CZ2023238A3 - Zrcadlo pro zaostření elektromagnetického záření, způsob měření elektromagnetického záření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál a zařízení pro měření elektromagnetického záření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál - Google Patents

Abstract

Podstata zrcadla pro zaostření elektromagnetického záření spočívá v tom, že na nosné konstrukci je ustavena odrazná zrcadlová plocha (6), která je vytvořena rotací eliptických oblouků, přičemž první ohniska všech eliptických oblouků leží na jedné linii a druhá ohniska všech eliptických oblouků leží v jednom pevném bodě, přičemž každý eliptický oblouk je část elipsy, která je popsána v kartézském souřadném systému (x, y, z) následující rovnicí: kde z je nezávislé na x a yc1(z) je první ohnisko elips, b je vedlejší poloosa elipsy a každá elipsa má stejnou polohu druhého ohniska v bodu (x =- c, y = 0, z = 0) a každá elipsa je pootočena kolem přímky (x =- c, y, z = 0), kde c je vzdálenost ohniska od středu elipsy a odpovídá ohniskové vzdálenosti elipsy umístěné v rovině {x, y, 0} přičemž první ohnisko c1(z) všech pootočených elips je umístěno na ohniskové linii kolmé k rovině {x, y, 0}. Řešení se dále týkázpůsobu měření elektromagnetického záření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál. Řešení se také týkázařízení pro měření elektromagnetického záření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál, jehož podstata spočívá v tom, že k tělesu zrcadla (7), na jehož nosné konstrukci je ustavena shora určená odrazná zrcadlová plocha (6), je přiřazen minimálně jeden detektor (13) elektromagnetického záření, na který navazuje záznamové zařízení (20).

Description

Zrcadlo pro zaostření elektromagnetického záření, způsob měření elektromagnetického záření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál a zařízení pro měření elektromagnetického záření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál

Oblast techniky

Předkládaný vynález se obecně týká optických prvků, konkrétně návrhu eliptických zrcadel pro zaostřování elektromagnetického záření z bodového zdroje do obrazu linie na projekční ploše a inverznímu zaostřování elektromagnetického záření z čárového zdroje do bodu a způsobu měření elektromagnetického záření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál a zařízení pro měření elektromagnetického záření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál.

Dosavadní stav techniky

Existuje několik technik pro vytváření obrazu rovné linie zaostřením paralelního laserového svazku. Je to například Powellova čočka podle US 4826299, (I. Powell) nebo skener s polygonálními zrcadly podle US 9041762 B2, (H. Bai, R. A. Hajjar) nebo telecentrickými zrcadly podle EP 2691803 B1, (Lee K. Galbraith). Nevýhoda uvedených řešení je v nutnosti použití paralelního laserového paprsku.

Pro zaostření laserového paprsku do zakřivené čáry lze použít galvanometrické skenery podle J. Montagu, Galvanometric and resonant scanners, NY, 2004, str. 417-476. Nevýhoda tohoto řešení je v použití pohyblivých mechanických částí, které vyžadují motory pro realizaci pohybu, elektrické napájení, řídící elektroniku a řídicí software a obsluhu s vyšší kvalifikací.

Použít lze také difrakční optiku podle Wide-fan-angle Flat-top Linear Laser Beam Generated by Long-pitch Diffraction Gratings, Current Optics and Photonics, sv. 5, č. 5, říjen 2021, s. 500-505 (M. H. Lee et al.), její omezení je v použití pouze pro úzký pás definovaných vlnových délek. Obě dvě výše uvedená řešení vyžadují též paralelní laserový paprsek.

Pro vytvoření čárového obrazu z bodového zdroje, který má sférické rozložení záření, lze použít cylindrické čočky podle: JP H0557475 A (N. Yukio, U. Yuji) nebo Flat-Top Line-Shaped Beam Shaping and System Design. Sensors 2022, 22, 4199. (C. Liu, Y. Guo). Toto řešení je omezeno spektrální propustností použitého materiálu cylindrických čoček, další nevýhoda je geometrická velikost takového řešení, neboť čočky s velkou numerickou aperturou mají rozměry v desítkách centimetrů.

Záření emitované dlouhým čárovým zdrojem lze zaostřit do bodu inverzní aplikací cylindrické čočky. Toto řešení je omezeno spektrální propustností použitého materiálu cylindrických čoček a potřebou velké numerické apertury čočky, které zajistí jen geometricky rozměrné cylindrické čočky. Obzvláště obtížné je realizovat zaostření infračerveného tepelného záření, které je vyzařováno z dlouhých čárových zdrojů tepla, například čárový zdroj tepla vytvořený na povrchu materiálu laserem ve spojení se skenovací optikou.

Další řešení pro vytváření čárových obrazů z bodového zdroje je možné realizovat kombinací několika zrcadel Flat-Top Line-Shaped Beam Shaping and System Design. Senzory 2022, 22, 4199 (W.-H. Lee, W. Lee). V tomto případě se záření ze zdroje odráží od parabolického zrcadla a poté se jako rovnoběžný paprsek odráží od válcového zrcadla a zaostřuje se na povrch v čárové formě. Nevýhoda takového řešení je v nutnosti použití několika zrcadel, která zabírají velký pracovní prostor.

