Устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор)

 

Изобретение может быть использовано для получения высокой равномерности освещенности объектов, например, при исследованиях воздействия оптического излучения на материалы, при лазерной обработке материалов, в оптоэлектронных системах записи или воспроизведения телевизионных изображений, в лазерной терапии. Устройство содержит расширяющую телескопическую систему и формирующий оптический элемент, который выполнен в виде двух выпуклых, образованных плоскими прямоугольными гранями поверхностей, развернутых одна относительно другой на 90^o, при этом число граней N на каждой поверхности нечетно, центральные грани параллельны. Размеры прямоугольной площадки, ширина грани формирующего оптического элемента, угол наклона j грани к плоскости центральной грани, показатель преломления материала n формирующего оптического элемента и заданное фокусное расстояние устройства f связаны между собой соотношениями, указанными в формуле изобретения. Размер апертуры телескопической системы D и число граней N формирующего оптического элемента связаны соотношением D=d•N. Обеспечивается повышение равномерности распределения интенсивности света на площадке прямоугольной формы в фокальной плоскости устройства с минимальными потерями энергии входного светового пучка. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к оптическим устройствам и может быть использовано в тех направлениях науки и техники, где требуется высокая степень равномерности освещенности объектов, подвергающихся облучению, например: в экспериментальной физике при исследованиях воздействия мощного оптического излучения на материалы; в технологии обработки материалов - при лазерной поверхностной обработке материалов (закалке, отжиге и т.п.), при лазерной фотолитографии и т.д.; в электронной технике - в оптоэлектронных системах записи или воспроизведения телевизионных изображений; в медицине - в прогрессирующей за последнее десятилетие лазерной терапии различных заболеваний, лазерной дерматологии и т.д.

Известна оптическая система [1] для выравнивания интенсивности по сечению лазерного пучка, содержащая телескопическую систему из последовательно установленных по ходу луча микрообъектива и объектива в виде отрицательной линзы из бесцветного и положительной из нейтрального стекла.

Однако в этой системе происходит выравнивание только гауссова распределения интенсивности по сечению лазерного пучка за счет поглощения значительной доли энергии лазерного излучения в линзе из нейтрального стекла и, кроме того, эта система не позволяет получить распределение в пучке в виде узкой равномерно освещенной полосы.

Известна также оптическая система, описание которой дано в [2]. Эта оптическая система предназначена для проекции с повышенной равномерностью освещенности прозрачного объекта. Помимо источника излучения со светящимся телом, здесь применены: коллектор, два одинаковых сферических растра, коллектив и конденсор, включенные последовательно.

Недостатком этой оптической системы, кроме сложности изготовления и юстировки, например, в инфракрасной области спектра, является то, что в плоскости объекта изображается первый растр, вследствие чего любые погрешности изготовления растра в целом и его отдельных линз, например свили, царапины, пыль и др., переносятся объективом в плоскость изображения, что приводит к существенному ухудшению качества изображения.

Кроме того, эта система не позволяет получить достаточно равномерное распределение интенсивности в пятне, поскольку она образована большим количеством сферических оптических поверхностей, вносящих искажения в итоговое распределение за счет аберраций.

Наиболее близким техническим решением, выбранным авторами за прототип, к предлагаемому изобретению является устройство для формирования оптического пучка [3], содержащее расширяющую телескопическую систему, два линзовых растра, второй из которых цилиндрический, за которым установлены два оптических элемента, выполненных в виде цилиндрических линз, развернутых одна относительно другой на 90^o, причем задняя фокальная плоскость линз сферического растра в сагиттальной плоскости совмещена с передней фокальной плоскостью первой цилиндрической линзы, а в меридиональной плоскости - с передней фокальной плоскостью линз цилиндрического растра.

Существенными недостатками этого устройства являются: 1. Высокая трудоемкость изготовления линзовых растров, связанная с высокоточным изготовлением и сборкой на оптическом контакте большого числа оптических элементов.

2. Сложность юстировки оптического устройства, особенно в инфракрасной области спектра, связанная с одновременным совмещением фокусов линз и нескольких фокальных плоскостей.

3. Необходимость полной переюстировки оптического устройства при работе в другом диапазоне длин волн лазерного излучения.

4. Наличие сферических аберраций.

5. Относительно высокий уровень потерь энергии излучения за счет большого количества оптических элементов.

С помощью предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в повышении равномерности распределения интенсивности света на площадке прямоугольной формы в фокальной плоскости устройства с минимальными потерями энергии входного светового пучка.

