Многопроходная оптическая линия задержки

 

Использование изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к системам с отражающими поверхностями , и может быть использовано при создании открытых оптических линий задержки . Сущность изобретения заключается в том, что многопроходная оптическая линия задержки содержит последовательно расположенные на оптической оси источник излучения , первый отражающий элемент, положительную сферическую линзу и второй отражающий элемент, при этом отражательные элементы выполнены в виде уголковых отражателей с усеченными вершинами прямого трехгранного угла, причем фокусное расстояние лиьзы определяется формулой, приведенной в формуле изобретения . 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 02 В 17/00

ГОСУДАРСТ8ЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4914001/10 (22) 21.12.90 (46) 15.11.92. Бюл. ¹ 42 (71) Научно-исследовательский институт радиооптики (72) А. Е. Бражников (56) Авторское свидетельство СССР № 1191861, кл. G 02 В 17/06, 1904.

Авторское свидетельство СССР

¹ 826257, кл. G 02 В 17/00, 1967, (54) МНОГОПРОХОДНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ

ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ (57) Использование: изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к системам с отражающими поверхноИзобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к оптическим системам с отражающими элементами, и может быть использовано при создании открытых оптических линий задержки с пониженной чувствительностью к раэьюстировке на время 1 ... 10 нс, В настоящее время в технике возникает задача создания устройства, реализующего многократное прохождение светом одного и того же участка, причем такая многопроходная линия задержки должна быть устойчивой к разьюстировкам входящих в нее оптических элементов, Это необходимо, например, для исследования взаимодействия излучения со слабо поглощающей газовой средой, для высокоточного определения расстояния между двумя точками методами импульсной световой дальнометрии.

Известна многоходовая матричная система, содержащая входное и выходное от. Ж 1775702 А) стями, и может быть использовано при создании открытых оптических линий задержки. Сущность изобретения заключается в том, что многопроходная оптическая линия задержки содсржит последовательно расположенные на оптической оси источник излучения, первый отражающий элемент, положительную сферическую линзу и второй отражающий элемент, при этом отражательные элементы выполнены в виде уголковых отражателей с усеченными вершинами прямого трехгранного угла, причем фокусное расстояние линзы определяется формулой, приведенной в формуле изобрете н и я . 1 3. I1. ф-Jl bl, 3 nfl . верстия, два вогнутых зеркала-коллектива, четыре вогнутых зеркала-объектива, установленных с воэможностью поворота оТНосительно вертикальной оси, два из которых установлены на общем основании с возможностью поворота относительно вертикаль- (Л ной оси, при этом все зеркала имеют,, одинаковый радиус кривизны, все зеркала-обьективы жестко закреплены одно относительно другого на общем основании и расположены попарно-симме1рично относительно центра кривизны основного зеркала-коллектива, центр кривизны а вспомогательного зеркала-коллектива расположен в центре симметрии двух зеркалобьективов, принадлежащих разным парам, а общее основание установлено с воэможностью поворота в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, Центры кривизны зеркал-обьективов образу о1 квадрат со сТороной а. Число проходов о сист >к . онреде1775702

20

55 ляется двумя углами разворота блока объективов и может быть любым числом из ряда

q = 2(k -1 ) (21 — 1), где К 1 — натуральйые числа, На основном зеркале-коллективе образуется матрица неперекрывающихся по- 5 следовательных промежуточных изображений входного окна размерностью

21 х К в результате площадь этого зеркала должна превышать величину qa /2, т. е.

2 при характерной площади одного зеркала- 1 объектива диаметром алв /4 площадь колг лектива превышает ее по крайней мере в

MqIл раз.

Недостатками такой системы являются конструктивная сложность, большое число оптических элементов, необходимость жесткой фиксации объективов друг относительно друга и точной угловой настройки всего блока объективов по двум координатам для данного числа проходов., а также невозможность получения любого наперед заданного числа проходов линии задержки.

