Анаморфотная цилиндрическая система Советский патент 1993 года по МПК G02B13/08 

Ё

Использование: в оптическом приборостроении для оптических систем, работающих с источником монохроматического излучения, имеющим большие углы расходимости и излучающую площадку малого размера, преимущественно для целей коллимации и преобразования диаграммы направленности излучения. Сущность изобретения: система состоит из двух цилиндрических плосковыпуклых линз с нанесенными градиентными слоями с осевым распределением показателя преломления n(z) вида n(z) по + т z, где п0 - показатель преломления в вершине градиентного слоя; ni -постоянный коэффициент полинома; z- расстояние вдоль оси градиента относительно вершины. 7 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может использоваться в оптических системах, работающих с источником монохроматического излучения, имеющим большие углы расходимости и излучающую площадку малого размера, преимущественно для целей коллимации и преобразования диаграммы направленности излучения.

Известна тонкопленочная линза, имеющая слоистую структуру с толщиной слоев в несколько десятков ангострем. Система позволяет получить сколлимированный и преобразованный пучок диаметром 0,2-0,3 мм при угле расходимости излучения на входе 30-60° в плоскости ортогональной слоистой структуре излучателя (сечение I) и 4-10° в плоскости, параллельной слоистой структуре излучателя (сечение II).

Недостатками этой системы являются технологические трудности получения такой слоеной линзы,при этом диаметр сколли- мированного и преобразованного пучка мал по размеру, и структура используемого материала не прозрачна для видимой части спектра излучения.

Известен также коллиматор, который представляет собой градиентный стержень или волокно, на конце которого под определенным углом срезана фаска. Длина фаски и угол среза выбираются в соответствии с диаметром и углами расходимости излучения на входе.

Недостатком этой системы является невозможность получения большого (более 10-20 мм) диаметра сколли-мированного пучка на выходе из-за технологических ограничений на глубину градиента, определяющего размер диаметра стержня. При этом

xl 00 О Јь О

необходима установка с высокой точностью излучателя и стержня относительно друг друга, в том числе и угловой.

Известна оптическая система для преобразования и коллимации излучения. Система содержит две цилиндрические длины, ограниченные сферическими поверхностями, и осесимметричный оптический элемент, ограниченный также сферическими поверхностями.

Недостатками известной системы являются наличие отрицательной цилиндрической длины, используемой в основном для устранения астигматизма излучателя, наличие осесимметричного элемента, ограниченного сферическими поверхностями и используемого, в основном, для улучшения коррекции аберраций с целью увеличения рабочего угла излучателя.

Под рабочим углом излучателя здесь и далее понимается максимальный угол расходимости излучения на входе трансформирующей системы.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является анаморфотная система, содержащая две плосковыпуклые цилиндрические линзы, образующие цилиндрических поверхностей которых взаимно перпендикулярны.

Недостатками известной системы является невысокая входная апертура и невысокое качество изображения.

Целью изобретения является увеличение выходной апертуры и повышение качества изображения.

Поставленная цель достигается тем, что в анаморфотной цилиндрической системе, содержащей две плосковыпуклые цилиндрические линзы, образующие цилиндрических поверхностей которых взаимно перпендикулярны, плосковыпуклые, цилиндрические линзы выполнены из материала с осевым распределением преломления по закону

n(zi) noi + ли zi

n(Z2) П02 + ni2 Z2,

где n(zi), n(z2) - значения показателей преломления в материале первой и второй линз соответственно;

noi, по2 значения показателей преломления в вершинах первой и второй линз соответственно;

mi, ni2 - постоянные коэффициенты;

zi, Z2 - расстояние вдоль оси градиента от вершин первой и втчорой линз соответственно.

На фиг. 1 представлена оптическая схема анаморфотной системы (а - сечение I, б - сечение II); на фиг. 2 - вид огибающей излучения на входе и выходе анаморфотной

5

0

5

5

0

системы; на фиг. 3 - излучающая площадка; на фиг. 4 и 5 - вид функции расходимости лучей D(m ) в пучке на выходе анаморфотной системы для сечений I и II соответственно; на фиг. 6 и 7 - вид функции dn(z) градиентных слоев.

Система содержит источник 1 излучения, защитное стекло 2 источника излучения, плосковыпуклые цилиндрические 0 линзы 3 и 4. градиентный слой 5, вид огибающей 6 излучения на входе анаморфотной системы, вид огибающей 7 излучения на выходе анаморфотной системы.

На чертежах использованы следующие обозначения:

01, ©11 -углы расходимости излучения на входе анаморфотной системы для сечений I и II соответственно;

DK- диаметр сколлимированного осевого пучка на выходе системы;

dn - разность между показателями преломления /n(z)/ и /п0/;

1М, U - размер излучающей площади в сечениях I и II соответственно;

Az - астигматизм излучателя;

т1 - высота лучей на выходном зрачке.

