Коллимирующая оптическая система
Изобретение относится к оптике и позволяет существенно улучшить массогабаритные характеристики оптико-электронных приборов, содержащих коллимирующие оптические системы. Коллимирующая оптическая система содержит призму 2 и ортогональную ей призму (группу призм) 4, осуществляющих преобразование параметров пучка по двум координатам. Линзы являются вспомогательными элементами. Первая отрицательная линза 1 создает расходящийся пучок с заданной угловой апертурой. Положительная линза 3 преобразует расходящийся пучок в сходящийся, что позволяет сохранить размеры призмы 4 равными размерам призмы 2. Вторая отрицательная линза 5 служит для придания всей оптической системе свойств телескопической системы, т.е. параллельный входящий пучок, имеющий определенные параметры, преобразуется также в параллельный пучок, но с другими параметрами. 6 ил. J 4 Ј 3 4 О fO со ю 10
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)ю G 02 В 27i30
ГОСУДАРСТВЕННЫ И КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ВоЕСОЮ НАЯ
Патин.;. fc, л" .НКМ& г; - 1Г, °,. !
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4667172/10 (22) 26.12.88 (46) 30.01.91. Бюл. ¹ 4 (71) Минский радиотехнический институт (72) В.Ф.Юрьев, В.В.Насонов и В.К.Рылик (53) 535.885 (088.8) (56) Бегунов Б.Н., Закаэнов Н.П., Кирюшин
С.И., Кузичев В.И. Теория оптических систем.
М.: Машиностроение, 1981, с. 331 — 333, (54) КОЛЛИМИРУЮЩАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА (57) Изобретение относится к оптике и позволяет существенно улучшить массогабаритные характеристики оптико-электронных приборов, содержащих коллимирующие оптические системы. Коллимирующая оптическая
„„Я2„„1624392 А1 система содержит призму 2 и ортогональную ей призму (группу призм) 4, осуществляющих преобразование параметров пучка по двум координатам. Линзы являются вспомога1ельными элементами. Первая отрицательная линза 1 создает расходящийся пучок с заданной угловой апертурой, Положительная линза 3 преобразует расходящийся пучок B сходящийся, что позволяет сохранить размеры призмы 4 равными размерам призмы 2. Вторая отрицательная линза
5 служит для придания всей оптической системе свойств телескопической системы, т,е, параллельный входящий пучок, имеющий определенные параметры, преобразуется также в параллельный пучок, но с другими параметрами. 6 ил. д
1624392
Изобретение относится к оптике, в частнос I и к огпическим системам с прелоMRÿþùè ëè элементами, и может быть использовано в системах оптической локации, оптической связи, управления и наблюдательных приборах.
Цель изобретения — уменьшение весогабаритных характеристик коллимирующей оптической системы.
На фиг.1 приведена оптическая схема предлагаемой коллимирующей системы; на фиг.2 — принцип изменения расходимости пучка излу <ения беэ изменения его диаметра на преломляющей поверхности; на фиг.3— прохождение расходящегося пучка излучения через призму; на фиг.4 — график изменения обобщг нного парамегра Р; на фиг.5— график изменения коэффициента анаморфозы А; на фиг.б -- график изменения углового увол1вгения Г.
Коллимиру ощая оптическая система (фиг.1) содержит располо:кенные последовательно гю ходу луча отрицательную линзовую (или зеркальную) оптическую компоненту 1, первую призму (группу призм) 2, положигельную линзовую (или зеркальную) оптическую компоненту 3, вторую призму (группу призм) 4, вторую отрицательную оптическую компоненту 5.
Апертурный угол отрицательных и положительной компонент составляет 20-40, входная грань первой и второй призм ориентирована под углом /3= (2 — 3) и к оси падающего пучка, преломляющий угол и призм равен 10-40, а передний мнимый фокус первой отрицательной компоненты 1 и задний мнимый фокус второй отрицательной компоненты 5 совпадают с концами двойного переднего и двойного заднего фокальных отрезков положительной компоненты 3, Для сужения пучка в какой-либо одной плоскости призмы 2 и 4 устанавливаются в этой же плоскости (фиг.1а). для сужения пучка в двух взаимно перпендикулярных плоскостях призмы 2 и 4 ориентируются ортогонально друг другу (фиг.16), Коллимирующая оптическая система . работает следующим образом.
