Оптический элемент нарушенного полного внутреннего отражения Советский патент 1992 года по МПК G02B5/04 

НПВО), в которой установлен элемент НПВО. Указанные недостатки устранены в призме с переменным углом падения на грань ПВО, в которой вместо сошлифован- ных под различными углами входных граней введена дополнительная грань ПВО.

Известен призменный элемент, являющийся наиболее близким к предлагаемому. Он представляет собой симметричную призму, нижняя грань которой является гранью полного внутреннего отражения, угол наклона входной грани к нижней грани ПВО равен углу падения U осевого луча на нижнюю грань ПВО и образована верхняя грань ПВО, параллельная нижней грани ПВО, длина призмы вдоль этих граней равна Imax/imin (tg /fcctg U) (1 + )sin

, а высота призмы равна tmax (1 +

-т/-г- )32. где Uax - длина нижней грани; v - I

U - угол падения на верхнюю грань пучка, пропускаемого световым отверстием а1;

Imin - длина верхней грани;

/3 180° - 3U - угол падения на верх- нюю грань пучка, пропускаемого световым отверстием призмы аз;

V - параметр призмы, удовлетворяющий соотношению 1 V ctg U.

Использование поляризованного света позволяет с помощью уравнений Френеля, связывающих экспериментально измеренные значения коэффициента отражения по- ляризованного света с оптическими постоянными исследуемой среды, опреде- лять значения последних и повышать степень контраста спектра. Наибольшее усиление контраста достигается при использовании р-поляризованного света.

Ввиду нормального падения пучков на входную грань прототипа часть светового потока отражается от его входной грани, не попадая в призму, причем величина этих потерь не зависит от поляризации падающего на призму света и растет с ростом значений показателя преломления призмы

По.

С другой стороны, характер спектра НПВО исследуемого объекта с показателем преломления п определяется разностью ус- лов падения U - Uc, где Uc arc sin ПсГ.п - критический угол падения, зависящий от значения п0. Как видно из выражений для угла / 180° - SUmin и для независимого параметра V ctg Umax 1, значения угла лежат в диапазоне 30° U 45°, который не зависит от показателя преломления призмы и не позволяеттаким образом изменять ширину этого диапазона или смещать

его. Кроме того, данный диапазон не позволяет использовать известное соотношение между коэффициентами отражения параллельно и перпендикулярно поляризованного света Ro RS , выполняющиеся при U 45° и позволяющее определять качество контакта элемента НПВО с изотропным объектом или степень изотропности последнего. Так как пригодность оптического материала для изготовления из него элемента НПВО определяется, как спектральным диапазоном пропускания, ограничивающим область, где возможно получение спектров НПВО, химической активностью, которая может возрастать при контакте с химически активными объектами и физическим состоянием (твердым или жидким), которое может определить возможность получения контакта с объектом исследования (например, если он имеет неплоскую форму) и технологичность изготовления элемента НПВО.

С этой точки зрения около половины из известных оптических материалов, используемых для изготовления элементов НПВО, включая все жидкие среды и уникальный по своим характеристикам лейкосапфир AlaOa, обладающий сочетанием исключительной твердости, позволяющей очищать рабочую грань НПВО от загрязнений без ее повреждения металлическим напильником и широкого спектрального диапазона пропускания от дальней ультрафиолетовой до ближней ИК-области, не позволяют поддерживать у прототипа необходимую для записи спектра величину разности U - Uc.

Цель изобретения - повышение свето- пропускания Р-компоненты, расширение номенклатуры используемых оптических материалов и диапазона углов падения.

Указанная цель достигается тем, что в известном оптическом элементе НПВО с изменяемым углом падения излучения, выполненном в виде прямой призмы, имеющей в основании равнобедренную трапецию, с входной и выходной гранями, проходящими через боковые стороны этой трапеции, и с гранями ПВО, проходящими через ее основания, прлчем нижняя граница светового отверстия 32, соответствующего одному из двух, заданных углов /5 падения излучения на.меньшую грань ПВО, совпадает с ребром между входной гранью и большей гранью ПВО, а нижняя граница светового отверстия 31, соответствующего второму заданному углу U падения излучения на указанную грань, совпадает с верхней границей светового отверстия 32, длина призмы вдоль большей Uax и вдоль меньшей Uin граней ПВО определяется из соотношений

lmax/lmin (tg/3±Ctg#)(1 + у 1 )32

высота основания призмы tmax из соотношения

о

tmax (1+ у 1 )Э2.

а размер светового отверстия ai, отсчитываемый, как и размер а2, в направлении, пер- пендикулярном граням полного внутреннего отражения, из соотношения

31

cos n-COS в

cosarcsin(ri0cos0)

Imin

в arctg sinU- °1 а cos U

где-Ј.180°-(U+ 20)°;

о 1 + I По

По + 1Пр +8

. 4

U

Падающий на входную грань 1 параллельно грани 2 осевой луч пучка а преломляется ею и, отразившись от нижней грани ПВО 2 под углом U, направляется к верхней

грани ПВО 3, расположенной параллельно нижней. После отражения от верхней грани ПВО 3 под углом U он вновь направляется к нижней грани 1 и, отразившись от нее, выходит, преломившись через выходную грань

4, оставаясь на одной прямой с падающим на призму лучом а. Осевой луч пучка Ь, параллельный осевому лучу пучка а, после от- ражения от нижней грани ПВО 2 направляется вновь к выходной грани 1, на

которой испытывает ПВО, после чего падает на верхнюю грань ПВО 3 под углом ft п. Отразившись от верхней грани ПВО 3, осевой луч пучка b испытывает ПВО от выходной грани 4 и после отражения от нижней

грани ПВО 3 покидает элемент через выходную грань 4, преломившись на ней таким образом, что, выйдя из призмы, он также лежит на одной прямой с падающим на призму осевым лучом пучка Ь.

