей с различным покрытием граней. Успехи современной радиоэлектроники, №8, 2009; Потелов В.В. Высокоточные призменные модули для оптико-электронных приборов и комплексов. Автореферат докторской диссертации. Москва, 2009]. Применяемые в системах призменных отражателей уголковые призмы, использующие явление полного внутреннего отражения, обладают высокой эффективностью световозвращения, однако диапазон углов световозвращения косых пучков для них достаточно мал ±(12-18)°. Углы между гранями призм световозвращателя должны изготавливаться с высокой точностью, в противном случае излучение, отраженное от разных граней, имеет разное направление, отраженный пучок имеет пятнистую структуру. Необходимость обеспечения высоких точностей при изготовлении граней призм, а также сборке и юстировке призменных блоков, усложняет процесс изготовления таких световозвращателей.

Известен световозвращающий элемент [Патент РФ №2349940, дата приор. 25.07.2007, дата публик. 20.03.2009, Бюл. №8, Медведков И.А., Потапова Н.И., Цветков А.Д., Шкатов О.Ю., Световозвращающий элемент для моделирования отражательных характеристик светового, в том числе лазерного, излучения]. Световозвращающий элемент выполнен в виде двояковыпуклой линзы с радиусами кривизны входной и выходной поверхностей R₁ и R₂ и толщиной по оси d, равной сумме указанных радиусов. Вторая поверхность линзы с радиусом R₂ служит в двояковыпуклой линзе вогнутым зеркалом. Указанная конструкция не обеспечивает получение отраженного в обратном направлении излучения дифракционного качества с высокой осевой яркостью на больших дистанциях. К недостаткам следует отнести и большую хроматическую аберрацию световозвращающего элемента.

Наиболее близким устройством к заявляемому изобретению по совокупности признаков является световозвращающий элемент, описанный в [Патент РФ №2434255, дата приор. 30.06.2010, дата публик. 20.11.2011, Бюл. №32, Потапова Н.И., Цветков А.Д., Световозвращающий элемент], принято за прототип. Световозвращающий элемент выполнен в виде двояковыпуклой линзы со сферическими поверхностями, у которой центры кривизны первой и последней поверхностей совпадают, радиус кривизны первой поверхности равен R₁, радиус кривизны последней поверхности равен R₂, двояковыпуклая линза выполнена составной и включает в себя две линзы, соединенные между собой по сферической поверхности с радиусом кривизны R₃, центр кривизны которой совпадает с центрами кривизны первой и последней поверхностей двояковыпуклой линзы. Первая поверхность первой линзы является первой поверхностью двояковыпуклой линзы, вторая поверхность второй линзы является последней поверхностью двояковыпуклой линзы.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, следует отнести следующие. Сферическая поверхность с радиусом кривизны R₃ является коррекционной при условии наличия границы соединения стекол с различными показателями преломления. При больших углах обратного отражения для коррекции аберраций мениск, формируемый коррекционной поверхностью R₃ и одной из поверхностей двояковыпуклой линзы R₁ или R₂, представляет собой мениск с малой толщиной и большими радиусами кривизны. Такой элемент очень сложен в изготовлении. Для использования световозвращающего элемента в лазерных системах также необходимо обеспечение высокой лучевой стойкости границы соединения линзовых элементов. Использование оптического клея в этом случае проблематично вследствие его невысокой лучевой стойкости. Наличие воздушного промежутка между поверхностями может обусловить большое рассеяние на этих поверхностях, приводящее к ухудшению световозвращающих свойств элемента. Кроме того, в случае выполнения последней линзы из стекла с меньшим показателем преломления, диапазон возможных рабочих углов обратного отражения сужается, вследствие того, что полное внутреннее отражение от последней поверхности двояковыпуклой линзы будет возникать при больших углах падения излучения.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение диапазона рабочих углов отражения световозвращаюшим элементом в обратном направлении падающего на него излучения, включая и лазерное, в том числе и на больших расстояниях до источника излучения, при обеспечении простоты конструкции и процесса изготовления световозвращающего элемента.

