PL241692B1 - Układ optyczny z soczewką o pasywnie zmiennej ogniskowej - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest układ optyczny o pasywnie zmiennej ogniskowej z użyciem cieplnej soczewki zmiennoogniskowej oraz urządzenie zawierające taki układ. Przedmiotem zgłoszenia jest układ zawierający pasywną soczewkę cieplną złożoną co najmniej z płytki płaskorównoległej zbudowanej z termo-optycznego materiału fotochromowego, pierwszego lustra dichroicznego odbijającego światło lasera grzejącego w kierunku płytki z materiału fotochromowego, a przepuszczającego światło obrazowane przez soczewkę, drugiego lustra dichroicznego odbijającego światło otoczenia zewnętrznego, a przepuszczającego światło obrazowane przez soczewkę oraz lasera grzejącego. Pasywna soczewka cieplna pełni funkcję zmiennoogniskowej soczewki układu obrazującego wytwarzanej samorzutnie w materiale fotochromowym pod wpływem wiązki światła laserowego (7) oraz wiązki światła zewnętrznego (9) o zmieniającej się intensywności.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ optyczny z soczewką o pasywnie zmiennej ogniskowej z użyciem cieplnej soczewki zmiennoogniskowej, mający zastosowanie m.in. do autonomicznej zmiany ogniskowej układu obrazującego w urządzeniach monitorujących, śledzących pomieszczenie obiektu.

Przez „pasywność” należy w tym opisie rozumieć samoczynność procesu fizycznego zachodzącego bez ingerencji człowieka, bezpośredniej czy też za pośrednictwem urządzenia sterującego.

Klasyczne rozwiązania optyczne wymagają mechanicznego przemieszczania podzespołów optycznych układu obrazującego w celu uzyskania przez niego ostrego obrazu lub zmiany powiększenia. By obejść to ograniczenie opracowano wiele różnego rodzaju soczewek zmiennoogniskowych niewymagających ich przestrzennego przemieszczania podczas obrazowania. Do rozwiązań tych należą m.in. soczewka polimerowo-cieczowa firmy Optotune ujawniona w patencie USA US 8000022. Działają one na zasadzie zmiany krzywizny membrany polimerowej, z której wykonane jest jedno lub dwa koliste okienka zamkniętej przestrzeni wypełnionej cieczą. Ciecz do tej przestrzeni jest dostarczana lub z niej odbierana za pośrednictwem pompy. Zmiana ilości cieczy w przestrzeni skutkuje zmianą kształtu okienka (-nek) i w efekcie zmianą ogniskowej soczewki. Aby wywołać zmianę ogniskowej konieczne jest zastosowanie elektronicznego układu sterującego pracą pompy, do której podawany jest sygnał-instrukcja o wielkości cieczy jaka ma być dopompowana lub ujęta.

Innym typem soczewki zmiennoogniskowej jest akustyczna soczewka firmy TAG Optics ujawniona w patencie USA US 9389343. W urządzeniu tym, na żądanie użytkownika, wytwarzane jest odpowiednio uformowane pole akustyczne w materiale, którego współczynnik załamania jest zależny od gęstości. Rozkład pola akustycznego jest dobierany tak, by powstały rozkład (gradient) współczynnika załamania nadawał światłu opóźnienie fazowe zbliżone do opóźnienia nadawanego przez klasyczną soczewkę. W efekcie soczewka akustyczna działa jak jej szklany odpowiednik, a możliwość zmiany rozkładu pola akustycznego przez użytkownika sprawia, że ogniskowa soczewki może być zmieniana. Aby wywołać zmianę ogniskowej konieczne jest zastosowanie elektronicznego układu sterującego elementami wytwarzającymi pole akustyczne, do którego podawany jest sygnał-instrukcja określający wielkość i częstość wytwarzanego pola.

Jeszcze innym rozwiązaniem jest zmiennoogniskowa soczewka Moire'ego opisana przez Bernet'a i wsp. (S. Bernet, W. Harm, M. Ritsch-Marte Opt. Express 21 (2013) (6) 955), której działanie oparte jest na współosiowej rotacji dwóch odpowiednio dobranych płaskich dyfrakcyjnych elementów optycznych. Elementy dyfrakcyjne są oparte na zmodyfikowanym znanym wzorcu dyfrakcyjnym, tzw. płytce strefowej Fresnela. W przeciwieństwie do pojedynczej płytki Fresnela, jej modyfikacja nie działa jak soczewka samodzielnie, a jedynie w połączeniu z drugim egzemplarzem. Wzajemna rotacja tych wzorców dyfrakcyjnych, wykonana przez użytkownika, prowadzi do zmiany sposobu dyfrakcji światła przez oba elementy, a co za tym idzie do wypadkowej zmiany ogniskowej pary elementów optycznych. Aby wywołać zmianę ogniskowej konieczne jest zastosowanie elektronicznego układu sterującego elementami obracającymi względem siebie obie zmodyfikowane płytki Fresnela, do którego podawany jest sygnał-instrukcja określający skalę wzajemnej rotacji płytek.

