ОПТИЧЕСКИЙ СУММАТОР ИЗЛУЧЕНИЯ

Область техники.
Предлагаемое изобретение относится к сумматорам оптического излучения, например полупроводниковых лазеров, и может быть использовано в технологическом оборудовании, в бытовых приборах, системах связи, в спектроскопии, в офтальмологии, в измерительных оптических системах.
Предшествующий уровень техники.
Проблема суммирования оптических пучков существует в оптике сотни лет. Если первоначально «сумматоры» использовались главным образом для решения задач интерференции, то в последние годы подобные устройства требуются в волоконных линиях связи, оптических компьютерах и т.д. При этом до сих пор задача суммирования излучения нескольких источников решается главным образом за счет суммирования энергии [1], [2], [3] и имеет более узкую область практического применения (волоконные лазеры большой мощности, линии задержки и т.д.). Возможно суммирование излучения с помощью более сложного устройства [4], в котором хотя и происходит качественное суммирование сигналов, однако неизбежны потери энергии из-за многократного отражения луча.
Наиболее близким техническим решением является устройство [5], выбранное в качестве прототипа, которое служит для суммирования в общем фокусе излучения от двух или более источников. Прототип содержит группу источников и оптическую системы для фокусировки их излучения в узкой области. Оптическая система состоит из плосковыпуклой собирающей линзы и группы светоотражающих элементов.
Недостатком технического решения-прототипа является сложность конструкции за счет конструктивного выполнения оптических элементов с высокой точностью и ограниченность количества складываемых источников. В результате, повышается стоимость и увеличиваются габариты изделия, а также невозможно суммирование излучения более чем от трех источников.
Предложенное устройство решает техническую задачу упрощения конструкции и повышения точности оптического суммирования, а также расширение функциональных возможностей устройства за счет увеличения количества источников, излучение которых можно суммировать до 7-10.
Технический результат достигается за счет того, что в сумматоре оптического излучения, содержащем группу источников излучения, например лазеров, и отображающее средство, расположенное между источниками и выходом сумматора и являющееся средством формирования излучения, в качестве отображающего средства используется линза диаметром от 3 до 200 мм по крайней мере, одна из поверхностей которой содержит не менее двух плоских граней, расположенных под углом друг к другу от 0,5 до 30 градусов, при этом источники излучения расположены на соответствующих оптических осях, определяемых положением граней. Причем, по крайней мере одна из поверхностей является цилиндрической или асферической. В качестве источников излучения используются полупроводниковые диоды.
Полезная модель поясняется чертежами:
На фиг.1-3 представлен вид сбоку предлагаемой полезной модели.
На фиг.4, 5 приведен пример использования полезной модели для суммирования света от нескольких светодиодов.
На фиг.6 представлен пояснительный чертеж для расчета примера реализации.
На чертежах используются обозначения: 1 - источник излучения, 2 - линза, 3 - световод, 4 - плоская грань, 5 - зона фокусировки.
Данный результат достигнут за счет изменения геометрии и конструкции линзы полезной модели (фиг.1-3). Предлагается конструкция полезной модели, позволяющая суммировать свет с помощью собирающей линзы, по крайней мере, одна из поверхностей которой содержит не менее двух плоских срезов. Количество плоскостей срезов определяет число источников, излучение от которых можно суммировать, а угол между ними - направление дополнительных оптических осей. Возможно использование сферических, цилиндрические и асферические линз. Наличие плоских срезов позволяет излучению, идущему перпендикулярно плоскости среза, попадать в линзу, испытывая преломление только на выходе из нее. Расположение граней подбирается таким образом, чтобы преломляющая поверхность линзы фокусировала излучение от всех источников в область минимального размера (точку фокуса), что обеспечивает более эффективное суммирование энергии источников и смешение света, чем у прототипа.
Предлагаемое устройство сумматора полностью обратимо и обратный ход лучей соответствует делению светового пуска и его энергии.
Описание предпочтительной реализации устройства
Рассмотрим наиболее простой (предпочтительный) вариант реализации полезной модели (фиг.4, 5). Пусть требуется когерентно суммировать излучение от нескольких источников излучения с разными длинами волн с целью создания в точке фокуса ощущения восприятия определенного цвета человеком. Для решения этой задачи на данный момент одним из наиболее удобных способов является использование оптического сумматора. Выбрав для него оптимальные размеры так, чтобы пространственное расположение источников удовлетворяло конкретным требованиям задачи, и, установив источники так, чтобы их излучение входило под прямым углом к плоским граням сумматора, максимально точно попадая в центры граней, мы произведем суммирование всех введенных в устройство оптических сигналов. В точке фокуса возможна установка световода (фиг.4), для передачи просуммированного излучения или же какого-либо рассеивающего элемента (фиг.5). Заводя просуммированное излучение с обратной стороны оптического сумматора возможно обратное разделение оптических сигналов без потери энергии.
