устройство для преобразования потока оптического излучения

Формула изобретения

1. Устройство для преобразования потока оптического излучения, отличающееся тем, что оно имеет входной (6) и выходной (8) торцы, соединенные множеством вакуумированных или заполненных газообразной средой каналов (4), выполненных с возможностью транспортирования по ним оптического излучения с отражением от их стенок или без отражения, продолжения (11, 15) каналов за пределы входного и выходного торцов в совокупности имеют форму соответственно воспринимаемого устройством входного и требуемого выходного потоков оптического излучения, при этом входной торец или оба указанных торца устройства, за исключением входных и выходных отверстий указанных каналов, имеют покрытие, выполненное из материала, непрозрачного для оптического излучения используемого диапазона.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, часть (17) устройства, прилегающая к его продольной оси, выполнена непрозрачной для используемого излучения.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что каналы выполнены с продольными осями, изогнутыми по образующим соосных бочкообразных поверхностей.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что продолжения продольных осей каналов (16) со стороны входного и выходного торцов устройства пересекаются в точках (14), расположенных на продолжении продольной оси устройства.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что продолжения продольных осей каналов со стороны одного из торцов устройства пересекаются в точке, расположенной на продолжении продольной оси устройства, а продолжения (11) продольных осей каналов (12) со стороны другого торца устройства параллельны продольной оси устройства.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что каналы имеют постоянное по длине поперечное сечение или поперечное сечение, размер которого изменяется по тому же закону, что и размер устройства в целом в поперечном направлении.

7. Устройство (26) по п.1 или 2, отличающееся тем, что продолжения продольных осей каналов со стороны одного из торцов устройства пересекаются в точке, расположенной на продолжении продольной оси устройства или параллельны ей, а продолжения продольных осей каналов со стороны другого торца устройства расходятся в разные стороны от продольной оси устройства.

8. Устройство (29) по п.1 или 2, отличающееся тем, что его продольная ось имеет один или несколько изгибов и каналы эквидистантны ей.

9. Устройство для преобразования потока оптического излучения, отличающееся тем, что оно имеет входной (6) и выходной (8) торцы, соединенные множеством вакуумированных или заполненных газообразной средой каналов (4), выполненных с возможностью транспортирования по ним оптического излучения с отражением от их стенок или без отражения, продолжения (11, 15) каналов за пределы входного и выходного торцов в совокупности имеют форму соответственно воспринимаемого устройством входного и требуемого выходного потоков оптического излучения, при этом стенки каналов транспортировки излучения и промежутки между ними выполнены из материала, непрозрачного для оптического излучения используемого диапазона.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что часть (17) устройства, прилегающая к его продольной оси, выполнена непрозрачной для используемого излучения.

11. Устройство по п.9 или 10, отличающееся тем, что каналы выполнены с продольными осями, изогнутыми по образующим соосных бочкообразных поверхностей.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что продолжения продольных осей каналов (16) со стороны входного и выходного торцов устройства пересекаются в точках (14), расположенных на продолжении продольной оси устройства.

13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что продолжения продольных осей каналов со стороны одного из торцов устройства пересекаются в точке, расположенной на продолжении продольной оси устройства, а продолжения продольных осей каналов (12) со стороны другого торца устройства параллельны продольной оси устройства.

14. Устройство по п.12 или 13, отличающееся тем, что каналы имеют постоянное по длине поперечное сечение или поперечное сечение, размер которого изменяется по тому же закону, что и размер устройства в целом в поперечном направлении.

15. Устройство (26) по п.9 или 10, отличающееся тем, что продолжения продольных осей каналов со стороны одного из торцов устройства пересекаются в точке, расположенной на продолжении продольной оси устройства, или параллельны ей, а продолжения продольных осей каналов со стороны другого торца устройства расходятся в разные стороны от продольной оси устройства.

16. Устройство (29) по п.9 или 10, отличающееся тем, что его продольная ось имеет один или несколько изгибов и каналы эквидистантны ей.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к оптике и предназначено для преобразования потока оптического излучения.

