РЕГУЛИРУЕМЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР Советский патент 2015 года по МПК G02B5/20 

Изобретение относится к области устройств управления параметрами излучения и может быть использовано в осветительных системах и фотометрических установках, а также в системах управления лазерным излучением.

Известен регулируемый ослабитель оптического излучения /см. авт. свид. №1841048 по М.кл. G02B 5/22, дата приоритета 25.11.1985/, содержащий два оптических клина, по крайней мере один из которых выполнен из поглощающего излучение материала, два плоских зеркала, установленных под углом 45° к катетной грани первого клина и под углом 90° друг к другу, а также триппель-призму, установленную в ходе луча со стороны катетной грани второго клина, при этом плоские зеркала и триппель-призма скреплены в блок и установлены с возможностью перемещения вдоль катетных граней клиньев.

Недостатками указанного ослабителя являются:

1. Возвратно-поступательное перемещение подвижных элементов, связанное с дополнительными погрешностями, поскольку известные двигатели обеспечивают вращение вокруг оси;

2. Потери времени на возврат подвижных элементов из конечного положения в начальное, приводящие к снижению реального быстродействия.

Известно также устройство для плавного ослабления оптического пучка, содержащее вращающиеся диски, выполненные из поглощающего материала и имеющие различную толщину в разных сечениях, либо кварцевые или стеклянные диски с нанесенной на них пленкой металла. Толщина пленки плавно изменяется по кругу от минимальной до максимальной равномерно или по определенному закону /см. "Проектирование оптико-электронных приборов" под общей редакцией д-ра техн. наук Ю.Г. Якушенкова. М.: "Машиностроение", 1981 г., стр. 42-43/.

Недостатками указанного устройства являются:

1. Большие габариты и масса подвижных элементов и, следовательно, ограниченное быстродействие;

2. Сложность кинематической схемы, реализующей синхронное вращение дисков в противоположных направлениях.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является оптический фильтр /см. заявку Великобритании №2151035 по М.кл.⁴ G02B 5/32, 27/14, опубл. 10.07.1985 г./, содержащий пластину с переменным коэффициентом отражения, установленную с возможностью перемещения в направлении изменения коэффициента отражения, зеркало ввода-вывода и уголковый отражатель, установленный на пути оптического пучка, отраженного от указанной пластины. Указанный оптический фильтр выбран в качестве прототипа.

Недостатками указанного оптического фильтра являются:

1. Необходимость возвратно-поступательного перемещения пластины больших размеров;

2. Сужение диапазона регулировки ослабления в 3,14 раза по сравнению с круглой пластиной, диаметр которой равен длине пластины, используемой в данном устройстве.

3. Ограничение диапазона регулировки ослабления, связанное со сложностью получения плавно изменяемых коэффициентов отражения, меньших 4% /что соответствует ослаблению на 28 дБ при двукратном отражении/. Это связано со сложностью получения плавно изменяющихся по заданному закону свойств у интерференционных покрытий.

Целью настоящего изобретения является улучшение массогабаритных характеристик при заданном диапазоне регулировки ослабления и уменьшение погрешностей регулировки ослабления.

Указанная цель достигается тем, что в известном оптическом фильтре, содержащем пластинку с переменным коэффициентом отражения, зеркала ввода-вывода и триппель-призму, установленную по ходу ослабляемого пучка после отражения от пластины, указанная пластина выполнена в виде неподвижно установленного диска с размещенным на нем кольцевым фотометрическим клином, а указанные зеркала ввода-вывода взаимно перпендикулярны и установлены с возможностью совместного вращения с указанной триппель-призмой вокруг оси, совпадающей с осью указанного диска и с осью оптического пучка до зеркала ввода и после зеркала вывода.

Кроме того, с целью расширения диапазона ослабления указанный диск выполнен в виде двух последовательно расположенных на одной оси и жестко связанных между собой дисков, первый из которых выполнен с переменным по кругу коэффициентом пропускания, а второй выполнен с постоянным коэффициентом отражения и отверстием в центре для вывода излучения.

Кроме того, с целью снижения потерь на отражение, повышения надежности и технологичности, первый и второй диски выполнены в виде прозрачного диска с кольцевым фотометрическим клином на передней поверхности и отражающим покрытием на задней поверхности, а отверстие в центре для вывода излучения выполнено в виде участка задней поверхности без отражающего покрытия.