Ze zgłoszenia patentowego P.422851 znany jest również optyczny układ obrazujący wykorzystujący tzw. soczewkę cieplną. Jej działanie polega na wytworzeniu w materiale termo-optycznym gradientu współczynnika załamania za pomocą wiązki grzejącego światła lasera. Materiał termo-optyczny to materiał wykazujący znaczącą zależność współczynnika załamania światła od temperatury, opisywaną tzw. współczynnikiem termo-optycznym, d n/dT. Materiał termo-optyczny zastosowany w tym wynalazku jest tak dobrany, że absorbuje światło lasera grzejącego. Ze względu na niejednorodność intensywności wiązki lasera w jej przekroju poprzecznym oraz na procesy cieplne zachodzące w materiale, materiał ten jest podgrzany nierównomiernie. Rozkład temperatury przekłada się na gradient współczynnika załamania, a ten zmienia bieg światła w taki sam sposób jak soczewka. Modyfikując intensywność wiązki lasera grzejącego, użytkownik zmienia ilość ciepła przekazanego do materiału termo-optycznego. W efekcie zmienia się gradient współczynnika załamania, a to skutkuje zmianą ogniskowej soczewki cieplnej. Współczynnik termo-optyczny, dn/dT, określa szybkość zmiany współczynnika załamania wraz ze zmianą temperatury. Jeżeli jest on dodatni wówczas soczewka cieplna utworzona przez wiązkę lasera grzejącego w materiale termo-optycznym ma dodatnią ogniskową i jest skupiającą. Wynika to z faktu, że obszar materiału termo-optycznego oświetlony centralną częścią wiązki lasera grzejącego zostaje najsilniej podgrzany. Zatem, to w tym obszarze współczynnik załamania jest największy (dla d n /dT > 0), dlatego też ten obszar najsilniej opóźnia w fazie światło obrazowane przez soczewkę

PL 241 692 B1 cieplną, a to oznacza, że jest ona skupiającą. Jeżeli d n /dT jest ujemne, wówczas soczewka cieplna ma ogniskową ujemną i jest rozpraszającą. Aby wywołać zmianę ogniskowej konieczne jest zastosowanie ręcznego lub elektronicznego układu sterującego parametrami decydującymi o długości ogniskowej tj. intensywnością wiązki lasera grzejącego lub temperaturą objętościową materiału termo-optycznego, w której soczewka jest tworzona, układ sterujący jest wykorzystywany ręcznie na życzenie użytkownika soczewki lub jest do niego kierowany sygnał-instrukcja określający wielkość zmiany intensywności lasera grzejącego lub temperatury objętościowej.

Wszystkie wyżej opisane optyczne układy obrazujące, stosujące opisane soczewki zmiennoogniskowe, wymagają w celu zmiany ogniskowej soczewki aktywnego działania użytkownika lub autonomicznej elektroniki sterującej. Niezależnie od tego czy wymaga to mechanicznego ruchu, przesłania impulsu elektronicznego do układu sterującego soczewką, czy też świadomej zmiany mocy wiązki laserowej oświetlającej medium termo-optyczne. Przykładowo śledzenie kamerą, zaopatrzoną w soczewkę zmiennoogniskową, obiektu poruszającego się wzdłuż osi optycznej jej obiektywu wymaga wykonania przez użytkownika jednej z dwóch sekwencji czynności. Pierwszą jest ustalenie odległości obiektu od obiektywu, a następnie przesunięcie obiektywu względem matrycy światłoczułej detektora kamery, lub zmiana ogniskowej obiektywu w sposób przedefiniowany i związany ze zmierzoną odległością, a mający doprowadzić do powstania ostrego obrazu obiektu na detektorze światłoczułym kamery. Druga sekwencja polega na przesuwaniu obiektywu lub zmianie jego ogniskowej, kontrolowanym przez operatora wzrokowo lub przez sterującą elektronikę w taki sposób, by uzyskać maksymalnie ostry obraz obiektu. W obu przypadkach uzyskanie ostrego obrazu obiektu wymaga od użytkownika pomiaru odległości lub ostrości, a następnie przekazania tej informacji do układu modyfikującego ustawienia obiektywu kamery.

Celem wynalazku jest opracowanie układu optycznego z soczewką cieplną o pasywnie zmiennej ogniskowej.

Przedmiotem wynalazku jest układ zawierający pasywną soczewkę cieplną złożoną co najmniej z płytki płaskorównoległej zbudowanej z termo-optycznego materiału fotochromowego, pierwszego lustra dichroicznego odbijającego wiązkę światła lasera grzejącego w kierunku płytki z materiału fotochromowego, a przepuszczającego wiązkę światła obrazowanego przez soczewkę, drugiego lustra dichroicznego odbijającego wiązkę światła zewnętrznego, a przepuszczającego wiązkę światła obrazowanego przez soczewkę oraz lasera grzejącego. Korzystnym jest, by wiązka światła zewnętrznego przed odbiciem od lustra dichroicznego była odpowiednio uformowane tak, by jej rozkład na powierzchni płytki z materiału fotochromowego był jednorodny. W celu wyeliminowania ewentualnych zakłóceń spowodowanych niekontrolowanymi odbiciami zwrotnymi wiązki światła lasera grzejącego i/lub wiązki światła zewnętrznego korzystne jest, aby oba lustra dichroiczne oraz płytka z materiału fotochromowego znajdowały się między filtrami niefluoryzującymi, absorbującymi wiązkę światła lasera grzejącego oraz wiązkę światła zewnętrznego w taki sposób, aby jeden filtr był usytuowany przed lustrami dichroicznymi, a drugi za płytką z materiału fotochromowego.

