Телескопическая система для фокусировки лазерного излучения

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, может быть использовано в оптико-механической промышленности при проектировании и изготовлении оптических систем для лазерных приборов. Телескопическая система включает последовательно расположенные окуляр, подвижный фокусирующий элемент и объектив, фокусирующий элемент с положительной оптической силой выполнен в виде плоскопараллельной пластины из плоско-выпуклой и плоско-вогнутой линз, соединенных неплоскими поверхностями, а объектив состоит из коррекционного элемента и силового блока с положительной оптической силой, причем коррекционный элемент выполнен в виде плоскопараллельной пластины, состоящей из двух стекол, имеющих разные показатели преломления, с асферической границей соединения. Технический результат - достижение большого увеличения телескопической системы с фокусировкой при малой длине по оси и улучшение качества коррекции сфокусированного излучения, за счет этого расширение дистанции, в пределах которой лазерное излучение фокусируется в пятно размером, близким к дифракционному пределу, уменьшение массогабаритных характеристик. 5 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к области проектирования оптических систем, и может быть использовано в оптико-механической промышленности при проектировании и изготовлении оптических систем для лазерных приборов.

Проблема получения коллимированного пучка монохроматического излучения в настоящее время не представляет особых проблем. Существует множество телескопических систем различных типов, позволяющих получать коллимированное излучение (см. М. М. Русинов. "Композиция оптических систем", Л., 1989, "Машиностроение"), в том числе телескопических систем галилеевского типа (см. К. К. Ключникова, В.В. Ключникова. Проектирование оптико-механических приборов", С-Пб. : "Политехника", 1995 г., стр. 197). Однако такие конструкции не позволяют получать большое увеличение, а также осуществлять фокусировку излучения на заданное расстояние.

В последнее время источники лазерного излучения все чаще используются в различных геодезических приборах (лазерных нивелирах, теодолитах, дальномерах и т.п.). Когда требуется создание оптических систем, позволяющих сфокусировать излучение, выходящее из лазерного источника с малой апертурой, как на близких, так и на дальних расстояниях, возникают большие трудности. Для получения пятен фокусировки малого размера, т.е. с малыми остаточными аберрациями, в оптической системе необходима хорошая коррекция волнового фронта проходящего излучения. В оптических системах для визуального наблюдения удаленных объектов обычно используются телескопические системы с фокусировкой со сложными объективами и окулярами, представляющими собой многокомпонентные оптические системы (см. М.И. Апенко, А.С. Дубовик. "Прикладная оптика", М., 1971, "Наука"; К.К. Ключникова, В.В. Ключникова. "Проектирование оптико-механических приборов", С-Пб.: "Политехника", 1995 г. ). Такие устройства (особенно в случае телескопических систем с большим увеличением) содержат большое количество преломляющих поверхностей, следовательно, возникает большое светорассеяние, светопотери при прохождении излучения, а также это приводит к сложному конструктивному выполнению устройства, ухудшающему его весогабаритные характеристики.

При фокусировке лазерного излучения на большие расстояния требуется особенно тщательная коррекция аберраций на протяжении всей рабочей дистанции. С помощью сферической оптики невозможно осуществить хорошую коррекцию без использования сложных многокомпонентных устройств. В большинстве устройств повышение качества коррекции основано на усложнении конструкций на базе сферической оптики (см. , например, БИ N 14, 1983 г., стр. 190, G 02 B 15/14 "Объектив с переменным фокусным расстоянием" авторов И.С. Стефановского, Н. А. Градобоевой, В.А. Овсянниковой - в последнем случае объектив содержит 4 компонента, четвертый из которых состоит из пяти линз). Использование в оптических системах элементов с асферическими коррекционными поверхностями существенно упрощает задачу, позволяя достигать более высоких характеристик оптических систем, в том числе, объективов фокусирующих систем или окуляров (см., например, патент США N 4033063 МКИ G 02 B 3/04, публикация 1977 г. или патент Японии N 275518, МПК G 02 B 25/00, G 02 B 13/18, публикация 1992 г.).

