Анаморфотная оптическая система для формирования лазерного пучка

Анаморфотная оптическая система для формирования лазерного пучка
Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно, к оптическим системам для формирования лазерного излучения, и может быть использовано в оптических лазерных системах с изменяющейся расходимостью светового пучка, формирующих световой пучок с определенным соотношением расходимостей в двух взаимно перпендикулярных сечениях, например, в лазерных имитаторах стрельбы.
Известны оптические системы с изменяющейся диаграммой направленности выходящего лазерного излучения, в которых изменение расходимости пучка осуществляется за счет изменения расстояния между формирующей оптической системой и телом свечения лазера или его изображением, например, формирующая оптическая система, работающая с параллельным входным лазерным  и состоящая из двух одинаковых положительных линз. В первоначально.м положении линзы установлены таким образом, что задняя фокальная плоскость первой линзы совмещена с передней фокальной плоскостью второй линзы. Первая линза установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Первая линза фокусирует падающий на нее параллельный входной пучок в своей фокальной плоскости, которая является плоскостью промежуточного изображения. Вторая линза проецирует промежуточное изображение в бесконечность, создавая практически параллельный (имеющий расходимость, вызванную дифракцией) выходной пучок. При перемещении первой линзы изменяется положение промежуточного изображения относительно второй линзы, т.е. в систему вводится дефокусировка, приводящая к увеличению расходимости выходного пучка (Труды института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, 1970. т.58, N 10, с.95).
МТЖ G 02 в 27/48, F 41 G 3/26
ческой системы, т.е. при входной апертуре, представляющей из себя круг, расходимость выходящего пучка будет одинакова в любом сечении пучка. Такая система не обеспечивает формирование лазерного пучка с переменной расходимостью, имеющего определенное соотнощение расходимостей в двух взаимно перпендикулярных сечениях.
известна формирующая оптическая система, работающая с параллельным входным лазерным пучком и состоящая из двух компонентов (отрицательного и положительного), образующих телескопическую систему Галилея. Первь й отрицательный компонент установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Первый компонент формирует расходящийся пучок, т.е. плоскость промежуточного изображения является мнимой. Второй компонент проецирует промежуточное изображение в бесконечность, создавая на выходе практически параллельный ПЗАЮК. При перемещении первого компонента в систему так же вводится;дефокусировка, приводящая к увеличению расходимости выходящего пучка (Оптико-механическая промыщленность, 1975, N 12, с. 19).
В этой системе также расходимость выходящего пучка будет одинакова в любом сечении пучка, не обеспечивается определенное соотнощение расходимостей в двух взаимно перпендикулярных сечениях.
Паиболее близким к заявляемому техническому рещению - прототипом является формирующая оптическая система имитатора стрельбы (СССР, а.с. N 1605673, 3. N 2279778/40-22 от 26.05.80г., F41G3/26). Формирующая оптическая система выполнена с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Кроме того, имитатор стрельбы содержит источник излучения (лазер), привод формирующей оптической системы, соединенный с блоком задания дальности до цели, фотоприемники и блок индикации результатов стрельбы. При задании дальности стрельбы формирующая оптическая система перемещается посредством привода вдоль оптической оси так, чтобы пятно лазерного излучения на заданном расстоянии имело определенный размер, т.е. выходящий лазерный пучок имеет переменную расходимость.
в этой системе также расходимость выходящего пучка будет одинакова в любом сечении пучка при входной апертуре, представляющей из себя круг. Система не обеспечивает формирование лазерного пучка с переменной расходимостью и определенным соотнощением расходимостей в двух взаимно перпендикулярных сечениях.
Задачей изобретения является формирование лазерного пучка с переменной расходимостью и определенным соотнощением расходимостей в двух взаимно перпендикулярных сечениях.
Поставленная задача достигается тем, что в ходе лзча за формирующей оптической системой, установленной с возможностью перемещения вдоль оптической оси, размещены два оптических компонента. Каждый из этих компонентов содержит, по край-ней мере, одну цилиндрическую поверхность, причем один из компонентов установлен с возмолшостью перемещения вдоль оптической оси.
