Устройство для фокусировки оптического излучения в контур прямоугольника

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (л )

О) ф, 1 р

ГОСУДАPСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4739443/25 (22) 21.09.89 (46) 23.08.92. Бюл. ¹ 31 (71). Самарский авиационный институт им.акад,С.П.Королева и Центральное конструкторское бюро уникального приборостро-: ения АН СССР (72) M,А,Голуб, И.Н.Сисакян, В.А,Сойфер и

С.И,Харитонов (56) Авторскоесвидетельство СССР N 1303961, кл. G 02 В 5/10, 1984, Авторское свидетельство СССР ¹ 13 t4291, кл, 6 02 В 5/10, 1985.

Авторское свидетельство СССР N 1303960, кл, G 02 В 5/10, 1984.

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 рэспределением 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 решен»о является устройство для фокусировки оптическог о излучения в набор отрезков, в котором фазовый оптический элемент выполнен в виде

Я3,, 1756848. А1

)s 6 02 В 5/32; G 03 Н 1/02 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ

ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В КОНТУР

ПРЯМОУГОЛЬНИКА (57) 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 математическимм выражением. 2 ил, 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 кольцевый -пучком вследствие низкой точности формирования распределения интенсивности в виде контура прямоугольника в этом Случае"."

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, содержащий оптический фазовый элемент, в виде пропускающего или отражающего киноформа со ступенчатым профилем зон, высота зон выбрана из условия

Ь(О,V)= Х

= А х гпоб2д (+ Ф (U cos 0, V)) — no cos 0 (U,V) — декартовые координаты в плоскости фазового оптического элемента; и 5 — показатель преломления материала, из которого выполнен оптический элемент;

А — длина волны;

0- угол падения излучения на фазовый оптический элемент; п — показатель преломления среды, в которой находится фазовый оптический элемент.

Знак "+" соответствует фазовы и функции Ф(0,V) пропускающего фазового оптического элемента, знак "-" соответствует фазовой функции отражающего оптического эс..омента. При этом фазовая функция киноформа удовлетворяет соотношению г и2 у2 blvd .а Ь! . Ж- ;) . р2 В2 ь — ц агс4в — +ф,-u I ! при R,< Ги + 6 Rs

u

r u у Ыи «"b3 р(" ) "(" (Ь г

EiEp . с — ((cicccccic — с1р-u (R, EuE cL

5 2. — Cc P cc6$ Г

»Оуc5in(f g5p) " — gin p+ — C05 р 4) p

2 6

g5 — м ccc IlI

Я

Ъ при Р,4 0»у Й2) EUE Rсcn5t

P < (f (n - PJ

, Р с . rZ II - l3

» о(ц 2(aib1

» (2Я ц»> - ()К о 5 н+Ч" » Щ

I и Р с Гц7,Ч6 Й» !М(с Ri C05 O c -Р с С» с с + ф с

» »

ЮЬ,l с

Г ii I I ct,ь)

Г аг. ау, i(c *(.

R> RE "I Р 5

6 2 с соВКу

5

carC5ln (CO5gj ° с

2 6 со5к LATE@»

CO5 gj)

"P "Г »V R„E ill > R, cns »C

Л >

Рс< с 2с

Л

9-Рсяс с р сс

mod 2 д (Ф (V cos О, Ч ) )

2Х 2 2 2

35 и ncl sin 0 по сов 0 микрорельеф 2 расположен на подложке 3 в зоне, ограниченной эллипсами

К1"=U cos О+ Ч;

R2=U cos О+Ч >

R< и R2 — радиусы кольцевого лазерного пучка, Излучение 4 падает под углом 0 на оптический элемент 1 и фокусирует в контур прямоугольника 5, Устройство работает следующим образом.

Оптический элемент 1 разбит на 4 сегмента, каждый из которых фокусирует падающее под углом 0 на его поверхность лазерное излучение 4 в соответствующую сторону контура прямоугольника 5 в области фокусировки.

В точку, лежащую на контуре прямо5 угольника 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 предгде а — длина стороны формируемого пря15 моугольника параллельной оси U, в — длина стороны прямоугольника параллельной оси V;

10 — расстояние от плоскости (U, V) до плоскости фокусировки;

Ву, R> — внешний и внутренний радиусы

2О кольцевого пучка л а л Ь 27г .

