RU100306U1

RU100306U1 - OPTICAL RADIATOR TOTALIZER

Info

Publication number: RU100306U1
Application number: RU2010127151/28U
Authority: RU
Inventors: Александр Юрьевич Евдокимов; Александр Иванович Миланич
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2010-12-10

Abstract

1. Сумматор оптического излучения, содержащий группу источников излучения, например лазеров, и отображающее средство, расположенное между источниками и выходом сумматора и являющееся средством формирования излучения, отличающийся тем, что в качестве отображающего средства используется линза диаметром от 3 до 200 мм, по крайней мере одна из поверхностей которой содержит не менее двух плоских граней, расположенных под углом α друг к другу от 0,5 до 30º, при этом источники излучения расположены на соответствующих оптических осях, определяемых положением граней. ! 2. Сумматор оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере одна из поверхностей является цилиндрической. ! 3. Сумматор оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере одна из поверхностей является асферической поверхностью. ! 4. Сумматор оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что в качестве источников излучения используются полупроводниковые диоды. 1. The optical radiation adder containing a group of radiation sources, such as lasers, and imaging means located between the sources and the output of the adder and is a radiation generating means, characterized in that a lens with a diameter of from 3 to 200 mm is used as the imaging means, at least one of the surfaces of which contains at least two flat faces located at an angle α to each other from 0.5 to 30º, while the radiation sources are located on the corresponding optical axes determined by face positioning. ! 2. The optical radiation adder according to claim 1, characterized in that at least one of the surfaces is cylindrical. ! 3. The optical radiation adder according to claim 1, characterized in that at least one of the surfaces is an aspherical surface. ! 4. The optical radiation adder according to claim 1, characterized in that semiconductor diodes are used as radiation sources.

Description

Область техники.The field of technology.

Предлагаемое изобретение относится к сумматорам оптического излучения, например полупроводниковых лазеров, и может быть использовано в технологическом оборудовании, в бытовых приборах, системах связи, в спектроскопии, в офтальмологии, в измерительных оптических системах.The present invention relates to combiners of optical radiation, for example semiconductor lasers, and can be used in technological equipment, in household appliances, communication systems, spectroscopy, in ophthalmology, in measuring optical systems.

Предшествующий уровень техники.The prior art.

Проблема суммирования оптических пучков существует в оптике сотни лет. Если первоначально «сумматоры» использовались главным образом для решения задач интерференции, то в последние годы подобные устройства требуются в волоконных линиях связи, оптических компьютерах и т.д. При этом до сих пор задача суммирования излучения нескольких источников решается главным образом за счет суммирования энергии [1], [2], [3] и имеет более узкую область практического применения (волоконные лазеры большой мощности, линии задержки и т.д.). Возможно суммирование излучения с помощью более сложного устройства [4], в котором хотя и происходит качественное суммирование сигналов, однако неизбежны потери энергии из-за многократного отражения луча.The problem of summing optical beams has existed in optics for hundreds of years. If initially “adders” were used mainly for solving interference problems, then in recent years such devices have been required in fiber communication lines, optical computers, etc. In this case, the problem of summing the radiation of several sources is still being solved mainly by summing the energy [1], [2], [3] and has a narrower field of practical application (high-power fiber lasers, delay lines, etc.). It is possible to summarize radiation using a more complex device [4], in which although a qualitative summation of signals occurs, energy losses are inevitable due to multiple reflection of the beam.

Наиболее близким техническим решением является устройство [5], выбранное в качестве прототипа, которое служит для суммирования в общем фокусе излучения от двух или более источников. Прототип содержит группу источников и оптическую системы для фокусировки их излучения в узкой области. Оптическая система состоит из плосковыпуклой собирающей линзы и группы светоотражающих элементов.The closest technical solution is the device [5], selected as a prototype, which serves to summarize in the general focus of radiation from two or more sources. The prototype contains a group of sources and an optical system for focusing their radiation in a narrow region. The optical system consists of a flat convex collecting lens and a group of reflective elements.

Недостатком технического решения-прототипа является сложность конструкции за счет конструктивного выполнения оптических элементов с высокой точностью и ограниченность количества складываемых источников. В результате, повышается стоимость и увеличиваются габариты изделия, а также невозможно суммирование излучения более чем от трех источников.The disadvantage of the technical solution of the prototype is the design complexity due to the constructive implementation of the optical elements with high accuracy and the limited number of stacked sources. As a result, the cost increases and the dimensions of the product increase, and it is also impossible to summarize radiation from more than three sources.

Предложенное устройство решает техническую задачу упрощения конструкции и повышения точности оптического суммирования, а также расширение функциональных возможностей устройства за счет увеличения количества источников, излучение которых можно суммировать до 7-10.The proposed device solves the technical problem of simplifying the design and improving the accuracy of optical summation, as well as expanding the functionality of the device by increasing the number of sources whose radiation can be summed up to 7-10.