Предшествующий уровень техники

Известны устройства для преобразования потока оптического излучения, в частности для фокусирования расходящегося излучения источника, преобразования такого излучения в квазипараллельное, фокусирования квазипараллельного излучения или рассеивания его (преобразования в расходящееся), и др. Эти устройства обычно выполняются в виде оптических линз или выпуклых либо вогнутых зеркал (Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1984 [1], с.347, 200).

Таким устройствам при использовании их в оптических системах для получения оптического изображения или преобразования светового потока, идущего от источника света, присущи разнообразные аберрации ([1], с.7), обусловленные, в частности, тем, что в передаче света от каждой точки объекта к элементу изображения, соответствующему этой точке, участвуют линза или зеркало в целом.

Наиболее близкими к предлагаемому устройству являются известные устройства, выполненные в виде линз. С предлагаемым устройством оптические линзы сближает то, что они используются обычно для преобразования потока параксиальных лучей, падающих на линзу под небольшими углами к ее оптической оси. При этом входной поток претерпевает преобразование в результате прохождения через линзу, падая на нее с одной стороны и выходя с другой.

Раскрытие изобретения

Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым устройством, заключается в дифференциальном переносе на выход устройства энергии излучения и соответствующей ей оптической информации от разных элементов входного потока, создаваемого источником света или освещенным объектом. Благодаря независимому переносу энергии (информации) от разных элементов потока (точек освещенного или светящегося объекта) создаются предпосылки для исключения причин аберраций, присущих традиционным линзовым системам, и качественные показатели устройства потенциально зависят только от технологических возможностей его изготовления. Другим видом достигаемого технического результата предлагаемого устройства является то, что в нем “автоматически”, т.е. без принятия каких-либо специальных мер обеспечивается пространственная дискретизация выходного потока. Это облегчает сопряжение устройства с цифровыми матричными преобразователями.

Предлагаются два варианта устройства для преобразования потока оптического излучения.

По первому варианту устройство для преобразования потока оптического излучения характеризуется тем, что оно имеет входной и выходной торцы, соединенные множеством каналов. Каналы выполнены с возможностью транспортирования по ним оптического излучения с отражением от их стенок или без отражения. Продолжения каналов за пределы входного и выходного торцов в совокупности имеют форму соответственно воспринимаемого устройством входного и требуемого выходного потоков оптического излучения. При этом в одном из предлагаемых вариантов выполнения устройства входной торец или оба торца устройства, за исключением входных и выходных отверстий каналов, имеют покрытие, выполненное из материала, непрозрачного для оптического излучения используемого диапазона.

По второму варианту устройство для преобразования потока оптического излучения имеет входной и выходной торцы, соединенные множеством каналов, которые выполнены с возможностью транспортирования по ним оптического излучения с отражением от их стенок или без отражения. Продолжения каналов за пределы входного и выходного торцов в совокупности имеют форму соответственно воспринимаемого устройством входного и требуемого выходного потоков оптического излучения. При этом стенки каналов и промежутки между ними выполнены из материала, непрозрачного для оптического излучения используемого диапазона.

Таким образом, оба варианта одинаковы в том отношении, что имеют множество каналов для транспортирования излучения от входа к выходу устройства, при этом форма входного потока (пучка), для работы с которым предназначено устройство, и форма выходного потока (пучка), в который должен быть преобразован входной поток (пучок) оптического излучения, определяются ориентацией концов каналов со стороны входа и со стороны выхода устройства (со стороны его входного и выходного торцов). Части каналов, расположенные между их концевыми частями, служат для сопряжения концевых частей.

Варианты различаются тем, как исключается транспортирование излучения со входа на выход устройства через среду, заполняющую промежутки между каналами. В первом варианте для этого применено покрытие одного или обоих торцов устройства, непрозрачное для излучения используемого диапазона (входные и выходные отверстия каналов при этом оставляются открытыми). Во втором варианте стенки каналов и промежутки между ними выполнены из материала, непрозрачного для оптического излучения используемого диапазона.