Расчет конкретной реализации сумматора
Оптический сумматор можно реализовать следующим образом. Рассмотрим случай, когда одна из поверхностей линзы сферическая, а другая поверхность ограниченна плоскими гранями (фиг.6). Углы между гранями могут варьироваться от 1 до 30 градусов. Центр сферической поверхности радиуса Rл расположен в точке С, показатель преломления материала линзы nл, окружающей среды nс. Тогда, если мы хотим, чтобы лучи, падающие в центр плоских граней сфокусировались в точке Р на расстоянии Rф от линзы, то плоские грани должны являться хордами сферы с радиусом R и центром, лежащим в точке Р′ на оптической оси системы. Связь между R и Rф может быть выражена с помощью формулы:
Таким образом, выбирая радиус кривизны линзы Rл и расстояние от линзы до точки пересечения лучей Rф оптимальными для конкретной практической задачи, нужно изготавливать линзу, пользуясь приведенной расчетной формулой, в которой в простейшем случае работы в воздушной среде nс=1, а nл в зависимости от сорта оптического стекла в видимом диапазоне лежит в пределах от 1,4 до 2,17, а в инфракрасном диапазоне может достигать больших значений.
Возможен вариант изготовления оптического сумматора из двояковыпуклой линзы, ограниченной двумя сферическими поверхностями радиусами R1 и R2, путем создания плоских граней на одной из поверхностей. В этом случае, если грани созданы на поверхности R1, то излучение, заведенное от источников в центры граней будет сфокусировано на расстоянии Rф от центра линзы. Rф может быть вычислен по формуле:
Где nл и nс, как и в предыдущем случае, соответственно показатели преломления материалов линзы и среды ее окружающей.
Все другие случаи, упомянутые в описании полезной модели, легко сводимы к разобранным выше и поддаются аналогичному расчету.
Приведем численный пример расчета сумматора.
Пример 1.
Для плосковыпуклой линзы из стекла К-8 диметром 50 мм с показателем преломления 1,5183 на длине волны 546 нм и радиусом сферической поверхности 80 мм (соответственно с фокусным расстоянием F=154,35 мм), можно выполнить суммирование трех сходящихся пучков, добавив два скоса под углом α=5 градусов с плоской стороны линзы (см. Фиг.1-3). Тогда в фокальной плоскости линзы сфокусированное излучение от трех источников пересечется в одной точке, таким образом просуммировавшись.
Пример 2.
Для двояковыпуклой линзы из стекла К-8 диметром 100 мм с показателем преломления 1,5183 на длине волны 546 нм и радиусами сферических поверхностей 250 мм (соответственно с фокусным расстоянием F=241,173 мм), можно выполнить суммирование трех сходящихся пучков, добавив три скоса, два из которых под углом к третьему α=20 градусов, с одной из сторон линзы (см. Фиг.1-3). Тогда сфокусированное излучение от трех источников просуммируется в точке фокуса.
Промышленная применимость
Таким образом, приведенный расчет доказывает возможность практической реализации оптического сумматора. Количество источников, излучение от которых можно суммировать с помощью данной полезной модели, увеличено по сравнению с прототипом до 7-10, а также в значительной степени упрощена конструкция, повышена технологичность, что позволит производить такие оптические элементы в более широком диапазоне линейных размеров (диаметр) - от 3 до 200 мм. В частности появилась возможность создания более компактного устройства, снижения стоимости его производства и упрощения настройки. Данное устройство как элемент сложения или деления оптических пучков от одного или нескольких источников излучения, можно использовать в технологическом оборудовании, в бытовых приборах, системах связи, в спектроскопии, в офтальмологии, в измерительных оптических системах, в волоконных линиях связи, оптических компьютерах.
Ссылки на патенты:
1. Патент США US 6890108B2 Christfried Symanowski; Jens Hofman; Enrico Gelssler;
Arne Troellsch; Mario Zielke; HaraldKiessling, 14.08.2003
2. Патент США US 5031078 James M. Bomhorst, 28.08.1989
3. Патент RU 2182346 Бушмелев Н.И., Кривошеин В.Н., Погорельский С.Л., Сбродов А.В„ Лазукин В.Ф., Шипунов А.Г., 20.06.2000
4. Патент США US 4707064 Jerzy A. Dobrowolski; Elmer H. Наrа, 07.07.1986
5. Патент США US 20090116238 А1 Jun Zhu; He Zhang; Guo-Fan Jin, 07.08.2008