ОПТИЧЕСКИЙ ЛУЧЕВОЙ ДЕЛИТЕЛЬ В ВИДЕ СБОРНОЙ ДИХРОИДНОЙ ПРИЗМЫ
OPTICAL BEAM SPLITTER IN FORM OF COMPOSITE DICHROIC PRISM

Область использования
Изобретение относится к оптическим спектральным приборам, использующим разложение светового пучка на несколько спектральных компонент или же использующим сложение излучения от источников света с различными спектральными компонентами в один пучок.
Предшествующий уровень техники
Многоцветная фотометрия требует измерения в нескольких участках спектра, что можно осуществить или последовательно, по очереди меняя необходимые светофильтры в оптическом тракте фотометра, или одновременно, разделив исследуемый поток света на несколько цветных пучков и направив каждый в свой измерительный канал. Большинство используемых в настоящее время фотометров реализует первый способ измерений, поскольку он требует минимума аппаратных затрат: один фотоприемник, один усилитель, одно регистрирующее устройство, и обладает гибкостью в применении к конкретной наблюдательной задаче.
Многоцветный фотометр с одновременным измерением исследуемого потока в нескольких спектральных полосах конструктивно сложнее, но обладает рядом существенных преимуществ: уменьшаются затраты времени получения информации, можно получать моментальные цвета быстропеременных объектов и надежные цвета объектов при не очень хороших атмосферных условиях, можно применять оптимальные для каждого спектрального канала фотоприемники. По этой причине различными авторами неоднократно предлагались многоцветные многоканальные фотометры, в которых световой поток от измеряемого объекта делился между спектральными каналами при помощи дифракционных решеток, призм или дихроичных зеркал. Для спектрального анализа изображений последние приспособлены в наибольшей степени. В этом случае в каждый канал проходит практически все излучение соответствующего спектрального диапазона, и прибор становится пригодным для одновременных многоцветных измерений слабо освещенных объектов в сложных фоновых условиях.
Посколку предлагаемое изобретение направлено на спектральный анализ изображений быстро протекающих процессов, предшествующий уровень техники далее рассматривается в сфере светоделительных систем на основе дихроичных покрытий, то есть таких тонкопленочных структур, которые в некоторой спектральной области Δλ отражают практически все излучение и пропускают все остальное излучение. Дихроичный оптический лучевой делитель (ОЛД) представляет собой структуру из чередующихся тонкопленочных слоев диэлектрика с высоким и низким коэффициентами преломления, нанесенных методом вакуумного напыления на прозрачную подложку. Общее число слоев дихроичного ОЛД обычно составляет 20-30 в зависимости от требований к форме кривой отражения (пропускания) и к рабочему диапазону частот.
Чаще всего такой ОЛД выполняют в виде наклоненной под углом к падающему лучу плоскопараллельной стеклянной пластины с многослойным покрытием рабочей поверхности (US 8405048, G01J 1/58, 2009 [1] - аналог). Недостатком плоскопараллельной стеклянной пластины как основы для нанесения многослойных покрытий является цветовой блик в направлении отраженных лучей как следствие многократного отражения внутри пластины. По этой причине предпочтение отдается светоделительным призмам.
Известен включенный в состав прожектора ОЛД в виде трехгранной дихроидной призмы с выходной собирающей гранью и полупрозрачным дихроичным зеркальным покрытием на двух других, рассчитанным на отражение разных частот оптического диапазона электромагнитных колебаний (US 6082863, G03B 21/14, 2000 - [2] - аналог). Такой ОЛД не дает бликов, как в дихроичных плоских зеркалах [1], но не может собрать или разложить световой поток при наличии более трех его частотных компонент.
Известен ОЛД в виде сборной дихроидной призмы (СДП), содержащей входную или выходную грань для соответственно ввода или сбора общего светового потока и по меньшей мере одну склейку смежных граней по меньшей мере двух составляющих указанную дихроидную призму прозрачных призм с дихроичным покрытием одной из граней в месте каждой склейки для отражения этим покрытием в зависимости от угла встречи со световым потоком его разных частотных компонент (http://ru.wikipedia.org/wiki/ [3] - аналог). Такой ОЛД может разложить или собрать световой поток с произвольным числом частотных компонент. К недостаткам [3] можно отнести то, что выходные или входные пучки светового потока с различными частотными диапазонами не полностью заполняют объем СДП и имеют внутри нее различные по длине оптические пути (фиг. 1). При этом спектральная компонента, вырезаемая одним дихроичным зеркалом, никак не взаимодействует с другим дихроичным зеркалом, если их рабочие полосы длин волн не перекрываются.