2 а+Ь 2 а+Ь Х

p — полярный угол в плоскости

На фиг.1 изображена схема устройства;

25 на фиг.2 — сечение фазовой зонной пластинки.

Устройство представляет собой фазовый оптический элемент 1, выполненный в виде пропускающей или отражающей зонЗО ной пластинки с микрорельефом 2, высота которого описывается выражением

1756848

ХС по соз О), В результате первоначальный волновой фронт преобразуется в волновой фронт, обеспечивающий фокусировку в контур прямоугольника. Случай отражающего элемента соответствует n,=-n.

Формула изобретения

Устройство для фокусировки оптического излучения в контур прямоугольника, содержащее фазовый оптический элемент, 45 выполненный в виде отражательного или пропускающего киноформа со ступенчатым профилем зон, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности формирования контура прямоугольника при освеще- 50 нии фазового оптического элемента кольцевым лазерным пучком, высота профиля зон выбрана из условия

3(п — и, з1п Π— и, c0s О 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 прямоугол ьника, которым эти слои соответствуют, т.е. выполняется закон сохранения энергии

)l (СгМспо 6dS= 22}Ж где (г — область между двумя слоями, L — отрезок прямой между двумя соответствующими этим слоям точками;

to(U,V) — интенсивность падающего излучения;

Π— угол падения, tg) — линейная плотность энергии на контуре {в нашем случае она постоянна).

В случае пропускающего оптического фазового элемента 1 падающее под углом

О излучение 4 проходит через оптический элемент 1, Разность фаз между двумя лучами равна

ЛP = = - — (h (Ul, V ) — h (Uo,.,V. ) ) X х глоб 2 д (": Ф ((.3 соз О, v ) ), где tJ,×- декартовы координаты в плоскости фазового оптического элемента;

no — показатель преломления материала, из которого выполнен фазовый оптиче5 ский элемент;

А — длина волны излучения;

О- угол падения пучка излучения на фазовый оптический элемент; знак "+" соответствует фазовой функ10 ции Ф(0V) пропускающего фазового оптического элемента; знак "-" соответствует фазовой функции отражающего элемента, при этом фазовая функция киноформа

15 удовлетворяет соотношению г,гг 229 blvl 2(а bl

2(. Ы, (2;-R,i(. (— ((— ) (, Т2

2 у г ) Π— 2 (1В(а ГС 91П 2 о 1 i а jv I

20 {(22-lid - —, (tCIfc bc9bo — о"(,- г Щ

II ðII R с 0 ov с 22 г

fj R cQ9 pi> (2 <"„" 13 го 13с(рс22 -19 >

blv(2(ьгг (а = ((о 2 2гсо гО(2,-2,!

1(. (131 1 — г — 21

qp ггг(с — (191апс61п — ЧР -u 1119 — 1+ — 5i11 12- — CO9 (а"

2 " 6

23 R3

2 6 гасс9 п(са96)--311п19 са9 13 291

П9 3c cod p1(2 и и 2 с -Г+ g 29 г ("1 р., --Р, 35 сг1,19ocl с 2«-13 г п аг, vv dial (I2 21о 2!о 2(R2 R )

t

+- (г,-vvlv - (lvlace9lI2 93tR,-9 )Ц ! орп 2,9 Угчго R2,Ì R,caved

22- ргсгр с 22

° -1oo с ЕРс ° 2 Р32 а о г alai 2(a+b1

Зги «(, + .г 2 (21о 21о 2(22 " ) г

l l гу — 22 3 Rvl . lvl гт-г

93 R3@21 R39 Посс — ca9 о г

23 23

2 а сс 91п {с о 9 о) — 319 Ic t — ca933 22 ос о

239 — ос 3 М) орп 2, ll ог - 22 l I/> R12099C I

22.1 сор< 2 », где а -длина стороны формируемого прямоугольника, параллельной оси Ц;

b — длина стороны прямоугольника, параллельной оси V;

f> — расстояние от плоскости (0V) до плоскости фокусировки;

R> и Rz — внутренний и внешний радиусы кольцевого пучка;

1756848

p — полярный угол в плоскости (Щ: — л а,л > b

2 а+Ь 2 а+Ь

Составитель С. Харитонов

Редактор С. Патрушева Техред M.Ìîðãåèòàë Корректор М, Максимишинец

Заказ 3087 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина. 101