Известно устройство для многократного отражения, содержащее источник излучения и два идентичных отражающих . элемента, которые выполнены в виде двух одинаковых прямых конусов, соединенных основаниями и рассеченных плоскостью по оптической оси, проходящей через их вершины. сдвинутых один относительно другого в противоположных направлениях и обращенных друг к другу зеркальными поверхностями, причем выступающие вершины соответствующих отражающих элементов усечены, а источник излучения установлен с возможностью введения излучения через усеченные части отражающих элементов. Особенностью решения является периодическая фокусировка излучения, вводимого от источника, расположенного на оптической оси устройства, практически перпендикулярной ей, При отсутствии потерь излучения в устройстве оно выводится через усеченные вершины. Однако такое устройство трудно отрегулировать на заданное число проходов, т. е. заданную задержку излучения. Для точной фокусировки излучения необходима точная юстировка системы, за-. ключающаяся в точном соединении конусов, в точном совмещении осей отражающих элементов и в обеспечении расположения любого луча в плоскости, проходящей через оптическую ось. При разъюстировке устройства фокусировка ухудшается, а. задержка излучения увеличивает свой разброс. Устройство рассчитано лишь на параллельный входной пучок. К тому же из-за ограниченности размеров отражающих элементов возможностями современной технологии на уровне 10 см получение значительных задержек излучения на единицы и десятки наносекунд затруднительно, а сами отражающие элементы являются сложными в изготовлении..

Наиболее близкой по технической сущности является оптическая система многократного отражения, содержащая источник излучения, первый и второй отражающие элементы в виде плоских зеркал, обращенные друг к другу зеркальными поверхностями, и последовательно расположенные между первым и вторым зеркалами первую положительную линзу большего диаметра

D> и вторую положительную линзу меньшего диаметра D2 таким образом, что фокусы указанных линз лежат на соответствующих зеркалах, причем обе линзы и второе зеркало установлены перпендикулярно и симметрично относительно оптической оси системы, а первое зеркало образует с осью угол 90 — а, где 0 < а < 90О. Источник

О излучения создает пучок лучей, параллельных оптической оси системы. Этот пучок вводится в систему со стороны второй линзы и попадает на периферийную часть первой линзы. Из-за наклона первого зеркала после отражения от блока первая линза— первое зеркало пучок оказывается антипараллельным входящему и более близким к оптической оси на расстояние 2 и Р1, где Г1 — фокусное расстояние первой линзы; угол а и относительное отверстие первой линзы полагаем малыми: а«90 ; 01/F«<1, ось разворота первого зеркала полагаем перпендикулярной плоскости, проходящей через оптическую ось и ось входного пучка лучей, После отражения от блока вторая линза — второе зеркало луч становится параллельным входящему с сохранением уменьшенного расстояния до оптической оси . Далее процесс повторяется. Полагая, что ось входного пучка лучей находится на расстоянии (D1+ D2)/2 от оптической оси, получим, что после m = (D> + 02)/2 а F> отражений от первого зеркала пучок выйдет из системы в месте его входа антипараллельно входящему пучку, Описан также вариантсистемы, в котором вместо блока вторая линза — второе зеркало применяется прямоугольная равнобедренная призма, выполняющая те же функции.

Использование указанного технического решения в качестве многопроходной оптической линии задержки имеет следующие недостатки.

Во-первых, для обеспечения задержки излучения на заданное время или заданное число проходов необходима точная асти1775702 ровка системы, как линейная, так и угловая. причем с ростом числа m, г. е. числа проходов, чувствительность к разьюстировке возрастает при малых m пропорционально m, а при больших — пропорционально m, 2

Во-вторых, с ростом числа проходов мощность излучения снижается из-за потерь на прохождения линз и отражения от зеркал.

В-третьих, система рассчитана только

10 на параллельный входной пучок, Однако с ростом расстояния между зеркалами L3 и числа m допустимая расходимость излучения пропорционально уменьшается, вплоть до дифракционного предела, При дальнейшем увеличении L3 или m выходящий пучок

15 будет ограничиваться по апертуре, и часть излучения выйдет после другого числа проходов, Таким образом. высокая чувствительность к разьюстировке и значительные потери излучения затрудняют практическое использование устройства в качестве многопроходной оптической линии задержки.