Оптическая система, образованная двумя одинаковыми отрицательными и одной положительной компонентами, расположенными так, что передний мнимый фокус первой отрицательной компоненты и задний мнимый фокус второй отрицательной компоненты совпадают с концами двойного переднего и двойного заднего фокальных отрезков положительной компоненты, имеет угловое увеличение равное единице, и, следовательно, сама по себе не изменяет
20 параметров входного пучка. Трансформацию параметров пучка осуществляют призмы, причем осуществляют ее так, что уменьшение расходимости входного излучения достигается без пропорционального увеличения диаметра пучка, а значит и весогабаритных характеристик системы иэ-за возрастания размеров выходного зрачка. Так как входная и выходная преломляющие грани призмы (фиг.З), действуют в противоположных направлениях (фиг.2), то, меняя угол падения входного расходящегося пучка на призму, можно получить результирующее сужение или расширение выходного пучка. Коллимация входного пучка обеспечивается при незначительном возрастании его размеров в том случае, если угол падения пучка на призму равен (2--3) .а, где и — преломляющий угол призмы, а расходимость пучка составляет 20 — 400. Первая отрицательная компонента 1 предназначена для создания расходящегося пучка с угловой апертурой
20 — 40 С. Положительная компонента 3 меняет знак расходимости пучка, прошед25 шего через первую призму (группу призм) 2, преобразует расходящийся пучок б в сходящийся 7, что позволяет сохранить размеры второй призмы 4 равными размерам первой. Знак расходимости для призмы
30 не имеет значения. Вторая отрицательная компонента 5 служит для придания коллимирующей системе свойств телескопической системы, т.е. параллельный входящий пучок 8, имеющий некоторые параметры, 35 преобразуется также в параллельный пучок 9, но с другими параметрами. Ортогональная ориентация призм 2 и 4 позволяет коллими ровать пучок излучения в двух взаимно ортогональных плоскостях, что эквива40 лентно коллимации пучка осесимметричными оптическими системами. Если необходимо коллимировать пучок в одной плоскости, призмы ориентируются так, что их преломляющие ребра параллельны (фиг,1а), что позволяет
45 увеличить степень коллимации пучка по сравнению с одной призмой, Наиболее эффективно при одновременном упрощении оптической схемы применение предлагаемой призменной
50 коллимирующей системы для коллимирования излучения полупроводниковых лазеров, излучение которых обладает значительной расходимостью, так что отпадает необходимость во входной отрицательной компо55 ненте 1. создающей нужную расходимость входного пучка, Для количественной оценки достижения положительного эффекта рассмотрим прохождение расходящегося пучка через призму (фиг,З), В качестве параметра, характериэую1624392
COS 1» COS 121
Г2 = - — п
cos 12
) 2 COS Г2
50 щего трансформацию пучка в призме, возьмем отношение R углового увеличения Г к коэффициенту анаморфозы А, т.е. R = Г/А.
Для зеркально-линзовых систем, а также для призменных систем, работающих в па- 5 ралелльных пучках, этот параметр равен 1, Поскольку при распространении пучка в призме изменение его параметров происходит лишь на преломляющих гранях, параметр
R будет равен произведению аналогичных 10 параметров R i = Г1/А1 для первой (входной) и Н2 = Г2/А2 для второй (выходной) граней, где Г1, Г2 и А1, А2 — угловые увеличения и коэффициенты анаморфозы для указанных граней. 15
В качестве диаметров падающего и преломленного на гранях призмы пучков возьмем длину перпендикуляров, опущенных иэ общей точки пересечения крайних лучей пучков на осевые (биссектрисные) лучи ã!ó÷- ?0 ков до пересечения с противоположными крайними лучами или их продолжениями (фиг.3).
Найдем выражения для А1 и А2. По теореме синусов из треугольников ADC u ADB 25 (фиг.3) имеем:
A1 =- (АС/АВ) = (cos I » . cos (/2))/
/ (cos r» cos(y1/2)), где у — расходимость падающего входного: 30 у, "— преломленного на первой (входной) грани пучков;
i u r — углы падения и преломления соответственно (первый индекс указывает номер преломляющей грани, а второй ин- 35 декс — левый (1) либо правый (2) крайние лучи по ходу пучка).