Описываемые ниже частные случаи выполнения устройства возможны в обоих вариантах.

Каналы могут быть вакуумированы или заполнены воздухом или иной газообразной средой. В этом случае малы потери излучения при прохождении его по каналам.

Каналы могут быть заполнены прозрачной для используемого излучения средой, более плотной, чем их стенки. В этом случае возможно выполнение условия полного внутреннего отражения при распространении излучения по каналам.

Каналы могут быть выполнены с продольными осями, изогнутыми по образующим соосных бочкообразных поверхностей. При этом, если продолжения продольных осей каналов со стороны входного и выходного торцов устройства пересекаются в точках, расположенных на продолжении продольной оси устройства, последнее способно выполнить фокусирование расходящегося излучения точечного источника. Если же продолжения продольных осей каналов со стороны одного из торцов устройства пересекаются в точке, расположенной на продолжении продольной оси устройства, а продолжения продольных осей каналов со стороны другого торца устройства параллельны продольной оси устройства, то устройство осуществляет преобразование расходящегося излучения источника в квазипараллельное или, наоборот, фокусирование квазипараллельного излучения.

При указанном выше выполнении каналов они могут иметь постоянное по длине поперечное сечение или поперечное сечение, размер которого изменяется по тому же закону, что и размер устройства в целом в поперечном направлении.

Часть устройства, прилегающая к его продольной оси, может быть выполнена непрозрачной для используемого излучения. Благодаря этому в случае использования устройства для фокусирования излучения размер фокусной области в продольном направлении уменьшается.

Устройство может быть выполнено и таким образом, что продолжения продольных осей каналов со стороны одного из торцов пересекаются в точке, расположенной на продолжении продольной оси устройства, или параллельны ей, а продолжения продольных осей каналов со стороны другого торца устройства расходятся в разные стороны от продольной оси устройства. В этом случае устройство осуществляет формирование рассеянного излучения соответственно из излучения, уже имеющего некоторую расходимость, или из квазипараллельного излучения.

Устройство может быть использовано также для поворота излучения, для чего оно может иметь продольную ось с одним или нескольким изгибами и эквидистантные ей каналы.

Краткое описание фигур чертежей

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, на которых показаны:

- на фиг.1 - прохождение излучения по отдельному каналу при различных направлениях входа лучей в канал;

- на фиг.2 - основные части устройства;

- на фиг.3 - совокупность параллельных входных концов каналов и соответствующий ей квазипараллельный входной поток излучения;

- на фиг.4 - совокупность сходящихся концов каналов, продолжения которых пересекаются в точке расположения точечного источника, и соответствующий этой совокупности расходящийся входной поток излучения;

- на фиг.5 - устройство для фокусирования оптического излучения точечного источника с постоянным по длине поперечным сечением каналов;

- на фиг.6 - устройство для преобразования расходящегося оптического излучения точечного источника в квазипараллельное или для фокусирования квазипараллельного оптического излучения с постоянным по длине поперечным сечением каналов;

- на фиг 7 и 8 - соответственно то же, что на фиг.5 и 6, с каналами, поперечные размеры которых изменяются по длине по такому же закону, как и размер устройства в целом в поперечном направлении;

- на фиг.9 - пример выполнения устройства с плоскими торцами;

- на фиг.10 - пример выполнения устройства с центральной частью, непрозрачной для используемого излучения;

- на фиг.11 - использование предлагаемого устройства для формирования изображения объекта;

- на фиг.12 - пример выполнения устройства для преобразования квазипараллельного потока оптического излучения в рассеянное излучение;

- на фиг.13 - пример выполнения устройства с эквидистантными изогнутыми каналами.