Pasywna soczewka cieplna pełni funkcję zmiennoogniskowej soczewki układu obrazującego. Przez pasywność tej soczewki rozumie się, że zmiana ogniskowej nie jest wynikiem świadomej aktywności użytkownika, lecz zachodzi w reakcji na zmianę oświetlenia zewnętrznego. Przez oświetlenie zewnętrzne należy rozumieć światło pochodzące od innego źródła niż laser grzejący, oświetlające jednorodnie materiał termo-optyczny soczewki cieplnej. Źródło to może być nieruchome, ale o zmiennej intensywności, ruchome o stałej intensywności lub ruchome o zmiennej intensywności. Źródło oświetlenia zewnętrznego może być powiązane fizycznie (np. dioda LED umocowana na przedmiocie obrazowania) bądź też nie (np. Księżyc, Słońce) z przedmiotem obrazowania prowadzonego z użyciem pasywnej soczewki cieplnej.

Istotą wynalazku jest układ optyczny z soczewką cieplną o pasywnie zmiennej ogniskowej, charakteryzujący się tym, że tworzy go umiejscowione w osi układu optycznego pierwsze lustro dichroiczne, a za nim drugie lustro dichroiczne, usytuowane równolegle względem siebie i nachylone pod kątem ostrym do osi układu optycznego, za którymi umiejscowiony jest termo-optyczny materiał fotochromowy w płaszczyźnie prostopadłej do osi, przy czym nad pierwszym lustrem dichroicznym usytuowany jest laser grzejący emitujący wiązkę światła, natomiast nad drugim lustrem dichroicznym usytuowany jest układ optyczny z lustrem, formujący i emitujący wiązkę światła zewnętrznego, po czym obie wiązki światła, w tym samym czasie emitowane prostopadle do osi układu optycznego, padają na odpowiadające im lustra dichroiczne, gdzie wiązka światła pada na pierwsze lustro dichroiczne, a po odbiciu od pierwszego lustra dichroicznego przepuszczana jest przez drugie lustro dichroiczne, natomiast w tym samym czasie wiązka światła zewnętrznego pada na drugie lustro dichroiczne, gdzie część promieni po odbiciu

PL 241 692 B1 od drugiego lustra dichroicznego tworzy wiązkę światła i pod wpływem obu wiązek światła i emitowanych w kierunku termo-optycznego materiału fotochromowego oraz absorbowanych przez materiał fotochromowy o ujemnym współczynniku termo-optycznym dn/dT, tworzona jest w materiale fotochromowym pasywna soczewka cieplna rozpraszająca o zwiększonej mocy.

Korzystnym jest, jeżeli materiał fotochromowy ma dodatni współczynnik termo-optycznym dn/dT, gdzie tworzona jest pasywna soczewka cieplna skupiająca o zwiększonej mocy.

Wynalazek w przykładowym, ale nie ograniczającym wykonaniu, został przedstawiony na rysunkach, gdzie figura 1 obrazuje wykres ustalenia równowagi stężeniowej między cząsteczkami materiału fotochromowego oświetlonego dwiema wiązkami światła jednocześnie, jedną o długości fali dopasowanej do widma absorpcji materiału w stanie A, a drugą o długości fali dopasowanej do widma absorpcji materiału w stanie B; figura 2 przedstawia układ optyczny w wersji podstawowej tzn. układ zawierający tylko dwa lustra dichroiczne oraz termo-optyczny materiał fotochromowy; figury 3 i 4 przedstawiają schematycznie układ według wynalazku wykorzystujący materiał termo-optyczny o ujemnym współczynniku termo-optycznym d n /dT, a figury 5 i 6 przedstawiają schematycznie układ według wynalazku wykorzystujący materiał termo-optyczny o dodatnim współczynniku termo-optycznym d n /dT.