25

Целью изобретения является снижение чувствительности к разь остировке оптических элементов устройства, обеспечивающего многократное прохо>кдение светом одного и того же участка.

Указанная цель достигается тем, что в многопроходной оптической линии задержки. содержащей источник излучения, первый и второй отражающие элементы, обращенные друг к другу зеркальными по35 верхностями, и установленную на оптической оси линии задержки между первым и вторым отражающими элементами поло>кительную сферическую линзу нэ расстоянии

L1 и L2 от них, соответственно, первый и второй отражающие элементы выполнены в виде уголковых отражателей с усеченными вершинами прямого трехгранного угла, расположенными на оптической оси устройства, источник излучения расположен перед

45 первым уголковым отражателем на оптической оси линии задержки, причем фокусное расстояние положительной сферической линзы, определяется формулой

Х = 2И г/(L< + L24(L> + 2Ь! г cos(2 р л/ц)+ 50

+(г) (1) задержки, определяющее время задержки =

= (L1 + (г)ц/c, р — натуральное число, не превышающее целую часть числа (q — 1)/2 при ц > 2 и р = 1 при q:= 2. с -- скорость света. где q, р — не имеющие общих множителей натуральные числа, ц -натуральное число, большее единицы - число проходов линии 5

Благодаря свойству угол кового отражателя отражать излучение в антипараллельном направлении, предлагаемая многопроходная оптическая линия задержки оказывается черезвычайно нечувствительной к разьюстировкам. Низкая чувствительность к угловым разьюстировкам линзы связана со слабой квадратической зависимостью фокусного расстояния линзы в плоскости наклона от угла наклона. Только при болших угловых разьюстировках линзы (>5 ) фокусное расстояние в двух перпендикулярных плоскостях становится заметно различным (>0,5%), а также при большом линейномуходе линзы или второго уголкового отражателя возникает угроза выхода элементов из луча. К малым поворотам уголковых отражателей многопроходная оптическая линия задержки вообще нечувствительна, Необходимое для обеспечения задержки излучения на выходе по сравнению со входом на время т= (Ь1+ г)ц/с, т. е. нэ q проходов, фокусное расстояние линзы должно определяться по формуле (1). Именно такое и только такое значение фокусного расстояния обеспечивает оптическое сопряжение входа и выхода линии задержки, Зто можно показать методами лучевых матриц (Джерард А„

Берч Д>к. М„"Введение в матричную оптику", М., Мир, 1987, с. 18), описывающего изменение двух параметров параксиального оптического луча при его прохождении в пространстве и через различные оптические элементы. В соответствии с теорией матричных методов в оптике опишем распространение параксиального пучка от входа многопроходной оптической линии задержки до выхода для произвольного числа проходов q, для чего найдем соответствующую матрицу

Al Bi

M(=

Ci D() где i = 1 при q = 2m, i = 2 при q = 2m + 1, m — натуральное число.

Распространение излучения от внутренней поверхности первого уголкового отражателя до нее же за два прохода линии, т. е. за один обход линии, описывается матрицей Мз, являющейся произведением справа налево элементарных матриц, соответствующих распространению излучения в линии по мере обхода:

M3 = M4M5MQM7M4ivl7MQM5.

Рассмотрим элементарные матрицы, входящие в Мз. Матрица

-1 2(n-1) d

0 -1

1775702 где d — толщина, и — показатель преломления среды уголкового отражателя, описывает отражение света от угол кового отражателя. В случае незаполненного уголкового отражателя и = 1, и элемент В4 мат- 5 рицы М4 равен нулю. В случае триппель-призмы n > 1, В4 < О; при дальнейшем рассмотрении для упрощения расчетов размеры триппель- призмы будем полагать малыми по сравнению с оптической длиной 10 линии: d L1 + L2, В общем случае будем считать В4 = О. Матрицы

