УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ПУЧКА
DEVICE FOR CONTROLLING INTENSITY OF OPTICAL BEAM

Изобретение относится к области устройств управления параметрами излучения и может быть использовано в фотометрических приборах, а также в осветительных системах, использующих когерентные и некогерентные источники излучения.
4
Известен оптический фильтр (см. заявку Великобритании №2151035 по МКИ G02B 5/32, 27/14, опубл. 10.07.1985), содержащий пластину с переменным коэффициентом отражения, установленную с возможностью перемещения в направлении изменения коэффициента отражения, зеркало ввода-вывода и уголковый отражатель, установленный на пути оптического пучка, отраженного от указанной пластины.
Недостатками указанного оптического фильтра являются:
1. Необходимость возвратно-поступательного перемещения пластины с переменным по длине коэффициентом отражения, в то время как наиболее распространенные электромеханические приводы обеспечивают вращательное движение, преобразование которого в возвратно-поступательное приводит к дополнительным погрешностям.
2. Ограничение диапазона возможных ослаблений, связанное со сложностью получения малых и одновременно плавно изменяемых коэффициентов отражения. Получение коэффициента отражения менее 5% при наклонном падении (что соответствует ослаблению на 26 дБ при двукратном отражении) возможно только при использовании интерференционных покрытий. Особенностью указанных покрытий является зависимость коэффициента отражения от поляризации падающего излучения, которая в данном случае также изменяется по длине пластины. Кроме того, нанесение одновременно нескольких различных покрытий (особенно металлических и диэлектрических) с плавно изменяющимися свойствами связано со значительными технологическими трудностями.
Известен также регулируемый ослабитель оптического излучения (см. авт. свид. №1841048, М.кл. G02B 5/22, дата приоритета 25.11.1985 г.), содержащий два оптических клина, по крайней мере один из которых выполнен из поглощающего излучение материала, два плоских зеркала, установленных под углом 45° к катетной грани первого клина и под углом 90° друг к другу, а также триппель-призму, установленную в ходе луча со стороны катетной грани второго клина, при этом плоские зеркала и триппель-призма скреплены в блок и установлены с возможностью перемещения вдоль катетных граней клиньев.
Недостатками указанного ослабителя являются:
4
1. Возвратно-поступательное перемещение оптических элементов (недостаток, аналогичный описанной выше заявке Великобритании №2151035 по М.кл. G02B 5/32, 27/14, и приводящий к таким же погрешностям).
2. Сложность и низкая технологичность кинематической схемы.
3. Наличие в схеме прецизионного и дорогостоящего оптического элемента - уголкового отражателя (триппель-призмы).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для регулирования интенсивности оптического пучка, содержащее вращающиеся диски, выполненные из поглощающего материала и имеющие различную толщину в разных сечениях, либо кварцевые или стеклянные диски с нанесенной на них пленкой металла. Толщина пленки плавно изменяется по кругу от минимальной до максимальной равномерно или по определенному закону (см. ″Проектирование оптико-электронных приборов″ под общей редакцией д-ра техн. наук Ю.Г. Якушенкова. М., ″Машиностроение″, 1981 г., стр. 42-43). Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Недостатками указанного устройства-прототипа являются:
1. Необходимость встречного вращения как минимум двух дисков с равными угловыми скоростями и связанная с этим сложность кинематической схемы.
2. Наличие погрешностей, связанных с разбросом параметров дисков с нанесенными на них фотометрическими клиньями.
3. Наличие вторичных отражений от поверхностей дисков, расположенных в известных устройствах параллельно друг другу.
4. Нескомпенсированная неравномерность пропускания в радиальном направлении.
Целью настоящего изобретения является уменьшение погрешностей регулировки интенсивности с одновременным упрощением конструкции, повышение быстродействия и снижение интенсивности вторичных отражений.
Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем два одинаковых кольцевых фотометрических клина, расположенных на пути оптического пучка с возможностью синхронного вращения, указанные фотометрические клинья размещены на одном прозрачном диске, установленном с возможностью вращения, со смещением друг относительно друга на 180°, а над плоскостью указанного диска перпендикулярно его оси установлено плоское зеркало, причем точки пересечения оси оптического пучка с плоскостью указанного диска до и после указанного плоского зеркала лежат на одном диаметре указанного диска по разные стороны от его центра и принадлежат разным фотометрическим клиньям.
