Устройство для фокусировки оптического излучения в контур прямоугольника Советский патент 1992 года по МПК G02B5/32 G03H1/02 

Изобретение относится к оптике и может быть использовано в установках для сварки (резки) по контуру, для маркировки изделий.

Известно устройство для фокусировки оптического излучения в прямоугольник с равномерным распределением интенсивности в виде фазового оптического элемента, представляющего собой кривое зеркало, форма которого описана некоторым выражением.

Недостатком устройства является невозможность формирования распределения интенсивности в виде контура прямоугольника при освещении кольцевым лазерным пучком.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство для фокусировки оптического излучения в набор отрезков, в котором фазовый оптический элемент выполнен в виде

отражающей зонной пластинки определенной формы и рельефа зон, описанных математически. Устройство преобразует волновой фронт падающего на него излучения в волновой фронт, обеспечивающий требуемый процесс фокусировки. Известное устройство фокусирует в набор отрезков прямых, за который может быть принят контур прямоугольника, только гауссов пучок, и оно не может быть использовано при освещении кольцевым п учком вследствие низкой точности формирования распределения интенсивности в виде контура прямоугольника в этом случ аё.

Цель изобретения - повышение точности формирования контура прямоугольника при освещении фазового оптического элемента кольцевым лазерным пучком.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для фокусировки оптического излучения в контур прямоугольника, содер Ч

жащий оптический фазовый элемент, в виде пропускающего или отражающего кикофор- ма со ступенчатым профилем зон, высота зон выбрана из условия

h(U,V)

v mod 2 л ( ± Ф ( U cos в. V ))

|Ч1 r -L-Г - .. j-ещ

П2 - По Sin2 в - По COS 9

(U,V) - декартовые координаты в плоскости фазового оптического элемента;

п0 - показатель преломления материала, из которого выполнен оптический элемент;

Я- длина волны;

#-угол падения излучения на фазовый оптический элемент;

п - показатель преломления среды, в

j M-k - ii Ј 2(atb) i 2i« «.

H((M-5ill

4 tjp- M il «Г

6 ч, -сов в.у

«{cos«).sineb KSKt .МР

-cos ci

10

J)

,(COSe{j

2Ј-|5 lj g 5-i

fl,

где a - длина стороны формируемого пря15 моугольника параллельной оси U, b - длина

стороны прямоугольника параллельной оси V;

fo - расстояние от плоскости (U, V) до

плоскости фокусировки;

которой находится фазовый оптический on Rr Rl внешний и внутренний радиусы вяа„ ит20 кольцевого пучка

элемент.

Знак + соответствует фазовый функции Ф(и,/) пропускающего фазового оптического элемента, знак - соответствует фазовой функции отражающего оптическоа

Л

а - Я b

Р - о 5

2я .

2 а 2 а +Ь р- полярный угол в плоскости. На фиг.1 изображена схема устройства;

го элемента гГри этом фазовая функциГкй- 25 на иг 2 сечение Фазовой зонной пяастинноформа удовлетворяет соотношениюки . . ,

Устройство представляет собой фазовый оптический элемент 1, выполненный в виде пропускающей или отражающей зон- Г U I г iV+ (|(,|aPcg;n- WRru U ной пластинки с микрорельефом 2, высота

L . (

мЦ-1

-- ЫУ

2(.

+ 7- :-г- X

2f0T« aT(Rl-tfH 2 tUI

которого описывается выражением

при в R2 ,

U R.cos /i, f C u -f3, .tf j

m, , blvl e()

M- ffc-+-2Г/Ш Т

lul

H(i4:()U . R iuloi R . , R A

Т Т-Тб5 1

R R

xarcs ih( Sin fi --j-co5fitg (

n3

,i- « cos

при R, и R« , luf э R, co5 (5

, -54p, 2ff-/3 5

r«ji(f7 alul 2tatbl

glJiiPl tw- - ; iiM14 --T,CTJ

при B, RS,IVUB,,

2t-p(,

j M-k - ii Ј 2(atb) i 2i« «.

H((M-5ill

4 tjp- M il «Г

6 ч, -сов в.у

«{cos«).sineb KSKt .МР

-cos ci

J)

,(COSe{j

2Ј-|5 lj g 5-i

fl,

где a - длина стороны формируемого прямоугольника параллельной оси U, b - длина

стороны прямоугольника параллельной оси V;

fo - расстояние от плоскости (U, V) до

плоскости фокусировки;

а

Л

а - Я b

Р - о 5

2я .