Угловое увеличение,на первой грани призмы
Г1 = rgb )ii
40 где у2 = r12 — г»
r» = arcsin (п sin !»);
-1
r12 = arcsIn (и sin i12);
-1
1» = i1 + > 1/2; !12 = 11 + y 1 / 2, (1)
11 — угол падения на первую грань осе- 45 вого луча входного расходящегося пучка.
Окончательно для Ri получаем
Г1 r12 — Г» COS Г»
К1 = X
А1 У! COS (ii — У1/2 ) COS (У1/2
cos ((г12 — r» )б2 ) Таким же образом для второй (выход5 ной) преломляющей грани призмы из треугольников EFG u EFH имеем:
Е G COS i21 COS (Qi2$
Е Н cos г21 cos (у2 2 ) где уз = r22 — !21 — расходимость выходного пучка, преломленного на второй грани призмы, Г2к = BrCSln(n. З1П!2к): (2к = Г1к - а . К = 1.2, (2) а — преломляющий угол при вершине призмы.
Во всех полученных соотношениях углы падения и преломления считаются положительными, если для совпадения луча с нормалью к поверхности луч нужно вращать по часовой стрелке, а преломляющий угол призмы считае1ся положительным, если он расположен слева от направления распространения луча, Принимая во внимание, что на егоpoé грани угловое увеличение Г2 = 1 З/У, для R2 получаем выражение
Г2 Г22 r21 сов 121
R2= — — — — — " X
А2 yz cos 121
c0s (! г г — гll 2
COS ((Г22 Г21 )i 2 ) а для результирующего параметра R, характеризующего всю призму, выражение
Г уз сов 1/2 (1 (2
А Г сов 7з 2 (3)
COS Г» COS Г21 где А — коэффициент трансформации диаметра пучка для призмы (коэффициент анаморфозы);
COS I» COS I21
COS Г» COS Г21
Г = рбу1 — коэффициент углового увеличения призмы.
В случае параллельного пучка лучей у1 0 )20;)зо, COS I1 1
Г! =- ; R 1 —, ) 1 П COSÃ1 П с учетом соотношений Izi = iz — у2 /2; Izz =
= г+ ) /2, гдЕ iz = (iZZ + !21)/2, COS!1 COS 12 (2 и, Г
COS Г1 COS Г2
COS 11 COS 12
А- и Я-+1
cos г1 cos г2 причем полученные предельные выражения для А1, А2 у2 у1, р/у2, Г и А
1624392 совпадают с полученными для параллельных пучков.
По соотношениям (3) и (4) проведены расчеты для n =- 1,5263 и 1,6475, преломляющий угол гт изменялся в пределах от а н= 10 до а к=- 60" с ша ом Ла = 10, расходимость > 1, 5, 20, 2О, 20О, 30 и 40, На фиг.4-6 приведены типичные эависитлости R(i;). А(11) и Г(1») для различных значений упри а == 10", Для больших((x > 10 ) значен 1й гт и у уменьшается диапазон изменения 11 и кp П Р 0 1» < Р С t< 0 .10pI! х из»»енения диаметра пучка обратно пропер»1ипнальны изменениям его рл". од<»мг<сти. т е. призма позволяет изме! II ть ра::,оди1лость пу <ка баэ изме<»p »ия его диаметра. Сказаавен 1 во всем диапазоне углсв падения »» пучка II3 пр» зму и п,>еломляющих угло <2. Незначитель<«»а отклонения от 1 наблюдаются только Iip11 скользящем падении пучка на призму, Наихудш а 1 близ ос к 1) значение параметра R!I;.",>л»сдается при угле наименьlIIpf o oTI. При 11 = 1„„паоаметр R -» 1. если й-» О, независ». ло от величины gI, при этом 1 р - О, С увели«е»»»хе<1 и при прочих равных условиях параметр R уменьшается. Пэраметр эффективности R тем лу-»ше (меньше1, »ем больше а, у1, п и чсм больше угол i» ПВДЕНИ»» ВХОДНОГO П <«»Iiä I II» ПРИЭ1ЛУ. » а» .Нм "бpазом, призма в различной степени и""<»å,»1»oò угло.„чо расходи»лссть и попара н .-.: размер»:< сильно расходящихся I I >< «,ог», .1 для »уч»<0»» с расхсд<11лост ью не сколько десятксв градусов, т1<т ичной для излучения полупроводникгвых лазаров, угол паде»;ия котов»-<х на призм далек от угла наименьшего отклонения. Применение призменных систем позволяет изменять расходимость пучка почти без изменения диаметра этого пучка, что невозможно до5 стичь в линзовых и зеркальных оптических системах. Это позволяет создавать призменные и комбинированные призменно-зеркальные и призменно-линзовые оптические коллимирующие системы для расширения и 10 сужения расходящихся пучков с малыми габаритами массой и малыми аберрационными искажениями, так как в призме отсутствуют некоторые аберрации, в частности сферическая. 