СПОСОБ ФОКУСИРОВКИ ВОЛНОВОГО ПОЛЯ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УПОРЯДОЧЕННОГО НАБОРА ФОКУСИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ФОКУСИРОВКИ
METHOD FOR FOCUSING OF WAVE FIELD, DEVICE FOR ITS REALISATION AND METHOD FOR PREPARATION OF ORDERED SET OF FOCUSING ELEMENTS FOR FOCUSING DEVICE

Изобретения относятся к области оптики, а более конкретно к методам и средствам фокусировки электромагнитного излучения любой природы и спектра, т.е. излучению, которое распространяется по различным физическим средам, включая вакуум (в том числе к ультразвуковому и в определенном диапазоне длин волн рентгеновскому излучению). Наиболее предпочтительно использовать заявленное изобретение в концентраторах излучения, например, энергии солнечного излучения.
Известные из уровня техники методы фокусировки электромагнитного излучения приемлемы для относительно узкого диапазона длин волн и крайне не желательны с технологической точки зрения для фокусировки волновых пучков рентгеновского диапазона. В частности, к вышеупомянутым методам и средствам фокусировки рентгеновского излучения относятся методы с использованием решеток отражателей, выполненных из тонкой металлической фольги с покрытием из платины, золота, рутения и иных дорогостоящих материалов, или методы и средства с использованием природных кристаллов с правильной (совершенной) структурой кристаллической решетки, параметры которой соизмеримы с длиной волны рентгеновского излучения и в которых при определенных малых углах падения луча электромагнитного излучения возникает дифракция Брегга (что ограничивает их использование в широких масштабах по экономическим соображениям), а также методы и средства с использованием многослойных покрытий, каждый слой которых должен обладать строго регламентированным, отличным один от другого коэффициентом преломления электромагнитного излучения (что ограничивает их использование в широких масштабах по технологическим соображениям ввиду необходимости подбора множества материалов слоев покрытия с заданными в зависимости от угла падения и от длины волны электромагнитного излучения свойствами).
В настоящее время в отражательной оптике также используются методы фокусировки волнового поля при скользящем падении лучей одним асферическим отражателем. Так, для того чтобы исключить сферическую аберрацию в случае одного зеркала, можно использовать эллиптическое зеркало. Однако это не устраняет астигматизм, поэтому объект должен находиться в одном из фокусов эллипсоида, в то время как его изображение будет формироваться в другом.
Методы улучшения качества изображения включают создание поверхностей с малыми отклонениями от параболической формы, дающих возможность уменьшить наклон поля изображений при небольшом увеличении сферической аберрации. Расчеты показывают, что оптимальный отражатель должен иметь поверхность третьего порядка. Но кома не может быть исправлена лишь одной поверхностью какой-либо формы. Кроме того, по мере того как форма поверхности становится все более сложной, допуски при ее изготовлении становятся все более строгими и изготовление таких зеркал в широком масштабе становится как экономически, так и технологически неэффективным.
Таким образом, известные из уровня техники методы и средства фокусировки рентгеновского излучения в большинстве случаев основаны на использовании эффекта полного внешнего отражения при скользящих углах падения лучей на отражающую поверхность либо используют явление дифракции излучения на кристаллических решетках или многослойных покрытиях. К сожалению, значительные аберрации, возникающие при скользящем падении излучения на сферическую поверхность отражателя, не позволяют обеспечить хорошей фокусировки. Кроме того, использование одиночных отражателей для фокусировки нецелесообразно в силу ограничений их полезной апертуры и поля зрения. По этим причинам в реальных современных системах скользящего падения более эффективными являются составные системы, выполненные в виде упорядоченных наборов фокусирующих элементов.
Составные системы, в которых излучение при скользящем падении (т.е. под очень малыми углами) отражается от двух и более сферических или асферических поверхностей, делятся на два типа. К первому типу, известному под названием Киркпатрика-Баеза, относятся отражатели, меридиональные плоскости которых взаимно перпендикулярны (скрещены). Во втором типе, известном под названием системы Вольтера, используют комбинации коаксиальных и конфокальных конических сечений.
Простейшая система Киркпатрика-Баеза состоит из двух цилиндрических зеркал с одинаковыми радиусами кривизны и формирует действительное точечное изображение точечного объекта, а следовательно, действительное протяженное изображение протяженного объекта. Таким образом, она исправляет астигматизм. На практике можно использовать также и сферические зеркала, так как сагиттальное фокусное расстояние намного превышает меридиональное (А.Мишетт «Оптика мягкого рентгеновского излучения», М., «Мир»,1989 г., стр.66-67, рис.2.13).
Но такая простая оптическая система обладает другим типом аберраций - анаморфизмом. Так как положения двух зеркал не совпадают, расстояние до объекта при меридиональном отражении от первого зеркала меньше, чем при сагиттальном отражении от второго зеркала. Таким образом, коэффициенты увеличения в двух взаимно перпендикулярных направлениях различны. Устранить это явление на практике можно несколькими способами: устанавливая приемник под углом к перпендикуляру к оптической оси или применяя третий отражатель, расположенный в той же плоскости, что и первый. Однако это усложняет систему как в конструктивном плане, так и с технологической точки зрения. В принципе теоретически можно разработать оптическую систему, в которой оба зеркала расположены на одинаковом расстоянии от объекта (там же, рис.2.14). Однако такой тип системы очень трудно изготовить с технологической точки зрения.