Варианты осуществления изобретения

Принцип действия предлагаемого устройства основан на передаче излучения с его входа на выход по множеству отдельных каналов. Если источник 1 (фиг.1) излучения находится в пределах продолжения 2 входного конца 3 канала 4, то это излучение (см., например, луч А на фиг.1) входит в канал 4 под малым углом к его стенкам и проходит на выход канала при минимальном количестве отражений от его стенок. Излучение, выходящее из точек, расположенных иначе (например, луч В на фиг.1, выходящий из точки 5), входит в канал 4 под большим углом и испытывает большее количество отражений, вследствие чего ослабляется в большей степени. Различие в условиях прохождения лучей А и В тем значительнее, чем меньше размер d канала в поперечном направлении.

Входом устройства является его входной торец 6 (фиг.2), образованный совокупностью одних концов 7 каналов, а выходом - выходной торец 8, образованный совокупностью других концов 9 каналов.

Концы каналов при изготовлении устройства ориентируют таким образом, чтобы обеспечить согласование с формой пучка излучения, который требуется преобразовать. Для этого совокупность продолжений каналов в сторону источника излучения должна иметь такую же форму, как и преобразуемый пучок. Так, для преобразования параллельного или квазипараллельного пучка 10 (фиг.3) продолжения 11 входных концов 12 каналов устройства должны быть параллельны друг другу, а совокупность их поперечных сечений для полного захвата излучения источника должна быть такой же, как поперечное сечение преобразуемого пучка или полностью включать в себя поперечное сечение преобразуемого пучка. Для преобразования пучка 13 (фиг.4) расходящегося излучения точечного или квазиточечного источника 14 продолжения 15 входных концов 16 каналов устройства должны пересекаться в месте расположения источника. Захватываться и преобразовываться будет только та часть излучения источника, которая излучается им в пределах телесного угла, образуемого совокупностью продолжений входных концов каналов. Аналогично, ориентация продолжений выходных концов каналов выбирается исходя из требуемой формы выходного пучка, а размеры поперечного сечения этого пучка определяются совокупным поперечным сечением выходных концов каналов.

Форма частей каналов, расположенных между их концевыми частями, выбирается исходя из условия плавного сопряжения концевых частей.

По центральным (прилегающим к продольной оси устройства) каналам, имеющим малую кривизну или прямолинейным, излучение может транспортироваться без отражения от их стенок.

Предлагаемое устройство в обоих вариантах, описанных выше при раскрытии изобретения, может содержать каналы 4 для транспортировки оптического излучения с постоянным по длине поперечным сечением (фиг.5, 6). В этом случае устройство собирается из отдельных одинаковых каналов, например, стеклянных капилляров с использованием тех или иных разделительных элементов для придания каналам и устройству в целом требуемой формы, аналогично тому, как собираются рентгеновские линзы по патенту США №5192869 (опубл. 09.03.93) [2]. Роль части торца, непроницаемой для излучения используемого диапазона, в устройстве по первому варианту может выполнять сплошной разделительный элемент с отверстиями для концов каналов. Устройство по второму варианту тоже может быть изготовлено по технологии, описанной в [2], предусматривающей вместо использования разделительных элементов заполнение пространства между каналами компаундом. Согласно предлагаемому изобретению по второму варианту компаунд должен быть непроницаемым для используемого оптического излучения.