Технический результат достигается за счет того, что в сумматоре оптического излучения, содержащем группу источников излучения, например лазеров, и отображающее средство, расположенное между источниками и выходом сумматора и являющееся средством формирования излучения, в качестве отображающего средства используется линза диаметром от 3 до 200 мм по крайней мере, одна из поверхностей которой содержит не менее двух плоских граней, расположенных под углом друг к другу от 0,5 до 30 градусов, при этом источники излучения расположены на соответствующих оптических осях, определяемых положением граней. Причем, по крайней мере одна из поверхностей является цилиндрической или асферической. В качестве источников излучения используются полупроводниковые диоды.The technical result is achieved due to the fact that in the adder of optical radiation containing a group of radiation sources, for example lasers, and imaging means located between the sources and the output of the adder and which is a means of generating radiation, a lens with a diameter of 3 to 200 mm is used as imaging means at least one of the surfaces of which contains at least two flat faces located at an angle to each other from 0.5 to 30 degrees, while the radiation sources are located at uyuschih optical axis defined by the position of faces. Moreover, at least one of the surfaces is cylindrical or aspherical. Semiconductor diodes are used as radiation sources.

Полезная модель поясняется чертежами:The utility model is illustrated by drawings:

На фиг.1-3 представлен вид сбоку предлагаемой полезной модели.Figure 1-3 presents a side view of the proposed utility model.

На фиг.4, 5 приведен пример использования полезной модели для суммирования света от нескольких светодиодов.Figures 4 and 5 show an example of using a utility model for summing light from several LEDs.

На фиг.6 представлен пояснительный чертеж для расчета примера реализации.6 is an explanatory drawing for calculating an example implementation.

На чертежах используются обозначения: 1 - источник излучения, 2 - линза, 3 - световод, 4 - плоская грань, 5 - зона фокусировки.In the drawings, the notation is used: 1 - radiation source, 2 - lens, 3 - optical fiber, 4 - flat face, 5 - focus area.

Данный результат достигнут за счет изменения геометрии и конструкции линзы полезной модели (фиг.1-3). Предлагается конструкция полезной модели, позволяющая суммировать свет с помощью собирающей линзы, по крайней мере, одна из поверхностей которой содержит не менее двух плоских срезов. Количество плоскостей срезов определяет число источников, излучение от которых можно суммировать, а угол между ними - направление дополнительных оптических осей. Возможно использование сферических, цилиндрические и асферические линз. Наличие плоских срезов позволяет излучению, идущему перпендикулярно плоскости среза, попадать в линзу, испытывая преломление только на выходе из нее. Расположение граней подбирается таким образом, чтобы преломляющая поверхность линзы фокусировала излучение от всех источников в область минимального размера (точку фокуса), что обеспечивает более эффективное суммирование энергии источников и смешение света, чем у прототипа.This result is achieved by changing the geometry and design of the lens of the utility model (Fig.1-3). A utility model design is proposed that allows the light to be summed using a collecting lens, at least one of the surfaces of which contains at least two flat sections. The number of cut planes determines the number of sources from which radiation can be summed, and the angle between them is the direction of the additional optical axes. It is possible to use spherical, cylindrical and aspherical lenses. The presence of flat slices allows radiation traveling perpendicular to the plane of the cut to enter the lens, experiencing refraction only at the exit from it. The location of the faces is selected so that the refracting surface of the lens focuses the radiation from all sources to the region of minimum size (focal point), which provides a more efficient summation of the energy of the sources and mixing of light than the prototype.

Предлагаемое устройство сумматора полностью обратимо и обратный ход лучей соответствует делению светового пуска и его энергии.The proposed device of the adder is completely reversible and the return path of the rays corresponds to the division of the light start and its energy.

Описание предпочтительной реализации устройстваDescription of the preferred implementation of the device

Рассмотрим наиболее простой (предпочтительный) вариант реализации полезной модели (фиг.4, 5). Пусть требуется когерентно суммировать излучение от нескольких источников излучения с разными длинами волн с целью создания в точке фокуса ощущения восприятия определенного цвета человеком. Для решения этой задачи на данный момент одним из наиболее удобных способов является использование оптического сумматора. Выбрав для него оптимальные размеры так, чтобы пространственное расположение источников удовлетворяло конкретным требованиям задачи, и, установив источники так, чтобы их излучение входило под прямым углом к плоским граням сумматора, максимально точно попадая в центры граней, мы произведем суммирование всех введенных в устройство оптических сигналов. В точке фокуса возможна установка световода (фиг.4), для передачи просуммированного излучения или же какого-либо рассеивающего элемента (фиг.5). Заводя просуммированное излучение с обратной стороны оптического сумматора возможно обратное разделение оптических сигналов без потери энергии.Consider the simplest (preferred) embodiment of the utility model (Figs. 4, 5). Let it be necessary to coherently summarize radiation from several radiation sources with different wavelengths in order to create a sensation of perception of a certain color by a person at the focal point. To solve this problem at the moment, one of the most convenient ways is to use an optical adder. Choosing the optimal sizes for it so that the spatial arrangement of the sources satisfies the specific requirements of the problem, and setting the sources so that their radiation enters at right angles to the flat faces of the adder, getting into the centers of the faces as accurately as possible, we will sum all the optical signals introduced into the device . At the focal point, it is possible to install a fiber (Fig. 4), for transmitting the summed radiation or some scattering element (Fig. 5). By initiating the summed radiation from the back of the optical adder, it is possible to reverse the optical signals without loss of energy.

