ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР

ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР
Заявляемая полезная модель относится к оптике, а именно к устройствам, предназначенным для пространственной фильтрации оптического излучения, которые, например, могут быть использованы для защиты глаз от слепящего света, для ламинирования полиграфической продукции , для оформления витрин с пространственным выделением отдельных экспонатов и в других подобных целях.
В технике щироко используют пространственную фильтрацию излучения. Предназначенные для этой цели устройства обеспечивают преимущественное распространение излучения в определенных направлениях, посредством внесения потерь для остальных направлений фильтруемого излучения. Простейший пространственный фильтр основан на использовании диафрагмы, представляющей собой отверстие в непрозрачном экране. Угловой интервал 8 направлений распространения излучения, пропускаемый таким фильтром, зависит от диаметра отверстия D диафрагмы и расстояния L от плоскости диафрагмы до плоскости расположения входной апертуры приемника излучения, т.е. 0  D/L 1.
Для получения предельно малых значений 9 диафрагму располагают в фокусе двух софокусных линз 2. В этом случае 8  D/F, где F - фокус линзы.
Недостатком такого пространственного фильтра являются его значительные габариты, что ограничивает области его применения.
Известен пространственный оптический фильтр в виде системы диафрагм, выполненных в виде цилиндрической плоской пружины с переменной шириной витка, увеличивающейся в сторону размещения приемника излучения 3.
Известный пространственный оптический фильтр позволяет уменьщить влияние фоновой засветки, однако фильтр имеет значительные габариты и предназначен для использования лищь в оптических измерительных приборах.
Требование непрозрачности экрана у диафрагмы не является обязательным, это условие влияет только на степень контраста пространственного оптического фильтра, т.е. на отношение пропускания излучения в направлении максимального пропускания фильтра к пропусканию в другим направлениях.
МКИ«: G 02 В 27/00 G02C 7/00
Общим недостатком пространственного оптического фильтра на основе диафрагмы является ограниченная при заданном 9 апертура, определяемая диаметром отверстия диафрагмы. Это обстоятельство приводит к ограничению светового потока, поскольку проходящий через фильтр световой поток пропорционален площади апертуры фильтра.
Известен пространственный оптический фильтр защитных очков от ослепления, состоящий из набора светопоглощающих полосовых элементов, разделенных прозрачными промежутками и размещенных параллельно друг другу и перпендикулярно к лицевой плоскости оправы очков. Полосовые элементы ориентированы под углом 90 к глазной базе и размещены со стороны источника засветки по одну сторону от центров входных окон очков. Ширина прозрачных промежутков преимущественно выбирается в переделах 0,5-1,0 мм, а отнощение ширины прозрачного промежутка к размеру полосового элеманта вдоль визирной линии ограничено соотношением 1/20-1/5 4.
Известный пространственный фильтр свободен от недостатков, присущих пространственным оптическим фильтрам на основе диафрагмы, обеспечивает повышение эффективности светозащиты при прямых и дальних засветках. Однако известный фильтр сложен в изготовлении, а, главное, позволяет осуществить пространственную фильтрацию только такого светового потока, направление которого, близко к горизонтальному.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому пространственному оптическому фильтру является принятый за прототип пространственный оптический фильтр в виде в виде основы с расположенными под углом к основанию пластины продольными и поперечными рядами рассеивающих цилиндрических элементов в виде стержней диаметром 0,1-0,2 мм, оси которых параллельны друг другу и ориентированы в сторону обзора, при этом каждый стержень последующего поперечного ряда установлен на уровне зазора между соседними стержнями предыдущего ряда, при этом основа и стержни могут быть выполнены из эластичного материала с низким световозвращающим эффектом 5.
Известное устройство-прототип позволяет рассеивать свет, падающий на стержни, в то время как не рассеянный стержнями свет свободно проходит между ними. Однако известный пространственный фильтр имеет сложную в изготовлении конструкцию и значительные габариты.
Задачей настоящей полезной модели являлась разработка такого пространственного оптического фильтра, который бы имел небольшие габариты и простую конструкцию.