- 1 CZ 2023 - 238 A3

Dalším z možných řešení je použití zrcadla složeného z několika menších koaxiálních kuželových zrcadel, která jsou umístěna tak, že jednotlivé bodové obrazy zrcadel vytvoří čáru podle US 5285320 A (G. Hohberg). Omezení tohoto řešení je v koaxiálním rozložení vytvořené linie, která není spojitá a není u ní přímá funkční závislost mezi zakřivením zrcadla a tvarem odraženého světelného bodu.

Způsob měření elektromagnetického záření při použití zrcadel a čoček je uveden v patentové přihlášce WO 2022/218451 Al (J. Martan, D. Moskal, M. Honner, C. B. Beltrami, V. Lang). Měřeno je elektromagnetické záření vyzařované z jednoho bodu, pro měření elektromagnetického záření vyzařovaného z více bodů je nutné použít skenovací optiku, která je založena na mechanickém polohování zrcadel. Jakýkoliv mechanický pohyblivý systém, má omezení rychlosti reakce, vyžaduje řídící elektroniku, software a kvalifikovanou obsluhu. Bývá též častým zdrojem poruch v porovnání se ostatními částmi měřicího zařízení. Jiná možnost detekce elektromagnetického záření z velkých ploch je v použití CCD kamer, v případě detekce záření v infračerveném spektru vlnových délek se musí použít kamera infračervené vlnové délky podle US 20120183915 Al (N. Merry, S. Moffatt, K. Patalay, D. K. Carlson). Omezení použití kamer je v malé rychlosti zaznamenávání, maximálně ve stovkách kHz.

Zařízení pro měření elektromagnetického záření jsou řešeny ve formě komplexní uzavřené sestavy, například mikroskop, což je plnohodnotně použitelné zařízení bez nutnosti dalších členů, nebo ve formě otevřené sestavy, kde lze vyjímat a nahrazovat některé prvky, například spektrometr, nebo ve formě neúplné sestavy, kdy je nutné doplnit zejména optické prvky zajišťující zaostření elektromagnetického záření na detektor. Většina uváděných zařízení je osazena více jak jedním optickým prvkem, jedná-li se navíc o čočky a hranoly, zesilují se tak jednotlivé optické chyby daných prvků, při jednoznačném omezení procházejících vlnových délek, což je dáno materiálem uváděných čoček a hranolů. Jsou-li zařízení osazená zrcadly, jedná se většinou o soustavu zrcadel, která pro zajištění snímání elektromagnetického záření z linie musí být pohyblivá, nutnou součástí zařízení jsou motory pohybující se zrcadly, řídící elektronické obvody motorů a software pro ovládání celé sestavy. Elektromagnetické záření je zrcadly většinou zaostřeno jen do jednoho bodu, to neumožňuje měření více detektory v jeden okamžik.

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je poskytnout zrcadlo, které může zaostřovat záření emitované z čárového zdroje na bodový obraz a také může rozšířit sférický paprsek bodového zdroje do čárového obrazu. Zrcadlo podle vynálezu řeší oba tyto úkoly, tedy záření z bodového sférického zdroje odráží do čárového obrazu a inverzně soustředí záření z čárového zdroje do bodu nebo do pole bodů.

Vynález řeší problémy dosavadního stavu techniky spojené se zaostřením záření z bodového zdroje na čárový obraz přímky nebo čárový obraz křivky minimálně jedním speciálním zrcadlem a také inverzní úlohu, kdy záření z čárového zdroje je zaostřeno na bod pomocí minimálně jednoho zrcadla.

Podstatou zrcadla pro zaostření elektromagnetického záření je tedy to, že na nosné konstrukci je ustavena odrazná zrcadlová plocha, která je vytvořena rotací eliptických oblouků, přičemž první ohniska všech eliptických oblouků leží na jedné linii a druhá ohniska všech eliptických oblouků leží v jednom pevném bodě, přičemž každý eliptický oblouk je část elipsy, která je popsána v kartézském souřadném systému (x, y, z) následující rovnicí:

y²

x² \ b² + GíX) /

-2 CZ 2023 - 238 A3 kde z je nezávislé na x ay, Cj(z) je první ohnisko elips, b je vedlejší poloosa elipsy a každá elipsa má stejnou polohu druhého ohniska v bodu (x --c, y-0, z-G) a každá elipsa je pootočena kolem rotační přímky 4 (x - - c, y, z - G), kde c je vzdálenost ohniska od středu elipsy a odpovídá ohniskové vzdálenosti elipsy umístěné v rovině {x, y, 0} přičemž první ohnisko afz) všech pootočených elips je umístěno na ohniskové linii kolmé k rovině {x, y, 0}.

Linie prvních ohnisek všech eliptických oblouků v kartézském souřadném systému je výhodně přímka (x - c, y - 0, z) nebo křivka, která jev kartézském souřadném systému popsána dvěma nezávislýma funkcemi (x -fi(z), y =/ζ(ζ), z).