Выполнение пластины с переменным отражением в виде диска позволяет уменьшить в 2,5-3 раза габариты устройства без изменения максимального и минимального ослабления /поскольку длина кольцевого фотометрического клина в 3,14 раза больше его диаметра/. Поскольку в данной схеме подвижными элементами являются триппель-призма и зеркала ввода-вывода, общая масса подвижных элементов меньше, чем в устройстве-прототипе, а момент инерции - меньше, чем в аналоге с вращающимися дисками. Замена возвратно-поступательного движения вращением диска позволяет уменьшить погрешности за счет упрощения кинематической схемы.

Кроме того, выполнение диска с переменным отражением согласно п. 2 формулы изобретения /в виде двух последовательно расположенных и жестко связанных между собой дисков/ позволяет использовать фотометрический клин с переменным пропусканием, имеющий более широкий диапазон изменения ослабления, чем клин с переменным отражением. В последнем случае коэффициент отражения может изменяться не белее чем в 25 раз /от 4% до 100%/, поскольку нанесение на одну поверхность просветляющего и отражающего покрытий связано со значительными технологическими сложностями, а плавное изменение их свойств по линейному закону без разрыва практически нереализуемо. Следовательно, диапазон ослабления для фотометрического клина, работающего на отражение, не может превышать 28-30 дБ при двукратном отражении. Для фотометрического клина, работающего на пропускание, при тех же условиях возможен диапазон ослабления 50-60 дБ и более, при той же точности регулировки ослабления. По способу изготовления указанные клинья могут не отличаться друг от друга, например, они могут быть выполнены путем напыления металлической пленки переменной толщины на поверхность стеклянного или кварцевого диска.

Кроме того, размещение отражающей поверхности непосредственно на задней поверхности первого диска позволяет повысить надежность устройства, поскольку при этом исключена разъюстировка устройства вследствие непараллельности первого и второго дисков.

Толщина прозрачного диска при этом должна быть достаточной для разделения встречных оптических пучков, однако, поскольку прозрачный диск является неподвижным элементом, это не ухудшает параметров данного оптического фильтра.

Существенными признаками заявляемого технического решения являются:

- выполнение ослабляющего элемента в виде неподвижной пластины;

- выполнение указанной неподвижной пластины в виде диска с кольцевым фотометрическим клином;

- установка зеркал ввода-вывода и триппель-призмы с возможностью вращения вокруг оси диска с кольцевым фотометрическим клином;

- совпадение оси оптического пучка до и после прохождения через регулируемый оптический фильтр с осью вышеуказанного диска;

- возможность использования фотометрического клина, работающего в данной схеме на пропускание, согласно п. 2 формулы изобретения;

- выполнение на задней поверхности диска отражающего покрытия, что позволяет повысить технологичность и надежность широкодиапазонного оптического фильтра.

Каждый из перечисленных существенных признаков является необходимым, а их совокупность - достаточной для достижения цели изобретения. Авторам не известна из патентной и научно-технической литературы указанная совокупность признаков /справка о патентном исследовании прилагается/, поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый регулируемый оптический фильтр отличается от устройства-прототипа тем, что пластина с переменным коэффициентом отражения выполнена в виде неподвижно установленного диска с кольцевым фотометрическим клином, а зеркала ввода-вывода взаимно перпендикулярны и установлены с возможностью совместного вращения с триппель-призмой вокруг оси, совпадающей с осью указанного диска и с осью оптического пучка до отражения от зеркала ввода и после отражения от зеркала вывода. Кроме того, указанный диск выполнен в виде последовательно расположенных на одной оси и параллельных друг другу первого диска с переменным по кругу коэффициентом пропускания и второго диска с постоянным коэффициентом отражения. Кроме того, первый и второй диски выполнены в виде диска с кольцевым фотометрическим клином на передней поверхности и отражающим покрытием на задней поверхности. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1, 2 изображены варианты оптической схемы заявляемого регулируемого оптического фильтра соответственно по пп. 1 и 2 формулы изобретения и показан ход лучей в схемах.

На фиг. 3, 4 изображен пример конструктивной реализации регулируемого оптического фильтра в двух сечениях.