Поставленная задача решается тем, что в пространственном оптическом фильтре, включающем основу, состоящую по меньщей мере из одного слоя, снабженного рассеивающими цилиндрическими элементами, оси которых параллельны друг другу и направлены под углом к поверхности основы, основа выполнена оптически прозрачной, рассеивающие цилиндрические элементы выполнены в виде сквозных и/или глухих отверстий в основе в количестве N  (Р) 1/см, диаметром D  (0,1-3,0) мкм, при этом D и N удовлетворяют соотношению:
N к DV4  0,10.
Отверстия могут быть выполнены с двух сторон основы, при этом оси отверстий с одной стороны основы расположены под углом к осям отверстий с другой стороны основы. Отверстия могут быть заполнены материалом с показателем преломления, отличным от показателя преломления материала основы. Основа может быть выполнена из полимерного материала, толщина которого может составлять 3-100 мкм. Основа может быть выполнена по меньщей мере из двух слоев, при этом оси отверстий одного слоя расположены под углом к осям отверстий соседнего слоя.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 показан вид однослойного пространственного оптического фильтра в аксонометрии;
на фиг. 2 - вид сбоку в разрезе однослойного фильтра, отверстия которого заполнены материалом с показателем преломления, отличным от материала основы ; на фиг. 3 - вид сбоку в разрезе пространственного оптического фильтра, основа которого выполнена из двух слоев.
Пространственный оптический фильтр состоит из основы 1, выполненной из одного (фиг.1) или нескольких, например двух, (фиг.З) саоев 2, 3 оптически прозрачного материала и снабженной рассеивающими цилиндрическими элементами, представляющие из себя либо сквозные отверстия 4 в основе 1, либо глухие отверстия 5 глубиной меньщей толщины основы 1. Оси отверстий 4. 5 либо перепендикулярны к поверхности 6 основы 1, либо направлены под острым углом к ней. Наиболее эффективно положение осей отверстий 4, 5 под углом не менее 70°. Количество N отверстий 3 в основе 1 составляет () I/CM, а диаметр D отверстий 3 равен (0,1 -3,0) мкм, при этом D и N удовлетворяют соотнощению:
N 7t D2/4  0,10.
Отверстия 4, 5 могут быть заполнены материалом 7 с показателем преломления, отличным от показателя преломления основы 1. При выполнении основы 1, например, из двух слоев 2 и 3 оси отверстий 4 одного слоя 2 могут быть расположены под углом к осям отверстий 4 второго слоя 3. В слоях 2 и/или 3 отверстия могут быть как сквозными 4, так и глухими 5, Основа 1 может быть выполнена из стекла, слюды или полимерного материала (фторопласта, полиимида, полиакрнла, поликарбоната, пропиленкарбоната, полиэтилентерефталата и других), преимущественно толщиной 3-100 мкм.
Заявляемый пространственный оптический фильтр работает следующим образом. Световое излучение, распространяющееся в направлении, параллельном направлению осей отверстий 4, 5, испытывает рассеяние на площади, определяемой площадью отверстий 4, 5 ( S  М тс DV4, где М - общее число отверстий в пленке). Рассеяние в отверстиях 4, 5 обусловлено переотражением светового излучения от стенок отверстий 4, 5 и дифракционным расплыванием на выходе из отверстий 4, 5 (расходимость вследствие дифракции 2,44 Я, /D, где X - длина волны излучения). Поскольку площадь отверстий 4, 5 составляет не более 10% общей площади основы 1, то в этом случае (при направлении излучения параллельно осям отверстий 4, 5) пропускание фильтра максимально. При направлении оптического излучения под углом к направлению осей отверстий 4, 5 рассеивающая площадь возрастает. Рассеяние в последнем случае обусловлено преломлением излучения на стенках отверстий 4, 5, а площадь рассеяния (без учета эффекта наложения проекций каналов отверстий 4, 5) определяется выражением S « М ((я D2/4) cos v + L D sin vj/), где L - ддина канала отверстий 4, 5, а Ф - угол между осями отверстий 4, 5 и направлением светового излучения в основе 1. Поскольку толщина основы 1 на порядок больще диаметра отверстий 4, 5, площадь рассеяния с ростом угла ч/ возрастает. При угле наблюдения 90° относительно направления осей отверстий 4, 5 площадь рассеяния равна М L D (такой угол возможен, когда оси отверстий 4, 5 наклонены относительно поверхности 5). Таким образом, имеет место пространственная селективность распространения излучения или пространственная фильтрация направления распространения излучения, совпадающая с направлением осей отверстий 4, 5 в основе 1.