Каналы 4 могут иметь поперечное сечение, размер которого изменяется (фиг.7, 8) по тому же закону, что и размер устройства в целом в поперечном направлении. В этом случае для изготовления устройства применима технология вытяжки стеклянных заготовок, описанная в патенте Российской Федерации №2096353 (опубл. 20.11.97 [3]). Эта технология, при которой процесс может быть в значительной степени автоматизирован, более прогрессивна, чем технология сборки. Однако наиболее перспективной является технология, применяемая для изготовления так называемых интегральных рентгеновских линз (патент Российской Федерации №2164361, опубл. 20.03.2001 [4]; патент США №6271534, опубл. 07.08.2001 [5]), позволяющая получать устройства с большим количеством каналов микронного и субмикронного диаметра. После осуществления этапов технологических процессов по [4] или [5] получают монолитное устройство, имеющее торцы, образованные сплавившимися концами каналов. Для завершения изготовления устройства по первому предлагаемому варианту на поверхность одного или обоих торцов, образуемую промежутками между каналами, наносят (например, напыляют) непроницаемый для используемого излучения материал. В частности, это может быть напыляемый отражающий излучение материал. В этом случае нет необходимости принимать меры по предотвращению попадания его внутрь каналов и оседания на их стенках. Для изготовления устройства по второму варианту применяют трубчатые заготовки будущих каналов, изготовленные из материала, непрозрачного для излучения используемого диапазона, например окрашенное стекло.

Во всех описываемых случаях выполнения устройства для правильной его работы важно, чтобы было исключено транспортирование излучения со входа на выход устройства через среду, заполняющую промежутки между каналами. Это обеспечивается названными выше мерами, благодаря которым в формировании выходного потока участвует только излучение, транспортируемое по каналам. Со стороны входов каналы обеспечивают требуемую избирательность, а их выходные концы придают излучению требуемое направление. Если такие меры не приняты, излучение способно проходить через стенки каналов из одного канала в другой, распространяться по промежуткам между каналами и проникать на выход устройства не через выходные отверстия каналов либо через них, но в произвольных направлениях. Как показывают эксперименты, вследствие этого не достигаются, в частности, эффекты фокусирования или формирования квазипараллельного потока.

На фиг.5 - 9 вертикальной штриховкой показаны пространственные зоны, образованные совокупностью продолжений концов каналов 4 за пределы входного и выходного торцов. Эти зоны имеют форму соответственно воспринимаемого устройством входного и требуемого выходного потоков оптического излучения. Для всех устройств имеет место свойство обратимости. Так, для фокусирующих устройств, показанных на фиг.5 и 7, входным может быть любой из торцов, при этом другой будет выходным. Устройства, показанные на фиг.6 и 8, при подаче расходящегося потока излучения источника, например точечного, со стороны левого торца формируют на выходе поток квазипараллельного излучения, а при подаче такого излучения со стороны правого торца - формируют сфокусированный поток излучения. Показанные на фиг.5 и 7 устройства имеют бочкообразную форму, а устройства, показанные на фиг.6 и 8 напоминают полубочку. В обоих случаях осевые линии каналов, кроме центральных (прилегающих к продольной оси устройства), изогнуты по образующим бочкообразных поверхностей.

Торцы устройства могут быть скругленными, как оба торца устройств на фиг.2, 5, 7 и левые торцы устройств на фиг.6, 8, или плоскими, как правые торцы устройств на фиг.6, 8, или оба торца устройства на фиг.9. Выполнение торцов плоскими целесообразно, когда входящее в этот торец излучение или выходящее из него излучение квазипараллельно, а также в случаях, когда каналы вакуумированы или заполнены газообразной средой, отличной от воздуха. В этих случаях для обеспечения герметичности торцы покрывают прозрачной для используемого излучения пленкой.

Каналы могут быть заполнены также средой, более плотной, чем их стенки. В качестве таких каналов могут быть использованы, например, оптические волокна с кварцевой сердцевиной. В этом случае потери энергии излучения при транспортировании его по каналам могут быть уменьшены благодаря использованию явления полного внутреннего отражения.

При использовании предлагаемого устройства для фокусирования оптического излучения фокусная область может быть сильно размыта в продольном направлении из-за наличия прямолинейных или слабо искривленных центральных (расположенных вблизи продольной оси устройства) каналов. Качество фокусирования может быть повышено путем выполнения части устройства, прилегающей к его продольной оси, непрозрачной для используемого излучения. Это может быть обеспечено как выполнением этой части (позиция 17, фиг.10) сплошной из непрозрачного материала, т.е. не содержащей каналов, так и блокированием входов или выходов центральных каналов после изготовления устройства, содержащего такие каналы. Уменьшение размера фокусной области 18 в продольном направлении достигается благодаря тому, что она формируется излучением только периферийных каналов, выходящим из них под углом к продольной оси 19 устройства.