Odrazný zrcadlový povrch je výhodně vyroben z vysoce odrazného kovu, například hliníku, mědi nebo zlata nebo z dielektrického materiálu, například oxidu křemičitého nebo silikátového skla nebo keramiky.

Podstata způsobu měření intenzity elektromagnetického záření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál podle vynálezu spočívá v tom, že odraznou zrcadlovou plochou, která je vytvořena rotací eliptických oblouků, přičemž první ohniska všech eliptických oblouků leží na jedné linii a druhá ohniska všech eliptických oblouků leží v jednom pevném bodě, přičemž každý eliptický oblouk je část elipsy, která je popsána v kartézském souřadném systému (x, y, z) následující rovnicí:

(x² \ i------b² 4- c^z j²) kde z je nezávislé na x ay, Ci(z) je první ohnisko elips, b je vedlejší poloosa elipsy a každá elipsa má stejnou polohu druhého ohniska v bodu (x --c, y-0, z-G) a každá elipsa je pootočena kolem přímky (x - - c, y, z - G), kde c je vzdálenost ohniska od středu elipsy a odpovídá ohniskové vzdálenosti elipsy umístěné v rovině {x, y, 0} přičemž první ohnisko afz) všech pootočených elips je umístěno na ohniskové linii kolmé k rovině {x, y, 0} se zaostří záření z čárového zdroje nejméně do jednoho bodu, v němž se intenzita elektromagnetického záření 2jišťuje, a převádí se na elektrický signál, z něhož se určuje průběh elektromagnetického záření v čase a prostoru.

Elektromagnetickým zářením je tepelné záření v rozsahu vlnových délek 0,1 pm až 14 pm.

Průběh pulzů elektromagnetického záření se určuje v časových délkách v intervalu od femtosekund až do milisekund.

Měřené elektromagnetické záření se zaostřuje na několik detektorů, z nichž alespoň jeden detektor zaznamenává intenzito elektromagnetického záření v krátkých časových intervalech, v rozsahu délek času od femtosekund až do nanosekund a alespoň jeden detektor zaznamenává intenzito elektromagnetického záření v delších časových intervalech v rozsahu nanosekund až jednotek sekund.

Podstatou zařízení k měření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál je to, že k tělesu zrcadla, na jehož nosné konstrukci je ustavena odrazná zrcadlová plocha, která je vytvořena rotací eliptických oblouků, přičemž první ohniska všech eliptických oblouků leží na jedné linii a druhá ohniska všech eliptických oblouků leží v jednom pevném bodě, přičemž každý eliptický oblouk je část elipsy, která je popsána v kartézském souřadném systému (x, y, z) následující rovnicí:

(x² \ b² + q(z)² )

-3 CZ 2023 - 238 A3 kde z je nezávislé na x a y, ci(z) je první ohnisko elips, b je vedlejší poloosa elipsy a každá elipsa má stejnou polohu druhého ohniska v bodu (x = -c, y = 0, z = 0) a každá elipsa je pootočena kolem přímky(x = - c, y, z = 0), kde c je vzdálenost ohniska od středu elipsy a odpovídá ohniskové vzdálenosti elipsy umístěné v rovině {x, y, 0} přičemž první ohnisko ci(z) všech pootočených elips je umístěno na ohniskové linii kolmé k rovině {x, y, 0}, je přiřazen minimálně jeden detektor elektromagnetického záření, na který navazuje záznamové zařízení.

Mezi nejméně jedním detektorem a záznamovým zařízením je výhodně uložen zesilovač a před záznamovým zařízením je výhodně ustaven analogově-digitální převodník, přičemž k záznamovému zařízení nebo přímo k analogově-digitálnímu převodníku je přiřazeno zobrazovací zařízení.

Hlavní výhoda vynálezu spočívá v zaostření záření v čárový obraz z bodového nebo sférického zdroje záření, nikoli však pouze z laserového zdroje, přičemž zrcadlo funguje i v inverzním režimu, kdy zaostřuje záření z čárového zdroje minimálně do jednoho bodu. Zrcadlo podle vynálezu řeší oba úkoly: záření z bodového sférického zdroje se odráží do čárového obrazu a inverzně soustředí záření z čárového zdroje do bodu nebo do pole bodů.

Další výhoda vynálezu spočívá v zaostření záření z bodového nebo sférického zdroje v čárový obraz bez pohyblivých mechanických částí, zdroje energie, řídících členů, motorů a software. Není potřeba obsluha vyškolená pro ovládání skenovacích systémů.

Zrcadla podle vynálezu pracují v široké spektrální charakteristice zaostřovaného světla díky odrazovému principu zaostřování ve srovnání s refrakčními nebo difrakčními optickými prvky, jako jsou čočky, refrakční hranol a difrakční mřížky.

Zrcadlo podle vynálezu vykazuje tenkou konstrukci odrazové plochy, která zabírá malý pracovní prostor ve srovnání s jinými optickými prvky se stejnou numerickou aperturou.

Zrcadlo podle vynálezu vykazuje jednodílnou konstrukci, takže není potřeba používat další rámy nebo objímky, ale lze jej konstruovat přímo s montážními prvky.