2 а 2 а +Ь р- полярный угол в плоскости. На фиг.1 изображена схема устройств

вый оптический элемент 1, выполненный виде пропускающей или отражающей зо ной пластинки с микрорельефом 2, высо

которого описывается выражением

f ,- Л mod27r (±Ф(.у)) 4 2Jt

In - no sin 0 -

no cos

в

0

микрорельеф 2 расположен на подложке 3 в зоне, ограниченной эллипсами

Rlr U2cos2 0+V2;

R2r U2cos2 в + V2,

RI и Ra - радиусы кольцевого лазерного пучка.

Излучение А падает под углом в на оптический элемент 1 и фокусирует в контур с прямоугольника 5,

Устройство работает следующим образом.

Оптический элемент 1 разбит на 4 сегмента, каждый из которых фокусирует падающее под углом в на его поверхность лазерное излучение 4 в соответствующую сторону контура прямоугольника 5 в области фокусировки.

В точку, лежащую на контуре прямоугольника в области фокусировки, приходит круговой конус лучей. Ось данного конуса совпадает со стороной прямоугольника, содержащей данную точку, Линия пересечения этого конуса и плоскости оптического фазового элемента назовем слоем Он пред0

ставляет собой множество точек, из которых лучи приходят в данную точку на контуре прямоугольника. Для того, чтобы обеспечить равномерное распределение интенсивности вдоль стороны прямоугольника, необходимо выбрать слои на оптическом элементе таким образом, чтобы световой поток через область, ограниченную любыми двумя слоями, был пропорционален расстоянию между точками на контуре прямоугольника, которым эти слои соответствуют, т.е. выполняется закон сохранения энергии

(U,V)cosi9dS lCf)df,

т

где D - область между двумя слоями;

L - отрезок прямой между двумя соответствующими этим слоям точками;

fo(U,V) - интенсивность падающего излучения;

в- угол падения;

(Ј} - линейная плотность энергии на контуре (в нашем случае она постоянна).

В случае пропускающего оптического фазового элемента 1 падающее под углом в излучение 4 проходит через оптический элемент 1, Разность фаз между двумя лучами равна

Ap (h(Ui,Vi) -h(Uo.V0))x

где U,V- декартовы координаты в плоскости фазового оптического элемента;

п0 показатель преломления материала, из которого выполнен фазовый оптиче- ский элемент;

А- длина волны излучения; в- угол падения пучка излучения на фазовый оптический элемент;

знак +я соответствует фазовой функ- ции cp(/J,V) пропускающего фазового оптического элемента;

знак - соответствует фазовой функции отражающего элемента,

при этом фазовая функция киноформа удовлетворяет соотношению

, ruW blvi 8Са.Ы

o(wi-4nrei; { T)T°

f;()4Hlule« V

яри R. Rj ,

(1 R, cos f,

(3, (i et-p; hiAv blvl 3(а.

eM-ltt-2 +lF.4u5F« r

f()

v ,}-j$nf -Јt f i4Ґ

f

Ј # cos pi

Сущность изобретения: фазовый оптический элемент устройства выполнен в виде отражающего или пропускающего киноформа со ступенчатым профилем зон, Падающее излучение после отражения от элемента направляется в заданный контур прямоугольника. Высота микрорельефа элемента и функция его фазового пропускания описаны математическим выражением. 2 ил.

X - По Sin2 в - По COS в

В результате первоначальный волновой фронт преобразуется в волновой фронт, обеспечивающий фокусировку в контур прямоугольника. Случай отражающего элемента соответствует .

Формула изобретения Устройство для фокусировки оптического излучения в контур прямоугольника, содержащее фазовый оптический элемент, выполненный в виде отражательного или пропускающего киноформа со ступенчатым профилем зон, отличающееся тем, что, с целью повышения точности формирования контура прямоугольника при освеще- нии фазового оптического .элемента кольцевым лазерным пучком, высота профиля зон выбрана из условия

Х - - - 1 х 2яг

h(U,V)

ЧП2 - По Sin2 в - По COS в

Xmodzjr ±O(Ucos, V),

.М К.совР,

, vji.Cf 2«--|J;

) Vi .ar«;n vl

пр. ,,IVt B,CoS6i,

2« -(. t-pcq -t t,,

.. v „ RbmV el

j-i -т -сТЈ05Л1Г

к s

arc5ln(cos)-- elnttt -g cosatg R( il

при Bji-Ju v Ui.l Rt oset, 5, - ft Ч Ф . ft .

где а-длина стороны формируемого прямоугольника, параллельной оси U;

b - длина стороны прямоугольника, па- раллельной оси V;

fo - расстояние от плоскости (U,V) до плоскости фокусировки;

RI и R2 - внутренний и внешний радиусы кольцевого пучка;

71756848

р - полярный угол в плоскости (U,V):

а

п b

a +b

R-± а

I