устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор)
Классы МПК: | G02B19/00 Конденсоры |
Автор(ы): | Алиханов А.Н., Бакеев А.А., Кулешов В.Н., Нарусбек Э.А., Сон В.Г., Яковлев В.И. |
Патентообладатель(и): | Государственное унитарное дочернее предприятие Государственного предприятия "НПО Астрофизика" особое конструкторское бюро "Солнечная и точная оптика" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-11-02 публикация патента:
20.07.2003 |
Изобретение может быть использовано для получения высокой равномерности освещенности объектов, например, при исследованиях воздействия оптического излучения на материалы, при лазерной обработке материалов, в оптоэлектронных системах записи или воспроизведения телевизионных изображений, в лазерной терапии. Устройство содержит расширяющую телескопическую систему и формирующий оптический элемент, который выполнен в виде двух выпуклых, образованных плоскими прямоугольными гранями поверхностей, развернутых одна относительно другой на 90o, при этом число граней N на каждой поверхности нечетно, центральные грани параллельны. Размеры прямоугольной площадки, ширина грани формирующего оптического элемента, угол наклона j грани к плоскости центральной грани, показатель преломления материала n формирующего оптического элемента и заданное фокусное расстояние устройства f связаны между собой соотношениями, указанными в формуле изобретения. Размер апертуры телескопической системы D и число граней N формирующего оптического элемента связаны соотношением D=d
N. Обеспечивается повышение равномерности распределения интенсивности света на площадке прямоугольной формы в фокальной плоскости устройства с минимальными потерями энергии входного светового пучка. 1 ил.
Рисунок 1
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208002/8226.gif)
Формула изобретения
Устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров, содержащее расширяющую телескопическую систему и формирующий оптический элемент, отличающееся тем, что формирующий оптический элемент выполнен в виде двух выпуклых, образованных плоскими прямоугольными гранями поверхностей, развернутых одна относительно другой на 90o, при этом число граней N на каждой поверхности нечетно, центральные грани параллельны, а заданные размеры прямоугольной площадки и ширина грани формирующего оптического элемента d, угол наклона j грани к плоскости центральной грани формирующего оптического элемента![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208023/945.gif)
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208822/2208822-7t.gif)
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208822/2208822-8t.gif)
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208822/2208822-9t.gif)
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208822/2208822-10t.gif)
где
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208822/2208822-11t.gif)
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208101/947.gif)
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208101/947.gif)
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208005/916.gif)
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208005/916.gif)
hj - расстояние от оптической оси до центра j грани, h1=0,
а размер апертуры телескопической системы D и число граней N формирующего оптического элемента связаны соотношением D=d
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208002/8226.gif)
Описание изобретения к патенту
Предлагаемое изобретение относится к оптическим устройствам и может быть использовано в тех направлениях науки и техники, где требуется высокая степень равномерности освещенности объектов, подвергающихся облучению, например:в экспериментальной физике при исследованиях воздействия мощного оптического излучения на материалы;
в технологии обработки материалов - при лазерной поверхностной обработке материалов (закалке, отжиге и т.п.), при лазерной фотолитографии и т.д.;
в электронной технике - в оптоэлектронных системах записи или воспроизведения телевизионных изображений;
в медицине - в прогрессирующей за последнее десятилетие лазерной терапии различных заболеваний, лазерной дерматологии и т.д. Известна оптическая система [1] для выравнивания интенсивности по сечению лазерного пучка, содержащая телескопическую систему из последовательно установленных по ходу луча микрообъектива и объектива в виде отрицательной линзы из бесцветного и положительной из нейтрального стекла. Однако в этой системе происходит выравнивание только гауссова распределения интенсивности по сечению лазерного пучка за счет поглощения значительной доли энергии лазерного излучения в линзе из нейтрального стекла и, кроме того, эта система не позволяет получить распределение в пучке в виде узкой равномерно освещенной полосы. Известна также оптическая система, описание которой дано в [2]. Эта оптическая система предназначена для проекции с повышенной равномерностью освещенности прозрачного объекта. Помимо источника