Образующие цилиндрических поверхностей обоих компонентов могут быть параллельны, тогда оптические силы этих компонентов должны иметь разные знаки. Задача рещается и в случае, если оптические силы компонентов имеют один знак. Однако в этом случае габариты системы значительно увеличиваются.
Образующие цилиндрических поверхностей первого компонента могут бьггь перпендикулярны образующим цилиндрических поверхностей второго компонента, тогда оптические силы этих компонентов должны быть одного
знака.
Каждый из компонентов может состоять как из одной цилиндрической линзы, так и из нескольких, и может содержать не только цилиндрические, но и сферические поверхности.
Примеры конкретного выполнения анаморфотной оптической системы для формирования лазерного пучка с изменяющейся расходимостью показаны на фиг. 1, 2. 3, 4.
1 jOOi-Q6H -t
На фиг. 1, 2 представлены сечения в дву-х взаимно перпендикулярных плоскостях анаморфогной оптической системы для формирования лазерного пучка, в которой образующие цилиндрических поверхностей обоих компонентов параллельны, а оптические силы этих компонентов имеют разные знаки.
На фиг. 3. 4 представлены сечения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях анаморфотной оптической системы для формирования лазерного пучка, в которой образующие цилиндрических поверхностей одного компонента перпендикулярны образующим цилиндрических поверхностей второго компонента, а оптические силы этих компонентов имеют один знак.
На фиг. 1-4 представлены лазер 1, анаморфотная оптическая система для формирования пучка излучения лазера, содержащая установленные на оптической оси формирующую оптическую систему 2 и два оптических компонента 3 и 4. Формирующая оптическая система 2 выполнена с возможностью перемещения вдоль оптической осИ: Каждый из компонентов 3 и 4 содержит, по крайней мере, по одной цилиндрической поверхности. Один из компонентов- компонент 3 -.установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. На
фиг. 1,2 образующие цилиндрических поверхнос-тей обоих компонентов 3 и 4 параллельны, а оптические силы компонентов 3 и 4 имеют разные знаки. На фиг. 3, 4 образующие цилиндрических поверх-ностей компонента 3 перпендикулярны образующим цилиндрических поверхностей компонента 4, а оптические силы компонентов 3 и 4 имеют один знак.
Устройство работает следующим образом.
Входной пучок лазера 1 с круговой апертурой, поступающий на формирующую оптическую систему 2, при ее смещении вдоль оптической оси преобразуется в-расходящийся пучок, имеющий одинаковую расходимость в любом сечении. Оптические компоненты 3 и 4 обеспечивают различное воздействие на проходящий через них световой пучок в двух взаимно перпендикулярных сечениях, т.к. в одном из сечений подвижный компонент 3 не имеет оптической силы (т.е. эквивалентен плоскопараллельной пластинке) и расходимость выходящего пучка определяется величиной  формирующей оптической системы 2 и параметрами неподвижного компонента 4. Во втором сечении расходимость выходящего пучка определяется совместным действием смещения формирующей оптической системы 2, смещения подвижного компонента 3 и параметрами неподвижного компонента 4. Требуемое соотнощение расходимостей выходящего пучка в двух взаимно перпендикулярных сечениях обеспечивается выбором оптических сил и начального расположения формирующей оптической системы 2 и компонентов 3 и 4 и величин смещения формирующей оптической системы 2 и подвижного компонента 3. Габаритный расчет необходимых параметров элементов 2, 3 и 4 производится по известным формулам расчета хода параксиального луча через оптическую систему, состоящую из нескольких компонентов, разделенных воздущными промежутками (Справочник конструктора оптико-механических приборов/под общ. ред. В. А. Панова. Л.: Мащиностроение, 1980,,стр. 73). Расчет проводится для нескольких (по крайней мере двух - начального и конечного) пололсений этих элементов.
При выполнении анаморфотной оптической системы по варианту, представленному на фиг. 1, 2, входной пучок от лазера 1 после прохождения формирующей оптической системы 2 имеет одинаковую расходимость в двух сечениях. В сечении 1 по фиг. 1 оба компонента 3 и 4 не имеют оптической силы и не оказывают влияния на расходимость пучка. В сечении 2 (фиг. 2) при перемещении компонента 3 изменяется оптическая сила системы компонентов 3 и 4, что приводит к изменению расходимости пучка в этом сечении. Аналогичный результат получается при использовании в качестве подвижного компонента 4.
