ОСВЕТИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
ILLUMINATION SYSTEM

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к лазерным осветительным устройствам, которые применяются в различных оптоэлектронных системах, например в аппаратуре для формирования лазерного поля управления подвижными объектами по лазерному лучу.
Для обеспечения надежного управления объектом важно обеспечить как можно более высокую равномерность освещения по сечению пучка.
Возникновение неравномерности освещения по сечению пучка обуславливается тем, что когерентное лазерное излучение, распространяясь по оптическим элементам устройства, претерпевает дифракцию на неоднородностях и дефектах реальной оптики (свили, мелкие пузыри, царапины и т.д.), и, интерферируя с прямо прошедшим излучением, образует паразитную интерференционную картинку, снижающую равномерность освещения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство [1] для гомогенизации распределения пространственной интенсивности пучка когерентного излучения, содержащее оптически связанные лазерный излучатель, дифракционную решетку, расположенную на пути распространения этого пучка, а также средства для расщепления пучка и фокусирующий компонент, в результате чего снижается длина когерентности дифрагированного излучения, что приводит к повышению равномерности освещения по сечению пучка, т.е. его гомогенизации.
Однако в данном устройстве расщепление пучка производится лишь в одном направлении, перпендикулярном направлению распространения исходного пучка, относительно его ширины, что не в полной мере обеспечивает повышение равномерности освещения.
Кроме того, для того чтобы обеспечить сбор всех необходимых для работы устройства пучков, выходящих из дифракционной решетки, требуется применить фокусирующий компонент с большой апертурой, что приводит к увеличению габаритов осветительной системы.
Задачей изобретения является повышение равномерности освещения по сечению пучка путем устранения дифракционных и интерференционных явлений на оптических неоднородностях, а также уменьшение габаритов осветительной системы.
Поставленная задача достигается тем, что в осветительной системе, содержащей оптически связанные лазер, устройство для расщепления лазерного луча, фокусирующий компонент, в отличие от прототипа, устройство для расщепления лазерного луча выполнено в виде установленной под углом к оси лазерного излучения первой плоскопараллельной стеклянной пластинки, на выходной грани которой нанесено светоделительное покрытие для разделения падающего луча на не менее чем два луча, а на входной грани нанесено зеркальное покрытие в зонах падения на нее отраженных от светоделительного покрытия лучей, причем светоделительное покрытие нанесено в зонах падения исходного и отраженных от зеркального покрытия лучей, за исключением последнего выходящего из пластинки луча, при этом угол наклона первой плоскопараллельной стеклянной пластинки выполнен таким, чтобы обеспечивалось пространственное разделение выходящих из нее лучей, а ее толщина выбрана такой, чтобы оптическая разность хода между любыми выходящими из нее лучами превышала длину когерентности излучения лазера.
Также устройство для расщепления лазерного луча может быть дополнено второй плоскопараллельной стеклянной пластинкой, установленной по ходу выходящих из первой плоскопараллельной стеклянной пластинки лучей под углом к их осям, причем угол лежит в плоскости, перпендикулярной плоскости угла наклона первой плоскопараллельной стеклянной пластинки, на выходной грани второй плоскопараллельной стеклянной пластинки нанесено светоделительное покрытие для разделения каждого из падающих лучей на не менее чем два луча, а на входной грани нанесено зеркальное покрытие в зонах падения на нее отраженных от светоделительного покрытия лучей, причем светоделительное покрытие нанесено в зонах падения исходных и отраженных от зеркального покрытия лучей, за исключением последних выходящих из пластинки лучей, при этом угол наклона второй плоскопараллельной стеклянной пластинки выполнен таким, чтобы обеспечивалось пространственное разделение выходящих из нее лучей, а толщина второй плоскопараллельной стеклянной пластинки выбрана такой, чтобы оптическая разность хода между любыми выходящими из нее лучами превышала длину когерентности излучения лазера.