Техническим результатом, который достигается при реализации изобретения, является создание световозвращающего элемента, функционирующего в широком диапазоне углов отражения в обратном направлении падающего на него излучения, включая и лазерное, в том числе и на больших расстояниях до источника излучения, и характеризующегося простотой конструкции и процесса изготовления.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в световозвращающем элементе, выполненном в виде двояковыпуклой составной линзы, включающей в себя две линзы, соединенные между собой, при этом первая поверхность первой линзы является первой поверхностью двояковыпуклой линзы, вторая поверхность второй линзы является последней поверхностью двояковыпуклой линзы, центры кривизны первой и последней поверхностей двояковыпуклой линзы совпадают, радиус кривизны первой поверхности двояковыпуклой линзы равен R₁, в соответствии с заявляемым техническим решением вторая поверхность первой линзы и первая поверхность второй линзы выполнены плоскими и линзы соединены между собой плоскими поверхностями, толщина первой линзы d₁ равна R₁, толщина второй линзы определяется из выражения d₂=(S'-d₁)±δ, где S₁' - расстояние до плоскости Гаусса первой поверхности первой линзы, δ - поправка, величина которой выбирается из условия обеспечения коррекции волновой аберрации широкого пучка излучения, радиус кривизны последней поверхности R₂ равен толщине второй линзы d₂, при этом показатели преломления материалов, из которых выполнены первая и вторая линзы, выбираются так, что показатель преломления материала первой линзы меньше или равен показателю преломления материала второй линзы.

Если в световозвращающем элементе на плоскую поверхность в центральной зоне одной из линз нанести отражающее покрытие, занимающее один или несколько участков плоской поверхности, при этом общая площадь отражающего покрытия S_o не более величины 0,1⋅π⋅R₁², то можно получить отраженный пучок с диаграммой направленности излучения с заданным профилем отраженного излучения.

На Фиг. 1 приведена оптическая схема световозвращающего элемента по п. 1, где 1 - первая линза, 2 - вторая линза, А - первая (входная) поверхность первой линзы с радиусом кривизны R₁; В - вторая (отражающая) поверхность второй линзы с радиусом R₂, Б - плоская поверхность соединения первой и второй линз, О - центр кривизны сферических поверхностей А и В; d₁ - толщина первой линзы, d₂ - толщина второй линзы, n₁ - показатель преломления материала первой линзы, n₂ - показатель преломления материала второй линзы.

Совпадение центров кривизны поверхностей А и В и расположение их на плоской поверхности Б соединения линз в световозвращающем элементе, выполненном в виде составной линзы, позволяет получить возвращение направленного на элемент излучения строго в обратном направлении независимо от угла падения, поскольку пучки излучения, падающие на первую поверхность первой линзы, проходя далее через центр кривизны О первой и последней поверхностей А и В, всегда фокусируются на второй поверхности второй линзы. Уменьшения величины сферической и волновой аберрации для сфокусированного первой линзой излучения можно добиться выбором радиуса кривизны первой линзы и показателей преломления обеих линз. В соответствии с заявляемым техническим решением показатель преломления материала первой линзы выбирают так, что он равен или меньше показателя преломления второй линзы. В обратном случае на границе раздела линз при больших углах падения будет возникать полное внутреннее отражение, что приведет к уменьшению угла отражения. Учитывая тот факт, что в оптической схеме, приведенной на Фиг. 1, каждая линза представляет собой полусферу, предлагаемая конструкция световозвращающего элемента позволяет значительно увеличить диапазон рабочих углов обратного отражения, вплоть до значения близкого к 180°.