Materiał fotochromowy o właściwościach termo-optycznych zawiera cząsteczki zdolne do występowania w dwóch stanach izomerowych. Cząsteczka fotochromowa w jednym ze stanów izomerowych, nazywanym dalej stanem A, pochłania światło z zakresu długości fal różnego od zakresu, w którym cząsteczka absorbuje światło, będąc w innym stanie izomerowym, B. Przejście do drugiego stanu oznacza dezaktywację cząsteczki fotochromowej ze wzbudzonego elektronowo stanu izomerowego A do podstawowego stanu izomerowego B, lub odwrotnie. Dezaktywacji towarzyszy przekazanie ciepła do materiału fotochromowego, a to prowadzi do zmiany dystrybucji temperatury, i w konsekwencji zmiany współczynnika załamania światła. Oświetlanie materiału fotochromowego dwiema wiązkami światła jednocześnie, jedną o długości fali dopasowanej do widma absorpcji materiału w stanie A, a drugą o długości fali dopasowanej do widma absorpcji materiału w stanie B, prowadzi do ustalenia równowagi stężeniowej między cząsteczkami materiału w obu stanach izomerowych, przykładowo zilustrowanej na rysunku - figura 1. Wzrost lub spadek intensywności wiązki światła absorbowanego przez materiał fotochromowy w stanie A skutkuje odpowiednio wzrostem lub spadkiem stężenia cząsteczek materiału fotochromowego w stanie B, co z kolei wywołuje odpowiednio wzrost lub spadek absorpcji wiązki światła dostosowanej energetycznie do widma absorpcji materiału fotochromowego w stanie B. Wzrost lub spadek intensywności wiązki światła absorbowanego przez materiał fotochromowy w stanie B skutkuje odpowiednio wzrostem lub spadkiem stężenia cząsteczek materiału fotochromowego w stanie A, co z kolei wywołuje odpowiednio wzrost lub spadek absorpcji wiązki światła dostosowanej energetycznie do widma absorpcji materiału fotochromowego w stanie A. Oświetlanie materiału fotochromowego wyłącznie jedną wiązką światła, dostosowaną energetycznie do absorpcji cząsteczek materiału w wybranym stanie izomerowym, skutkuje spadkiem stężenia cząsteczek będących w tym stanie, czyli spadkiem absorpcji tej wiązki światła. Zmieniając intensywność wiązki światła padającej na materiał fotochromowy, absorbowanej przez ten materiał w jednym ze stanów izomerowych, a utrzymując stałą intensywność wiązki światła padającej na ten sam materiał fotochromowy, ale absorbowanej przez niego w drugim ze stanów izomerowych, w których on występuje, zmienia się ilość ciepła przekazywanego do materiału. Skutkuje to zmianą dystrybucji temperatury w materiale fotochromowym, zatem zmianą dystrybucji współczynnika załamania światła w tym materiale, co skutkuje zmianą ogniskowej soczewki cieplnej w nim tworzonej.

W układach według wynalazku mogą również zostać wykorzystane materiały fotochromowe występujące w większej liczbie stanów izomerowych, w których tylko dwa spośród tych stanów są stabilne i długożyjące.

Na figurze 2 przedstawiono przykładowy układ elementów optycznych niezbędnych do wytworzenia i działania pasywnej soczewki cieplnej. Układ przedstawiony na figurze 2 zawiera pierwsze lustro dichroiczne 3, drugie lustro dichroiczne 4 oraz termo-optyczny materiał fotochromowy 5. Wiązka światła obrazowanego 1, pochodząca od przedmiotu obserwacji, biegnie wzdłuż poziomej osi układu optycznego 2 z lewej do prawej strony. Przepuszczana jest przez pierwsze lustro dichroiczne 3, drugie lustro dichroiczne 4 oraz termo-optyczny materiał fotochromowy 5 i opuszcza układ optyczny w postaci wiązki światła obrazowanego 6, której bieg nie jest modyfikowany przez soczewkę cieplną.

Na figurze 3 przedstawiono układ elementów optycznych pasywnej soczewki cieplnej niezbędnych do jej działania, w obecności wiązki światła 7 lasera grzejącego 16. Układ przedstawiony na figurze 3 zawiera pierwsze lustro dichroiczne 3, drugie lustro dichroiczne 4, laser grzejący 16 emitujący

PL 241 692 B1 wiązkę światła 7 oraz termo-optyczny materiał fotochromowy 5. Wiązka światła obrazowanego 1, pochodząca od przedmiotu obserwacji, biegnie wzdłuż poziomej osi układu optycznego 2 z lewej do prawej strony. Przepuszczana jest przez pierwsze lustro dichroiczne 3, drugie lustro dichroiczne 4 oraz termo-optyczny materiał fotochromowy 5 i opuszcza układ optyczny. Pierwsze lustro dichroiczne 3 przepuszcza światło o długości fali światła obrazowanego 1, a odbija światło o długości fali wiązki światła 7 lasera grzejącego 16 w kierunku materiału fotochromowego 5, co zobrazowano na figurze 3. Doprowadzona do układu wiązka światła 7 lasera grzejącego 16, o stałej intensywności, po odbiciu od lustra dichroicznego 3, przepuszczana jest przez lustro dichroiczne 4 i jest absorbowana przez materiał fotochromowy 5 w stopniu zależnym od absorbancji materiału dla długości wiązki światła 7 lasera grzejącego 16 oraz od intensywności tej wiązki. W materiale fotochromowym 5 pod wpływem wiązki światła 7 lasera grzejącego 16 wytworzona jest soczewka cieplna zmieniająca bieg wiązki światła 6 w taki sposób, że dla rozpraszającej soczewki cieplnej powstającej w materiale fotochromowym o ujemnym współczynniku termo-optycznym, d n/dT, przyjmuje ona postać wiązki światła obrazowanego 6’. Wiązka światła obrazowanego 6’ jest inna niż wiązka światła obrazowanego 6 dla tego samego układu bez obecności wiązki światła 7 lasera grzejącego 16, jak to zobrazowano na figurze 2.