15 Для нахождения расходимости пучка на выходе коллимирующей оптической системы необходимо иметь в виду, что для оптического компонента 5 справедливо соотношение (4) 20 Оз tg y„„„= tg у5 + — Фз, ГДЕ У I 10; р,. — расходимость пучка 9, падающе5 го на оптическую компоненту 5; Оз/2 — высота падения крайнего луча на оптическую компоненту 5; Фз — оптическая сила компоненты 5. Согласно (4) можно записать Оз = Ог — 21tg у5, где I — расстояние между компонентами 3 и 5; Dz/2 — высота падения крайнего луча на оптическую компоненту 3, которая зависит от конструктивного расположения и выбранных характеристик призмы (группы призм) 2; 1< 1 — расходимости пучка 7. Величину tg у 5 найдем из соотношения 191<5 щ) з + Фг Ог 45 где уз — расходимость пучка 8, падающего на оптическую компоненту 3; Фг — оптическая сила компоненты 3; гЗ = 122 121 Иэ формул (1) и (2) видно, что расходимость ) з является функцией следующих величин: a —; il — угла падения на первую грань приэ1лы осевого луча входного расходящегося пучка (т.е. угла ориентации призмы Р) и yt — расходимости пучка 7, падающего на первую грань призмы. Величины а и il (или p) задаются конструктивно в указанных пределах, а расходимг>сть 1, l определяется через параметры оптического компонента 1 следующим образом 1624392 10 щ ) 1 = т9 г вх + Ф, 01 2 где у х — расходимость входящего пучка 6; Di/2 — высота падения крайнего луча на 5 оптическую компоненту 1; Ф вЂ” оптическая сила компоненты 1. В результате проделанных преобразований получена связь расходимости выходящего пучка у ах с расходимостью входящего пучка у» для предлагаемой коллимирующей оптической системы. Ее применение позволяет при тех же весогабаритных характеристиках передающих оптических систем повысить эффективность лазерных информационных систем за счет увеличения плотности потока лучистой энергии в телесном угле излучения передатчика путем уменьшения расходимости, уст ранения виньетирования, сжатия диаграммы направленности и, как следствие это о улучшить точностные характеристики и помехозащищенность от пространственных фоновых помех, 25 Формула изобретения Коллимирующая оптическая сиг гома. содержащая последовательно расположе н ные по ходу луча отрицательную и положительную оптические компоненты, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью уменьшения весогабаритных характеристик сисгемы, за положительной компонентой вводится втсрая отрицательная компонента, передний мнимый Фокус первой отрицательной компоненты и задний мнимый фокус второй отрицательной компоненты совпадают с ка;-:цами двойного переднего и двойного заднего фокальных отрезков положительной компоненты, апертурный угол положительной и отрицательных оптических компонент вь бирается в предела . 20-40", между положительной и отрицательными компонентами вводятся призмы (группы призм), угол Р орисн-.ации которых по отношению к оптической оси системы связан с пр ломляющим углсм а призмы соотношением f) = =-!2-3) -, a преломляющий угол а призмы вь,бирается в пределах 10-40 . 1624392 10 20 3 Фиг. Ф 1624392 ,, град - ФΠ— _#_ О 10 ФО 6"О 60 Фиг.,т -ФО -2D D Ю ФО 60 60 Фиа. 6 Составитель В. Архипов Редактор T. Парфенова Техред М.Моргентал Корректор И. Эрдейи Эаказ 187 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул.Гагарина, 101