Выполнение световозвращающего элемента из двух полусфер, соединенных плоскими поверхностями, значительно упрощает его конструкцию и процесс изготовления. Соединение линз по их плоским поверхностям можно выполнить путем оптического контакта. Это позволяет использовать световозвращающий элемент для отражения мощного лазерного излучения в задачах, связанных с юстировкой лазерных систем, а также определения конструктивного расположения элементов в них.

Если в световозвращающем элементе на границе соединения линз нанести отражающее покрытие, занимающее один или несколько участков плоской поверхности, то можно модулировать диаграмму направленности отраженного излучения, создавая заданный профиль в отраженном пучке излучения. Это позволяет идентифицировать световозвращающее устройство, что может быть использовано в задачах контроля протяженных объектов. Если общая площадь отражающего покрытия S_o не более величины 0,1⋅π⋅R₁², то потери, возникающие в отраженном пучке, не окажут существенного влияния на снижение дальности световозвращения.

Конструктивные данные световозвращающего элемента, когда первая и вторая линзы были выполнены из стекла ТК14, приведены в Таблице 1.

В таблице 2 приведены расчетные данные углов расходимости отраженного излучения для меридиональной и сагиттальной плоскостей, а также сила света отраженного излучения для различных углов падения излучения в относительных единицах. Углы расходимости рассчитывались при условии, что в этом угле заключена половина всей мощности излучения. Сила света для различных углов падения излучения рассчитывалась относительно осевой силы света. Под силой света отраженного излучения в относительных единицах мы подразумеваем отношение величины силы света отраженного излучения для заданного угла падения к величине силы света отраженного излучения по оси световозвращателя.

Меняя величину d₂=(S'-d₁)±δ, можно изменять величину сферической аберрации для пучков, падающих под разными углами относительно оптической оси элемента, что приводит к изменению зависимости силы света отраженного излучения от угла падения излучения. Можно выбрать величину d₂=(S'-d₁)±δ таким образом, чтобы максимальная сила света была при максимальных углах падения излучения, также можно добиваться практически равномерного распределения силы света отраженного излучения в зависимости от угла падения излучения на световозвращатель.

Расстояние до плоскости Гаусса от первой поверхности первой линзы в световозвращающем элементе для длины волны 1,064 мкм было равно S₁'=10,14 мм. Диаметр входного зрачка, при котором величина волновой аберрации равна одной длине волны для пучка излучения, распространяющегося по оси элемента, составлял 2 мм.

При увеличении угла падения излучения на световозвращающий элемент относительно оси элемента площадь входного зрачка уменьшается пропорционально косинусу угла падения. Но при этом происходит также уменьшение волновых аберраций излучения, отраженного световозвращающим элементом, а, следовательно, уменьшение угла расходимости излучения. Это приводит к тому, что сила света отраженного излучения при изменении угла падения от 0° до 85° (или до -85°) вначале возрастает, а затем уменьшается относительно силы света при угле падения 0° (см. таблицу 2). Несмотря на это уменьшение, световозвращатель продолжает функционировать. Можно увеличить величину силы света отраженного излучения выбором величины d₂=(S'-d₁)±δ. При выборе величины δ=-0,07 мм осевая сила света отраженного излучения увеличивается в 11 раз, также увеличивается сила света отраженного излучения для других углов падения излучения на световозвращающий элемент. Это обеспечивает большие дальности действия световозвращающего элемента и, соответственно, его функционирование на больших расстояниях до источника излучения.

Ни прототип, ни известные аналоги не позволяют достичь такого результата.

Конструктивные данные световозвращающего элемента, когда показатель преломления материала первой линзы меньше показателя преломления материала второй линзы, приведены в Таблице 3. Первая и вторая линзы были выполнены из стекол К8 и БФ1, соответственно.

Расстояние до плоскости Гаусса от поверхности первой линзы в световозвращающем элементе для длины волны 1,064 мкм было равно S₁'=11,36 мм. Диаметр входного зрачка, при котором величина волновой аберрации для пучка излучения, распространяющегося по оси элемента, равна одной длине волны, составляет 2 мм.