Системы Киркпатрика-Баеза могут быть сконструированы таким образом, что кома оказывается в значительной степени исправленной. Но для этого необходимо использовать, по крайней мере, две пары скрещенных зеркал. Эти системы должны быть сформированы так, чтобы в них выполнялось условие синусов Аббе, которое эквивалентно требованию, что все геометрические пути через оптическую систему дают одинаковый коэффициент увеличения. Однако указанное условие не может быть выполнено при одном отражении от двумерного зеркала. Для выполнения условия Аббе необходимо два отражения, так что в трехмерной системе Киркпатрика-Баеза всего необходимо обеспечить четыре отражения, по два в каждом направлении (см. там же, стр.68, рис.2.15). Но даже в этом случае нельзя полностью устранить кому при использовании сферических зеркал: для этого необходимо использование асферических отражающих поверхностей.
Таким образом, системы Киркпатрика-Баеза могут быть сконструированы так, что аберрации при скользящем падении лучей в значительной мере компенсируются. Но для обеспечения этой задачи, как правило, требуются довольно сложные оптические системы, не допускающие погрешностей геометрической формы отражающих поверхностей и взаимной разориентации компонентов составных систем.
На практике отдают предпочтение системам Вольтера. В системах Вольтера используются хорошо известные свойства поверхностей второго порядка (невырожденных) формировать изображения (см. там же, стр.69-70), которые иллюстрируются на рис.2.16. С помощью последовательных отражений от двух участков таких поверхностей могут быть получены изображения очень высокого качества. В системе Вольтера I типа оба отражения происходят на внутренних (рис.2.17), в то время как в системе II типа первое отражение происходит на внутренней, а второе - внешней поверхности (рис.2.18), а в системе III типа наоборот: первое отражение - на внешней поверхности, а второе - на внутренней (рис.2.19).
Вследствие осевой симметрии для лучей, проходящих через фокус, в таких системах полностью отсутствует астигматизм и сферическая аберрация, при этом условие Аббе выполняется с высокой точностью и кома относительно мала. Кому можно полностью устранить в модифицированной системе Вольтера (т.е. системе Вольтера-Шварцшильда), скомпоновав две коаксиальные поверхности таким образом, чтобы в точности выполнялось условие синусов Аббе. Вольтер применил этот метод к системам скользящего падения и рассмотрел малые отклонения от формы поверхностей второго порядка. Устранение комы дает соответствующее улучшение разрешения.
Разрешение фокусирующих систем скользящего падения ухудшается для внеосевых точек изображения. Так как простых аналитических методов расчета фокусирующих свойств не существует, обычно для этой цели используются методы расчета хода лучей, в которых используются соответствующие параметры конкретных оптических систем, что также является одним из недостатков этих систем.
Кроме того, при оценке характеристик реальных оптических систем скользящего падения помимо эффектов, связанных с поверхностными шероховатостями и рассмотренных выше, необходимо принимать во внимание и такие факторы, как погрешности формы поверхностей и взаимная разориентация компонентов составных систем. При этом следует учитывать, что каждый отражательный компонент составной оптической системы имеет свою, строго индивидуальную форму, что делает нецелесообразным использование таких систем в широкомасштабном производстве соответствующих фокусирующих устройств как в технологическом, так и в экономическом плане.
Одним из достаточно близких к заявленному объекту изобретения «способ» является способ фокусировки волнового поля, состоящий в следующем.
Выделенные из волнового поля (генерируемого неким источником излучения) лучи отклоняют на заданные из условия фокусировки углы, по крайней мере, в двух, следующих друг за другом сечениях этого волнового поля. Упомянутые выделение и отклонение лучей осуществляют посредством упорядоченных наборов из равного числа фокусирующих элементов, размещенных в указанных сечениях с обеспечением инвариантности относительно вращения вокруг оси, проходящей через центры сечений. (А.Мишетт. «Оптика мягкого рентгеновского излучения», М., «Мир», 1989 г., стр.287-289, рис.10.276; US, №6285737 B1, 2001 г.)
Одним из наиболее близких к заявленному объекту изобретения устройством является устройство фокусировки волнового поля (генерируемого неким источником излучения), содержащее, по крайней мере, два установленных последовательно друг за другом по ходу волнового поля упорядоченных набора из равного числа фокусирующих элементов, образующих своими действующими апертурами входную и выходную апертуры оптической системы со свойствами вращательной симметрии (А.Мишетт. «Оптика мягкого рентгеновского излучения», М., «Мир», 1989 г., стр.287-289, рис.10.276; US, №6285737 В1, 2001 г.).
К недостаткам вышеописанных известных из уровня техники решений (как в части объекта «устройство», так и в части объекта «способ») необходимо отнести все ранее описанные недостатки фокусирующих систем скользящего падения Вольтера. В особенности следует подчеркнуть, что каждый фокусирующий элемент (элементарная апертура) упомянутых упорядоченных наборов в данной составной оптической системе должен быть не только строго пространственно ориентирован относительно остальных фокусирующих элементов (элементарных апертур), но и выполнен с определенной строго индивидуальной формой, что усложняет конструкцию системы в целом и соответственно технологию его изготовления и использования.
Еще одним недостатком данной рассматриваемой оптической фокусирующей системы является то, что в ней угол падения излучения на различные составляющие ее фокусирующие элементы (элементарные апертуры) изменяется от центра к периферии. Поэтому меняется коэффициент отражения фокусирующих элементов, эффективная апертура системы, и для улучшения характеристик оптической системы в целом необходимо на каждый фокусирующий элемент нанести многослойное покрытие, при этом толщины составляющих слоев этого покрытия должны быть выбраны индивидуально для каждого из упомянутых элементов. То есть изменяться в сторону уменьшения от центра оптической системы к ее периферии и от входа к выходу. Если известная из уровня техники система формируется из кристаллических материалов, то и в этом случае необходимо подбирать кристаллы с различными параметрами кристаллических структур (т.е. с различными атомными решетками). Следовательно, такие системы с технологической точки зрения приемлемы лишь для их индивидуального исполнения и не могут быть использованы в широких масштабах как экономически нецелесообразные.