При вь полнении анаморфотной оптической системы по варианту, представленному на фиг. 3, 4, в сечении 1 (фиг. 3) подвижный компонент 3 не имеет оптической силы и расходимость выходящего пучка определяется оптической силой и смещением формирующей оптической системы 2 и располол ением и оптической силой компонента 4. В сечении 2 (фиг. 4) неподвижный компонент 4 не имеет оптической силы и расходимость выходящего пучка определяется оптическими силами и перемещениями формирующей оптической системы 2 и компонента 3. Разный характер влияния компонентов 3 и 4 на ход луча в двух
сечениях приводит к различной расходимости выходящего пучка в этих сечениях. Аналогичный результат получается при использовании в качестве подвижного компонента 4.
При выполнении системы по любому из вариантов возможен такой выбор оптических параметров компонентов 3 и 4, при котором величина и направление смещения подвижного компонента совпадает с направлением и величиной смещения формирующей оптической системы 2. Тогда формирующая оптическая система 2 и подвижньш компонент могут быть жестко связаны между собой, что упрощает конструкцию механизма их перемещения.
По предлагаемой схеме рассчитаны две анаморфотных оптических системы для формирования лазерного пучка. Источником света для обоих систем служит полупроводниковый лазер с телом свечения 0,36 х 0,001 мм, наибольщая сторона тела свечения расположена в горизонтальной плоскости. Входной пучок ограничивается диафрагмой, обеспечивающей апертуру ±13 по обеим координатам. Длина волны излучения лазера 0,9 мкм.
В первом варианте устройство включает в себя оптическую формирующую систему, состоящз ю из трех положительных линз, подвижный компонент, представляющий из себя плосковогнутую цилиндрическую линзу, обращенную вогнутой стороной к предмету, и неподвижный компонент, представляющий из себя плосковыпуклую цилиндрическую линзу, обращенную плоской стороной к предмету. Образующие цилиндрических линз ориентированы горизонтально. Оптические силы цилиндрических линз имеют разные знаки. Три линзы оптической формирующей системы и отрицательная цилиндрическая линза объединены в подвижный блок, крайние положения перемещения блока соответствуют минимальной и максимальной расходимости. Расстояние от лазера до последней поверхности оптической системы равно 65 мм, световой диаметр последней линзы - 25 мм. Зависимость расходимостей выходящего пучка в горизонтальной и вертикальной плоскостях от величины перемещения подвижного блока приведена в таблице 1.
Таблица
Результаты расчетов показывают, что при смещении подвижного блока расходимость пучка изменяется в 21 раз, при этом соотношение расходимости по горизонтали и вертикали остается равным 13±1,8.
Во втором варианте устройство включает в себя оптическую формирующую систему, состоящую из двух линз - отрицательной и положительной, подвижный компонент, представляющий из себя плосковыпуклую цилиндрическую линзу, обращеннуюплоской стороной к предмету, и неподвижный компонент, представляющий из себя плосковыпуклую цилиндрическую линзу, обращенную плоской стороной к предмету. Образующая подвижной цилиндрической линзы ориентирована горизонтально, а образующая неподвижной цилиндрической линзы - вертикально. Оптические силы цилиндрических линз имеют один знак. Две линзы оптической формирующей системы и цилиндрическая линча с горизонтальной образующей объединены в подвижный блок. Расстояние от лазера до последней поверхности оптической системы равно 60 мм, световой диаметр последней линзы  26 мм. Зависимость расходимостей выходящего пучка в горизонтальной и вертикальной плоскостях от величины перемещения подвижного блока приведена в таблице 2.
Результаты расчетов показывают, что при смещении подвижного блока расходимость пучка изменяется в 10 раз, при этом соотношение расходимостей по горизонтали и вертикали остается равным 14±1,2.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемая анаморфотная оптическая система для формирования лазерного пучка позволяет формировать лазерный пучок с изменяющейся расходимостью и определенным соотнощением расходимостей в двух взаимно перпендикулярных сечениях.
Заявитель:
Директор Государственного унитарного предприятия Центральное конструкторское бюро точного приборостроения
Автор:
-х у.,
г. Н. Попов