Анаморфотная система (фиг. 1), состоящая из источника 1 монохроматического излучения, имеющего угол расходимости 0 01 до 55° и ©ц до 40°, защитного стейла 2 и двух цилиндрических плосковыпуклых линз 3 и 4 с градиентным слоем 5, предназначена для работы преимущественно в качестве коллиматора, позволяющего преобразовывать пучок эллиптической или другой формы на входе анаморфотной системы в пучок круглой формы на выходе, вид которых показан на фиг. 2. При этом фокусное расстояние плосковыпуклой линзы 3 определяется выражением

1з

DK

2 tg ©1

45 а фокусное расстояние плосковыпуклой линзы 4 определяется выражением

f4

DK

ИЛИ

2tg0i f 4 Гз К,

55

где К - коэффициент преобразования {анаморфозы), определяемый из формулы j

К

tg

tg©

Сколлимированный и преобразованной пучок на выходе системы имеет расходимость

лучей, не превышающую значения дифракционного углового предела разрешения, определяемого из выражения

UK

где Я-длина волны излучения.

При этом диаметр сколлимированного и преобразованного пучка DK ограничивается условиями расчета и параметрами градиентного слоя, получаемого, например, методом ионной диффузии, при условии, что глубина градиентного слоя не может быть меньше стрелки радиуса, определяемой крайними лучами в пучке.

Астигматизм излучателя Az (фиг. 3) может быть устранен путем изменения расстояния между плосковыпуклыми линзами 3 и 4.

Если на входе системы форма огибающей излучения - эллипс, то для получения на выходе пучка круглой формы оси цилиндрических линз должны быть взаимно перпендикулярными. Поворот осей относительно друг друга будет приводить к изменению формы выходного пучка.

Примером конкретного выполнения может служить анаморфотная цилиндрическая система, имеющая следующие конструктивные параметры Сечение ГСечение II

п 1 1.0

П 00П 00 .3 .509758

Г2 00Г2 00

d2 2..0

гз 00гз 00

d3 2..7

d 1.6п 1.7 -0.06451 z

ГА -6.63Г4 00

d4 17,24,,0

Г5 00Г5 00

da 3 п§ 1,675 d 0,6 п 1,675-0.0215-z Гб 00ге -19,238 ,0

} - толщина градиентного слоя;

) - вид функции и показателя преломления n(z) градиентного слоя

Излучающая площадка источника находится на расстоянии S -5,714 мм от первой поверхности. В данном случае при размере излучающей площадки 1М х 1С 4 мкм х 10 мкм, расходимости излучения на входе Ог х хОп 54° х 28°, диаметре сколлимированного пучка DK 8,5 мм и расчете хода лучей в геометрическом приближении через анаморфотную систему получена расходимостьлучей в пучке не более 21, что меньше значения, определяемого условием углового дифракционного разрешения трл значение которого для длины волны, равной 0,8

мкм, и заданных параметрах составляет 24.

Анаморфотная цилиндрическая система в сечении I имеет фокусное расстояние Г 9,5мм, а в сечении II -f 28,5 мм, таким

образом обеспечивается коэффициент анаморфозы К 3.

На фиг. 4 и 5 показаны графики функции . расходимости лучей D(m ) на выходе Системы для сечений I и II соответственно. Кривая

8 показывает расходимость лучей для осевой точки, кривая 9 - расходимость лучей в пучке для крайних точек излучающей площадки. Расходимость лучей в сечении II для точки на оси и крайних точек излучателя

практически совпадают. График показан на фиг. 5 (кривая 10).

Условие V -Vto сохраняется при наличии астигматизма излучателя Az, равного 0,01 мм. На фиг. 5 (кривая 11) показана функция расходимости лучей в сечении II при Az 0,01. Функция расходимости лучей для сечения I не меняется.

Если источник 1 имеет астигматизм большего размера, например Az 0,2 мм,

то расстояние di меняется на такую же величину и равняется 17,04 мм.

Конструкция предложенной системы имеет простейшее решение, а в известном решении используются две цилиндрические

и одна осесимметричная линзы, ограниченные сферическими поверхностями. При этом предложенное техническое решение позволяет получать для рабочего угла излучателя, равного 54°, расходимость лучей в

пучке 24 угловых секунды. Таким образом, предложенное техническое решение позволяет упростить конструкцию и повысить качество коллимации при увеличении рабочего угла излучателя.

Формула изобретения

Анаморфотная цилиндрическая система, содержащая две плосковыпуклые цилиндрические линзы, образующие цилиндрических поверхностей которых взаимно перпендикулярны, отличающаяся тем, что, с целью увеличения входной апертуры и повышения качества изображения, плосковыпуклые цилиндрические линзы выполнены из материалов с осевым распределением

показателей преломления по закону

n(zi) noi + nn -zi

П(22) П02+ П12 22

где n(zi), n(za) - значения показателей преломления в материале первой и второй линз соответственно;

noi, по2 - значения показателей прелом21, Z2 - расстояния вдоль оси градиента

ления в вершинах первой и второй линз 5 от вершин первой и второй линз соответст- соответственно;венно.

Pue,.i

7и г. г

ты;

nil, ni2 - постоянные коэффицие н21, Z2 - расстояния вдоль оси градиента

Ф«г. 4

.