По аналогии с традиционными оптическими линзами и с учетом выполняемых функций предлагаемое устройство в рассмотренных случаях его выполнения может быть названо линзой. При использовании такой линзы в качестве средства для формирования изображения плоского объекта каждый канал служит для передачи информации только об одном элементе объекта, находящемся на продолжении входного конца этого канала. Как было отмечено выше, влияние элементов, находящихся в стороне от этого продолжения, тем меньше, чем меньше диаметр отдельного канала. При использовании устройства 20 (фиг.11) типа, показанных на фиг.5, 7, 9, изображение 21 объекта 22 может быть получено в любой плоскости, перпендикулярной продольной оси 23 устройства, справа от его выходного торца (как правее, так и левее выходного фокуса 24, под которым понимается точка пересечения продолжений продольных осей каналов со стороны их выходов). Объект 22, изображение которого формируется, может быть размещен как правее, так и левее входного фокуса 25, под которым понимается точка пересечения продолжений продольных осей каналов со стороны их входов. В случае, показанном на фиг.11, объект 22 расположен левее входного фокуса 25, а получаемое изображение правее выходного фокуса 24, т.е. плоскости объекта и изображения удалены от соответствующих торцов на расстояния L₁ и L₂, которые более фокусных расстояний f₁ и f₂ (под последними понимаются расстояния от входа (выхода) центрального канала до соответствующего фокуса).

Изображение в данном случае получается “неперевернутым”. Точечному элементу объекта соответствует элемент изображения, имеющий минимальный размер порядка d(1+2L₂/L₁), где d - поперечный размер канала (при круглом поперечном сечении канала - его диаметр). Так как при получении изображений макрообъектов обычно L₂< (такое соотношение имеет место в традиционной фотографии), минимальный элемент изображения имеет размер порядка диаметра канала d.

На фиг.12 показан частный случай выполнения устройства 26 для преобразования квазипараллельного потока 27 оптического излучения в рассеянное излучение 28. В этом случае выходные концы каналов 4 расходятся в разные стороны от продольной оси устройства.

Показанное на фиг.13 устройство 29 выполнено таким образом, что продольные оси его каналов эквидистантны и изогнуты для поворота пучка 30 квазипараллельного пучка излучения, преобразуемого в пучок 31.

Во всех описываемых случаях выполнения устройства для правильной его работы важно, чтобы было исключено транспортирование излучения со входа на выход устройства через среду, заполняющую промежутки между каналами. Это достигается, как отмечено выше, применением покрытия одного или обоих торцов устройства (за исключением входных и выходных отверстий каналов), непрозрачного для используемого оптического излучения, либо выполнением из непрозрачного материала стенок каналов и промежутков между ними. Благодаря этому в формировании выходного потока участвует только излучение, транспортируемое по каналам. Со стороны входов каналы обеспечивают требуемую избирательность, а их выходные концы придают излучению требуемое направление. Как показывают эксперименты, если такие меры не приняты, излучение способно проходить через стенки каналов из одного канала в другой и распространяться по промежуткам между каналами, вследствие чего не достигаются, в частности, эффекты фокусирования или формирования квазипараллельного потока.

Промышленная применимость

Предлагаемое устройство может быть реализовано на практике в любом из описанных возможных вариантов, в зависимости от требуемого характера преобразования потока оптического излучения, технологических возможностей и других оснований для тех или иных предпочтений.

Источники информации

1. Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1984.

2. Патент США №5192869 (опубл. 09.03.93).

3. Патент Российской Федерации №2096353 (опубл. 20.11.97).

4. Патент Российской Федерации №2164361 (опубл. 20.03.2001).

5. Патент США №6271534 (опубл. 07.08.2001).