1 L1 1 L2 и Мт=

Мз=

0 1 О 1 15 описывают прохождение света на расстояния L1 и L2, матрица

1 О

М6 20

-1/f 1. прохождение света через тонкую линзу с фокусным расстоянием f, Для удобства преобразований введем безразмерные переменные х1 = L1/f > 0; хг= 25

= 1.2/f > 0; X = (1 — х1) (1 — х2). Выполнив умножения. после преобразований получим:

2Х - 1, 2f (1 - Х) (1 - х1)

Мз= 30

-2(1 - x2)/f 2X - 1

Матрицу M1 = Мз получим возведением в степень с помощью известной формулы

Муавра;

Азз1пл10- sin(m - 1)0 Взз!пп О 35

M1 =sin 0

Сзз!пп10 Озз птО- sin(m - 1)0 где О-arccos(2X — 1), О <О<л, Для существования арккосинуса необходимо потре- 40 бовать 06Х 1, Формально случаи Х = 1, О= О и X - 0, 0 = л приводят к sin 0=- О и, следовательно, к делению на ноль в выражении для

М1. В этих случаях надо воспользоваться предельным переходом при 0 0 и О «л. 45

Матрицу М2 найдем иэ М1 умножением справа налево на матрицы, соответствующие проходу луча от входа линии до несовпадающего с ним выхода;

М2 М4 М7МбМ5М4М1, 50

Для оптической сопряженности входа и выхода линии необходимо выполнение условия В -О, т. е. В1 = 0 при q = 2m или Вг =

=0 при q = 2m + 1, Поэтому в матрице М7 достаточно вычислить элемент Вт: 55

Вт - — 2(1 — X)f sin(q О/2)соз(Î/2)/sin О, Вначале рассмотрим некоторые частные случаи, При x1 = 1. т. е. f = L1, имеем Х =

=О, Вз =- О и, следовательно, все излучение выйдет из линии через ее вход уже после двух проходов. При Х = 1 получим 1/1 1+ 1/L2=

= 1/f, т. е. линза изображает друг в друга две вершины уголковых отражателей за один проход; при этом излучение выйдет иэ линии уже после первого прохода. В общем случае х1 Ф 1, ХфО, Хф1 из условия В1 = О получим sin(q О/2) = О, откуда получим qQ/2=

= р л . где р — целое число, О= 2р л/q, Х = созг(0 /2) = cos2(ð л/q). О/О, ОФл, f = 2L1L2/(L1+ L2 (L1 + 2Ы гсоз(2р л/ц)1 °

+ 2)1/2

Для дальнейшего анализа достаточно использовать такую совокупность чисел р, которая определяет все возможные значения соз(2р л/q), за исключением случая Х =

cos (2рл/q) = 1, при котором второй уголког вый отражатель вообще не работает на отражение. Нетрудно показать, что это могут быть числа р = 1. 2, 3, ."f(q — 1)/2), где (з1— целая часть. а

Для того. чтобы излучение не выходило из линии после меньшего числа проходов, чем q, необходимо удостовериться, что полученные значения f не являются искомыми значениями для меньшего числа проходов, чем q, Это справедливо при отсутствии взаимной простоты чисел р и ц, т. е. при отсутствии у них общих множителей, Действительно, наличие общего множителя

s у р и q, т. е. р = sp1, q = sq1, где s, р1, q1 —. натуральные числа, s > 1, приводит к тому, что cos(2p л//q) = cos(2p1 л/q 1), т. е. f(p, q) = .т(р1, ц1), и все излучение выйдет из линии уже через q1 < q проходов.

Таким образом, для достижения задержки излучения на время t, определяемое числом проходов линии q и оптической длиной линий L1 + L2, необходимо и достаточно использовать положительную сферическую линзу с фокусным расстоянием f; определяемым формулой (1) с учетом вышеприведенных ограничений на параметр р.