Zrcadlo podle vynálezu umožňuje vytvořit tvar odrazné plochy tak, aby záření z bodového nebo sférického zdroje bylo zaostřeno do zvoleného čárového obrazu, bez nutnosti použití většího počtu samostatných zrcadel.

Hlavní výhoda způsobu měření s vynalezeným zrcadlem je v možnosti použití jedné optické cesty, pro spektrum vlnových délek od ultrafialových, přes viditelné spektrum až po infračervené.

Další přínos je v jednoduchosti sestavy optické cesty zařízení podle vynálezu, neboť ta se skládá jen z jednoho vynalezeného zrcadla a detektoru či detektorů.

Výhoda způsobu měření podle vynálezu je v tom, že na detektor je zaostřená celá linie, jejíž délka je určena šířkou zrcadla podle vynálezu.

Hlavní výhoda zařízení pro měření intenzity elektromagnetického záření je v kompaktním a robustním provedení zařízení, neboť optickou cestu lze realizovat minimálně jedním optickým prvkem, tedy zrcadlem podle vynálezu.

Další výhoda zařízení podle vynálezu spočívá v absenci mechanicky pohyblivých částí a v možnosti osazení zařízení několika detektory pro současné měření intenzity signálu například v různých intervalech elektromagnetického spektra.

- 4 CZ 2023 - 238 A3

Objasnění výkresů

Příkladné provedení vynálezu je znázorněno na přiložených obrázcích, kde obr. 1 znázorňuje schematicky zaostření dvou paprsků do bodu C2 s pomocí jednoho oblouku elipsy, přičemž zdroj záření je umístěn do bodu ci, obr. 2 znázorňuje vytváření odrazné zrcadlové plochy pomocí rotace oblouků elips proti směru hodinových ručiček kolem rotační přímky, obr. 3 znázorňuje vytváření odrazné zrcadlové plochy pomocí rotace oblouků elips v obou směrech hodinových ručiček kolem rotační přímky, obr. 4 znázorňuje vytváření části odrazné zrcadlové plochy ohraničené body ABKD v tělese multi-eliptického zrcadla odstraněním jeho části dle odrazné zrcadlové plochy, obr. 5 znázorňuje zaostření dvou paprsků od několika zdrojů záření na bod druhého ohniska c2 pomocí multi-eliptického zrcadla, obr. 6 znázorňuje zaostření dvou paprsků od několika zdrojů záření na druhou ohniskovou přímku pomocí multi-eliptického zrcadla, obr. 7 znázorňuje zaostření infračerveného tepelného záření na detektor během laserového skenování podél laserové čáry, obr. 8 znázorňuje zaostření infračerveného tepelného záření od několika zdrojů záření na více detektorů během laserového skenování podél laserové čáry, obr. 9 znázorňuje současné zaostření infračerveného tepelného záření od jednoho zdroje záření na více detektorů během laserového skenování podél laserové čáry, obr. 10 znázorňuje vytvoření čárového obrazu ze světelného zdroje, který je umístěn na druhé ohniskové přímce, obr. 11 znázorňuje vytváření odrazné zrcadlové plochy pomoci rotace oblouků elips v obou směrech hodinových ručiček kolem rotační přímky s posunem prvního ohniska podél zakřivené čáry, obr. 12 znázorňuje časový průběh intenzity detekovaného infračerveného tepelného záření během laserového skenování, obr. 13 znázorňuje praktickou realizaci multi-eliptického zrcadla z čelního pohledu, obr. 14 znázorňuje praktickou realizaci multi-eliptického zrcadla ze zadního pohledu, obr. 15 znázorňuje rozložení intenzity záření podél první ohniskové přímky při umístění bodového zdroje záření ve druhém ohnisku multi-eliptického zrcadla a obr. 16 znázorňuje schematické uspořádání zařízení pro detekci intenzity elektromagnetického záření pomocí multi-eliptického zrcadla.

Příklady uskutečnění vynálezu

Zrcadlo podle vynálezu, které řeší výše uvedené cíle, vychází z vlastností elipsy. Na obr. 1 je ukázáno typické zaostření elektromagnetického záření obloukem elipsy 1 v rovině {x, y, z = 0} s vedlejší poloosou elipsy b a dvěma ohnisky elipsy ci a C2. Bodový zdroj elektromagnetického záření je umístěn v prvním ohnisku ci elipsy. Paprsky 2, které jsou emitovány bodovým zdrojem umístěným v prvním ohnisku ci elipsy, jsou odráženy od povrchu oblouku elipsy 1 a poté zaostřeny na druhé ohnisko c2 elipsy. To platí pro všechny paprsky, které jsou emitovány ze zdrojového bodu umístěného v prvním ohnisku ci elipsy, a které jsou emitovány ve směru k oblouku elipsy 1 v rovině {x, y, z = 0} - všechny paprsky budou zaměřeny na bod c2.