больших плотностях рассеивающих центров расстояния между отверстиями 4, 5 становятся меньше длины световой волны, в результате вся поверхность основы 1 становится рассиваюшей 6, Если число рассеивающих центров N на единице площади основы 1 меньше 106 1/см2, а диаметр D больше 3,0 мкм, то хшощади рассеивающих поверхностей отверстий 4, 5 в направлении наблюдения, совпадающем с ориентацией осей отверстий 4, 5 и расположенном под углом к последним, становятся сопоставимыми и эффект эффективной пространственной фильтрации отсутствует.
Если отношение N л DV4 больше 0,10, то в структуре оптического пространственного фильтра появляется большое количество частичных наложений каналов отверстий 4, 5 друг на друга. Это обстоятельство приводит к ухудшению механической прочности основы 1 фильтра, а также к изменению формы отверстий 4, 5, что ухудшает свойства контрастности пространственного оптического фильтра.
Заявляемый пространственный оптический фильтр изготавливают по той же известной технологии, что и так называемые трековые мембраны 6, которые в настоящее время широко используются в технике. Для изготовления фильтра основу помешают в циклотрон для облучения под заданным углом потоком тяжелых ионов (используют ионы углерода, кислорода, азота, аргона, хлора). Те или иные ионы выбирают, исходя из толшины основы и требований к глубине отверстий. В результате облучения основы ускоренными ионами в ней образуются треки, после облучения тяжелыми ионами основу подвергают воздействию ультрафиолетовым излучением, при этом вокруг треков возникают расширенные области деструктурированного материала основы. При последующем травлении основы, например, в растворе гидрооксида натрия, в основе на месте расположения треков образуются отверстия. Заданное количество отверстий N и величину их диаметра D получают, задавая предварительно рассчитанное время облучения основы 1 тяжелыми ионами: при увеличении времени облучения увеличивается плотность расположения отверстий 4, 5. Требуемую величину D получают, регулируя режимы химического травления: время травления, температуру щелочного раствора и его концентрацию.
Заявляемый пространственный оптический фильтр может найти самое широкое применение. Например, его можно использовать для защиты водителя от ослепления косыми солнечными лучами без затенения направления наблюдения, нанося фильтр либо на экран, либо на защитные очки. Заявляемый фильтр можно
применять для изготовления непрозрачных, либо полупрозрачных штар для защиты жилых помещений от прямого попадания интенсивных лучей солнца через окна. Фильтр может быть установлен на детских колясках для защиты глаз ребенка от ослепления косыми солнечными лучами. Во всех этих случаях сохраняется видимость в направлении осей отверстий фильтра. Возможны и другие области применения заявляемого пространственного оптического фильтра, например, для ламинирования полиграфической продукции (открыток, марок, суперобложек, рекламных листков, товарных знаков и знаков обслуживания) с целью изменения контрасности изображения в зависимости от угла зрения на ламинированный объект. Фильтр можно использовать ддя оформления витрин с целью пространственного выделения отдельных выставленных предметов.
Использованная литература.
1.Авторское свидетельство СССР № 949293 по кл. F 21 V 11/00, опублик. 07.08.82.
2.Баянов В.И., Мак А.А., СеребряковВ.А., Яшин В.Е. - Исследование самофокусировки в лазерных усилителях на неодимовом стекле и ее подавления с помощью пространственной фильтрации. - Квантовая электроника. - 1979, М 5, с.6.
3.Авторское свидетельство СССР № 1434213 по кл. F 21 V 11/08, опубл. 30.10.88.
4.Авторское свидетельство СССР .№ 1739349 по кл. G 02 С 7/16, опубл. 07.07.92.
5.Патент РФ J 1794255 по кл. G 02 С 7/16, опубл. 07.02.93.
6.Флеров Г.Н.- Синтез сверхтяжелых элементов и применение методов ядерной физики в смежных областях. - Вестник АН СССР. - 1984, .№ 4 с. 35-48.