Известны устройства для формирования лазерного излучения, используемые совместно с оптическими нивелирами и теодолитами, такие, как лазерные насадки для зрительных труб (см. патент РФ N 92009418/28 "Устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора", 6 G 01 C 1/02, БИ N 17, 1996 г.). Эти устройства не позволяют получать малые пятна лазерного излучения, особенно на больших расстояниях. Такие устройства располагаются на выходе оптической системы геодезического прибора, поэтому оптическая система геодезического прибора не участвует в формировании лазерного излучения, а сами устройства для ввода лазерного излучения не снабжены устройствами фокусировки. Т.о. размер пятна лазерного излучения на любом расстоянии равен сумме размеров пятна на выходе устройства и величины "расплывания" пучка, определяемого расходимостью излучения, т.е. всегда будет больше размера выходной апертуры. Оптическая система, используемая в а. с. N 1714364 "Лазерная насадка для зрительной трубы геодезического прибора" (БИ N 7, с. 137, 1992 г.), автономно решает задачи формирования и фокусирования лазерного излучения в рабочем диапазоне расстояний 2-200 м. Однако недостаточная коррекция аберраций не позволяет сфокусировать излучение в пятно малых размеров особенно на расстояниях, больших 50 м. Возникающее из-за остаточной сферической аберрации расплывание пятна фокусировки приводит к снижению точности снятия отсчетов при работе с таким устройством.

Таким образом, в настоящее время существуют различные устройства для формирования лазерного излучения. Однако оптических систем, позволяющих сфокусировать лазерное излучение в пятно малых размеров на всей рабочей дистанции, т.е. от непосредственной близости к оптической системе до сотен метров, авторами не обнаружено. Кроме того, ни одна из известных авторам конструкций оптических систем, в том числе объективов телескопических систем, не содержит оптические коррекционные элементы, выполненные в виде компонентов с внутренней асферической границей соединения отдельных элементов.

Поэтому для оптики актуальным является создание новых конструкций оптических систем с высоким качеством коррекции аберраций для фокусировки лазерного излучения в пятно малого размера на протяженных трассах, позволяющих удовлетворять одновременно и самые высокие требования к оптическим характеристикам, и требования к компактности и массогабаритным характеристикам.

Наиболее близкими по техническому решению к предлагаемому являются телескопические системы с трехлинзовым объективом, используемые в промышленных нивелирах и теодолитах (см. "Нивелир Н-3", Изюмский приборостроительный завод им. Ф.Э. Дзержинского, Паспорт). Эти устройства позволяют осуществлять фокусировку на различные расстояния, имеют увеличение до 30^х, имеют хорошее разрешение при визуальном наблюдении с их помощью. Однако использование их для фокусировки лазерного излучения имеет ограниченный характер, поскольку получить фокусировку лазерного излучения в пятно с размерами, близкими к дифракционному пределу, на расстояния более 50 метров с их помощью нельзя, т. к. при больших расстояниях даже малые остаточные аберрации приводят к значительному расплыванию фокусируемого излучения. Пятно в области фокусировки становится большим, что приводит к снижению точности проведения измерений. Требуются дополнительные меры по уменьшению видимого размера пятна сфокусированного излучения, что можно сделать, например, при помощи оптических фильтров. Однако использование фильтров приводит к существенным потерям излучения, что в свою очередь также снижает дальность действия прибора. Поэтому максимальная дальность действия ограничивается 50-100 м.

Техническим результатом изобретения является достижение большого увеличения телескопической системы с фокусировкой при малой длине по оси и улучшение качества коррекции сфокусированного излучения, за счет этого расширение дистанции, в пределах которой лазерное излучение фокусируется в пятно размером, близким к дифракционному пределу.