Otáčením oblouku elipsy proti směru hodinových ručiček, jak je ukázáno na obr. 2, kolem rotační přímky 4 (x = - c, y, z = 0) pro rotaci elipsy s posunutím prvního ohniska ci(z) elipsy podél první ohniskové přímky 5 (x = c, y = 0, z > 0), první ohnisko ci(z) je tedy funkcí proměnné z a zvětšuje se při posunu ve směru Z-osy. Posunutím prvního ohniska ci(z) elipsy ve směru z se zvětší vzdálenost mezi body ci(z) a c2. Výsledný bod - první ohnisko ci(z) upravené elipsy ale stále leží na první ohniskové přímce 5. Výsledná plocha je tak tvořena množstvím elips s proměnnou ohniskovou vzdáleností. Takováto multi-eliptická struktura má řadu ohnisek (první ohniska ci(z) elips) podél jedné přímky na jedné straně a pevné ohnisko (druhá ohniska c2 elips) na druhé straně. Plocha vytvořená multi-eliptickou strukturou funguje tedy jako zaostřovací zrcadlo. Elektromagnetické záření, které vyzařuje v rovině oblouku elipsy 1 z bodu ležícího na první ohniskové přímce 5 (x = c, y = 0, z > 0) je odrazem od multi-eliptického zrcadla zaostřeno do druhého ohniska elipsy c2 (x = c, y = 0, z = 0).

- 5 CZ 2023 - 238 A3

Otáčení oblouku elipsy lze zrealizovat proti a po směru hodinových ručiček, jak je ukázáno na obr. 3, kolem rotační přímky 4 (x = -c, y, z = 0) pro rotaci elipsy s posunutím prvního ohniska ci(z) elipsy podél první ohniskové přímky 5 (x = c, y = 0, z). Vytvořena je širší multi-eliptická struktura ve srovnání s obr. 2, která tvoří odraznou zrcadlovou plochu 6, a která má řadu prvních ohnisek ci(z) elips podél první ohniskové přímky 5 na jedné straně a jedno druhé ohnisko C2 složené z druhých ohnisek c2 všech elips, která jsou vzájemně v zákrytu, na druhé straně. Ve stejné logice jako v případě multi-eliptického zrcadla znázorněného na obr. 2 širší multi-eliptické zrcadlo soustředí elektromagnetické záření vyzařované z bodů na první ohniskové přímce 5 (x = c, y = 0, z) do bodu druhého ohniska c2 elips (x = - c, y = 0, z = 0) na druhé straně zrcadla. Tímto způsobem je vyřešen požadavek zaostření elektromagnetického záření z lineárního zdroje do jednoho zaostřovacího bodu.

Vytvoření optického prvku s multi-eliptickým odrazným zrcadlovým povrchem je znázorněno na obr. 4. Z tělesa zrcadla 7 je odříznuta část vytvořenou odraznou zrcadlovou plochou 6, tato část je vymezena body ABKD. Rozměry tělesa zrcadla 7 a části odrazné zrcadlové plochy 6 ohraničené body ABKD vychází z konkrétních potřeb a konkrétního použití vytvářeného zrcadla. Vzdálenost oblasti řezu od osy y závisí na tom, zda je třeba vytvořit mimoosé zrcadlo nebo zrcadlo na ose.

Linie prvních ohnisek všech eliptických oblouků v kartézském souřadném systému je výhodně přímka (x = c, y = 0, z) nebo křivka, která je v kartézském souřadném systému popsána dvěma nezávislýma funkcemi (x =fi (z), y = /2 (z), z). To je zobrazeno na obr. 11, parametrizací polohy ohniska oblouků elips, lze měnit polohy prvních ohnisek ci(z) elips tak, že neleží na prvního ohniskové přímce 5, ale na libovolně zakřivené čáře 16, to je znázorněno na obr. 11. Multi-eliptické zrcadlo je v tomto případě vytvářeno rotací oblouku elipsy 1 kolem rotační přímky 4 pro rotaci elips s posunutím první polohy ohniska ci(z) ve směrech x a y dle funkcí x =fi (z), y =/2 (z), kde fi a f2 mohou být například goniometrické funkce, sinus nebo kosinus, parabola, hyperbola a podobně. Jedna z funkcí může být i konstanta a druhá pak závislá na proměnné z. Takovéto multieliptické zrcadlo vytváří obraz z bodového zdroje na levé straně do zakřivené čáry 16 na pravé straně. A naopak, elektromagnetické záření vyzařované polem bodových zdrojů, které jsou rozmístěny na předem určené křivce například x =fi (z), y =/2 (z), bude zaostřeno na levou stranu na druhé ohnisko c2 elips.

Odrazný zrcadlový povrch ABKD může být vyroben z kovu, například hliníku, niklu, zlata, mědi a dalších kovů nebo z dielektrického materiálu, například křemenného skla nebo sklo-keramiky a dalších.

Mimoosové multi-eliptické zrcadlo má schopnost soustředit elektromagnetické záření vyzařované z první ohniskové přímky 5 (x = c, y = 0, z) na druhé ohnisko c2elipsy. Na obr. 5 je příklad zaostření elektromagnetického záření z kteréhokoliv bodového zdroje 3 elektromagnetického záření, který leží na první ohniskové přímce 5 (x = c, y = 0, z) a vyzařuje k oblouku elipsy. Odpovídající paprsky po odrazu od části odrazné zrcadlové plochy 6 vymezené body ABKD jsou zaostřeny do bodu druhého ohniska c2. A obráceně, elektromagnetické záření vyzařované z bodového zdroje v místě druhého ohniska c2 je zaměřeno na první ohniskovou přímku 5 (x = c, y = 0, z).