Регулируемый оптический фильтр /см. фиг. 1, 3, 4/ содержит диск 1 из кварцевого стекла с нанесенным на него /например, путем напыления металлической пленки/ кольцевым Фотометрическим клином 2, триппель-призму 3, зеркало ввода 4 и зеркало вывода 5. Возможен также вариант оптической схемы /см. фиг. 2/, в котором за прозрачным диском 1 с фотометрическим клином 2 расположен второй диск 6 /например, также выполненный из кварцевого стекла/ с отражающим покрытием 7 на передней поверхности. В центре второго диска 6 выполнено отверстие, поскольку эта область используется для вывода излучения. Средством вращения подвижных оптических элементов триппель-призмы 3, зеркала ввода 4 и зеркала вывода 5, обведенных на фиг. 1 и 2 пунктиром, является привод 8 /показан на фиг. 1 и 2 условно/, связанный механически с указанными элементами.

Зеркала ввода и вывода - соответственно 4 и 5 - закреплены в трубке 9 с отверстием 10 в боковой поверхности для оптического сопряжения с триппель-призмой 3. Трубка 9 установлена в подшипниках 11 для обеспечения вращения относительно неподвижного основания 12. Триппель-призма 3 закреплена на кронштейне 13, жестко скрепленном с трубкой 9. Для обеспечения вращения вокруг оси на трубку 9 насажено мелкомодульное зубчатое колесо 14, приведенное в зацепление со вторым зубчатым колесом 15, установленным на валу шагового двигателя 16.

В качестве шагового двигателя 16 может быть использован, например, серийно выпускаемый шаговый двигатель ДШИ-200-2, обеспечивающий максимальную частоту 3000-6000 шаг/сек в зависимости от момента инерции нагрузки. Шаг двигателя ДШИ-200-2, равный 1,8°, может быть уменьшен в 8 раз /до 13,5′/ методом электронного дробления, с возможностью его дальнейшего уменьшения путем подбора соотношения диаметров зубчатых колес 14 и 15.

Для ручной настройки регулируемого оптического фильтра на втором конце вала шагового двигателя 16 установлена рукоятка 17. При равных диаметрах зубчатых колес 14 и 15 на том же конце вала может быть закреплена подвижная шкала /на фиг. 3, 4 не показана/ для индикации положения подвижных частей регулируемого оптического фильтра, а также ослабления в децибелах, пропорционального углу поворота вала шагового двигателя 16.

Диск 1 с кольцевым фотометрическим клином 2 установлен в оправе 18 /см. фиг. 4/. Для обеспечения совмещения оси диска 1 с осью оптического пучка оправа 18 содержит три юстировочных винта 19 с прокладками 20, предотвращающими повреждение диска 1 и обеспечивающими надежную фиксацию. Устройство имеет защитную крышку 21 с окнами 22 и 23 для ввода и вывода излучения.

Регулируемый оптический фильтр работает следующим образом.

Оптический пучок после отражения от зеркала ввода 4 проходит через первое отверстие 10 в трубке 9, отражается от фотометрического клина 2 /нанесенного на поверхность диска 1/ и после отражения с инверсией, выполненного триппель-призмой 3, вторично отражается от фотометрического клина 2. Для повышения максимального пропускания регулируемого оптического фильтра точки пересечения оси оптического пучка с поверхностью диска 1 при первом и втором отражениях лежат на одном радиусе диска 1, что обеспечивается положением триппель-призмы 3. В указанном положении плоскость, проходящая через оптическую ось пучка до и после отражения от зеркала ввода 4, является плоскостью симметрии триппель-призмы 3.

После вторичного отражения от фотометрического клина 2 оптический пучок через второе отверстие 10 в трубке 9 падает на зеркало вывода 5, причем после отражения от этого зеркала ось пучка совпадает с осью диска 1 /а также с осью пучка до входа в регулируемый оптический фильтр/. Поскольку диск 1 выполнен прозрачным, а фотометрический клин 2 - кольцевым, оптический пучок проходит через диск 1 без дополнительного ослабления /на середину диска 1 с обеих сторон может быть нанесено просветляющее покрытие/.

Значение ослабления определяется углом поворота трубки 9 и кронштейна 13 относительно границы раздела областей максимального и минимального отражения фотометрического клина 2, имеющей радиальное направление. Указанный угол поворота изменяют при помощи шагового двигателя 16 или /при выключенном питании шагового двигателя 16/ при помощи рукоятки 17. В последнем случае дискретность угла поворота составляет 1,8°.

При указанном расположении оптических элементов оптический пучок отражается от фотометрического клина 2 дважды, причем второй раз - после отражения с инверсией. Как показано, например, в авт. свид. №1841048 по М.кл.³ G02B 5/22, при линейном законе изменения ослабления по кругу в фотометрическом клине 2 в такой схеме происходит полная компенсация неравномерности ослабления. (При законе изменения ослабления, отличном от линейного, погрешность компенсации неравномерности зависит от отношения диаметра пучка к диаметру фотометрического клина 2).