Расчет конкретной реализации сумматораCalculation of a specific implementation of the adder

Оптический сумматор можно реализовать следующим образом. Рассмотрим случай, когда одна из поверхностей линзы сферическая, а другая поверхность ограниченна плоскими гранями (фиг.6). Углы между гранями могут варьироваться от 1 до 30 градусов. Центр сферической поверхности радиуса Rл расположен в точке С, показатель преломления материала линзы nл, окружающей среды nс. Тогда, если мы хотим, чтобы лучи, падающие в центр плоских граней сфокусировались в точке Р на расстоянии Rф от линзы, то плоские грани должны являться хордами сферы с радиусом R и центром, лежащим в точке Р′ на оптической оси системы. Связь между R и Rф может быть выражена с помощью формулы:The optical adder can be implemented as follows. Consider the case when one of the surfaces of the lens is spherical, and the other surface is bounded by flat faces (Fig.6). The angles between the faces can vary from 1 to 30 degrees. The center of a spherical surface of radius Rl is located at point C, the refractive index of the lens material is nl, and the environment is nc. Then, if we want the rays incident at the center of plane faces to be focused at point P at a distance Rf from the lens, then the plane faces should be the chords of a sphere with radius R and the center lying at point P ′ on the optical axis of the system. The relationship between R and Rf can be expressed using the formula:

Таким образом, выбирая радиус кривизны линзы Rл и расстояние от линзы до точки пересечения лучей Rф оптимальными для конкретной практической задачи, нужно изготавливать линзу, пользуясь приведенной расчетной формулой, в которой в простейшем случае работы в воздушной среде nс=1, а nл в зависимости от сорта оптического стекла в видимом диапазоне лежит в пределах от 1,4 до 2,17, а в инфракрасном диапазоне может достигать больших значений.Thus, choosing the radius of curvature of the lens Rl and the distance from the lens to the point of intersection of the rays Rf optimal for a particular practical problem, it is necessary to produce the lens, using the above calculation formula, in which in the simplest case of operation in air, nс = 1, and nл, depending on the type of optical glass in the visible range, ranges from 1.4 to 2.17, and in the infrared range it can reach large values.

Возможен вариант изготовления оптического сумматора из двояковыпуклой линзы, ограниченной двумя сферическими поверхностями радиусами R1 и R2, путем создания плоских граней на одной из поверхностей. В этом случае, если грани созданы на поверхности R1, то излучение, заведенное от источников в центры граней будет сфокусировано на расстоянии Rф от центра линзы. Rф может быть вычислен по формуле:It is possible to fabricate an optical adder from a biconvex lens bounded by two spherical surfaces of radii R1 and R2 by creating flat faces on one of the surfaces. In this case, if the faces are created on the surface R1, then the radiation brought from the sources to the centers of the faces will be focused at a distance Rf from the center of the lens. Rf can be calculated by the formula:

Где nл и nс, как и в предыдущем случае, соответственно показатели преломления материалов линзы и среды ее окружающей.Where nl and nc, as in the previous case, respectively, are the refractive indices of the lens materials and the environment surrounding it.

Все другие случаи, упомянутые в описании полезной модели, легко сводимы к разобранным выше и поддаются аналогичному расчету.All other cases mentioned in the description of the utility model are easily reducible to those discussed above and can be similarly calculated.

Приведем численный пример расчета сумматора.We give a numerical example of calculating the adder.

Пример 1.Example 1

Для плосковыпуклой линзы из стекла К-8 диметром 50 мм с показателем преломления 1,5183 на длине волны 546 нм и радиусом сферической поверхности 80 мм (соответственно с фокусным расстоянием F=154,35 мм), можно выполнить суммирование трех сходящихся пучков, добавив два скоса под углом α=5 градусов с плоской стороны линзы (см. Фиг.1-3). Тогда в фокальной плоскости линзы сфокусированное излучение от трех источников пересечется в одной точке, таким образом просуммировавшись.For a plano-convex lens made of K-8 glass with a diameter of 50 mm with a refractive index of 1.5183 at a wavelength of 546 nm and a radius of a spherical surface of 80 mm (respectively, with a focal length F = 154.35 mm), you can add three converging beams by adding two bevel at an angle α = 5 degrees on the flat side of the lens (see Figure 1-3). Then, in the focal plane of the lens, focused radiation from three sources intersects at one point, thus summing up.