Наиболее близкими к заявленным объектам изобретения являются технические решения, раскрытые в патенте RU, №2238576, 2004 г.
Из данного патента известны способ фокусировки волнового поля, устройства для его промышленной реализации, а также (вытекающий из конструктивного выполнения устройства) способ изготовления упорядоченного набора фокусирующих элементов для упомянутого устройства, посредством которых наряду с расширением области применения путем обеспечения возможности использования для фокусировки электромагнитного излучения любой природы и соответственно диапазона длин волн обеспечивалось бы повышение качества фокусировки, технологичности изготовления и упрощение конструкции непосредственно устройства за счет использования в нем конструктивно идентичных фокусирующих элементов, формирующих как входную, так и выходную апертуры, что позволяет использовать заявленное изобретение в различных областях науки и техники в широких масштабах.
А именно известен способ фокусировки волнового поля, заключающийся в том, что составляющие его лучи отклоняют на заданные из условия фокусировки углы, по крайней мере, в двух, следующих друг за другом формообразующих сечениях волнового поля посредством размещения в них упорядоченных наборов идентичных криволинейных фокусирующих элементов с отражающими поверхностями. Данные фокусирующие элементы образуют своими действующими апертурами входную и выходную апертуры со свойствами вращательной симметрии. Фокусирующие элементы в упорядоченных наборах распределяют по входной и выходной апертурам инвариантно относительно вращения с постоянным по углу шагом вокруг оси вращательной симметрии, которая проходит через центры формообразующих сечений. Действующие апертуры фокусирующих элементов ограничивают отрезками кривых, лежащих на указанных формообразующих сечениях. Форму фокусирующих элементов задают из условия обеспечения пропорциональности меридиональной составляющей величины угла отклонения составляющих волновое поле лучей расстоянию от соответствующего луча до центра соответствующего формообразующего сечения при согласованном изменении модуля и направления отклонения,
Известно устройство фокусировки волнового поля, содержащее средства для отклонения составляющих волновое поле лучей на заданные из условия фокусировки углы, по меньшей мере, в двух следующих друг за другом формообразующих сечениях волнового поля. Указанные средства включают, по крайней мере, два, установленных в указанных сечениях, упорядоченных набора из идентичных криволинейных фокусирующих элементов с отражающими поверхностями. Фокусирующие элементы образуют своими действующими апертурами входную и выходную апертуры со свойствами вращательной симметрии. Фокусирующие элементы в упорядоченных наборах распределены по входной и выходной апертурам инвариантно относительно вращения с постоянным по углу шагом вокруг оси вращательной симметрии, которая проходит через центры формообразующих сечений. Действующие апертуры фокусирующих элементов ограничены отрезками кривых, лежащих на указанных формообразующих сечениях. Форма фокусирующих элементов задана из условия обеспечения пропорциональности меридиональной составляющей угла отклонения проходящих через определенную точку действующей апертуры лучей, составляющих волновое поле, расстоянию от указанной точки до оси вращательной симметрии.
Известен способ изготовления упорядоченного набора фокусирующих элементов для устройства фокусировки волнового поля, заключающийся в следующем. Формируют средство для отклонения составляющих волновое поле лучей на заданные из условия фокусировки углы в виде упорядоченного набора из идентичных криволинейных фокусирующих элементов с отражающими поверхностями, образующих своими действующими апертурами входную и выходную апертуры со свойствами вращательной симметрии. Фокусирующие элементы в упорядоченном наборе распределяют по входной и выходной апертурам с постоянным по углу шагом вокруг оси вращательной симметрии, проходящей через центр набора фокусирующих элементов. Действующие апертуры фокусирующих элементов ограничивают участками криволинейных отражающих поверхностей, форму которых задают из условия обеспечения пропорциональности меридиональной составляющей угла отклонения проходящих через определенную точку действующей апертуры лучей, составляющих волновое поле, расстоянию от указанной точки до оси вращательной симметрии.
Поскольку в данном патенте конкретно не раскрыт метод изготовления вышеописанных упорядоченных наборов фокусирующих элементов, можно сделать вывод, что они изготавливаются известными из вышеописанного уровня техники методами. В частности, по типу изготовления дифракционных решеток, т.е. путем формирования штрихов в монолитной основе, что является дорогостоящим и малопроизводительным методом.
К недостаткам данных известных из уровня техники технических решений можно отнести следующее.
В рассматриваемом патенте предусматривается фокусировка волновых полей с возможностью их синфазного сложения. А это накладывает определенные ограничения на форму фокусирующих элементов и соответственно на габаритные параметры апертуры системы в целом. То есть известная оптическая система имеет ограниченную область использования преимущественно для четкого (контрастного) преобразования (передачи в пространстве) изображения объекта. Однако она малоэффективна в случае концентрации излучения (например, энергии солнечного излучения), где доминирующим параметром является величина апертуры системы и не требуется строго синфазного сложения излучения в фокусе.
Недостатки в отношении способа изготовления описаны выше.
В основу заявленного изобретения была положена задача создания такого способа фокусировки волнового поля и устройства для его осуществления, которые позволяли бы максимально увеличить суммарную апертуру в каждом из упорядоченных наборов фокусирующих элементов и соответственно оптимизировать фокусирующие свойства оптической системы в целом в случае ее использования в качестве оптического концентратора излучения (например, энергии солнечного излучения), при повышении технологичности изготовления отдельных фокусирующих элементов и сборки упорядоченного набора в целом.