Аналогичным образом работает и регулируемый оптический фильтр с оптической схемой согласно фиг. 2. В указанной оптической схеме /по фиг. 2/ возможно получение ослабления до 50-60 дБ, как указано выше, без ухудшения остальных параметров устройства, что в 2 раза превышает максимальное ослабление в оптической схеме по фиг. 1.

Таким образом, заявляемая схема регулируемого оптического фильтра позволяет в 2,5-3 раза уменьшить габариты ослабляющего элемента по сравнению с устройством-прототипом при заданном диапазоне регулировки ослабления, а также уменьшить массу подвижных элементов и повысить за счет этого быстродействие. Кроме того, использование схемы с фотометрическим клином, работающим на пропускание, позволяет в 2-2,5 раза расширить диапазон ослабления. Выполнение ослабляющего элемента в виде неподвижно установленного диска позволяет заменять его в процессе эксплуатации, что расширяет область применения устройства.

В соответствии с вышесказанным, заявляемое техническое решение соответствует критерию новизны и имеет существенные отличия, дающие положительный эффект.

Предлагаемая схема регулируемого оптического фильтра может быть использована в осветительных системах, фотометрических и спектрофотометрических установках, в системах управления лазерным излучением /в частности, в системах с перестраиваемыми по длине волны лазерами/.

Источники информации

1. Авт. свид. СССР №1841048 по М.кл.³ G02B 5/22, дата приоритета 25.11.1985 г., зарегистрировано в Государственном реестре изобретений СССР 01.10.1986 г.

2. Ю.Г. Якушенков /ред./ "Проектирование оптико-электронных приборов", М., "Машиностроение", 1981 г., стр. 42-44.

3. Заявка Великобритании №2151035 по М.кл.⁴ G02B 5/32, 27/14, опубликовано 10.07.1985 г.

Устройство содержит привод, пластину с переменным коэффициентом отражения и триппель-призму, установленную по ходу оптического пучка после пластины. Пластина выполнена в виде неподвижно установленного диска с размещенным на нем кольцевым фотометрическим клином. Также устройство снабжено первым зеркалом, установленным перед пластиной по ходу луча под углом 0°<α<45° к нему, и вторым зеркалом, установленным по ходу луча после отражения от призмы и пластины перпендикулярно первому зеркалу. Линия пересечения плоскостей зеркал параллельна диску и входной грани триппель-призмы. Триппель-призма и зеркала установлены с возможностью совместного вращения вокруг оси, совпадающей с осью оптического пучка и осью диска, и соединены с приводом. Технический результат - снижение погрешностей регулировки ослабления, улучшение массогабаритных характеристик. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Регулируемый оптический фильтр, содержащий привод, пластину с переменным коэффициентом отражения и триппель-призму, установленную по ходу оптического пучка после пластины, отличающийся тем, что, с целью снижения погрешностей и улучшения массогабаритных характеристик при заданном диапазоне регулировки ослабления, пластина выполнена в виде неподвижно установленного диска с размещенным на нем кольцевым фотометрическим клином, устройство снабжено первым зеркалом, установленным перед пластиной по ходу луча под углом 0°<α<45° к нему, вторым зеркалом, установленным по ходу луча после отражения от призмы и пластины перпендикулярно первому зеркалу, при этом линия пересечения плоскостей зеркал параллельна диску и входной грани триппель-призмы, а триппель-призма и зеркала установлены с возможностью совместного вращения вокруг оси, совпадающей с осью оптического пучка и осью диска, и соединены с приводом.

2. Регулируемый оптический фильтр по п. 1, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона ослабления, он снабжен вторым диском, установленным за первым диском соосно и соединенным с ним, при этом во втором диске выполнено центральное отверстие, и на его плоскости нанесено покрытие с постоянным коэффициентом отражения, а кольцевой клин на первом диске выполнен с переменным по кругу коэффициентом пропускания, при этом сам диск выполнен прозрачным.

3. Регулируемый оптический фильтр по п. 1, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона ослабления, диск выполнен прозрачным с кольцевым с переменным по кругу коэффициентом пропускания клином на передней поверхности и отражающим кольцевым покрытием с постоянным коэффициентом отражения на задней поверхности.