Na figurze 4 przedstawiono układ elementów optycznych pasywnej soczewki cieplnej niezbędnych do jej działania, w obecności wiązki światła 7 lasera grzejącego 16 oraz w obecności wiązki światła zewnętrznego 8. Układ przedstawiony na figurze 4 zawiera pierwsze lustro dichroiczne 3, drugie lustro dichroiczne 4, laser grzejący 16 wytwarzający wiązkę światła 7 układ optyczny formujący wiązkę światła zewnętrznego 8 oraz termo-optyczny materiał fotochromowy 5. Wiązka światła obrazowanego 1, pochodząca od przedmiotu obserwacji, biegnie wzdłuż poziomej osi układu optycznego 2 z lewej do prawej strony. Pierwsze lustro dichroiczne 3 przepuszcza światło o długości fali światła obrazowanego 1, a odbija światło o długości fali wiązki światła 7 lasera grzejącego 16 w kierunku materiału fotochromowego 5, co zobrazowano na figurze 4. Doprowadzona do układu wiązka światła 7 lasera grzejącego 16, o stałej intensywności, po odbiciu od lustra dichroicznego 3, przepuszczana jest przez lustro dichroiczne 4 i jest absorbowana przez materiał fotochromowy 5 w stopniu zależnym od absorbancji materiału dla długości wiązki światła 7 lasera grzejącego 16 oraz od intensywności tej wiązki. W materiale fotochromowym 5 pod wpływem wiązki światła 7 lasera grzejącego 16 powstaje soczewka cieplna zmieniająca bieg wiązki światła obrazowanego 6 w sposób zależny od jej ogniskowej. W przykładzie zilustrowanym na figurze 4 materiał fotochromowy ma ujemny współczynnik termo-optyczny d n /dT, co oznacza, że tworzona w nim soczewka cieplna jest rozpraszającą. Drugie lustro dichroiczne 4 przepuszcza światło obrazowane, przepuszcza wiązkę światła 7 lasera grzejącego 16, a odbija część wiązki światła zewnętrznego 8, odpowiadającą długości fali światła dopasowanej do widma absorpcji materiału fotochromowego, w kierunku materiału fotochromowego 5, co zobrazowano na figurze 4, a przedstawiono jako część wiązki światła zewnętrznego 8 w postaci wiązki światła 9. Pozostała część wiązki światła zewnętrznego 8 zostaje przepuszczona przez lustro dichroiczne 4 w postaci wiązki 10. Na skutek odbicia przez lustro dichroiczne 4 właściwej składowej widma światła oświetlenia zewnętrznego wiązka światła 9 jest dopasowana długością fali do absorpcji materiału fotochromowego 5 i zostaje przez niego pochłonięta w całości lub częściowo w stopniu zależnym od absorbancji materiału dla długości wiązki światła 9 oraz od intensywności tego światła. Długość fali wiązki światła 9 pochodzącej ze światła zewnętrznego 8 jest dopasowana do widma absorpcji materiału fotochromowego 5 w stanie izomerowym A. Długość fali wiązki światła 7 lasera grzejącego 16 jest dopasowana do widma absorpcji materiału fotochromowego 5 w stanie B. W wyniku absorpcji wiązki światła 9 przez materiał fotochromowy 5, rośnie jego absorbancja dla długości fali wiązki światła 7 lasera grzejącego 16, zatem więcej energii jest pochłaniane przez materiał fotochromowy 5 w stanie B. W efekcie ogniskowa soczewki cieplnej ulega skróceniu i w przypadku zilustrowanym na figurze 4 staje się ona silniej rozpraszającą niż w analogicznym przypadku bez udziału światła zewnętrznego - przypadek zilustrowany na figurze 3. W konsekwencji wiązka obrazowana przyjmuje postać 6’’, różną od postaci 6 i 6’. Zmiana intensywności światła otoczenia zewnętrznego 8 skutkuje zmianą ogniskowej soczewki cieplnej formowanej przez wiązkę światła 7 lasera grzejącego 16.

Figury 5 i 6 przedstawiają działanie tych samych elementów, które są zobrazowane na figurach 3 i 4, jednak w obecności materiału fotochromowego o dodatnim współczynniku termo-optycznym d n/dT. W takim materiale powstała soczewka cieplna jest soczewką skupiającą. W efekcie przedstawiona na figurze 5 wiązka światła obrazowanego 6’’’ jest bardziej zbieżna niż wiązka światła obrazowanego 6 przedstawiona na figurze 2, a na figurze 6 wiązka światła obrazowanego 6’’’’ jest bardziej zbieżna niż wiązka światła obrazowanego 6’’’ przedstawiona na figurze 5.

