Коллимирующая оптическая система Советский патент 1991 года по МПК G02B27/30 

Изобретение относится к оптике, вчастно- ст к оптическим системам с преломляющими элементами, и может быть использовано в системах оптической локации, оптической связи, управления и наблюдательных при- борах.

Цель изобретения - уменьшение весо- габаритных характеристик коллимирующей оптической системы.

На фиг.1 приведена оптическая схема предлагаемой коллимирующей системы; на фиг.2 - принцип изменения расходимости пучка излучения без изменения его диаметра на преломляющей поверхности; на фиг.З - прохождение расходящегося пучка излуче- ния через призму; на фиг.4 - график изменения обобщенного параметра R; на фиг.5 - график изменения коэффициента анаморфозы Л; на фиг 6 - график изменения угловою увеличения Г.

Коплимирующая оптическая система (фиг.1) содержит расположенные последовательно по ходу луча отрицательную линзовую (или зеркальную) оптическую компоненту 1, первую призму (группу призм) 2, положи- гельную линзовую (или зеркальную) оптическую компоненту 3, вторую призму (группу призм) 4. вторую отрицательную оптическую компоненту 5.

Апертурный угол отрицательных и поло- жительной компонент составляет 20-40°, входная грань первой и второй призм ориентирована под углом fi (2-3) а к оси падающего пучка, преломляющий угол а призм равен 10 40°, а передний мнимый фокус первой отрицательной компоненты 1 и задний мнимый фокус второй отрицательной компоненты 5 совпадают с концами двойного переднего и двойного заднего фокальных отрезков положительной компоненты 3. Для сужения пучка в какой-либо одной плоскости призмы 2 и 4 устанавливаются в этой же плоскости (фиг.1 а), для сужения пучка в двух взаимно перпендикулярных плоскостях призмы 2 и 4 ориентируются ортого- нально друг другу (фиг. 16),

Коллимирующая оптическая система работает следующим образом.

Оптическая система,образованная двумя одинаковыми отрицательными и одной положительной компонентами, расположенными так, что передний мнимый фокус первой отрицательной компоненты и задний мнимый фокус второй отрицательной компоненты совпадают с концами двойного пе- реднего и двойного заднего фокальных отрезков положительной компоненты, имеет угловое увеличение равное единице, и, следовательно, сама по себе не изменяет

параметров входного пучка. Трансформацию параметров пучка осуществляют призмы, причем осуществляют ее так, что уменьшение расходимости входного излучения достигается без пропорционального увеличения диа- мегра пучка, а значит и весогабаритных характеристик системы из-за возрастания размеров выходного зрачка. Так как входная и выходная преломляющие грани призмы (фиг.З), действуют в противоположных направлениях (фиг.2), то, меняя угол падения входного расходящегося пучка на призму, можно получить результирующее сужение или расширение выходного пучка. Коллимация входного пучка обеспечивается при незначительном возрастании его размеров е том случае, если угол падения пучка на призму равен (2--3) -а , где а - преломляющий угол призмы, а расходимость пучка составляет 20-40°. Первая отрицательная компонента 1 предназначена для создания расходящегося пучка с угловой апертурой 20-40°С. Положительная компонента 3 меняет знак расходимости пучка, прошедшего через первую призму (группу призм) 2, преобразует расходящийся пучок 6 в сходящийся 7, что позволяет сохранить размеры второй призмы 4 равными размерам первой. Знак расходимости для призмы не имеет значения. Вторая отрицательная компонента 5 служит для придания коллимирующей системе свойств телескопической системы, т.е. параллельный входящий пучок 8, имеющий некоторые параметры, преобразуется также в параллельный пучок 9, но с другими параметрами. Ортогональная ориентация призм 2 и 4 позволяет коллимировать пучок излучения в двух взаимно ортогональных плоскостях, что эквивалентно коллимации пучка осесимметричными оптическими системами. Если необходимо коллимировать пучок в одной плоскости, призмы ориентируются так, что их преломляющие ребра параллельны (фиг.1а), что позволяет увеличить степень коллимации пучка по сравнению с одной призмой.

