Устройство расширения-сжатия оптического пучка

 

Использование: в качестве анаморфотных насадок к киносъемочным объективам, для контроля шаблонов в интерференционных насадках, для записи и чтения голограмм. Сущность изобретения: устройство содержит несколько призменных пар, состоящих из прямоугольных призм, расположенных под углом друг к другу. При этом угол при вершине каждой призмы равен где n_i - показатель преломления материала призмы, а сами призменные пары ориентированы между собой таким образом, что угол между выходной гранью предыдущей призмы и входной гранью последующей определяется выражением β_k = arctg n_k, где n_k - показатель преломления материала предыдущей призмы. 2 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для расширения сжатия светового пучка в одном из сечений. Изобретение может быть использовано в качестве анаморфотных насадок к киносъемочным объективам, для контроля шаблонов в интерференционных насадках, для записи и чтения голограмм и т.д.

Известны системы расширения сжатия параллельного светового пучка, содержащие цилиндрические оптические элементы [1] Однако такие системы сложны в изготовлении и юстировке, требуют больших материальных затрат.

Известны анаморфотные системы, состоящие из двух призм [1] [2] Однако такие системы обладают повышенными световыми потерями.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является анаморфотное устройство для расширения сжатия светового пучка [3] выбранное за прототип и содержащее несколько призменных пар, каждая из которых состоит из прямоугольных призм, расположенных под углом друг к другу. В каждой паре между призмами размещено плоское зеркало, при этом входной и выходной потоки параллельны друг другу и центры потоков лежат на общей оси.

Это устройство просто в изготовлении и юстировке, однако может использоваться только при малых коэффициентах анаморфирования. В этом устройстве углы падения на гипотенузную грань призмы велики и вследствие этого значительны потери света. Так, например, для получения коэффициента анаморфирования V 1/20^x при использовании стекла с показателем преломления n 1,5, угол при вершине призмы составляет 41^o08', а угол преломления на гипотенузной грани призмы i 80^o03'. При таком угле преломления коэффициент отражения от поверхности составляет 50% т.е. от двух призм он уж близок к 75% [4] Таким образом, использование системы из двух призм для получения высоких коэффициентов анаморфирования невозможно из-за огромных световых потерь.

Задачей изобретения, на решение которой направлено устройство, является уменьшение потерь световой энергии.

Для решения поставленной задачи предложено устройство расширения сжатия оптического пучка, которое содержит несколько призменных пар, каждая из которых состоит из прямоугольных призм, расположенных под углом друг к другу.

В отличие от прототипа в предложенном устройстве угол при вершине каждой призмы равен где n_i показатель преломления материала призмы.

Призменные пары ориентированы между собой таким образом, что угол β_k между входной гранью предыдущей призмы и входной гранью последующей определяется выражением: β_k arctg n_k, где n_k показатель преломления материала предыдущей призмы.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в предложенном устройстве призменные пары ориентированы таким образом, что угол преломления светового пучка на гипотенузной грани равен углу Брюстера i_Бр arctg n_i [4] при котором коэффициент отражения от поверхности минимальный или равен нулю для случая плоско-поляризованного света при соответствующей ориентации плоскости поляризации. Таким образом, данное устройство обеспечивает минимальные потери света даже при высоких коэффициентах анаморфирования.

Кроме того, обеспечивается неизменность направления светового потока и одновременно при соответствующих расстояниях между призмами сохраняется соосность падающего и выходящего потоков без дополнительных оптических элементов.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение предлагаемого устройства; на фиг. 2 пример конкретного выполнения устройства.

Предлагаемое устройство состоит из нескольких призменных пар, в каждую из которых входит призма 1 и призма 2, угол β_k образован выходной гранью предыдущей призмы призменного блока и входной гранью последующего призменного блока β_k arctg n_k, где n_k показатель преломления материала предыдущей призмы.

Угол α_i при вершине призмы определяется следующей формулой где n_i показатель преломления материала призмы.