Stejný princip platí pro jakékoliv elektromagnetické záření vyzařované z bodového zdroje, který leží na první ohniskové přímce 5 (x = c, y = 0, z) - elektromagnetické záření je zaostřeno na odpovídající bod, který leží na druhé ohniskové přímce 9 (x = - c, y = 0, z), jak je znázorněno na obr. 6 a obráceně, elektromagnetické záření vyzařované z bodového zdroje ležícího na druhé ohniskové přímce 9 (x = - c, y = 0, z) je zaostřeno na první ohniskovou přímku 5 (x = c, y = 0, z)

Příkladná realizace tělesa zrcadla 7 s účinnou odraznou zrcadlovou plochou 6 je znázorněna na obr. 13 a obr. 14. Rozměry jednoho vyvinutého a testovaného multi-eliptického zrcadla pro detekci infračerveného tepelného záření s laserem vytvořených laserových čar 10 byly následující: 14 cm široké, to odpovídá délce segmentů AD a BK části odrazné zrcadlové plochy 6 vymezené body

- 6 CZ 2023 - 238 A3

ABKD na obr. 5, 14 cm dlouhé, to odpovídá délce segmentů AB a DK části odrazné zrcadlové plochy 6 vymezené body ABKD na obr. 5 a hluboké 6 cm, to odpovídá tloušťce tělesa zrcadla 7 na obr. 5. Středový oblouk elipsy, který leží v rovině {x, y, z = 0}, má délku hlavní poloosy 22 centimetrů a délku vedlejší poloosy 17 centimetrů. Multi-eliptické zrcadlo z pohledu na část odrazné zrcadlové plochy 6 vymezené body ABKD je na Obr. 13., těleso zrcadla 7 není realizováno jako plný objem, ale je řešeno jako duté s žebrovými výztuhami 17, jak je znázorněno na obr. 14.

Toto navržené multi-eliptické zrcadlo bylo testováno i v inverzním režimu, jak je znázorněno na obr. 10. V tomto případě byl bodový světelný zdroj 14 umístěn na druhé ohniskové přímce 9, emitované světlo bylo zaostřeno do první ohniskové přímky 5. Intenzita zaostřeného světla podél první ohniskové přímky 5 je znázorněna na obr. 15. Uvnitř zorného pole multi-eliptického zrcadla, tj. mezi body zmin a zmax, byla intenzita světla konstantní, na krajích se snižovala v závislosti na tvaru části odrazné zrcadlové plochy 6 vymezené body ABKD a fyzické velikosti světelného zdroje 14.

Příkladná realizace způsobu měření elektromagnetického záření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál s tímto multi-eliptickým zrcadlem je znázorněna na obr. 7. Laserový paprsek 11 pulzního laseru s délkou pulzů v intervalu od femtosekund až do milisekund, je vychylován skenovací hlavou 12 a laserová čára 10 laserového paprsku leží na první ohniskové přímce 5 elips pod tělesem zrcadla 7. Elektromagnetické záření, které je v tomto případě infračerveného tepelné záření, je vyzařováno z laserové čáry 10, se odráží od odrazné zrcadlové plochy 6 vymezené body ABKD a je zaostřeno na detektor 13, který je umístěn v druhém ohnisku C2 elips. Šipky znázorňují zaostření infračerveného tepelného záření emitovaného z bodového zdroje 3, které leží na laserové čáře 10. V tomto případě se laserová čára 10 shoduje s první ohniskovou přímkou 5. Pokud se zdroj záření bude nacházet mimo ohniskovou přímku 5, bude maximální intenzita záření zaostřena do bodu mimo druhou ohniskovou přímku 9, detektor bude přemístěn do tohoto bodu.

V případech měření intenzity elektromagnetického záření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál při laserovém zpracování povrchů pulzními lasery, jak je ukázáno na obr. 7 lze výhodně použít více než jeden detektor. Jeden z detektorů je volen tak, že je schopný zaznamenat intenzitu elektromagnetického záření v krátkém časovém intervalu v rozsahu délek času od femtosekund až do nanosekund, v delších časech od působení laserového pulzu je intenzita vyzařovaného elektromagnetického záření pro rychlý detektor nedostatečná, a alespoň jeden další detektor je volen tak, že zaznamenává intenzitu elektromagnetického záření v delších časových intervalech v rozsahu nanosekund až jednotek sekund, kdy v delších časech od působení laserového pulzu je intenzita vyzařovaného elektromagnetického záření pro pomalejší detektor stále dostatečná.

V případě, že měřené elektromagnetické záření se zaostřuje na několik detektorů, jedná se o dva rozdílné detektory, spektrální charakteristika u nich může být stejná, ale mají rozdílné časové konstanty, což se fyzicky realizuje rozdílnou velikosti detektorů. Ten rychlý je většinou menší, ten pomalejší, má detektor minimálně 4 krát větší a tím má i větší signál, sice nezaznamená rychlé děje, ale v delších časech má více signálu.