излучения со светящимся телом, здесь применены: коллектор, два одинаковых сферических растра, коллектив и конденсор, включенные последовательно. Недостатком этой оптической системы, кроме сложности изготовления и юстировки, например, в инфракрасной области спектра, является то, что в плоскости объекта изображается первый растр, вследствие чего любые погрешности изготовления растра в целом и его отдельных линз, например свили, царапины, пыль и др., переносятся объективом в плоскость изображения, что приводит к существенному ухудшению качества изображения. Кроме того, эта система не позволяет получить достаточно равномерное распределение интенсивности в пятне, поскольку она образована большим количеством сферических оптических поверхностей, вносящих искажения в итоговое распределение за счет аберраций. Наиболее близким техническим решением, выбранным авторами за прототип, к предлагаемому изобретению является устройство для формирования оптического пучка [3], содержащее расширяющую телескопическую систему, два линзовых растра, второй из которых цилиндрический, за которым установлены два оптических элемента, выполненных в виде цилиндрических линз, развернутых одна относительно другой на 90o, причем задняя фокальная плоскость линз сферического растра в сагиттальной плоскости совмещена с передней фокальной плоскостью первой цилиндрической линзы, а в меридиональной плоскости - с передней фокальной плоскостью линз цилиндрического растра. Существенными недостатками этого устройства являются:
1. Высокая трудоемкость изготовления линзовых растров, связанная с высокоточным изготовлением и сборкой на оптическом контакте большого числа оптических элементов. 2. Сложность юстировки оптического устройства, особенно в инфракрасной области спектра, связанная с одновременным совмещением фокусов линз и нескольких фокальных плоскостей. 3. Необходимость полной переюстировки оптического устройства при работе в другом диапазоне длин волн лазерного излучения. 4. Наличие сферических аберраций. 5. Относительно высокий уровень потерь энергии излучения за счет большого количества оптических элементов. С помощью предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в повышении равномерности распределения интенсивности света на площадке прямоугольной формы в фокальной плоскости устройства с минимальными потерями энергии входного светового пучка. В соответствии с предлагаемым изобретением технический результат достигается тем, что в устройстве для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), содержащем расширяющую телескопическую систему и формирующий оптический элемент, последний выполнен в виде двух выпуклых, образованных равными плоскими прямоугольными гранями поверхностей, развернутых друг относительно друга на 90o, при этом число граней N на каждой поверхности нечетно, центральные грани параллельны, а заданные размеры прямоугольной площадки и ширина грани формирующего оптического элемента d, угол наклона j грани к плоскости центральной грани формирующего оптического элемента
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208023/945.gif)
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208822/2208822-2t.gif)
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208822/2208822-3t.gif)
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208822/2208822-4t.gif)
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208822/2208822-5t.gif)
где
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208822/2208822-6t.gif)
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208101/947.gif)
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208101/947.gif)
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208005/916.gif)
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208005/916.gif)
hj - расстояние от оптической оси до центра j грани, h1=0,
а размер апертуры телескопической системы D и число граней N формирующего оптического элемента связаны соотношением D=d
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208002/8226.gif)
![устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), патент № 2208822](/images/patents/262/2208002/8226.gif)
- повысить равномерность распределения интенсивности света на площадке прямоугольной формы в фокальной плоскости устройства с минимальными потерями энергии входного светового пучка;
- существенно упростить конструкцию путем минимизации количества оптических элементов, требуемых для изготовления устройства;
- существенно снизить трудоемкость изготовления и юстировки устройства;
- обеспечить возможность работы в широком диапазоне длин волн оптического излучения. В настоящее время по материалам заявки разработаны чертежи, изготовлены и испытаны опытные образцы, подтвердившие работоспособность предлагаемого устройства. Источники информации
1. Авторское свидетельство SU 986194 A (G 02 В 27/00). 2. Оптико-механическая промышленность. 1977, с.65-66. 3. Патент RU 2004008 (G 02 В 19/00, G 03 В 27/16) - прототип.