Поставленная задача в отношении объекта изобретения «способ» решается посредством того, что в способе фокусировки волнового поля, заключающемся в том, что составляющие его лучи отклоняют на заданные из условия фокусировки углы, по крайней мере, в двух, следующих друг за другом формообразующих сечениях волнового поля посредством размещения в них упорядоченных наборов идентичных криволинейных фокусирующих элементов с отражающими поверхностями, образующих своими действующими апертурами входную и выходную апертуры со свойствами вращательной симметрии, фокусирующие элементы в упорядоченных наборах распределяют по входной и выходной апертурам инвариантно относительно вращения с постоянным по углу шагом вокруг оси вращательной симметрии, которая проходит через центры формообразующих сечений, действующие апертуры фокусирующих элементов ограничивают отрезками кривых, лежащих на указанных формообразующих сечениях, а форму фокусирующих элементов задают из условия обеспечения пропорциональности меридиональной составляющей величины угла отклонения составляющих волновое поле лучей расстоянию от соответствующего луча до центра соответствующего формообразующего сечения при согласованном изменении модуля и направления отклонения, согласно изобретению форму отражающих криволинейных поверхностей фокусирующих элементов образуют движением нормали к упомянутому формообразующему сечению волнового поля вдоль направляющей кривой, лежащей на поверхности указанного сечения и составляющей постоянный, отличный от нуля, угол с любым сечением этой поверхности, проходящим через ось вращательной симметрии, а протяженность отражающих поверхностей фокусирующих элементов вдоль нормали к формообразующему сечению ограничивают величиной обратно пропорциональной количеству фокусирующих элементов упорядоченного набора, расположенного в этом сечении.
В качестве упомянутой направляющей кривой, вдоль которой формируют отражающие поверхности фокусирующих элементов, можно использовать отрезок локсодромии.
В качестве упомянутой направляющей кривой, вдоль которой формируют отражающие поверхности фокусирующих элементов, допустимо использовать отрезок логарифмической спирали.
Оптимально коэффициент пропорциональности между величиной протяженности отражающих поверхностей фокусирующих элементов вдоль нормали к формообразующему сечению и количеством фокусирующих элементов упорядоченного набора, расположенного в этом сечении, выбирать из условия минимального затенения одного из смежных фокусирующих элементов другим.
Поставленная задача в отношении объекта изобретения «устройство» решается посредством того, что в устройстве фокусировки волнового поля, содержащем средства для отклонения составляющих волновое поле лучей на заданные из условия фокусировки углы, по меньшей мере, в двух следующих друг за другом формообразующих сечениях волнового поля; указанные средства включают, по крайней мере, два установленных в указанных сечениях упорядоченных набора из идентичных криволинейных фокусирующих элементов с отражающими поверхностями, образующих своими действующими апертурами входную и выходную апертуры со свойствами вращательной симметрии; фокусирующие элементы в упорядоченных наборах распределены по входной и выходной апертурам инвариантно относительно вращения с постоянным по углу шагом вокруг оси вращательной симметрии, которая проходит через центры формообразующих сечений, действующие апертуры фокусирующих элементов ограничены отрезками кривых, лежащих на указанных формообразующих сечениях, а форма фокусирующих элементов задана из условия обеспечения пропорциональности меридиональной составляющей угла отклонения проходящих через определенную точку действующей апертуры лучей, составляющих волновое поле, расстоянию от указанной точки до оси вращательной симметрии, согласно изобретению форма отражающих криволинейных поверхностей фокусирующих элементов образована движением нормали к упомянутому формообразующему сечению волнового поля вдоль направляющей кривой, лежащей на поверхности указанного сечения и составляющей постоянный, отличный от нуля, угол с любым сечением этой поверхности, проходящим через ось вращательной симметрии, а протяженность отражающих поверхностей фокусирующих элементов вдоль нормали к формообразующему сечению ограничена величиной обратно пропорциональной количеству фокусирующих элементов упорядоченного набора, расположенного в этом сечении.
В качестве упомянутой направляющей кривой, вдоль которой сформированы действующие апертуры фокусирующих элементов, может быть выбран отрезок локсодромии.
В качестве упомянутой направляющей кривой, вдоль которой сформированы действующие апертуры фокусирующих элементов, может быть выбран отрезок логарифмической спирали.
В оптимальном случае коэффициент пропорциональности между величиной протяженности действующих апертур фокусирующих элементов вдоль нормали к формообразующему сечению и количеством фокусирующих элементов упорядоченного набора, расположенного в этом сечении, должен быть выбран из условия минимального затенения одного из смежных фокусирующих элементов другим.