При указанном расположении оптических элементов и ходе оптического пучка указанный пучок при любом положении диска проходит через два идентичных участка фотометрических клиньев, повернутые друг относительно друга на 180°. При этом происходит компенсация неравномерности ослабления по сечению пучка. В отличие от устройства-прототипа, неравномерность ослабления компенсируется полностью, а не только по углу поворота.
Выполнение одновременно двух фотометрических клиньев (например, путем напыления) на одном диске позволяет значительно уменьшить разброс их параметров, упростить кинематическую схему и уменьшить ее погрешности, а также повысить быстродействие за счет уменьшения массы подвижных элементов. Следовательно, в заявляемом устройстве возможно повышение равномерности и точности ослабления, повышение быстродействия и упрощение конструкции по сравнению с устройством-прототипом. Кроме того, при указанном ходе ослабляемого пучка реализуется его наклонное падение на фотометрические клинья в разнесенных по диаметру точках, что позволяет избежать попадания вторичных отражений в ослабляемый оптический пучок.
Существенными признаками заявляемого технического решения являются:
- размещение фотометрических клиньев на одном прозрачном диске со смещением на 180°;
- введение в схему плоского зеркала, установленного параллельно плоскости диска (перпендикулярно его оси);
- пересечение оси оптического пучка с плоскостью диска в диаметрально разнесенных точках, принадлежащих разным клиньям.
Каждый из перечисленных выше существенных признаков является необходимым, а их совокупность - достаточной для достижения цели изобретения. Авторам не известна из патентной и научно-исследовательской литературы указанная совокупность признаков (справка о патентном исследовании прилагается), поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию ″новизна″.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое устройство для регулирования интенсивности оптического пучка отличается тем, что оба фотометрических клина выполнены на одном диске со смещением друг относительно друга на 180°, а над плоскостью указанного диска перпендикулярно его оси установлено плоское зеркало, причем точки пересечения оси оптического пучка с плоскостью указанного диска диаметрально разнесены и принадлежат разным фотометрическим клиньям. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию ″существенные отличия″.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена оптическая схема устройства и показан ход лучей в указанной схеме.
На фиг. 2, 3 изображены варианты расположения фотометрических клиньев.
На фиг. 4, 5 изображен вариант конструктивного исполнения устройства для регулирования интенсивности оптического пучка.
Устройство для регулирования интенсивности оптического пучка (см. фиг.1, 3, 4, 5) содержит прозрачный диск 1 с нанесенными на него фотометрическими клиньями 2 и 3, плоское зеркало 4 и зеркала ввода и вывода - соответственно 5 и 6. Фотометрические клинья 2 и 3 (см. фиг. 1, 3) выполнены в виде двух соприкасающихся участков, каждый из которых имеет форму полукольца, с одинаковым линейным законом возрастания оптической плотности по углу соответственно от 0° до 180° и от 180° до 360°, отсчитанному от одной из границ раздела указанных клиньев 2 и 3. Возможен также вариант выполнения фотометрических клиньев в виде двух концентрических колец 7 и 8 (см. фиг. 2), на каждом из которых оптическая плотность линейно возрастает по длине дуги окружности, проходящей по середине кольца. Возрастание оптической плотности происходит на кольцах 7 и 8 по одинаковому закону со смещением на 180°.
Плоское зеркало 4 закреплено над плоскостью диска 1 при помощи кронштейна 9 и оправы 10, а зеркала ввода-вывода 5 и 6 жестко закреплены на неподвижном основании 11 при помощи оправ соответственно 12 и 13.
В данном конструктивном исполнении (см. фиг. 4, 5) вращение прозрачного диска 1 относительно неподвижного основания 11 осуществляется при помощи шагового двигателя 14, закрепленного в неподвижном основании 11 при помощи винтов 15 и 16.
Для снижения требований к точности установки шагового двигателя 14 его ось связана упругой шарнирной муфтой 17 с осью 18, на которой жестко закреплен прозрачный диск 1. Ось 18 установлена в подшипниках 19 и 20, последний из которых установлен в раме 21. В качестве шагового двигателя 14 может быть использован серийно выпускаемый двигатель ДШИ-200 (любой модификации), имеющий шаг 1,8° и скорость вращения до 3000-6000 шаг/сек (в зависимости от момента инерции закрепленных на нем элементов). При использовании схемы электронного дробления возможно уменьшение шага в 8 раз, что дает 1600 шагов на 1 оборот прозрачного диска 1 и позволяет обойтись без редуктора. Устройство имеет защитную крышку 22 с окнами 23 и 24 для вывода излучения (см. фиг. 4).