Princip znázorněný na obr. 7 zaostření elektromagnetického záření pomocí multi-eliptického zrcadla je použitelné i pro detekci elektromagnetického záření z jiných zdrojů, rozptyl a difúze světla, lom, stimulovaná emise nebo fotoluminiscence a další.

Příkladná realizace zařízení pro měření elektromagnetického záření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál je znázorněna na obr. 16. Schematické uspořádání je následující. Bodový zdroj elektromagnetického záření 3 emituje elektromagnetické záření, které odrazná zrcadlová plocha 6 tělesa zrcadla 7 zaostřuje na detektor 13. Detektor 13 převádí elektromagnetické záření na elektrický signál, který se zesiluje zesilovačem 18, za zesilovačem 18

- 7 CZ 2023 - 238 A3 následuje analogově-digitální převodník 19, který převádí analogový signál na digitální, ten je zobrazován na zobrazovacím zařízení 21 a/nebo ukládán do záznamového zařízení 20.

Zařízení pro měření elektromagnetického záření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál může být osazeno jedním nebo výhodně více detektory 13, které jsou instalovány podél druhé ohniskové přímky 9, jak je znázorněno na obr. 6. Detektory 13 se mohou vzájemně lišit ve spektrálním rozsahu vlnových délek, které zaznamenávají, v rychlosti reakce, v citlivosti. Znázorněny jsou některé příklady použití multi-eliptického zrcadla pro měření infračerveného tepelného záření s několika detektory 13 na obr. 8 a obr. 9.

Pokud jsou použity detektory 13 s různými spektrálními rozsahy, lze provádět spektrometrická měření. Takovéto spektrální měření lze použít například pro stanovení teploty bez znalosti emisivity materiálu. V této aplikaci je laserový paprsek 11 vychylován skenovací hlavou 12 a laserová čára 10 laserového paprsku leží v místě první ohniskové přímky 5 pod tělesem zrcadla 7. Elektromagnetické záření vyzařované z laserové čáry 10 se odráží od části odrazné zrcadlové plochy 6 vymezené body ABKD tělesa zrcadla 7 a je zaostřeno na několik detektorů 13, které jsou instalovány na druhé ohniskové přímce 9 (x = - c, y = 0, z), jak je znázorněno na obrázku obr. 8. Na obr. 9 je znázorněno těleso zrcadla 7, jehož část odrazné zrcadlové plochy 6 vymezené body ABKD zaostřuje infračervené tepelné záření na pole detektorů 13 z jednoho bodového zdroje 3 v laserové čáře 10, takovéto optické uspořádání funguje jako spektrometr nebo více - barvový pyrometr, to umožňuje stanovit teplotu měřeného povrchu bez znalosti hodnot emisivity.

Příklad průběhu intenzity infračerveného tepelného záření, jako výstup zařízení pro měření elektromagnetického záření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál, je znázorněn na obr. 12. Pulzní laser vytváří laserovou čárou 10. Intenzita infračerveného tepelného záření na detektoru 13 během laserového skenování povrchu je znázorněna na obr. 12. Než začne laser emitovat, infračervené tepelné záření na detektoru odpovídá úrovni pozadí Io. V okamžiku ts začne laser emitovat, vytvořená laserová čára 10, která je identická s první ohniskovou přímkou 5 na snímaném povrchu, se zahřívá a emituje infračerveného tepelné záření. Intenzita infračerveného tepelného záření se zvyšuje až na hodnotu Il a stává se konstantní. V okamžiku vypnutí laseru infračerveného tepelné záření klesá zpět na úroveň pozadí Io. Detekovatelná délka laserové skenovací linie je omezená dvěma mezními polohami prvního ohniska c1 elips, které protínají protilehlé strany AB a KD na části odrazné zrcadlové plochy 6 vymezené body ABKD.

Claims (15)

1. Zrcadlo pro zaostření elektromagnetického záření, vyznačující se tím, že na nosné konstrukci je ustavena odrazná zrcadlová plocha (6), která je vytvořena rotací eliptických oblouků, přičemž první ohniska všech eliptických oblouků leží na jedné linii a druhá ohniska všech eliptických oblouků leží v jednom pevném bodě, přičemž každý eliptický oblouk je část elipsy, která je popsána v kartézském souřadném systému (x, y, z) následující rovnic y² = b² I 1 — b² + c^z)² kde z je nezávislé na x ay c j (z) je první ohnisko elips, b je vedlejší poloosa elipsy a každá elipsa má stejnou polohu druhého ohniska v bodu (x = - c, y = 0, z = C) a každá elipsa je pootočena kolem přímky (x = - c, y, z = G), kde c je vzdálenost ohniska od středu elipsy a odpovídá ohniskové vzdálenosti elipsy umístěné v rovině {x, y, 0} přičemž první ohnisko c i (z) všech pootočených elips je umístěno na ohniskové linii kolmé k rovině {x, y, 0}.

2. Zrcadlo pro zaostření elektromagnetického záření, podle nároku 1, vyznačující se tím, že linie prvních ohnisek všech eliptických oblouků v kartézském souřadném systému je přímka (x = c, y =

0, z).