Поставленная задача в отношении объекта изобретения «способ» по п.9 решается посредством того, что в способе изготовления упорядоченного набора фокусирующих элементов для устройства фокусировки волнового поля, заключающемся в том, что формируют средство для отклонения составляющих волновое поле лучей на заданные из условия фокусировки углы в виде упорядоченного набора из идентичных криволинейных фокусирующих элементов с отражающими поверхностями, образующих своими действующими апертурами входную и выходную апертуры со свойствами вращательной симметрии; фокусирующие элементы в упорядоченном наборе распределяют по входной и выходной апертурам с постоянным по углу шагом вокруг оси вращательной симметрии, проходящей через центр набора фокусирующих элементов; а действующие апертуры фокусирующих элементов ограничивают участками криволинейных отражающих поверхностей, форму которых задают из условия обеспечения пропорциональности меридиональной составляющей угла отклонения проходящих через определенную точку действующей апертуры лучей, составляющих волновое поле, расстоянию от указанной точки до оси вращательной симметрии согласно изобретению, перед формированием средства для отклонения составляющих волновое поле лучей изготавливают, по меньшей мере, два фокусирующих элемента, отражающие криволинейные поверхности которых, определяющие действующие апертуры, сохраняют в свободном состоянии заданную форму, а также комплект гибких плоских заготовок остальных фокусирующих элементов набора, которые по форме и геометрическим параметрам идентичны разверткам фокусирующих элементов, сохраняющих заданную форму; затем весь набор устанавливают с возможностью относительного перемещения в окружном направлении на внутренней кольцевой направляющей таким образом, что два сохраняющих заданную форму фокусирующих элемента являются крайними в данной сборке; после чего плоским заготовкам придают заданную форму путем их обжатия и деформации между взаимообращенными поверхностями фокусирующих элементов, сохраняющих форму, и устанавливают внешние участки сформированной сборки фокусирующих элементов на наружной кольцевой направляющей с возможностью относительного перемещения в окружном направлении; осуществляют прошивку сформированной сборки преимущественно по дугам окружности различного радиуса с центром, совмещенным с общим центром кольцевых направляющих, посредством нерастяжимых по длине гибких связей, концы которых жестко закрепляют на крайних фокусирующих элементах сформированной сборки, а длину каждой связи выбирают из условия обеспечения сопряжения соответствующих поверхностей крайних фокусирующих элементов сборки в процессе перемещения по кольцевым направляющим; далее осуществляют относительное перемещение крайних фокусирующих элементов по кольцевым направляющим до положения их сопряжения по соответствующим поверхностям и жесткую фиксацию этого положения; а окончательное формирование упорядоченного набора осуществляют путем придания фокусирующим элементам заданной формы и обеспечения постоянства углового шага в развернутой на 360° сборке фокусирующих элементов посредством их пространственного распределения и последующей жесткой фиксации в заданных точках кольцевых направляющих и гибких связей.
Целесообразно в процессе окончательного формирования упорядоченного набора придавать фокусирующим элементам взаимно отталкивающие свойства.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами:
Фиг.1 - общая структурная схема устройства для фокусировки волнового поля в аксонометрии (входная и выходная апертуры условно ограничены штриховыми замкнутыми кривыми в виде эллипсов, а фокусирующие элементы (т.е. действующие или элементарные апертуры) входной и выходной апертур условно показаны в единственном числе).
Фиг.2 - спиральная линза (вид в плане), изготовленная согласно изобретению.
Фиг.3 - схема составной линзы из двух спиральных линз по фиг.2
Фиг.4 и Фиг.5 - конструкция геликона и его внешний вид, сформированные на основе заявленных изобретений.
Фиг.6 - пример фокусировки излучения светодиода.
Фиг.7 - пример фокусировки солнечного излучения.
Фиг.8 и Фиг.9 - схема изготовления (сборки) упорядоченного набора фокусирующих элементов по п.9 формулы изобретения.
Сущность заявленного способа фокусировки волнового поля с физической точки зрения заключается в следующем (см. фиг.1).
1
1
1
1
1
1
1
i
i
В волновом поле 1 (генерируемом неким источником излучения) составляющие его лучи 2 и 2 отклоняют на заданные из условия фокусировки углы. Упомянутое отклонение лучей 2 и 2 осуществляют, по крайней мере, в двух, следующих друг за другом формообразующих сечениях 3 и 4 волнового поля 1, посредством размещения в них упорядоченных наборов идентичных криволинейных фокусирующих элементов 5 и 6 с отражающими поверхностями, образующих своими действующими апертурами входную и выходную апертуры со свойствами вращательной симметрии. Фокусирующие элементы в упорядоченных наборах распределяют по входной и выходной апертурам инвариантно относительно вращения (т.е. с обеспечением вращательной симметрии) с постоянным по углу шагом вокруг оси 7 вращательной симметрии, проходящей через центры О и О упомянутых формообразующих сечений 3 и 4. Количество фокусирующих элементов 5 или 6 в упорядоченных наборах может быть как равным, так и различным. Действующие апертуры фокусирующих элементов 5 или 6 ограничивают отрезками кривых, лежащих на указанных формообразующих сечениях 3 и 4. Форму фокусирующих элементов 5 и 6 задают из условия обеспечения пропорциональности меридиональных составляющих величины угла отклонения составляющих волновое поле лучей 2 и 2, расстояниям ρ и ρ от лучей 2 и 2 до центров О и О этих сечений 3 и 4 соответственно, при согласованном изменении модуля и направления отклонения. Форму отражающих криволинейных поверхностей фокусирующих элементов 5 и 6 образуют движением нормали к упомянутому формообразующему сечению 3 или 4 волнового поля вдоль направляющей кривой, лежащей на поверхности указанного сечения 3 или 4 и составляющей постоянный, отличный от нуля, угол с любым сечением этой поверхности, проходящим через ось 7 вращательной симметрии. Протяженность отражающих поверхностей фокусирующих элементов 5 и 6 вдоль нормали к соответствующему формообразующему сечению 3 или 4 ограничивают величиной обратно пропорциональной количеству фокусирующих элементов 5 или 6 упорядоченного набора, расположенного в этом сечении 3 или 4.
В качестве упомянутой направляющей кривой, вдоль которой формируют отражающие поверхности фокусирующих элементов 5 и 6, может быть использован отрезок локсодромии или отрезок логарифмической спирали.