Наиболее эффективно при одновременном упрощении оптической схемы применение предлагаемой призменной коллимирующей системы для коллимирова- ния излучения полупроводниковых лазеров, излучение которых обладает значительной расходимостью, так что отпадает необходимость во входной отрицательной компоненте 1, создающей нужную расходимость входного пучка.

Для количественной оценки достижения положительного эффекта рассмотрим прохождение расходящегося пучка через призму (фиг.З). В качестве параметра, характеризующего трансформацию пучка в призме, возьмем отношение R углового увеличения Г к коэффициенту анаморфозы А, т.е. R Г/А. Для зеркально-линзовых систем, а также для призменных систем, работающих в па- ралелльных пучках, зют параметр раоен 1, Поскольку при распространении пучка в призме изменение его параметров происходит лишь на преломляющих гранях, параметр R будет равен произведению аналогичных параметров RI П/Ai для первой (входной) и R2 Г2/А2 для второй (выходной) граней, где П, Г2 и Ai, A2 - угловые увеличения и коэффициенты анаморфозы для указанных граней.

В качестве диаметров падающего и преломленного на гранях призмы пучков возьмем длину перпендикуляров, опущенных из общей точки пересечения крайних лучей пучков на осевые (биссектрисные)лучи пуч- ков до пересечения с противоположными крайними лучами или их продолжениями (фиг.З).

Найдем выражения для AI и А По теореме синусов из треугольников АОС и ADB (фиг.З) имеем:

Ai (АС/АВ) cos In- cos(y2/2)J/

/ cos m -cos(yi/2).

где у 1 - расходимость падающего входного:

у 2 - преломленного на первой (входной) грани пучков;

(иг- углы падения и преломления соответственно (первый индекс указывает номер преломляющей грани, а второй ин- деке - левый (1) либо правый (2) крайние лучи по ходу пучка).

Угловое увеличение на первой грани призмы

П У2/У1

где у 2 П2- m

Гц arcsin (n 1 sin in):

П2 arcsin (n Sin (12);

hi h + у 1/2; ii2 h + yi / 2 , (1)

h - угол падения на первую грань осе- вого луча входного расходящегося пучка.

Окончательно для RI получаем

пучка, преломленного на второй грани призмы,

Г2к arcsln(n sini2ic): 12к и - а. к 1,2, (2) а - преломляющий угол при вершине призмы.

Во всех полученных соотношениях углы падения и преломления считаются положительными, если для совпадения луча с нормалью к поверхности луч нужно вращать по часовой стрелке, а преломляющий угол призмы считается положительным, если он расположен слева от направления распространения луча.

Принимая во внимание, что на второй грани угловое увеличение Г2 уз/У2 . для R2 получаем выражение

Г2 г22-

Г21

COS Г21

COS 121

х COS (П2- ГЦ )/2 COS( Г22 - Г21 )/2

а для pej /льтирующего параметра R, характеризующего всю призму, выражение

Ri R2

COS ГЦ

COS 111

.

A yi

COS Г21 COS l-21

cos(yi/2 )

cos (уз/2 )

(3)

где А - коэффициент трансформации диаметра пучка для призмы (коэффициент анаморфозы);

д А-С- cos (уз/2 ) М Е H cos(yi72) , cos in cos 121

(4)

X

COS Г11 COS Г21

Г уз/у1 - коэффициент углового увеличения призмы.