Выполнение устройства для расщепления лазерного луча в виде установленной под углом к оси лазерного излучения первой плоскопараллельной стеклянной пластинки, на выходной грани которой нанесено светоделительное покрытие для разделения падающего луча на не менее чем два пучка, на входной грани которой нанесено зеркальное покрытие в зонах падения на нее отраженных от светоделительного покрытия лучей, причем светоделительное покрытие нанесено в зонах падения исходного и отраженных от зеркального покрытия лучей, за исключением последнего выходящего из пластинки луча, обеспечивает расщепление исходного пучка на несколько лучей с различными длинами оптических путей в них, что приводит к снижению уровня интерференционных шумов за счет некогерентного сложения интенсивностей излучения пучков в плоскости освещаемой поверхности, и улучшает равномерность освещения.
П
Количество пучков, на которые разделяется лазерное излучение, согласно предлагаемому изобретению должно быть не менее двух. С увеличением их количества растет степень улучшения равномерности освещения. Если охарактеризовать степень улучшения равномерности значением контраста подсветки К, то его величина
(Imax, Imin - значения максимальной и минимальной плотности мощности освещения) будет зависеть от количества пучков N следующим образом:
где: Iκ max и Iκ min - максимальное и минимальное значения плотности мощности κ-го пучка, в котором имеют место интерференционные шумы;
Ii - плотность мощности других пучков, в которых полагается, что интерференционных шумов не имеется.
Формула 2 выведена в предположении, что все разделенные пучки имеют равную интенсивность.
Как следует из формулы (2), при увеличении количества пучков N контраст подсветки уменьшается, что приводит к улучшению равномерности освещения по сечению пучка в плоскости освещаемой поверхности.
Добавление второй плоскопараллельной стеклянной пластинки, установленной по ходу выходящих из первой плоскопараллельной стеклянной пластинки лучей под углом к их осям, причем угол лежит в плоскости, перпендикулярной плоскости угла наклона первой плоскопараллельной стеклянной пластинки, с покрытиями, аналогичными покрытиям первой пластинки, дает увеличение количества расщепленных пучков N, а также обеспечивает расщепление пучков в плоскости, перпендикулярной плоскости расщепления пучков первой пластинки, что вместе с увеличением N улучшает равномерность освещения.
Осветительная система имеет малые габариты вследствие того, что на выходе устройства для расщепления лазерного луча формируются параллельные пучки, для которых применяется фокусирующий компонент с небольшой апертурой.
На фиг.1 приведена схема заявляемой осветительной системы, включающей первую плоскопараллельную стеклянную пластинку. На фиг.2 приведена схема осветительной системы, включающей две плоскопараллельные стеклянные пластинки. На фиг.3 изображена схема нанесения покрытий на первую и вторую пластинки, выполненные аналогично.
Осветительное устройство (см. фиг.1) состоит из оптически связанных лазера 1, устройства для расщепления лазерного луча 2, выполненного виде первой плоскопараллельной стеклянной пластинки 3, и фокусирующего компонента 4, фокальная плоскость которого совпадает с освещаемой поверхностью.
1
1
Первая плоскопараллельная стеклянная пластинка 3 (см. фиг.1) установлена под углом φ к оси А лазерного излучения. Буквы В и С обозначают лучи, выходящие из первой плоскопараллельной стеклянной пластинки 3. Угол наклона φ первой плоскопараллельной стеклянной пластинки выбирается таким, чтобы обеспечивалось пространственное разделение выходящих из нее лучей. Его значение зависит от поперечного сечения лазерного луча и показателя преломления пластинки и рассчитывается по формулам геометрической оптики. Толщина плоскопараллельной стеклянной пластинки выбирается такой, чтобы оптическая разность хода между любыми выходящими из нее лучами превышала длину когерентности излучения, которая, в свою очередь, определяется шириной спектра излучения использованного лазера.