Оптимально коэффициент пропорциональности между величиной протяженности отражающих поверхностей фокусирующих элементов 5 или 6 вдоль нормали к соответствующему формообразующему сечению 3 или 4 и количеством фокусирующих элементов 5 и 6 упорядоченного набора, расположенного в этом сечении 3 или 4, выбирать из условия минимального затенения одного из смежных фокусирующих элементов 5 (размещенных в сечении 3) или 6 (размещенных в сечении 4) другим.
1
Иными словами, из волнового поля 1 выделяют пучки с одинаковыми поперечными сечениями, протяженными в направлении от оси 7 вращательной симметрии к периферии. А фокусируют указанные пучки таким образом, что для любого набора лучей 2, выделяемых на входной (сформированной первым набором фокусирующих элементов 5) апертуре 9 семейством кольцевых зон с центром на оси 7 вращательной симметрии, касательные к выделенным лучам 2 на любом участке пути волнового поля 1 от входной до выходной апертур 9 и 10 соответственно (последняя из которых сформирована вторым набором фокусирующих элементов 6), образуют семейство соосных однополостных гиперболоидов, имеющих, по крайней мере, одну общую перетяжку (каустику) в виде кольца (в конкретной реализации по фиг.1 являющегося промежуточным фокусом 8). При этом для обеспечения условия фокусировки в точку S модуль и направление углов отклонения лучей устанавливают таким, что сагиттальные составляющие углов отклонения результирующих лучей обращаются в нуль. Условием фокусировки может быть также формирование изображения точечного объекта (источника S излучения) в виде некоторой осесимметричной фигуры, например, отрезка прямой или кольца.
Более подробно сущность заявленного способа фокусировки волнового поля раскрывается ниже на примере описания и работы устройства для его реализации.
1
1
1
1
Устройство для реализации способа фокусировки волнового поля 1 (генерируемого неким источником излучения) содержит средства для отклонения составляющих волновое поле 1 лучей 2 и 2 на заданные из условия фокусировки углы, по меньшей мере, в двух следующих друг за другом формообразующих сечениях 3 и 4 волнового поля 1. Указанные средства включают, по крайней мере, два установленных в указанных сечениях 3 и 4 последовательно друг за другом по ходу волнового поля 1 упорядоченных набора преимущественно из идентичных (для обоих наборов) криволинейных фокусирующих элементов 5 и 6 с отражающими поверхностями. Упорядоченные наборы фокусирующих элементов 5 и 6 образуют своими действующими (элементарными) апертурами входную и выходную апертуры 9 и 10, соответственно обладающие свойствами вращательной симметрии относительно оси 7 вращательной симметрии. Фокусирующие элементы 5 и 6 в упорядоченных наборах распределены по входной и выходной апертурам 9 и 10 инвариантно относительно вращения с постоянным по углу шагом вокруг оси 7 вращательной симметрии, которая проходит через центры О и О формообразующих сечений 3 и 4. Действующие апертуры фокусирующих элементов 5 и 6 ограничены отрезками кривых, лежащих на указанных формообразующих сечениях. Форма фокусирующих элементов 5 и 6 задана из условия обеспечения пропорциональности меридиональной составляющей угла отклонения проходящих через определенную точку действующей апертуры лучей 2 и 2 (составляющих волновое поле) расстоянию ρ и ρ от указанной точки до оси вращательной симметрии 7. Форма отражающих криволинейных поверхностей, определяющая действующие апертуры фокусирующих элементов 5 и 6, образована движением нормали к упомянутому формообразующему сечению 3 или 4 волнового поля 1 вдоль направляющей кривой, лежащей на поверхности указанного сечения 3 или 4 и составляющей постоянный, отличный от нуля, угол с любым сечением этой поверхности, проходящим через ось вращательной симметрии 7. Протяженность отражающих поверхностей фокусирующих элементов 5 или 6 вдоль нормали к соответствующему формообразующему сечению 3 или 4 ограничена величиной обратно пропорциональной количеству фокусирующих элементов 5 или 6 соответствующего упорядоченного набора, расположенного в этом сечении 3 или 4.
В качестве упомянутой направляющей кривой, вдоль которой сформированы действующие апертуры фокусирующих элементов 5 и 6, может быть выбран, например, отрезок локсодромии или отрезок логарифмической спирали.
Коэффициент пропорциональности между величиной протяженности действующих апертур фокусирующих элементов 5 и 6 вдоль нормали к формообразующему сечению 3 или 4 и количеством фокусирующих элементов 5 или 6 упорядоченного набора, расположенного в этом сечении 3 или 4, выбран из условия минимального затенения одного из смежных фокусирующих элементов 5 (размещенных в сечении 3) или 6 (размещенных в сечении 4) другим.
i
i
i
i
i
i
i
i
1
1
1
1
Иными словами, входная и выходная апертуры 9 и 10 соответственно сформированы таким образом, что для любого набора лучей 2 (выделяемых на входной апертуре 9 семейством кольцевых зон с центром на оси 7 вращательной симметрии даже в том случае, когда среда в пространстве между апертурами 9 и 10 имеет переменный по радиусу показатель преломления) касательные к выделенным лучам 2 на любом участке пути волнового поля 1 от входной до выходной апертур 9 и 10 соответственно образуют семейство соосных однополостных гиперболоидов, имеющих, по крайней мере, одну общую перетяжку (каустику) в виде кольца (функционально являющегося промежуточным фокусом 8). Для обеспечения указанных свойств каждая из упомянутых апертур 9 и 10 сформирована из набора идентичных по форме криволинейных фокусирующих элементов 5 и 6 соответственно. На фиг.1 форма одного из элементов 5 соответствует кривой ABCD, а форма одного из элементов 6 соответствует кривой A B C D , протяженных в направлении от оси 7 вращательной симметрии к периферии. Количество упомянутых фокусирующих элементов 5 в апертуре 9 может соответствовать количеству аналогичных элементов 6 в апертуре 10, но может быть и отличным.