Использование уголковых отражателей с усеченными вершинами обеспечивает пониженную чувствительность многопроходной оптической линии задержки к разьюсти ров ке, С целью снижения потерь излучения, снижения чувствительности к раэъюстировке с одновременным упрощением конструкции уголковые отражатели целесообразно выполнить в виде триппель-призм на эффекте полного внутреннего отражения, положительную сферическую линзу - механически закрепленной на одной иэ триппель-призм. источник излучения — закрепить на усеченной вершине первой триппель-призмы, поверхности положительной сферической

1775702

10 линзы, фронтальную грань и усеченную вершину каждой триппель-призмы — просветлить, причем фокусное расстояние положительной сферической линзы определяется формулой

f = i/$1п2(р 7т/q) (2) где L= Lt+ L2 — оптическая длина линии. При этом число р есть число промежуточных изо- 10 бражений источника в многопроходной оптической линии задержки, последнее из которых совпадает с выходным окном.

Применение полного внутреннего отражения позволяет приблизить к единице ко- 15 эффициент отражения от каждой иэ трех граней прямого трехгранного угла триппель-призмы, в отличие от случая металлиэации этих граней или зеркального покрытия в незаполненном уголковом отра- 20 жателе. Просветление всех оптических поверхностей, работающих на пропускание, для всего спектра излучения источника позволяет приблизить к единице их коэффициент пропускания, Просветление может быть 25 выполнено, например, нанесением одноили многослойного диэлектрического покрытия, или травлением поверхности, имеющим своей целью изменение показателя преломления поверхностного слоя линз 30 (Справочник конструктора оптико-механических приборов, Под общ. ред, В. Л. Панова. — 3-е изд., Л., Машиностроение, Ленингр. отделение, 1980, с. 551.}, Использование полного .внутреннего отраже- 35 ния и просветления уменьшает потери излучения в линии.

Входное и выходное окна линии образуются сошлифовкой перпендикулярно оси . триппель-призм вершин их прямых трех- 40 гранных углов. Закрепление источника в вершине первой триппель-призмы снижает чувствительность линии к разъюстировке.

Механическое закрепление линзы на одной из триппель-призм снижает число степеней 45 свободы, устраняет возможность. ухода линзы с оптической оси линии, что также снижает чувствительность линии к разъюстировке. Оптические элементы оказываются сосредоточенными при этом фак- 50 тически не в трех, а в двух областях пространства, Это способствует упрощению конструкции, При желании возможно вообще исключить линзу из линии, заменив ее выпуклой сферической обработкой фрон- 55 тальной грани одной из триппель-призм.

Возможно также использовать блок иэ произвольного числа сферических линз. расположенных на оптической оси линии, обладающий способностью фокусировать падающий на него плоский волновой фронт излучения. Устойчивость линии к разъюстировке благодаря наличию уголковых отражателей сохраняется, однако, по соображениям конструктивной сложности, большого числа оптических поверхностей и увеличения чувствительности к разъюстировкам линз, увеличение числа линз свыше одной нежелательно. При закреплении положительной сферической линзы на одной из триппель-призм вместо двух параметров и L2 остается один — оптическая длина линии L = Lt + L2 и фокусное расстояние линзы определяется формулой (2), получаемой из формулы (1) упрощением.

Оценим возможный диапазон задержек излучения, достигаемых предлагаемой линией, Типичный интервал изменения оптической длины линии составляет L = 0,1 ...20 м, числа проходов — q = 2 ... 20. Отсюда для возможного времени задержки получим оценку: t= 1 ... 10 нс.

На фиг. 1 изображена принципиальная . схема многопроходной оптической линии задержки, а та".же показан ход оптических лучей при нечетном числе проходов g.На фиг.

2 — то же самое при четном числе проходов

q. На фиг. 3 изображен экспериментальный макет многопроходной оптической линии задержки.

Многопроходная оптическая линия задержки содержит последовательно расположенные по ходу оптического луча источник излучения 1, входное окно 2, первый уголковый отражатель 3 с усеченной вершиной, находящуюся на расстоянии от него положительную сферическую линзу .