Пример 2.Example 2

Для двояковыпуклой линзы из стекла К-8 диметром 100 мм с показателем преломления 1,5183 на длине волны 546 нм и радиусами сферических поверхностей 250 мм (соответственно с фокусным расстоянием F=241,173 мм), можно выполнить суммирование трех сходящихся пучков, добавив три скоса, два из которых под углом к третьему α=20 градусов, с одной из сторон линзы (см. Фиг.1-3). Тогда сфокусированное излучение от трех источников просуммируется в точке фокуса.For a biconvex lens made of K-8 glass with a diameter of 100 mm with a refractive index of 1.5183 at a wavelength of 546 nm and radii of spherical surfaces of 250 mm (respectively, with a focal length F = 241.173 mm), you can summarize three converging beams by adding three bevels, two of which at an angle to the third α = 20 degrees, on one side of the lens (see Figure 1-3). Then the focused radiation from the three sources is summed up at the focal point.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Таким образом, приведенный расчет доказывает возможность практической реализации оптического сумматора. Количество источников, излучение от которых можно суммировать с помощью данной полезной модели, увеличено по сравнению с прототипом до 7-10, а также в значительной степени упрощена конструкция, повышена технологичность, что позволит производить такие оптические элементы в более широком диапазоне линейных размеров (диаметр) - от 3 до 200 мм. В частности появилась возможность создания более компактного устройства, снижения стоимости его производства и упрощения настройки. Данное устройство как элемент сложения или деления оптических пучков от одного или нескольких источников излучения, можно использовать в технологическом оборудовании, в бытовых приборах, системах связи, в спектроскопии, в офтальмологии, в измерительных оптических системах, в волоконных линиях связи, оптических компьютерах.Thus, the above calculation proves the possibility of practical implementation of the optical adder. The number of sources from which the radiation can be summed using this utility model is increased compared to the prototype to 7-10, the design is also greatly simplified, and manufacturability is increased, which will allow such optical elements to be produced in a wider range of linear sizes (diameter) - from 3 to 200 mm. In particular, it became possible to create a more compact device, reduce the cost of its production and simplify setup. This device as an element of addition or division of optical beams from one or several radiation sources, can be used in technological equipment, in household appliances, communication systems, spectroscopy, ophthalmology, in measuring optical systems, in fiber communication lines, optical computers.

Ссылки на патенты:Patent references:

1. Патент США US 6890108B2 Christfried Symanowski; Jens Hofman; Enrico Gelssler;1. US patent US 6890108B2 Christfried Symanowski; Jens Hofman; Enrico Gelssler;

Arne Troellsch; Mario Zielke; HaraldKiessling, 14.08.2003Arne Troellsch; Mario Zielke; HaraldKiessling, 08/14/2003

2. Патент США US 5031078 James M. Bomhorst, 28.08.19892. US patent US 5031078 James M. Bomhorst, 08/28/1989

3. Патент RU 2182346 Бушмелев Н.И., Кривошеин В.Н., Погорельский С.Л., Сбродов А.В„ Лазукин В.Ф., Шипунов А.Г., 20.06.20003. Patent RU 2182346 Bushmelev N.I., Krivoshein V.N., Pogorelsky S.L., Sbrodov A.V. “Lazukin V.F., Shipunov A.G., 06.20.2000

4. Патент США US 4707064 Jerzy A. Dobrowolski; Elmer H. Наrа, 07.07.19864. US patent US 4707064 Jerzy A. Dobrowolski; Elmer H. Nara, 07/07/1986

5. Патент США US 20090116238 А1 Jun Zhu; He Zhang; Guo-Fan Jin, 07.08.20085. US patent US 20090116238 A1 Jun Zhu; He Zhang; Guo-Fan Jin, 08/07/2008

Claims

1. The optical radiation adder containing a group of radiation sources, such as lasers, and imaging means located between the sources and the output of the adder and is a radiation generating means, characterized in that a lens with a diameter of from 3 to 200 mm is used as the imaging means, at least one of the surfaces of which contains at least two flat faces located at an angle α to each other from 0.5 to 30º, while the radiation sources are located on the corresponding optical axes determined by face positioning.

2. The optical radiation adder according to claim 1, characterized in that at least one of the surfaces is cylindrical.

3. The optical radiation adder according to claim 1, characterized in that at least one of the surfaces is an aspherical surface.

4. The optical radiation adder according to claim 1, characterized in that semiconductor diodes are used as radiation sources.