PL 241 692 B1

We wszystkich wariantach rozwiązania według wynalazku kolejność usytuowania luster dichroicznych 3, 4 może być dowolna tzn. lustro dichroiczne odbijające wiązkę światła 7 lasera grzejącego 16 może być usytuowane albo przed, albo za lustrem odbijającym wiązkę światła zewnętrznego 9. Oba lustra dichroiczne przepuszczają wiązkę światła obrazowanego 1, pochodzącą od przedmiotu obserwacji, natomiast w zależności od tego, w jakiej kolejności są usytuowane, przepuszczają również wiązkę światła odbitego przez lustro je poprzedzające. I tak jeżeli pierwsze lustro 3 odbija wiązkę światła 7 lasera grzejącego 16 wówczas drugie lustro 4 przepuszcza wiązkę światła 7 i odbija wiązkę światła 9, czyli część wiązki światła zewnętrznego 8, natomiast gdy pierwsze lustro 3 odbija wiązkę światła 9, czyli część wiązki światła zewnętrznego 8 wówczas drugie lustro 4 przepuszcza wiązkę światła 7 lasera grzejącego 1 i odbija wiązkę światła 9, czyli część wiązki światła zewnętrznego 8.

W układzie według wynalazku źródłem światła oświetlenia zewnętrznego może być dowolne źródło emitujące światło o widmie zawierającym długości fali z zakresu widma absorpcji cząsteczek materiału fotochromowego 5 będących w stanie A. Przy czym widmo światła oświetlenia zewnętrznego może być szerokie i może, ale nie musi, obejmować również długość fali światła wiązki lasera grzejącego 7. Oznacza to, że oświetlenie zewnętrzne może pochodzić ze źródeł światła naturalnego jak np. słońce, księżyc lub płomień, czy sztucznego jak lampa żarowa, laser czy dioda LED.

Figura 7 przedstawia przykład użycia układu według wynalazku, w którym soczewka cieplna jest tworzona w materiale o dodatnim współczynniku termo-optycznym, ze źródłem światła otoczenia zewnętrznego 18 przymocowanym do przedmiotu obserwacji 17. Składa się on m.in. z urządzenia zawierającego układ pasywnej soczewki cieplnej 11, w skład którego wchodzi pierwsze lustro dichroiczne 3, drugie lustro dichroiczne 4, materiał fotochromowy 5, lustro 14 kierujące wiązkę światła zewnętrznego 8 uformowaną przez układ optyczny 15 w kierunku drugiego lustra dichroicznego 4 oraz laser grzejący 16 emitujący wiązkę światła 7. Układ soczewki cieplnej 11 znajduje się między dwoma dodatkowymi optycznymi układami obrazującymi wejściowym 12, np. obiektywem, i wyjściowym 13, np. okularem, zbudowanymi z dowolnych podzespołów optycznych, które służą formowaniu światła obrazowanego, takiemu by utworzyć obraz przedmiotu obrazowania w wybranej płaszczyźnie prostopadłej od osi układu optycznego 2. Układ optyczny wejściowy 12 służy do formowania wiązki światła obrazowanego wchodzącego do układu 11 np. odbitego lub emitowanego przez obserwowany obiekt. Zaś układ optyczny wyjściowy 13 służy do formowania wiązki światła obrazowanego, którego bieg został zmodyfikowany przez układ soczewki cieplnej 11. Do przedmiotu obserwacji 17 przymocowane są źródło światła otoczenia zewnętrznego 18 oraz układ optyczny 19 formujący wiązkę światła zewnętrznego, zbudowany ze szklanych lub polimerowych podzespołów optycznych. Intensywność wiązki światła zewnętrznego emitowanego przez źródło 18, mierzona w stałej odległości od źródła jest niezmienna. Przedmiot obserwacji 17 porusza się wzdłuż kierunku wyznaczonego przez oś układu optycznego 2, a w tym układu soczewki cieplnej 11. Źródło światła otoczenia zewnętrznego 18 emituje wiązkę światła zewnętrznego formowaną przez układ optyczny 19, formujący wiązkę światła zewnętrznego w taki sposób, że zamieniana jest ona w szeroką wiązkę światła otoczenia zewnętrznego 20. Fragment szerokiej wiązki światła zewnętrznego 20 pada na układ optyczny 15, który formuje i kieruje wiązkę światła zewnętrznego na lustro 14 tak, że powstaje wiązka światła zewnętrznego 8. Wraz z oddalaniem się przedmiotu obrazowania 17 od układu soczewki cieplnej 11 maleje intensywność wiązki światła zewnętrznego 8. To w efekcie prowadzi do spadku stężenia cząsteczek materiału fotochromowego 5 będących w stanie B, pochłaniających wiązkę światła 7 lasera grzejącego 16. A to z kolei oznacza wydłużenie ogniskowej soczewki cieplnej powstającej w materiale fotochromowym 5. W przypadku zbliżenia się przedmiotu obrazowania 17 do układu soczewki cieplnej 11 wzrasta intensywności wiązki światła zewnętrznego 8, a co za tym idzie wzrasta stężenie cząsteczek materiału fotochromowego 5 będących w stanie B, pochłaniających wiązkę światła 7 i lasera grzejącego 16. To prowadzi do skrócenia ogniskowej soczewki cieplnej powstającej w materiale fotochromowym 5. Soczewka cieplna powstająca w układzie soczewki cieplnej 11, razem z elementami optycznymi 12 i 13 stanowią układ obrazujący tworzący ostry obraz przedmiotu obserwacji 17. Wiązka światła zewnętrznego 20 charakteryzuje się ściśle określoną zależnością swej intensywności od odległości mierzonej między wybranym punktem przedmiotu obserwacji 17 a punktem pomiaru intensywności. O zależności tej decyduje rodzaj wybranego źródła światła otoczenia zewnętrznego 18 oraz dobrany do tego źródła układ optyczny 19. Dobór źródła światła oświetlenia zewnętrznego 18 i układu optycznego 19, formującego wiązkę światła zewnętrzne, przeprowadza się w taki sposób, by wybrana zależność intensywności wiązki światła zewnętrznego 20 od odległości mierzonej między wybranym punktem przedmiotu obserwacji 17, a punktem pomiaru intensywności skutkowała tym, że układ obrazujący, złożony z układu soczewki cieplnej 11 oraz układów optycznych 12 i 13, tworzył