Указанные наборы фокусирующих элементов 5 и 6 могут быть выполнены из преломляющих фокусирующих элементов, из волноводных фокусирующих элементов, из отражающих фокусирующих элементов или из дифракционных фокусирующих элементов с ограничением их действующих апертур соответствующими парами одинаковых кривых.
Работа устройства для реализации заявленного способа фокусировки волнового поля с физической точки зрения заключается в следующем.
1
1
1
1
1
i
i
Из волнового поля 1 (генерируемого неким источником излучения) выделяют лучи 2 и отклоняют эти лучи 2 на заданные из условия фокусировки углы. Упомянутое выделение лучей 2 осуществляют, по крайней мере, в двух, следующих друг за другом сечениях 3 и 4 волнового поля 1 посредством упорядоченных наборов криволинейных фокусирующих элементов 5 и 6, размещенных в указанных сечениях 3 и 4 соответственно, с обеспечением инвариантности (т.е. вращательной симметрии) относительно вращения вокруг оси 7 вращательной симметрии, проходящей через центры О и О упомянутых сечений 3 и 4. Вышеуказанные упорядоченные наборы фокусирующих элементов 5 и 6 образуют входную и выходную апертуры 9 и 10 соответственно оптической системы. При этом в каждом вышеуказанном сечении 3 и 4 согласованно меняют модуль и направление угла отклонения лучей 2 и 2 соответственно, обеспечивая пропорциональность их меридиональных составляющих расстояниям ρ и ρ  от лучей 2 и 2 до центров О и О этих сечений 3 и 4 соответственно. Данное условие осуществляют посредством одинаковых (для каждого сечения 3 и 4), симметрично размещенных относительно оси 7 вращательной симметрии фокусирующих элементов 5 и 6. При этом действующие (элементарные) апертуры фокусирующих элементов 5 и 6 ограничивают в каждом сечении 3 и 4 соответственно отрезками одинаковых криволинейных дуг, распределенных по сечениям 3 и 4 с постоянным по углу (т.е. в окружном направлении) шагом. Иными словами, из волнового поля 1 выделяют пучки с одинаковыми поперечными сечениями, протяженными в направлении от оси 7 вращательной симметрии к периферии. А фокусируют указанные пучки таким образом, что для любого набора лучей 2, выделяемых на входной (сформированной первым набором фокусирующих элементов 5) апертуре 9 семейством кольцевых зон с центром на оси 7 вращательной симметрии, касательные к выделенным лучам 2 на любом участке пути волнового поля 1 от входной до выходной апертур 9 и 10 соответственно (последняя из которых сформирована вторым набором фокусирующих элементов 5) образуют семейство соосных однополостных гиперболоидов.
1
Сечения вышеупомянутых фокусирующих элементов 5 и 6 (элементарных апертур) могут иметь, например, форму отрезков локсодромии или логарифмической спирали, образуют в совокупности соответствующие входную и выходную апертуры 9 и 10, обладающие свойством вращательной симметрии относительно оси 7 вращательной симметрии. Основным новым качеством в заявленном объекте является то, что каждая из апертур 9 и 10 сформирована из однотипных (т.е. взаимозаменяемых в каждой апертуре 9 и 10) фокусирующих элементов 5 и 6 соответственно. На каждом из фокусирующих элементов 5 входной апертуры 9 упомянутые выделенные лучи 2 отклоняются на соответствующие (заданные из условия фокусировки волнового поля 1) углы и затем посредством подобного набора элементов 10 (формирующих выходную апертуру 10) снова преобразуются в волну, сходящуюся в некоторой точке «S». Особенность заявленной оптической системы состоит в том, что в процессе фокусировки на входной и выходной апертурах 9 и 10 соответственно отклонение лучей идет не только в меридиональной плоскости, но и в сагиттальной плоскости (то есть имеется некая тангенциальная компонента). Заявленная оптическая система (устройство, реализующее способ фокусировки волнового поля) построена таким образом, что те составляющие отклонений, которые происходят в меридиональной плоскости складываются (суммируются), а соответствующие составляющие отклонений, которые происходят в сагиттальной плоскости, взаимно компенсируются. При этом генерируемое источником излучения волновое поле 1 преобразуется таким образом, что если на входе мы имеем сферическую волну, то в промежутке между входной и выходной апертурами 9 и 10 соответственно мы уже получаем набор неких пучков лучей в виде однополостных гиперболоидов. То есть каждый луч соответствующего пучка, если рассмотреть его пространственное положение относительно какой-то меридиональной плоскости, будет отклоняться от этой плоскости под определенным углом. И если брать, допустим, кольцевое сечение на входной апертуре 9, то для всех этих лучей угол отклонения в тангенциальном направлении будет одинаковым. Таким образом между апертурами 9 и 10 мы будем иметь набор неких лучей, которые распространяются по поверхностям соответствующих однополостных гиперболоидов, а на выходе системы этот набор лучей снова преобразуется в гомоцентрический пучок лучей при условии полной компенсации.