4 с фокусным расстоянием f, находящийся на расстоянии (д от нее второй уголковый отражатель 5 с усеченной вершиной, выходное окно G. Входное окно 2 совпадает с усеченной вершиной первого уголкового отражателя 3, а выходное окно 6 совпадает с усеченной вершиной второго уголкового отражателя 5 при нечетном числе проходов q или со входным окном 2 при четном, Экспериментальный макет многопроходной оптической линии задержки, созданный и исследованный в лабораторных условиях, содержит последовательно расположенные источник излучения в виде гах зового лазера 1 и микрообъектива 7, первый уголковый отражатель 3 в виде триппельприэмы с сошлифованной вершиной, механически закрепленную с помощью оправы 8 на этой призме плоско-выпуклую линзу 4, второй уголковый отражатель 5 в виде триппель-призмы с сошлифованной вершиной, диафрагму 9, закрепленную на этой призме, экран 10.

1775702

В качестве газового лазера используется гелий-неоновый лазер ЛГН-126 с длиной волны А = 0,63 мкм и расходимостью излучения 1 мрад, а качестве микрообъектива— микрообъектив OM-23 с фокусным расстоя- 5 нием 4,3 мм; диаметр окружности, вписанной во фронтальную грань триппель-призмы, составляет 26 мм; диаметр окружности, вписанной в треугольную площадку, образованную сошлифовкой вер- 10 шины перпендикулярно оси симметрии триппель-призмы, составляет 2 мм. Размер пятна в фокусе микрообъектива составляет

50 мкм, а расходимость излучения после фокусировки — 30 мрад. Диаметр отвер- 15 стия диафрагмы составляет 200 мкм, Фокусное расстояние плоско-выпуклой линзы составляет 720,75 мм. диаметр 39 мм. Вторая триппель-призма перемещается вдоль оптической оси. Все расстояния измеряют- 20 ся с погрешностью 0,5 мм, При исследовании работы экспериментального макета линии для определения положений и числа промежуточных иэображений источника в линии в нее помещается тонкая нить. Высо- 25 кая точность измерения координаты второй триппель-призмы обеспечивается минимально возможным отверстием диафрагмы; при увеличении его диапазон допустимых положений второй триппель-призмы воэра- 30 стает.

Устройство работает следующим обра, зом. Излучение газового лазера фокусируется микрообъективом в точке, являющейся изображением вершины в триппель-призме 35 с сошлифованной вершиной, если смотреть со стороны фронтальной грани. Эатем излучение, войдя в линию, проходит последовательно первую триппель-призму, фокусирующую линзу, отражается от второй 40 триппель-призмы. снова проходит через фокусирующую линзу и т. д. Перед выходом из линии задержки после р проходов (q — нечетное) свет проходит через вторую триппель-призму, фокусируется в отверстии 45 диафрагмы, расположенном в точке, являющейся изображением вершины, и выйдя иэ оптической линии задержки, попадает на экран, причем многопроходная оптическая линия задержки может работать также и на 50 отражение при четном q, тогда выход и вход линии задержки совпадают.

Измерения были проведены для следующих комбинаций р и q: q =. 3, р - 1; q -5, р=

=1,2;q-;p=;q=9,р-;q=11 р- 55

2.3; q-13, р-2,3; q 15, р=2,4; q-17, р= 3, 4. Для сопоставления был проведен расчет по формуле (1), модифицированной для случая толщин триппель-призмы и линзы, сравнимых с Lz u f. Как показали реэультаты эксперимента и теоретические расчеты, значение средней систематической ошибки определения L2 составляет З,б мм и среднеквадратической случайной ошибки—

3,6 мм для всех 14 измерений, и, соответственно, 1,5 и 1,0 мм при отбрасывании 3 наиболее сильно отличающихся пар. Значения полученных ошибок сравнимы с точностью измерения линейных величин в эксперименте.

Для сравнения чувствительности к угловой разъюстировке оптических элементов предлагаемой многопроходной оптической линии задержки и устройства, выполненного по схеме прототипа, оценим максимально возможные углы разъюстировки их отражающих элементов.