PL 241 692 B1 ostry obraz przedmiotu obserwacji 17 w tym samym punkcie przestrzeni, bez względu na odległość dzielącą przedmiot obserwacji 17 od układu obrazującego. Proces ten ma charakter pasywny, nie wymaga żadnej ingerencji użytkownika po stronie układu soczewki cieplnej.

Figura 8 przedstawia przykład użycia układu według wynalazku, w którym soczewka cieplna jest tworzona w materiale o ujemnym współczynniku termo-optycznym, ze źródłem światła otoczenia zewnętrznego 18 przymocowanym do przedmiotu obserwacji 17 i układem soczewki cieplnej zaopatrzonym w materiał fotochromowy o ujemnym współczynniku termo-optycznym. Składa się on m. in. z urządzenia zawierającego układ pasywnej soczewki cieplnej 11, w skład którego wchodzi pierwsze lustro dichroiczne 3, drugie lustro dichroiczne 4, materiał fotochromowy 5, lustro 14 kierujące wiązkę światła zewnętrznego uformowaną przez układ optyczny 15 w kierunku drugiego lustra dichroicznego 4 oraz laser grzejący 16 emitujący wiązkę światła 7. Układ soczewki cieplnej 11 znajduje się między dwoma dodatkowymi optycznymi układami obrazującymi wejściowym 12, np. obiektywem, i wyjściowym 13, np. okularem, zbudowanymi z dowolnych podzespołów optycznych, które służą formowaniu światła obrazowanego, takiemu by utworzyć obraz przedmiotu obrazowania w wybranej płaszczyźnie prostopadłej od osi układu optycznego 2. Układ optyczny wejściowy 12 służy do formowania światła obrazowanego wchodzącego do układu 11 np. odbitego lub emitowanego przez obserwowany obiekt. Zaś układ optyczny wyjściowy 13 służy do formowania światła obrazowanego, którego bieg został zmodyfikowany przez układ soczewki cieplnej 11. Do przedmiotu obserwacji 17 przymocowane są źródło światła otoczenia zewnętrznego 18 oraz układ optyczny 21 formujący wiązkę światła zewnętrznego zbudowany ze szklanych lub polimerowych podzespołów optycznych. Intensywność wiązki światła zewnętrznego emitowanego przez źródło 18, mierzona w stałej odległości od źródła jest niezmienna. Przedmiot obserwacji 17 porusza się wzdłuż kierunku wyznaczonego przez oś układu optycznego 2, a w tym układu soczewki cieplnej 11. Źródło światła otoczenia zewnętrznego 18 emituje wiązkę światła formowaną przez układ optyczny 21, formujący wiązkę światła zewnętrznego, w taki sposób, że zamieniana jest ona w zwężającą się wiązkę światła zewnętrznego 22. Fragment wąskiej wiązki światła zewnętrznego 22 pada na układ optyczny 15, który formuje i kieruje wiązkę światła wiązki zewnętrznego na lustro 14 tak, że powstaje wiązka światła zewnętrznego 8. Wraz z oddalaniem się przedmiotu obrazowania 17 od układu soczewki cieplnej 11 rośnie intensywność wiązki światła otoczenia zewnętrznego 8. To w efekcie prowadzi do wzrostu stężenia cząsteczek materiału fotochromowego 5 będących w stanie B, pochłaniających wiązkę światła wiązki 7 lasera grzejącego 16. A to z kolei oznacza skrócenie ogniskowej soczewki cieplnej powstającej w materiale fotochromowym 5. W przypadku zbliżenia się przedmiotu obrazowania 17 do układu soczewki cieplnej 11 maleje intensywności wiązki światła zewnętrznego 8, a co za tym idzie maleje stężenie cząsteczek materiału fotochromowego 5 będących w stanie B, pochłaniających wiązkę światła 7 lasera grzejącego 16. To prowadzi do wydłużenia ogniskowej soczewki cieplnej powstającej w materiale fotochromowym 5. Soczewka cieplna powstająca w układzie soczewki cieplnej 11, razem z elementami optycznymi 12 i 13 tworzą układ obrazujący tworzący ostry obraz przedmiotu obserwacji 17. Wiązka światła zewnętrznego 22 charakteryzuje się ściśle określoną zależnością swej intensywności od odległości mierzonej między wybranym punktem przedmiotu obserwacji 17 a punktem pomiaru intensywności. O zależności tej decyduje rodzaj wybranego źródła światła otoczenia zewnętrznego 18 oraz dobrany do tego źródła układ optyczny 21. Dobór źródła światła otoczenia zewnętrznego 18 i układu optycznego 21, formującego wiązkę światła zewnętrznego, przeprowadza się w taki sposób, by wybrana zależność intensywności wiązki światła zewnętrznego 22 od odległości mierzonej między wybranym punktem przedmiotu obserwacji 17 a punktem pomiaru intensywności skutkowała tym, że układ obrazujący, złożony z układu soczewki cieplnej 11 oraz układów optycznych 12 i 13, tworzył ostry obraz przedmiotu obserwacji 17 w tym samym punkcie przestrzeni, bez względu na odległość dzielącą przedmiot obserwacji 17 od układu obrazującego. Proces ten ma charakter pasywny, nie wymaga żadnej ingerencji użytkownika po stronie układu soczewki cieplnej 11.