Общий коэффициент анаморфирования для m призменных пар определяется следующим образом: V_m= V₁₊₂· V₃₊₄ V_(2m-1)+2m; где V_(2m-1)+2m увеличение пары призм, которое определяется формулой В частном случае применения призм из одного материала выражение для V_m принимает вид:

В конечном результате получается высокий коэффициент анаморфирования при минимальных потерях световой энергии.

Устройство работает следующим образом.

Прошедший по нормали сквозь катет призмы 1 параллельный пучок преломляется на гипотенузной грани этой призмы под углом Брюстера i_Бр arctg n_i и падает по нормали на катет призмы 2. Прошедший сквозь призмы 2 световой пучок падает на гипотенузную грань этой призмы также под углом Брюстера и т.д.

Расстояние между призмами всегда выбрано таким образом, чтобы в случае необходимости обеспечить соосность падающего и выходящего пучков. Размер выходного пучка равен (V_md)·d, где d диаметр падающего пучка.

При работе в широком спектральном диапазоне стекла, например для устранения хроматизма увеличения, должны быть с различными числами Аббе, а в случае работы с переменным коэффициентом анаморфотности нужно ахроматизировать каждую призму. Необходимое изменение увеличения достигается одновременным поворотом каждой призмы, входящей в пару, на одинаковые углы, но в различные стороны.

Пример конкретного выполнения (фиг. 2).

Устройство состоит из трех призменных пар (m 3), изготовленных из стекла Ф 4 с показателем преломления n 1,642.

Угол при вершине каждой призмы

Световой поток проходит сквозь гипотенузную грань каждой призмы под углом Брюстера i_Бр arrctg n, где n показатель преломления n 1,642 [4]
i_Бр = arctgn = arctg 1,642 = 58°40ʹ.
Угол β_k между выходной гранью предыдущей призмы и входной гранью последующей равен
β_k = arctgn_k = i_Бр = 58°40ʹ.
где n_k показатель преломления материала предыдущей призмы.

Увеличение выходного размера пучка в плоскости чертежа определяется по формуле:

Таким образом, преимущества предлагаемого изобретения заключаются в том, что в несколько раз снижаются потери световой энергии.

Так, например, при коэффициенте анаморфотности V 1/20^x при работе с одной призменной парой, выполненной из стекла с показателем преломления n 1,5, потери на отражение на гипотенузной грани каждой призмы естественного света составляют ρ ≈ 0,5 [4] и коэффициент светопропускания tʹ [5] учитывающий только потери на отражение на гипотенузных гранях, равен
τʹ = (1-ρ_i)² = (1-0,5)²·100% = 25%.
Для случая линейно-поляризованного света при соответствующей ориентации плоскости поляризации ρ 0,4 и коэффициенте светопропускания tʹ (1 - 0,4)² 36%
Оптическая система, состоящая из трех призменных пар, при этом же коэффициенте анаморфотности пропускает τʹ (1 0,8)⁶ · 100% 51% естественного света.

Таким образом, предлагаемое устройство расширения сжатия оптического пучка позволяет уменьшить энергетические потери световой энергии для естественного света в два раза, а для линейно-поляризованного света при соответствующей ориентации плоскости поляризации они полностью отсутствуют.

Одновременно с этим предлагаемое устройство обладает простотой в разработке и изготовлении и не требует дополнительных оптических элементов для обеспечении неизменности направления светового потока и сохранения соосности падающего и выходящего потоков.

Формула изобретения

Устройство расширения-сжатия оптического пучка, содержащее несколько призменных пар, каждая из которых состоит из прямоугольных призм, расположенных под углом друг к другу, отличающееся тем, что угол при вершине каждой призмы равен

где n_i показатель преломления материала призмы,
а сами призменные пары ориентированы между собой таким образом, что угол β_k между выходной гранью предыдущей призмы и входной гранью последующей определяется выражением
β_k = arctgn_k,
где n_k показатель преломления материала предыдущей призмы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2