3. Zrcadlo pro zaostření elektromagnetického záření, podle nároku 1, vyznačující se tím, že linie prvních ohnisek je křivka a v kartézském souřadném systému je popsána dvěma nezávislýma funkcemi (x =f i (z), y =f 2 (z), z).

4. Zrcadlo pro zaostření elektromagnetického záření, podle nároku 1, vyznačující se tím, že odrazný zrcadlový povrch je vyroben z vysoce odrazného kovu, například hliníku, mědi nebo zlata.

5. Zrcadlo pro zaostření elektromagnetického záření, podle nároku 1, vyznačující se tím, že odrazný zrcadlový povrch je vyroben z dielektrického materiálu, například oxidu křemičitého nebo silikátového skla nebo keramiky.

6. Způsob měření intenzity elektromagnetického záření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál, vyznačující se tím, že odraznou zrcadlovou plochou, která je vytvořena rotací eliptických oblouků, přičemž první ohniska všech eliptických oblouků leží na jedné linii a druhá ohniska všech eliptických oblouků leží v jednom pevném bodě, přičemž každý eliptický oblouk je část elipsy, která je popsána v kartézském souřadném systému (x, y, z) následující rovnicí:

kde z je nezávislé na x ay, c 1 (z) je první ohnisko elips, b je vedlejší poloosa elipsy a každá elipsa má stojnou polohu druhého ohniska v bodu (x = - c, y = 0, z = C) a každá elipsa je pootočena kolem přímky (x = - c, y, z = G), kde c je vzdálenost ohniska od středu elipsy a odpovídá ohniskové vzdálenosti elipsy umístěné v rovině {x, y, 0} přičemž první ohnisko c 1 (z) všech

-9CZ 2023 - 238 A3 pootočených elips je umístěno na ohniskové linii kolmé k rovině {x, y, 0}se zaostří záření z čárového zdroje nejméně do jednoho bodu, v němž se intenzita elektromagnetického záření zjišťuje, a převádí se na elektrický signál, z něhož se určuje průběh elektromagnetického záření v čase a prostoru.

7. Způsob měření intenzity elektromagnetického záření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál, podle nároku 6, vyznačující se tím, že elektromagnetické záření je tepelné záření v rozsahu vlnových délek 0,1 pm až 14 pm.

8. Způsob měření intenzity elektromagnetického záření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál, podle nároku 6, vyznačující se tím, že průběh pulzů elektromagnetického záření se určuje v časových délkách v intervalu od femtosekund až do milisekund.

9. Způsob měření intenzity elektromagnetického záření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál, podle nároku 6, že měřené elektromagnetické záření se zaostřuje na několik detektorů, z nichž alespoň jeden detektor zaznamenává intenzitu elektromagnetického záření v krátkých časových intervalech, v rozsahu délek času od femtosekund až do nanosekund a alespoň jeden detektor zaznamenává intenzitu elektromagnetického záření v delších časových intervalech v rozsahu nanosekund až jednotek sekund.

10. Zařízení k měření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál, podle způsobu měření podle nároku 6, vyznačující se tím, že k tělesu zrcadla (7), na jehož nosné konstrukci je ustavena odrazná zrcadlová plocha (6), která je vytvořena rotací eliptických oblouků, přičemž první ohniska všech eliptických oblouků leží na jedné linii a druhá ohniska všech eliptických oblouků leží v jednom pevném bodě, přičemž každý eliptický oblouk je část elipsy, která je popsána v kartézském souřadném systému (x, y, z) následující rovnicí:

kde z je nezávislé na x ay c j (z) je první ohnisko elips, b je vedlejší poloosa elipsy a každá elipsa má stejnou polohu druhého ohniska v bodu (x = - c, y = 0, z = C) a každá elipsa je pootočena kolem přímky (x = - c, y, z = G) , kde c je vzdálenost ohniska od středu elipsy a odpovídá ohniskové vzdálenosti elipsy umístěné v rovině {x, y, 0} přičemž první ohnisko c i (z) všech pootočených elips je umístěno na ohniskové linii kolmé k rovině {x, y, 0}, je přiřazen minimálně jeden detektor (13) elektromagnetického záření, na který navazuje záznamové zařízení (20).

11. Zařízení k měření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál, podle nároku 10, vyznačující se tím, že mezi nejméně jedním detektorem (13) a záznamovým zařízením (20) je uložen zesilovač (18).

12. Zařízení k měření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál, podle nároku 10 a 11, vyznačující se tím, že před záznamovým zařízením (20) je ustaven analogově-digitální převodník (19).

13. Zařízení k měření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál, podle nároku 12, vyznačující se tím, že k analogově-digitálnímu převodníku (19) je přiřazeno zobrazovací zařízení (21).

14. Zařízení k měření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál, podle nároku 10, vyznačující se tím, že spektrální rozsahy detektorů se vzájemně nepřekrývají.

- 10CZ 2023 - 238 A3

15. Zařízení k měření a převádění elektromagnetického záření na elektrický signál podle nároku 10, vyznačující se tím, že spektrální rozsahy detektorů se částečně překrývají.