Устройство работает следующим образом.
Прохождение ослабляемого оптического пучка через два одинаковых оптических клина, повернутых друг относительно друга на 180° и наклоненных под равными углами к оси пучка, эквивалентно прохождению указанного пучка через равномерно ослабляющий слой. Поворот фотометрических клиньев 2 и 3 друг относительно друга на 180° в ослабляемом пучке обеспечивается их расположением на прозрачном диске 1 и диаметральным разносом точек пересечения оси пучка с поверхностью прозрачного диска 1, а равенство углов наклона  обеспечивается параллельностью плоскостей указанного прозрачного диска 1 и плоского зеркала 4.
mim
max
Суммарная оптическая плотность фотометрических клиньев 2 и 3 в ослабляемом оптическом пучке (постоянная, как показано выше, в сечении пучка) определяется положением прозрачного диска 1, которое достигается при помощи шагового двигателя 14. При этом минимальное ослабление M и максимальное ослабление M (в дБ) связаны соотношением:
<mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>M</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>M</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mfrac><mrow><msub><mi>d</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>R</mi><mo>−</mo><msub><mi>d</mi><mi>m</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>M</mi><mn>0</mn></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
для фотометрических клиньев, выполненных согласно фиг. 3;
<mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>M</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>M</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mfrac><mrow><msub><mi>d</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><msub><mi>d</mi><mi>m</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>M</mi><mn>0</mn></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
для фотометрических клиньев, выполненных согласно фиг. 2.
m
Здесь: d - максимальный диаметр ослабляемого пучка (сечение пучка показано пунктирными эллипсами на фиг. 2 и 3);
О
M - ослабление за счет потерь на зеркалах ввода-вывода 5 и 6 и плоском зеркале 4.
1
2
1
2
R в формуле (1) - радиус окружности, проходящей по середине полуколец 2 и 3 на фиг. 3; R и R в формуле (2) - радиусы окружностей, проходящих по середине колец соответственно 7 и 8 на фиг. 2. Радиусы R и R связаны соотношением:
<mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo>≥</mo><mfrac><mrow><msub><mi>d</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mrow><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где φ - угол падения ослабляемого пучка на поверхность прозрачного диска 1.
Кроме того,
<mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>≤</mo><mfrac><mi>D</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>d</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi></mrow></mfrac><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>R</mi><mo>≤</mo><mfrac><mi>D</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>d</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi></mrow></mfrac><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где D - световой диаметр прозрачного диска 1.
Например, при условиях:
D=100 мм;
m
d=12,5 мм;
<mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>50</mn><mtext> </mtext><mi>д</mi><mi>Б</mi><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
φ=45°;
0
M=1,0 дБ,
минимальное ослабление равно:
<mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>m</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>1</mn><mtext> </mtext><mi>д</mi><mi>Б</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
для фотометрических клиньев, выполненных по схеме фиг. 2;
<mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>3</mn><mo>,</mo><mn>2</mn><mtext> </mtext><mi>д</mi><mi>Б</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
для фотометрических клиньев, выполненных по схеме фиг. 3.
min
Указанные значения M и другие приведенные выше параметры являются вполне удовлетворительными для большинства применений данного устройства. Соотношение, аналогичное соотношению (1), является общим для всех типов ослабителей, использующих фотометрические клинья или аналогичные им элементы, и следовательно, не является недостатком данной схемы.
Таким образом, заявляемая схема устройства для регулирования интенсивности оптического пучка позволяет по сравнению с устройством-прототипом уменьшить по крайней мере вдвое число и массу подвижных элементов, повысить за счет этого быстродействие, а также снизить погрешности устройства и интенсивность вторичных отражений. Кроме того, повышается технологичность изготовления кольцевых фотометрических клиньев вследствие одновременного изготовления двух одинаковых клиньев на одном диске.
В соответствии с вышесказанным, заявляемое техническое решение соответствует критерию новизны и имеет существенные отличия, дающие положительный эффект.
Предлагаемая схема устройства для регулирования интенсивности оптического пучка может быть использована в осветительных системах, медицинских и технологических лазерных установках, а также в фотометрических приборах и формирующих оптических системах специального назначения.