Пренебрегая расходимостью излучения, оценим вначале предельно допустимую угловую разъюстировку зеркал устройствапрототипа на примере зеркала относительно двух взаимно перпендикулярных осей, характеризуемую углами. соответственно, Ла И Ь)3 (ось разворота по углу,8 полагаем перпендикулярной оптической оси системы и оси разворота по углу а).

При практическом применении устройства-прототипа в качестве многопроходной оптической линии задержки для эффективного использования выходного пучка необходимо точно знать его пространственное положение. Особенностью устройства-прототипа является работа на отражение, т. е. совмещение выходного и входного пучков; .

Поэтому будем полагать, что для съюстированного устройства эти пучки пространственно совмещаются. Однако уже при малой угловой раэъюстировке зеркал устройства возникает пропорциональное ей линейное смещение выходного пучка в по-перечном направлении по отношению ко входному. В частности, при максимальном диаметре входного пучка Domax =(D1 — Ог)/2 уже при любой сколь угодно малой разьюстировке выходной пучок начинает виньетироваться краями линз. Максимально допустимой разъюстировкой будем считать такую, при которой выходной пучок перестает пересекаться со входным, или при которой со входным пучком начинает пересекаться выходной пучок после другого числа отражений от первого зеркала. Соот.ветственно получим Ьап1= Do/2mF<;

Ьа а= (Dt + 02 — mDo)/2m(m — 1)F<. При увеличении Do разъюстировка Ла возрастает, а Лй г убывает. Ограничение на m получим из условия попадания всего пучка во вторую линзу после первого отражения от первого зеркала: (01+ 0г)/m = (О> — Dz +

1775702

>2Do)/4. Пользуясь этими соотношениями и ограничениями на Оо, получим выражения для оптимального диаметра входного пучка

О«я< для различных m и соответствующие им величины предельных угловых раэьюсти- 5 ровок: при ma(01 + Ог)/(01 — D2) имеем:

Аа1 < Лаг, Doopt = Dom1xt Ьа = Ла1=

=(01 — 02)/4гп Р1, Л)3 = (01 — Ог)/4(2п1 — 1)F1 =

=п1 Ла/(2m — 1), при(01+ Ог)/(01 — Ог) < m < (3(D1 + Ог)/(01 -02) имеем: Ьа 1 =Ьа г, 10

Doopt (D1 + D2)/7m < Domex Ла = (D1 +

+02)/4m F1, Ар (D1+ 02) /4m(2m — 1) F1-m Ла/(2m -1).

Рассмотрим практический пример. По- "5 ложим 01 = 5 см, D2 - 4 см, F1 = 10см. При m=

- 2 получим Ла = 12,5 мрад = 43, Ь 3= 8,3 мрад = 29 . при m = 5 — Ла 5 мрад-17, Ьф=2,8мрад-9,5 . при m =15 — h,a=1 мрад=

- 3,4, Ь j3 = 0,5 м рад = 1,8 .

Таким образом, при увеличении числа проходов допустимая угловая разьюстировка уменьшается. Учет расходимости излучения дополнительно снижает допустимую 25 угловую разьюстировку.

В предлагаемой многопроходной оптической линии задержки угловая разьюстировка уголковых отражателей вообще не вызывает линейного смещения выходного 30 луча независимо от числа проходов q.

Экспериментально получаем на макете многопроходной оптической линии задержки максимально допустимая угловая разь- 35 юстировка триппель-призмы составляет

310 мрад = 18О, При больших углах нарушается полное внутреннее отражение в триппель-призме, изготовленной из оптического стекла К-8 с показателем преломления и =- 40

=1,52. При увеличении показателя преломления и максимально допустимая угловая раэьюстировка возрастает по законудсА=

=arcsln(2(n — 1) ) — 3 ), и при n = (3 +

+3 )" у 2,125 достигается Aa = 90, Таким 45 образом, многопроходная оптическая линия задержки является на несколько порядков менее чувствительной к разьюстировке, чем техническое решение, выбранное в качестве прототипа.