В случае параллельного пучка лучей У 0:у2 уз ,

Ј

У

cos ii

n cos n

n

Г2 2

Yi

COS J2

COS Г2

Изобретение относится к оптике и позволяет существенно улучшить массогаба- ритные характеристики оптико-электронных приборов, содержащих коллимирующие оптические системы. Коллимирующая оптическая система содержит призму 2 и ортогональную ей призму (группу призм) 4, осуществляющих преобразование параметров пучка по двум координатам. Линзы являются вспомогательными элементами. Первая отрицательная линза 1 создает расходящийся пучок с заданной угловой апертурой. Положительная линза 3 преобразует расходящийся пучок в сходящийся, что позволяет сохранить размеры призмы 4 равными размерам призмы 2. Вторая отрицательная линза 5 служит для придания всей оптической системе свойств телескопической системы, т.е. параллельный входящий пучок, имеющий определенные параметры, преобразуется также в параллельный пучок, но с другими параметрами. 6 ил. J 4 Ј 3 4 О fO со ю 10

П AI

П2 П1

cos m

X

yi cos(H-yi/2) cos (yi/2 )

cos(ri2 - m )/2

Таким же образом для второй (выходной) преломляющей грани призмы из треугольников EFG и EFH имеем:

Е G cos l2i . cos (уз/2 ) Е H cos Г21 cos (y2/2 ) где уз Г22 Г21 - расходимость выходного

А2

с учетом соотношений i2i i 2 - У2 /2; 122 i 2 + У2 /2, где i2 (i22 + 2i)/2,

rCOS J1 COS J2

R2

COS П COS Г2

A - -COS ii COS 2

COS П COS Г2

и R - 1

причем полученные предельные выражения для Ai, A2, У2/У1 , УЗ/У2 , Г и А

совпадают с полученными дня параллельных пучков.

По соотношениям (3) и (4) проведены расчеты для п - 1,5263 и 1,6475, преломляющий угол а изменялся в пределах от «н 10° до «к- 60 с шагом Да - 10°, расходимость yi входного пучка составила 1,5,20. 2°, 20°, 30° и 40°.

На фиг 4-6 приведены типичные зависимости R(h) Л(н) и Г(И) для различных значений упри а - 10° Дтя болыиих( а 10°) значений а и у уменьшается диапазон изменения И и идут ниже. Из графиков (фиг.4) видно, что RU во осем диапазоне изменение углов падения И пучка на призму. Это значит, что расходимость пучка уменьшается в гораздо Большей степени, чем узетичиваотсч ею диаметр либо диаметр пучка умен шзетг.я в большее число раз чем „ прлииивлется его расходимость, в

ПрПТИВОПОг1О КНО( . ЭОРКЭПЬНО-ЛИНЗОВЫМ

системам ди 1 когор х изменения диаметра пучка обоатно пропорциональны изменениям его ППГУОДИМОГТИ т Р призма позволяет изменяв ходимость без изменения ею диаметра Оэззпмое относится к пучкам с расходимостью у 2° При } 2° пьр;:ме)р тффектнности R практически равен 1 во всем диапазоне углсв падения И пучка нэ призму и преломляющих углос о. Незнзчигетьнчо отклонения от 1 наблюдаются только пои скользящем падении пучка на призму

Наихудшее (близкое к 1) значение параметра R нг.Олюдэетгя при угле наименьшего OTKnnnrijuq |ио При отклонении от этого упа сторону отрицательных углов падения поип оди г сужение пучка (фиг,5) и увеличение его расходимости (фиг.6), при отклонении в сторону положительных углов падения - расширение пучка (фиг.5) и уменьшение его расходимости (фиг.6), однако всегда преобладает положительный эффект - сужение пучка в первом случае и уменьшение его расходимости во втором При h IHO параметр R . если «- 0. независимо от величины у , при этом IHO . Г. увеличением п при прочих равных условиях параметр R уменьшается Параметр эффективности R тем лучше (меньше), ием больше а , у 1 , п и чем больше угол Ь падения входного пучка на призму.