Этот результат достигается тем, что в телескопической системе, включающей последовательно расположенные окуляр, подвижный фокусирующий элемент и объектив, фокусирующий элемент с положительной оптической силой выполнен в виде плоскопараллельной пластины из плоско-выпуклой и плоско-вогнутой линз, соединенных неплоскими поверхностями, а объектив состоит из коррекционного элемента и силового блока с положительной оптической силой, причем коррекционный элемент выполнен в виде плоскопараллельной пластины, состоящей из двух стекол, имеющих разные показатели преломления, с асферической границей соединения. Телескопическая система имеет минимальные весовые характеристики при выполнении окуляра в виде одиночной отрицательной линзы, а силового блока объектива в виде одиночной плоско-выпуклой линзы, обращенной плоской стороной к коррекционному элементу, при этом в коррекционном элементе асферическая поверхность границы соединения стекол имеет монотонный вид, причем показатель преломления компонента с выпуклой поверхностью в коррекционном элементе меньше, чем показатель преломления компонента с вогнутой поверхностью. Телескопическая система имеет наилучшую коррекцию аберраций и максимальную рабочую дистанцию при выполнении силового блока объектива из плоско-вогнутой линзы, обращенной плоской стороной к коррекционному элементу, и двояковыпуклой линзы, и при выполнении асферической поверхности коррекционного элемента в виде волнообразной поверхности, а также при выполнении в фокусирующем элементе границы соединения линз асферического вида. При использовании в телескопической системе окуляра, выполненного в виде положительного компонента, значительно повышается поле зрения системы.

На фиг. 1 представлена оптическая схема телескопической системы: фиг. 1a - телескопическая система с увеличением 50^х по пп.1, 2, где 1 - окуляр в виде двояковогнутой линзы, 2 - фокусирующий элемент со сферической поверхностью соединения линз, 3 - коррекционный элемент с монотонным профилем асферической поверхности, 4 - объектив в виде плоско-выпуклой линзы; фиг. 1б - телескопическая система с увеличением 20^х по пп. 1, 3-5, где 1 - окуляр выполнен в виде одиночной плоско-вогнутой линзы, 2 - фокусирующий элемент с асферической поверхностью соединения стекол, 3 - коррекционный элемент с волнообразным профилем асферической поверхности, 4 - силовой блок в виде двухлинзового объектива.

На фиг. 2 представлены размеры пятен фокусировки лазерного излучения в зависимости от расстояния: 0 - дифракционный размер сфокусированного пучка; аберрационные кружки рассеяния для телескопических систем: 1 - по пп.1, 2 формулы, 2 - для телескопической системы по пп.1, 3, 5 формулы, 1' - аберрационное пятно рассеяния при использовании в качестве фокусирующего элемента плоского элемента с внутренней асферической поверхностью для телескопической системы по пп. 1-2, 4 формулы, 2'- то же для телескопической системы по пп. 1, 3-5 формулы изобретения.

Устройство работает следующим образом. При освещении окуляра 1 лазерным источником излучение с параллельным ходом лучей после окуляра 1 (фиг. 1) попадает на фокусирующий элемент 2, затем на коррекционный элемент 3 и силовой блок 4 объектива. Перемещением фокусирующего элемента 2 вдоль оптической оси осуществляется фокусировка излучения на заданные расстояния. Для уменьшения габаритов телескопической системы использованы светосильный объектив и окуляр. Для полного устранения сферической аберрации объектива применен коррекционный элемент с асферической поверхностью. Как показали проведенные расчетные исследования, применение подвижного фокусирующего элемента, выполненного в виде плоскопараллельной пластины из двух стекол, имеющего малую оптическую силу, практически не изменяет аберрационных свойств системы при перемещении его вдоль оптической оси. При использовании в качестве фокусирующего элемента 2 элемента с асферической границей соединения стекол еще больше повышается качество коррекции аберраций. При этом в ближнем положении фокусировки полная коррекция осуществляется за счет введения асферической поверхности в фокусирующий элемент, в дальнем положении - за счет асферической поверхности корректора объектива.

Расчетные исследования показали, что полную коррекцию сферической аберрации в оптических системах со сферическими поверхностями удается осуществить только в двух-трех точках. Поэтому с ростом дистанции фокусировки даже малая остаточная сферическая аберрация приводит к значительному росту пятна фокусировки, ограничивая тем самым дальность действия фокусирующей системы. Применение коррекционных элементов с асферическими поверхностями позволяет полностью компенсировать аберрацию на всей апертуре и получить фокусировку в пятно размером, близким к дифракционному, на всей протяженности трассы, увеличивая при этом рабочую дистанцию. Рабочая дистанция для заявляемого устройства составляет величину от 0,4 до 350 м.