На фиг. 2 кривые (в) и $) изображают

зависимости от показателя преломления призмы значений углов падения

arcsin

о 1 + I По :

п0 + Гп0 2 +9 +6 По 1 -1

где в - угол между входной гранью и большей гранью ПВО;

по - показатель преломления материала призмы;

V - параметр призмы, удовлетворяющий соотношению

К V ctg tfctgll.

Выполнение указанных соотношений позволяет направлять падающий пучок под углом к входной грани, при котором пропускание Р-компоненты увеличивается, достигая 100% при падении под углом Брюстера. Функциональная зависимость от показателя преломления призмы угла падения на грань ПВО позволяет влиять на значения последнего путем подбора подходящего оптического материала.

На фиг. 1 изображен предложенный элемент НПВО; на фиг. 2 - график зависимости угла падения на грань ПВО и от показателя преломления призмы п0.

Оптический элемент содержит входную грань 1, нижнюю грань 2 ПВО, верхнюю грань 3 ПВО, параллельную нижней грани 2, и выходную грань 4.

Оптический элемент работает следующим образом.

30 Umax arcsin По 1+ ° 2+8 и

Umin arcsin

По

-1 + Vn

+ 9 +6 n0 - 1

ограничивающих диапазон углов U для предлагаемой призмы, прямые (-) указывают границы диапазона углов U для прототипа, кривая (+) соответствует зависимости

от показателя преломления призмы п0 значений UT 90° - arctg n0 + arcsin (n0 1 sin arctg n0), при которых пропускание предлагаемой призмы составляет 100% в параллельно поляризованном свете, кривая $)

обозначает зависимость от показателя преломления критического угла падения Uc arcsin для случая отражения от грани ПВО, находящейся в контакте с воздухом. Из графика следует, что диапазон допустимых значений U для предлагаемой призмы не пересекается кривой Uc, располагаясь выше ее, что подтверждает возможность использования всех оптических материалов для изготовления таких элементов НПВО. В

тоже время, для прототипа положение интервала допустимых значений углов U позволяет использовать материалы с п0 2.

Изгиб кривых Umax и Umin с уменьшением п0 позволяет смещать весь диапазон допустимых значений углов U вдоль оси ординат, расширяя тем самым его.

Пересечение области, ограниченной кривыми (э) и @Ji), кривой (+) подтверждает возможность построения оптических элементов предложенной конструкции, в которых за счет использования наклона входной грани под углом Брюстера к падающей на него Р-компоненте удается значительно увеличить пропускание.

Выполнение приведенных выше соотношений для угловых и линейных величин оптического элемента с изменяемым углом падения излучения позволяет повысить пропускание р-компоненты при U 50°, п0 2,4 в 1,4 раза, расширить диапазон углов падения в 1,8 раза, за счет изменения п0 от 1,5 до 4,0, использовать для изготовления призмы, позволяющей проводить однозре- менные измерения при двух углах, все известные оптические материалы, применяемые для изготовления элементов НПВО. Кроме того, это позволяет предельно упростить оптическую схему и конструкцию приставки НПВО, повысить качество поляризации света, используя призму как дополнительный поляризатор.

Формула изобретения

Оптический элемент нарушенного полного внутреннего отражения с изменяемым углом падения излучения, выполненный в виде прямой призмы, имеющей в основании равнобедренную трапецию, с входной и выходной гранями, проходящими через боковые стороны этой трапеции, и с гранями полного внутреннего отражения, проходящими через ее основания, причем нижняя граница светового отверстия а2, соответствующего одному из двух заданных углов /3 падения излучения на меньшую грань полного внутреннего отражения, совпадает с ребром между входной гранью и большей гранью полного внутреннего отражения, а нижняя граница светового отверстия ai, соответствующего второму заданному углу U падения излучения на указанную грань, совпадает с верхней границей светового отверстия 32, отличающийся тем, что, с целью

повышения светопропускания Р-компоненты, расширения номенклатуры используемых оптических материалов и диапазона углов падения, длина призмы вдоль боль- шей Imax и вдоль меньшей lmm граней полного внутреннего отражения определяется из соотношения

lS--()(1+ vlrr-Jaz,

высота основания призмы tmax из соотношения

2

tmax (1 + v 1 )Э2.

а размер светового отверстия ai, отсчитываемый, как и размер 32 в направлении, пер- пендикулярном граням полного внутреннего отражения, - из соотношения

31

cosU cos в

cosarcsin (n0 cos в)

где/3 180°-(U + 20);

. n0 1 2 +8 30 аГС51П4

U arcsin n° 1 + n°

2 +9 +6 no -1

-| Qsin U - n0

arctgcoTU угол между

входной гранью и большей гранью полного внутреннего отражения;

п0-показатель преломления материала призмы;

V - параметр призмы, удовлетворяю- щий соотношению

1 V ctg Q ctg U .