Формула изобретения

1. Многопроходная оптическая линия задержки, содержащая источник излучения, первый и второй отражающие элементы, обращенные друг к другу зеркальными поверхностями, и установленную на оптической оси линии задержки между первым и вторым отражающими элементами положительную сферическую линзу на расстоянии

L1 и L2 о0т T нНи х х сcоoоoтTtвtеeтrсcтTвsеeнHнHоo, о т л и ч а ющ а я с я тем, что. с целью снижения чувстоительности к разьюстировке, первый и второй отражающие элементы выполнены в виде уголковых отражателей с увеличенными вершинами прямого трехгранного угла, источник излучения расположен перед первым уголковым отражателем на оптической оси линии задержки, причем фокусное расстояние положительной сферической линзы определяется формулой

f = 2 И 2(1-1+ L2+ (L1 + 2L1L2Cos(2p71:/q+

+ 22) /г) где q, р — не имеющие общих множителей натуральные ч 1сла;

q — натуральное число, большее единицы — число проходов линии задер>кки, определяющее время задержки z (L1 + L2)q/c; р — натуральное число, не превышающее целую часть числа (q — 1)/2 при с1 > 1 и р = 1 при q = 2, с — скорость света, 2, Оптическая линия задержки по и. 1, о т л и ч а и щ а я с я тем, что. с целью снижения потерь излучения, снижения чувствительности к разьюстировке с одновременным упрощением конструкции, уголковые отражатели выполнены в виде триппель-призмы на эффекте полного внутреннего отражения. положительная сферическая линза механически закреплена на одной из триппель-призм, источник излучения закреплен на усеченной вершине первой триппель-призмы, причем поверхности положительной сферической линзы, фронтальные грани и усеченные вершины триппель-призм просоетлены, а фокусное расстояние положительной сферической линзы определяется формулой

f L/sin (р >г/q), где 1 = L1 + L2.

1775702

Составитель А.Бражников

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор И.Муска

Редактор Т,Иванова

Заказ 4033 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

Многопроходная оптическая линия задержки Многопроходная оптическая линия задержки Многопроходная оптическая линия задержки Многопроходная оптическая линия задержки Многопроходная оптическая линия задержки Многопроходная оптическая линия задержки Многопроходная оптическая линия задержки Многопроходная оптическая линия задержки 

 

Похожие патенты:

Изобретение относится к элементам оптических вычислительных устройств

Изобретение относится к оптическому приборостроению и м.б

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в оптических приборах, работающих в широком спектральном диапазоне

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть применено для получения прямого изображения объекта наблюдения в визуальных угломерных

Изобретение относится к зеркально-линзовым объективам зрительных труб и может быть использовано в визуальных угломерных приборах и биноклях

Изобретение относится к зеркально-линзовым объективам зрительных труб и может быть использовано в визуальных угломерных приборах и биноклях

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано при разработке наблюдательных телескопических систем

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к области объективов крупногабаритных наземных и космических телескопов, и может быть использовано для дискретного изменения оптических параметров (фокусного расстояния, углового поля зрения)

Изобретение относится к оптико-электронной технике и может быть использовано в качестве объектива к приборам ночного видения в самых разнообразных условиях эксплуатации

Изобретение относится к оптикоэлектронной технике и может быть использовано в качестве объектива к малогабаритным приборам ночного видения, использующим бипланарные электронно - оптические преобразователи (ЭОП) с прямым переносом изображения

Изобретение относится к технике телевизионных видеодисплеев, в которых используется активная матрица жидких кристаллов совместно с проекционной оптикой

Изобретение относится к области лазерной локации, в частности к системам с удаленными КО для высокоточного наведения излучения в процессе юстировки

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для юстировки составных сферических зеркал телескопов в процессе их сборки и эксплуатации

Изобретение относится к области астрономических приборов и может быть использовано в серийных малогабаритных телескопах с диаметром действующего отверстия до 750 мм, служащих для исследования астроклимата, наблюдений Солнца, Луны и планет, а также для выполнения астрофотографических, спектральных, фотометрических и иных работ
Наверх