Тдкмм jGp.°3OM, призма ч различной степени игмгн«ет угпоч-мо расходимость и размерн сильно расходящихся пу-и.оп, .1 для пучков с расходимостью несколько Д,СЯТКСЧ ГрЭДЧ СОВ, ТИПИЧНОЙ ДЛЯ ИЗлученил полупроводниковых лазеров, угол падения отппы нч призму далек от угла

наименьшего отклонения. Применение приз- менных систем позволяет изменять расходимость пучка почти без изменения диаметра этого пучка, что невозможно достичь в линзовых и зеркальных оптических системах. Это позволяет создавать призмен- ные и комбинированные призменно-зеркаль- ные и призменно-линзовые оптические коллимирующие системы для расширения и

сужения расходящихся пучков с малыми габаритами массой и малыми аберрационными искажениями, так как в призме отсутствуют некоторые аберрации, в частности сферическая.

Для нахождения расходимости пучка на выходе коллимирующей оптической системы необходимо иметь в виду, что для оптического компонента 5 справедливо соотношение (4)

tgyBbix +-- Фз,

где увых - расходимость выходящего пучка 10,

У5 - расходимость пучка 9, падающе- го на оптическую компоненту 5;

Оз/2 - высота падения крайнего луча на оптическую компоненту 5;

Фз оптическая сила компоненты 5. Согласно (4) можно записать

D3 D2-2I tg у 5 ,

где I - расстояние между компонентами 3 и 5;

D2/2 - высота падения крайнего луча на оптическую компоненту 3, которая зависит от конструктивного расположения и выбранных характеристик призмы (группы призм) 2;

у 1 - расходимости пучка 7. Величину tg у s найдем из соотношения

tgys-tgya + Ь . где уз - расходимость пучка 8, падающего

на оптическую компоненту 3;

оптическая сила компоненты 3;

Г22- Г21.

Из формул (1) и (2) видно, что расходи- мость уз является функцией следующих величин: а- угла призмы; И -угла падения на первую грань призмы осевого луча входного расходящегося пучка (т.е. угла ориентации призмы/) и yi - расходимо- сти пучка 7, падающего на первую грань призмы. Величины а и И (или /3) задаются конструктивно в указанных пределах, а расходимость yi определяется через параметры оптического компонента 1 следующим образом

tg у i - tg у вх + 1 Ф,,

где увх - расходимость входящего пучка 6; Di/2 - высота падения крайнего луча на оптическую компоненту 1;

Ф| - оптическая сила компоненты 1. В результате проделанных преобразований получена связь расходимости выходящего пучка увых с расходимостью входящего пучка увх для предлагаемой коллимирующей оптической системы. Ее применение позволяет при тех же весога- баритных характеристиках передающих оптических систем повысить эффективность лазерных информационных систем за счет увеличения плотности потока лучистой энергии в телесном угле излучения передатчика путем уменьшения расходимости, устра нения виньетирования, сжатия диаграммы направленности и, как следствие этого улучшить точностные характеристики и помехозащищенность от пространственных фоновых помех.

П

У//////

Формула изобретения Коллимирующая оптическая сигм.ма содержащая последовательно расположен ныо по ходу луча отрицательную и почожи- 5 тельную оптические компоненты, о т л ч а ю- щ а я с я тем, что, с целью уменьшения весо абари1ных характеристик системы, за положительной компонентой вводится вторая отрицательная компонента, передний 0 мнимый Фокус первой отрицательной компоненты и задний мнимый фокус второй отрицательной компоненты совпадают с ко. .цзми двойного переднего и двойного за днего фокальных отрезков положительной компоненты, апертурный угол попожитель- ной и отрицательных оптических компонент выбирается в пределах 20-40, между положительной и отрицатечьными компонентами вводятся призмы (группы призм), угол 0 / ориентации которых по отношению к оптической оси системы связан с преломляющим углем а призмы соотношением ft 2-3) , а преломляющий угол а приемы выбирается в пределах 10 40°.

5

Фиг. 2

-40 -30 2D -Ю

О 10 20 30 40 50 60 70 80 Фиг. t

н

Фиг.З

lj, град

-40 -20