Как известно, системы галилеевского типа, т.е. использующие в качестве окуляра оптические системы с отрицательной оптической силой, позволяют получить минимальные габариты телескопических формирующих систем, поэтому использование в конструкции окуляров из отдельных отрицательных линз с малым фокусным расстоянием позволяет получить формирующую систему с минимальными размерами. Но такие системы имеют малое поле зрения. Однако при формировании лазерного излучения чаще всего требуются фокусировка излучения вдоль оптической оси и минимальные габариты системы, а наличие большого поля зрения не требуется.

Использование в качестве окуляра оптической системы с положительной оптической силой несколько удлиняет телескопическую систему, но поскольку система имеет большое увеличение (окуляр имеет короткий фокус, в М раз меньший фокусного расстояния объектива, где M - увеличение телескопической системы, т. е. длина телескопической системы в большей степени определяется фокусным расстоянием объектива), общая длина телескопической системы увеличится не намного. При этом значительно увеличится поле зрения телескопической системы. Поэтому в случае, когда требуется повышенное поле зрения формирующей системы, целесообразным является выполнение окуляра в виде короткофокусного положительного компонента.

На фиг. 2 приведены расчетные данные размеров пятен фокусировки монохроматического излучения на различные расстояния: аберрационные кружки рассеяния для различных модификаций телескопических систем: 1 - по пп.1, 2 формулы, 2 - для телескопической по пп.1, 3, 5 формулы, 1' - аберрационное пятно рассеяния при использовании в качестве фокусирующего элемента плоского элемента с внутренней асферической поверхностью для телескопической системы по пп. 1-2, 4 формулы, 2' - то же для телескопической системы по пп.1, 3-5 формулы изобретения; для сравнения приведен дифракционный размер сфокусированного пучка - кривая 0.

Как видно из фиг. 2, на близких расстояниях (до 25 м) размер сфокусированного пятна излучения определяется аберрационными свойствами оптической системы, аберрационный кружок рассеяния ≤ 1 мм, с ростом расстояния вплоть до 350 м дифракционная составляющая становится превалирующей и размер кружка рассеяния стремится к дифракционному пределу. Из этих же графиков видно, что наилучшими фокусирующими свойствами обладают оптические системы с двумя асферическими поверхностями, однако даже если использовать одну асферическую поверхность, можно получить высокое качество коррекции сферической аберрации не только в одной плоскости, а также на значительной дистанции.

Введение в известную совокупность таких отличительных свойств, как использование в устройстве объектива коррекционного элемента с внутренней асферической поверхностью соединения стекол для коррекции сферической аберрации, авторами не обнаружено, также неизвестно использование в качестве фокусирующей линзы элемента с внутренней асферической поверхностью. К тому же вообще неизвестно применение ни в каких оптических системах компонентов с внутренней асферической поверхностью ни в нашей стране, ни за рубежом. На основании вышеизложенного можно говорить о высоком изобретательском уровне.

Предложенное устройство было реализовано при создании телескопической системы с фокусировкой для лазерного нивелира, в котором в качестве источника излучения использовался лазерный диодный модуль с коллимированным излучением на выходе с длиной волны 0,65 мкм. Были изготовлены телескопические системы с увеличением 20 и 50^х, длина устройства по оси в обоих случаях была около 95 мм, выходной диаметр объектива 35 мм, фокусное расстояние около 95 мм при дальнем положении фокусировки, относительное отверстие объектива 1: 2,6.