Известен ОЛД в виде СДП, содержащей входную или выходную грань для соответственно ввода или сбора общего светового потока и по меньшей мере одну склейку смежных граней по меньшей мере двух составляющих указанную дихроидную призму прозрачных призм с дихроичным покрытием одной из граней в месте каждой склейки для отражения этим покрытием в зависимости от угла встречи со световым потоком его разных частотных компонент (патент US 6327092, G02B 27/14, 2001 [4] - прототип). Согласно [4] геометрия и взаимная компоновка призм, составляющих после склейки сборную дихроидную призму, выбраны из условия пересечения плоскостей расположения указанных склеек по линии. Это, благодаря объемной симметрии СДП, делает конструкцию ОЛД более компактной.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения состоит в том, чтобы повысить эффективность ОЛД, выполненного в виде СДП. Техническим результатом изобретения является создание максимально компактной конструкции СДП с симметричным расположением произвольного числа разночастотных световых компонент.
Указанные задача и технический результат обеспечиваются тем, что в ОЛД в виде СДП, содержащей входную или выходную грань для соответственно ввода или сбора общего светового потока и по меньшей мере одну склейку смежных граней по меньшей мере двух составляющих указанную дихроидную призму прозрачных призм с дихроичным покрытием одной из граней в месте каждой склейки для отражения этим покрытием в зависимости от угла встречи со световым потоком его разных частотных компонент, согласно изобретению геометрия и взаимная компоновка призм, составляющих после склейки сборную дихроидную призму, выбраны из условия пересечения плоскостей расположения указанных склеек в одной точке.
Причинно-следственная связь между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом состоит в том, что взаимное пересечение плоскостей расположения склеек в одной точке обеспечивает шаровую объемную симметрию СДП, создающую максимально возможную компактность конструкции ОЛД.
Краткое описание иллюстраций
На фиг. 1 схематично изображен ОЛД согласно аналогу [3]; на фиг. 2 - схема ОЛД согласно изобретению с приемниками выведенных из него частотных компонент; на фиг. 3 - схема того же ОЛД в более крупном масштабе с аксонометрическим изображением пересечения плоскостей расположения склеек призм СДП в одной точке.
Подробное описание устройства
ОЛД в виде СДП 1 содержит в рассматриваемом примере (фиг. 2-3) входную грань 2 для ввода общего светового потока 3 и N склеек 2.1…2.N смежных граней составляющих указанную дихроидную призму прозрачных призм с дихроичным покрытием одной из граней в месте каждой указанной склейки для отражения этим покрытием в зависимости от угла встречи со световым потоком его разных частотных компонент 3.1…3.N общего светового потока 3. Геометрия и взаимная компоновка призм, составляющих после склейки СДП, выбраны из условия пересечения плоскостей расположения указанных склеек в одной точке 4 (фиг. 3). В частности, СДП лучевого делителя фиг. 2, 3 представляет собой прозрачный кубик, разрезанный шестью плоскостями на шесть пирамидальных призм. На каждой плоскости 2.1…2.5 полученных призм нанесено свое дихроичное покрытие, после чего произведена склейка полученных при разрезке кубика призм в СДП 1 со входной гранью 2, расположенной под углом 45° по отношению к падающему лучу 3. Грани призм со склейками 2.1…2N ориентированы относительно друг друга с одинаковыми или различными пространственными углами α (фиг. 2), определяемыми исходя из требуемых диапазонов частот световых компонент, отраженных дихроичными покрытиями, и из удобства вывода из делителя или ввода в него соответствующих лучей 3.1…3.N. На пути указанных лучей установлены соответственно фотоприемники или фотоизлучатели 5.1…5.N (фиг. 2). Между каждым фотоприемником 5.1…5.N и соответствующей выходной гранью СДП устанавливается собирающая линза (не показаны). Максимальное количество частотных компонент на выходе СДП можно обеспечить при выполнении последней в виде ограненного скленного шара с произвольным числом составляющих его призм (не показано).
Работа устройства
Работа ОЛД согласно изобретению происходит следующим образом. Исходный световой поток 3 подается на входную грань 2 СДП 1. Полоса каждой из частотных компонент 3.1…3N, отражаемых дихроичными покрытиями склеек 2.1…2N, зависит от угла наклона разлагаемого на компоненты луча по отношению к плоскости соответствующей склейки с дихроичным покрытием. Проходящие через выходные грани СДП частотные компоненты 3.1…3N через собирающие линзы подаются на фотоприемники 5.1…5.N. Работа ОЛД в обратном направлени при сборе частотных комонент от излучателей 5.1…5.N происходит аналогичным образом.
Промышленное применение
Предложенный ОЛД может быть использован в спектроскопии для выделения определенных спектральных компонент, в видео- или фототехнике для разделения экспонируемого изображения по базовым цветам, для спектральной компоновки светового луча в прожекторных системах, лазерных телевизорах, медицинских эндоскопах и т.п.