На входной грани плоскопараллельной стеклянной пластинки 3 (см. фиг.3) нанесено зеркальное покрытие 6 в зоне падения на нее отраженных от светоделительного покрытия 7 лучей. Светоделительное покрытие 7 нанесено на выходной грани плоскопараллельной стеклянной пластинки 3, причем оно нанесено в зоне выхода последнего выходящего из пластинки луча С. Количество лучей, на которые расщепляется лазерный луч, должно быть не менее двух (см. фиг.1-3). Параметры светоделительного покрытия 7 определяются исходя из требуемого количества расщепленных лучей и длины волны лазерного излучения.
Устройство для расщепления лазерного луча 2 может быть дополнено второй плоскопараллельной стеклянной пластинкой 5 (см. фиг.2), причем вторая пластинка 5 установлена между первой пластинкой 3 и фокусирующим компонентом 4.
2
2
1
Вторая плоскопараллельная стеклянная пластинка 5 наклонена на угол φ (см. фиг.2), лежащий в плоскости, повернутой на 90° вокруг оси А относительно плоскости наклона первой плоскопараллельной стеклянной пластинки 3. Значение угла φ выбирается аналогично значению угла φ. Схема нанесения покрытий на пластинке 5 аналогична схеме фиг.3. Входными лучами для нее являются В и С, а выходными D, Е, F, G.
Устройство работает следующим образом. Лазерное излучение поступает на первую плоскопараллельную стеклянную пластинку 3 устройства для расщепления лазерного излучения 2 (фиг.1) и, пройдя ее, разделяется на 2 параллельных пучка В, С (фиг.1) примерно равной интенсивности, которые собираются фокусирующим компонентом 4 в плоскости освещаемой поверхности. Вследствие того, что оптическая разность хода между выходящими из пластинки лучами В и С превышает длину когерентности излучения, в данной плоскости происходит некогерентное сложение их интенсивностей, интерференционные шумы, возникающие по пути распространения лучей А, В и С, будут снижаться, и возрастет равномерность освещения.
Добавление второй плоскопараллельной пластинки 5 (см. фиг.2) увеличивает в 2 раза количество лучей, которые фокусируются в плоскости освещаемой поверхности, что приводит к еще большему возрастанию равномерности освещения.
Заявляемая осветительная система была изготовлена и испытана. В качестве лазера был использован иттербиевый волоконный лазер непрерывного действия, имеющий следующие параметры:
длина волны излучения - 1064 нм;
расходимость излучения по уровню 0,5 мощности - 2';
длина когерентности излучения - 5 мм;
мощность излучения - 10 Вт.
1
2
В системе были установлены плоскопараллельные пластинки из стекла К-108Л с диэлектрическими покрытиями, выполненными по схеме фиг.3 с толщинами 3 мм и 6 мм для первой и второй пластинок и углами наклона φ=10° и φ=15° соответственно.
Выбранная система покрытий и углы наклона пластинок обеспечивали на выходе из второй пластинки формирование четырех параллельных пучков примерно равной интенсивности, а толщины пластинок создавали разности хода между любыми из пучков, превышающие длину когерентности излучения лазера.
В фокальной плоскости фокусирующего компонента, в качестве которого использовалась линза с фокусным расстоянием 50 мм, формировалось гауссовое распределение плотности мощности излучения по сечению пучка.
В экспериментальном исследовании изготовленной осветительной системы, согласно изобретению, было установлено практически полное подавление интерференционных шумов в фокальной плоскости освещаемого объекта.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает улучшение качества пучка подсветки за счет повышения равномерности распределения плотности мощности излучения, что позволит обеспечить более надежное управление подвижных объектов по лазерному лучу.
Источники информации
1. Патент WO 3023833 А1, опубл. 20.03.2003. Способы гомогенизации пространственно когерентного пучка излучения, формирования рисунка на поверхности образца и его проверки - прототип.