В случае телескопической системы с увеличением 20^х в качестве окуляра использовалась одиночная плоско-вогнутая линза из высокопреломляющего стекла ТФ10 толщиной 0,8 мм (см. фиг. 1б), при увеличении 50^х окуляром служила симметричная двояковогнутая линза из того же стекла и той же толщины (фиг. 1a). Фокусное расстояние окуляров было 3,86 мм и 1,8 мм соответственно. В качестве фокусирующей линзы использовался склеенный компонент из стекол К8 и ТФ5 с плоскими наружными поверхностями и сферической поверхностью склейки радиусом 17,94 мм. Корректор для склеенного двухкомпонентного объектива по пп. 1, 3 формулы был изготовлен из стекол ЛК5 и ЛК7 с разницей показателей преломления 0,0047 на рабочей длине волны и имел сложный волнообразный профиль коррекционной поверхности. Корректор для объектива в виде плоско-выпуклой одиночной линзы по п.п.1,2 формулы изготавливался из стекол К8 и ТБФ4 с разницей показателей преломления 0,26 и имел монотонный профиль коррекционной поверхности.

Линзы со сферическими поверхностями изготавливались по традиционной технологии. Корректоры изготавливались методом спекания и горячего формообразования, разработанным на предприятии НИИКИОЭП.

Результаты проведенных исследований изготовленных телескопических систем показали ее хорошие фокусирующие свойства. В эксперименте излучение фокусировалось от 1 до 150 м. При этом пятно фокусировки имело выраженную дифракционную структуру со слабым ореолом малого диаметра. На близких расстояниях центральный яркий керн пятна имел размер менее 0,5 мм со слабым ореолом ≤ 2 мм (расчетное значение 1,2 мм), при удалении на расстояния, большие 30 м, размер пятна фокусировки приближался к дифракционному, причем дифракционное распределение в пятне сохранялось с ростом расстояния.

Прототип не позволяет достичь такого результата.

Из вышесказанного следует, что изобретение имеет преимущества перед прототипом. Предложенное устройство, в отличие от прототипа, имеет высокое качество коррекции сферической аберрации при различных положениях фокусирующего элемента, позволяет получать фокусировку пучка излучения, выходящего из лазерного диода с большой угловой расходимостью, в пятно малого размера на протяжении всей трассы фокусировки, от близкого расстояния, около 0,5 м, до больших расстояний, до 350 м.

Заявляемое устройство имеет широкие возможности для организации серийного производства, не требует особых материалов, особого оборудования, легко позволяет перейти на автоматизированные линии изготовления.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что применение такого устройства в народном хозяйстве перспективно в экономическом и научном плане.

Формула изобретения

1. Телескопическая система для фокусировки лазерного излучения, включающая последовательно расположенные окуляр, подвижный фокусирующий элемент и объектив, отличающаяся тем, что фокусирующий элемент с положительной оптической силой выполнен в виде плоскопараллельной пластины из плоско-выпуклой и плоско-вогнутой линз, соединенных неплоскими поверхностями, а объектив состоит из коррекционного элемента и силового блока с положительной оптической силой, причем коррекционный элемент выполнен в виде плоскопараллельной пластины, состоящей из двух стекол, имеющих разные показатели преломления, с асферической границей соединения.

2. Телескопическая система по п.1, отличающаяся тем, что окуляр выполнен в виде одиночной отрицательной линзы, силовой блок объектива выполнен в виде одиночной плоско-выпуклой линзы, обращенной плоской стороной к коррекционному элементу, а асферическая поверхность коррекционного элемента имеет монотонный вид, причем показатель преломления компонента с выпуклой поверхностью в коррекционном элементе меньше, чем показатель преломления компонента с вогнутой поверхностью.

3. Телескопическая система по п.1, отличающаяся тем, что силовой блок объектива выполнен из плоско-вогнутой линзы, обращенной плоской стороной к коррекционному элементу, и двояковыпуклой линзы, а асферическая поверхность коррекционного элемента имеет волнообразный профиль.

4. Телескопическая система по п.1, отличающаяся тем, что в фокусирующем элементе граница соединения стекол имеет асферический профиль.

5. Телескопическая система по п.1 или 3, отличающаяся тем, что окуляр выполнен в виде одиночной отрицательной линзы из высокопреломляющего стекла.

6. Телескопическая система по п.1 или 3, отличающаяся тем, что окуляр выполнен в виде компонента с положительной оптической силой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2