На фиг.2 представлен внешний вид одного из упорядоченных наборов фокусирующих элементов (выполненного согласно изобретению), а на фиг.3 представлена схема составной линзы (концентратора), выполненной из двух таких наборов по фиг.2 Концентратор данного типа выполнен из двух линзовых элементов винтовой структуры. Форма каждого элемента определяется исходя из требований решаемой задачи и физики процесса преобразования лучей. В конструкции данного концентратора предлагается использовать отражательные слои прямоугольного профиля в форме отрезков логарифмических спиралей (в общем случае - локсодромий), образующих постоянный угол в 45° с любым из радиус-векторов (меридианов) и распределенных с постоянным по углу шагом на поверхности вращения так, что отражающие грани слоев (фокусирующих элементов) перпендикулярны этой поверхности (с обеспечением эффекта полного внутреннего отражения). Толщина слоев лежит в пределах 0,5-2,5 мм, а зазор между ними должен быть минимален, предпочтительно в пределах нескольких длин волн фокусируемого излучения. Каждый упорядоченный набор ориентировочно должен содержать от 100 до 1000 фокусирующих элементов
Материал данного концентратора должен быть стойким к солнечному излучению и атмосферным воздействиям при минимуме потерь в интересующем диапазоне спектра излучения (например, с длиной волны 0,3-0,6 мкм). Это может быть, например, поликарбонат или полиэтилентерефталат. Связка фокусирующих элементов может быть произведена посредством прозрачного в избранной области спектра полиуретанового или УФ отверждаемого клея. Если говорить о себестоимости данного концентратора, то по аналогии с оптическими дисками при массовом производстве большая ее часть будет приходиться на материал, а не на технологию изготовления.
Заявленный способ изготовления упорядоченного набора фокусирующих элементов для устройства фокусировки волнового поля в отличие от вышеописанного обладает еще большей технологичностью изготовления и заключается в следующем. Формируют средство для отклонения составляющих волновое поле 1 лучей 2 на заданные из условия фокусировки углы в виде упорядоченного набора из идентичных криволинейных фокусирующих элементов 5 или 6 с отражающими поверхностями. Данные фокусирующие элементы 5 или 6 образуют своими действующими апертурами входную и выходную апертуры 9 или 10 со свойствами вращательной симметрии. Фокусирующие элементы 5 или 6 в упорядоченном наборе распределяют по входной и выходной апертурам 9 или 10 с постоянным по углу шагом вокруг оси 7 вращательной симметрии, одновременно являющейся осью симметрии набора. Действующие апертуры фокусирующих элементов 5 или 6 ограничивают участками криволинейных отражающих поверхностей, форму которых задают из условия обеспечения пропорциональности меридиональной составляющей угла отклонения проходящих через определенную точку действующей апертуры лучей 2, составляющих волновое поле 1, расстоянию от указанной точки до оси 7 вращательной симметрии. Перед формированием средства для отклонения составляющих волновое поле 1 лучей 2 изготавливают, по меньшей мере, два фокусирующих элемента 5 или два фокусирующих элемента 6 (принадлежащих собственному набору), криволинейные поверхности которых, определяющие действующие апертуры, сохраняют в свободном состоянии заданную форму. А также изготавливают комплект гибких плоских заготовок остальных фокусирующих элементов 5 или 6 соответствующего набора, которые по форме и геометрическим параметрам идентичны разверткам фокусирующих элементов 5 или 6, сохраняющих заданную форму. Затем весь набор устанавливают с возможностью относительного перемещения в окружном направлении на внутренней кольцевой направляющей таким образом, что два сохраняющих заданную форму фокусирующих элемента 5 или 6 являются крайними в данной сборке. После чего плоским заготовкам придают заданную форму путем их обжатия и деформации между взаимообращенными поверхностями фокусирующих элементов 5 или 6, сохраняющих форму, и устанавливают внешние участки сформированной сборки фокусирующих элементов 5 или 6 на наружной кольцевой направляющей с возможностью относительного перемещения в окружном направлении. Осуществляют прошивку сформированной сборки преимущественно по дугам окружности различного радиуса с центром, совмещенным с общим центром кольцевых направляющих, посредством нерастяжимых по длине гибких связей, концы которых жестко закрепляют на двух крайних фокусирующих элементах 5 или двух крайних фокусирующих элементах 6 сформированной сборки. Длину каждой связи выбирают из условия обеспечения сопряжения соответствующих поверхностей крайних фокусирующих элементов 5 или 6 сборки в процессе перемещения по кольцевым направляющим. Далее осуществляют относительное перемещение крайних фокусирующих элементов 5 или 6 по кольцевым направляющим до положения их сопряжения по соответствующим поверхностям и жесткую фиксацию этого положения. А окончательное формирование упорядоченного набора осуществляют путем придания фокусирующим элементам заданной формы и обеспечения постоянства углового шага в развернутой на 360° сборке фокусирующих элементов 5 или 6 посредством их пространственного распределения и последующей жесткой фиксации в заданных точках кольцевых направляющих и гибких связей.
В процессе окончательного формирования упорядоченного набора фокусирующим элементам целесообразно придавать отталкивающие свойства. Это может быть достигнуто, например, электризацией или пропусканием по фокусирующим элементам электрического тока.
Схема сборки упорядоченных наборов фокусирующих элементов 5 или 6, изготовленных по вышеописанному варианту исполнения, показана на фиг.8 и фиг.9 (белым цветом условно обозначены фокусирующие элементы, сохраняющие свою форму в свободном состоянии).
Таким образом, заявленный способ фокусировки волнового поля, устройство для его реализации, а также способ изготовления наборов фокусирующих элементов для устройства фокусировки могут быть широко использованы в различных областях науки и техники, где необходимо обеспечить фокусировку электромагнитного излучения любой природы и спектра, которое распространяется по различным физическим средам, включая вакуум (в том числе ультразвуковых волн и рентгеновских лучей). Наиболее предпочтительно использовать заявленное изобретение в концентраторах излучения, например энергии солнечного излучения, что подтверждает соответствие заявленных объектов изобретения условию патентоспособности «промышленная применимость».