В таблице 4 приведены расчетные данные углов расходимости отраженного излучения для меридиональной и сагиттальной плоскостей, а также сила света отраженного излучения для различных углов падения излучения в случае линз, когда показатель преломления материала первой линзы меньше показателя преломления материала второй линзы. Как и в предыдущем случае, углы расходимости излучения рассчитывались при условии, что в этом угле заключена половина всей мощности излучения (половина всей энергии). Сила света отраженного излучения для различных углов падения излучения рассчитывалась относительно осевой силы света отраженного излучения.

Из данных, приведенных в таблице 4, видно, что сила света излучения, отраженного от световозвращающего элемента при изменении угла падения от 0° до 50° (или до -50°), возрастает в 6 раз, а затем при изменении угла до 85° (или до -85°) падает относительно осевой силы света отраженного излучения.

Таким образом, световозвращающий элемент, изготовленный из стекол, когда показатель преломления материала первой линзы меньше показателя преломления материала второй линзы, работает при углах падения излучения, как минимум, от -85° до 85°. То есть изменяя поправку δ, можно достичь желаемого углового распределения отраженного излучения, добиваясь максимальной величины отраженного потока при выбранных углах падения и обеспечения больших дальностей действия световозвращающего элемента.

Ни прототип, ни известные аналоги не позволяют достичь такого результата.

Изобретение может быть использовано при мониторинге состояния окружающей среды, в системах лазерной локации и дальнометрии. Световозвращающий элемент выполнен в виде двояковыпуклой составной линзы, у которой центры кривизны первой и последней поверхностей совпадают. Вторая поверхность первой линзы и первая поверхность второй линзы выполнены плоскими и линзы соединены между собой плоскими поверхностями. Толщина первой линзы d₁ равна радиусу кривизны первой поверхности R₁, толщина второй линзы d₂ определяется из выражения d₂=(S'-d₁)±δ, где S₁' - расстояние до плоскости Гаусса первой поверхности первой линзы, δ - поправка, величина которой выбирается из условия обеспечения коррекции волновой аберрации широкого пучка излучения. Радиус кривизны последней поверхности R₂ равен d₂. Показатель преломления материала первой линзы меньше или равен показателю преломления материала второй линзы. Технический результат – обеспечение широкого диапазона углов обратного отражения, в том числе на больших расстояниях до источника излучения, простота конструкции и процесса изготовления. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл.

1. Световозвращающий элемент, выполненный в виде двояковыпуклой составной линзы, включающей в себя две линзы, соединенные между собой, при этом первая поверхность первой линзы является первой поверхностью двояковыпуклой линзы, вторая поверхность второй линзы является последней поверхностью двояковыпуклой линзы, центры кривизны первой и последней поверхностей двояковыпуклой линзы совпадают, радиус кривизны первой поверхности двояковыпуклой линзы равен R₁, отличающийся тем, что вторая поверхность первой линзы и первая поверхность второй линзы выполнены плоскими и линзы соединены между собой плоскими поверхностями, толщина первой линзы d₁ равна R₁, толщина второй линзы d₂ определяется из выражения d₂=(S'-d₁)±δ, где S₁' - расстояние до плоскости Гаусса первой поверхности первой линзы, δ - поправка, величина которой выбирается из условия обеспечения коррекции волновой аберрации широкого пучка излучения, радиус кривизны последней поверхности R₂ равен толщине второй линзы d₂, при этом показатели преломления материалов, из которых выполнены первая и вторая линзы, выбираются так, что показатель преломления материала первой линзы меньше или равен показателю преломления материала второй линзы.

2. Световозвращающий элемент по п. 1, отличающийся тем, что на плоскую поверхность в центральной зоне одной из линз нанесено отражающее покрытие, занимающее один или несколько участков плоской поверхности, при этом общая площадь отражающего покрытия S_o не более величины 0,1⋅π⋅R₁².