В соответствии с предлагаемым изобретением технический результат достигается тем, что в устройстве для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор), содержащем расширяющую телескопическую систему и формирующий оптический элемент, последний выполнен в виде двух выпуклых, образованных равными плоскими прямоугольными гранями поверхностей, развернутых друг относительно друга на 90^o, при этом число граней N на каждой поверхности нечетно, центральные грани параллельны, а заданные размеры прямоугольной площадки и ширина грани формирующего оптического элемента d, угол наклона j грани к плоскости центральной грани формирующего оптического элемента α_j, показатель преломления материала формирующего оптического элемента n для рабочей длины волны излучения и фокусное расстояние устройства f, исчисляемое от центра центральной грани, связаны между собой следующими соотношениями:
где (от центральной грани к периферии),
γ_j - угол наклона выходящего через центр j грани луча к оптической оси формирующего оптического элемента, γ₁ = 0;
Δf_j расстояние от проекции центра j грани на оптическую ось до центральной грани, Δf₁ = 0;
h_j - расстояние от оптической оси до центра j грани, h₁=0,
а размер апертуры телескопической системы D и число граней N формирующего оптического элемента связаны соотношением D=d•N.

Система нелинейных алгебраических рекуррентных уравнений решается численно с помощью специализированной программы RASTER1.ЕХЕ для произвольного (но разумного) набора исходных данных.

На чертеже приведена оптическая схема устройства.

Устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор) представляет собой последовательно расположенные на оптической оси светового пучка расширяющую телескопическую систему 1 и формирующий оптический элемент 2.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Излучаемый импульсным или частотно-импульсным лазером параллельный оптический пучок поступает на расширяющую телескопическую систему 1. Генерируемый лазером пучок может включать в себя до сорока интерферирующих между собой мод, что и создает существенные неоднородности интенсивности в сечении оптического пучка, имеющие какой-то характерный линейный размер r. Расширяющая телескопическая система 1 увеличивает характерный линейный размер неоднородности r по уровню 0,1 от максимальной интенсивности до заданного размера d и далее направляет излучение на формирующий оптический элемент 2, размеры которого не меньше диаметра выходящего из телескопа оптического пучка D. Проходя формирующий оптический элемент, световой пучок разбивается на множество, приблизительно равное произведению N•N, оптических пучков, при этом все пучки имеют одинаковые, определяемые конструкцией формирующего оптического элемента постоянные сечения и все они суммируются на единой площадке в фокальной плоскости этого элемента. При их статистическом суммировании происходит усреднение интенсивности оптического излучения по плоскости фокального пятна формирующего оптического элемента, приводящее к существенному повышению равномерности распределения интенсивности света в фокальном пятне.

В случае использования расширяющей телескопической системы зеркального типа обеспечивается и одновременная работа устройства в широком диапазоне длин волн излучения.

Из вышесказанного следует, что предложенное техническое решение имеет преимущества по сравнению с известным, а именно позволяет:
- повысить равномерность распределения интенсивности света на площадке прямоугольной формы в фокальной плоскости устройства с минимальными потерями энергии входного светового пучка;
- существенно упростить конструкцию путем минимизации количества оптических элементов, требуемых для изготовления устройства;
- существенно снизить трудоемкость изготовления и юстировки устройства;
- обеспечить возможность работы в широком диапазоне длин волн оптического излучения.

В настоящее время по материалам заявки разработаны чертежи, изготовлены и испытаны опытные образцы, подтвердившие работоспособность предлагаемого устройства.

Источники информации
1. Авторское свидетельство SU 986194 A (G 02 В 27/00).

2. Оптико-механическая промышленность. 1977, с.65-66.

3. Патент RU 2004008 (G 02 В 19/00, G 03 В 27/16) - прототип.

Формула изобретения

Устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров, содержащее расширяющую телескопическую систему и формирующий оптический элемент, отличающееся тем, что формирующий оптический элемент выполнен в виде двух выпуклых, образованных плоскими прямоугольными гранями поверхностей, развернутых одна относительно другой на 90^o, при этом число граней N на каждой поверхности нечетно, центральные грани параллельны, а заданные размеры прямоугольной площадки и ширина грани формирующего оптического элемента d, угол наклона j грани к плоскости центральной грани формирующего оптического элемента α_j, показатель преломления материала n формирующего оптического элемента для рабочей длины волны излучения и заданное фокусное расстояние устройства f связаны между собой следующими соотношениями:




где - от центральной грани к периферии;
γ_j - угол наклона выходящего через центр грани луча к оптической оси формирующего оптического элемента, γ₁=0;
Δf_j - расстояние от проекции центра j грани на оптическую ось до центральной грани, Δf₁ = 0;
h_j - расстояние от оптической оси до центра j грани, h₁=0,
а размер апертуры телескопической системы D и число граней N формирующего оптического элемента связаны соотношением D=d•N.

РИСУНКИ

Рисунок 1