Figura 9 przedstawia przykład urządzenia obrazującego zawierającego układ pasywnej soczewki cieplnej 11. Zbudowane jest ono z obudowy 23, w której zamocowane są pierwsze lustro dichroiczne 3, drugie lustro dichroiczne 4, materiał fotochromowy 5, lustro 24 kierujące wiązkę światła zewnętrznego uformowaną przez soczewkę 25 w kierunku drugiego lustra dichroicznego 4, laser grzejący 16 emitujący wiązkę 7, odbijaną przez lustro 26 w kierunku pierwszego lustra dichroicznego 3. Oprócz funkcji mocującej, obudowa ogranicza dostęp światła zewnętrznego oraz światła laserowego do materiału fotochromowego wyłącznie do dróg tworzonych przez lustra 4 i 24 i soczewkę 25 oraz lustra 3 i 26. Dostęp światła o długości fali wiązki światła zewnętrznego 8 oraz wiązki światła 7 lasera grzejącego 16 do wnętrza

PL 241 692 Β1 urządzenia poprzez materiał fotochromowy 5 uniemożliwia układ filtrujący 27 składający się z pojedynczego filtra optycznego lub zespołu takich filtrów. Układ filtrujący 27 równocześnie pełni funkcję ochronną przed wiązką światła zewnętrznego oraz lasera grzejącego, które mogą przeniknąć przez materiał fotochromowy 5, absorbując je. Układ filtrujący 27 zbudowany jest z materiału, w którym efekty termo-optyczne są zaniedbywalnie małe, zatem nie może w nim zostać wytworzona soczewka cieplna.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ optyczny z soczewką cieplną o pasywnie zmiennej ogniskowej, znamienny tym, że tworzy go umiejscowione w osi układu optycznego (2) pierwsze lustro dichroiczne (3), a za nim drugie lustro dichroiczne (4), usytuowane równolegle względem siebie i nachylone pod kątem ostrym do osi układu optycznego (2), za którymi umiejscowiony jest termo-optyczny materiał fotochromowy (5) w płaszczyźnie prostopadłej do osi (2), przy czym nad pierwszym lustrem dichroicznym (3) usytuowany jest laser grzejący (16) emitujący wiązkę światła (7), natomiast nad drugim lustrem dichroicznym (4) usytuowany jest układ optyczny (15) z lustrem (14), formujący i emitujący wiązkę światła zewnętrznego (8), po czym obie wiązki światła (7 i 8), w tym samym czasie emitowane prostopadle do osi układu optycznego (2), padają na odpowiadające im lustra dichroiczne (3 i 4), gdzie wiązka światła (7) pada na pierwsze lustro dichroiczne (3), a po odbiciu od pierwszego lustra dichroicznego (3) przepuszczana jest przez drugie lustro dichroiczne (4), natomiast w tym samym czasie wiązka światła zewnętrznego (8) pada na drugie lustro dichroiczne (4), gdzie część promieni po odbiciu od drugiego lustra dichroicznego (4) tworzy wiązkę światła (9) i pod wpływem obu wiązek światła (7 i 9) emitowanych w kierunku termo-optycznego materiału fotochramowego (5) oraz absorbowanych przez materiał fotochromowy (5) o ujemnym współczynniku termo-optycznym dn/dT, tworzona jest w materiale fotochromowym (5) pasywna soczewka cieplna rozpraszająca o zwiększonej mocy.
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał fotochromowy (5) ma dodatni współczynnik termo-optycznym dn/dT, gdzie tworzona jest pasywna soczewka cieplna skupiająca o zwiększonej mocy.