оптический элемент

Формула изобретения

1. Оптический элемент, выполненный в виде стопы плоскопараллельных стеклянных пластин с одинаковым показателем преломления в соседних пластинах в плоскости их контакта, отличающийся тем, что каждая пластина выполнена с распределением показателя преломления с градиентом, направленным перпендикулярно плоскости контакта и имеющим одинаковое значение по обе стороны плоскости контакта между соседними пластинами.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что входная и/или выходная поверхности стопы выполнена плоской или сферической формы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в оптических системах для передачи и формирования изображения.

Известны оптические элементы, выполненные в виде стеклянной пластины с градиентом показателя преломления и с плоскими входными и выходными поверхностями [1]

Эти элементы обладают способностью формировать и передавать изображение, но, из-за относительно небольшого перепада показателя преломления в градиентной зоне, невозможно использовать их в качестве полноценной альтернативы линзовым системам.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является оптический элемент, выполненный в виде стопы оптически однородных плоскопараллельных стеклянных пластин. При этом значения показателя преломления двух соседних пластин в плоскости контакта одинаковы [2] Этот известный оптический элемент обладает 2-мя взаимно перпендикулярными оптическими осями. Световое излучение вводится в стопу через торцы пластин, при этом каждая пластина действует как световод.

Формируемое описанным устройством изображение обладает низким качеством, что связано с отсутствием у него фокусирующих свойств. Кроме того, устройство не обладает световодными свойствами при ином (не торцевом) направлении хода световых лучей.

Технически результатом предлагаемого изобретения является придание оптическому элементу фокусирующих и дефокусирующих свойств.

Технический результат достигается тем, что в оптическом элементе, выполненном в виде стопы плоскопараллельных стеклянных пластин с одинаковым показателем преломления соседних пластин в плоскости контакта, согласно изобретению, каждая пластина имеет распределение показателя преломления с градиентом, одинаковым в соседних пластинах в плоскости контакта и направленным перпендикулярно плоскости контакта. Причем входная и/или выходная поверхность стопы имеет плоскую или сферическую форму.

Выполнение пластин с градиентом показателя преломления, одинаковым в соседних пластинах в плоскости их контакта и направленным перпендикулярно плоскости их контакта, позволяет при значительном увеличении перепада показателя преломления (ПП) получать его распределение в форме гладкой без изломов кривой, что обеспечивает его воздействие на световой пучок для единого градиентного элемента больших геометрических размеров с высокой апертурой.

Выполнение входной и/или выходной поверхности стопы сферической позволяет значительно увеличить качество изображения за счет сочетания кривизны поверхности и распределения показателя преломления.

В зависимости от взаимного направления градиента показателя преломления и оптической оси элемента, элемент может по разному воздействовать на световой пучок.

Изобретение поясняется чертежами, на которых приведены некоторые примеры возможной компоновки стеклянных пластин в стопе оптическом элементе и воздействие этих элементов на световые пучки.

На фиг. 1 схематически изображен оптический элемент, состоящий из стопы стеклянных пластин, уложенных в порядке возрастания значений показателя преломления; на фиг. 2 показано воздействие элемента по фиг. 1 на световой пучок, входящий в стопу в направлении градиента (случай аксиального градиента); на фиг. 3 показан пример действия элемента на световой пучок, входящий в стопу с входной сферической поверхностью вдоль направления градиента ПП (аксиальный градиент); на фиг. 4 изображен оптический элемент, в котором пластины уложены так, что значение показателя преломления достигает максимума в центре стопы; на фиг. 5 воздействие элемента по фиг. 4 на световой пучок, входящий в стопу перпендикулярно градиенту (случай поперечного градиента); на фиг. 6 изображено воздействие на световой пучок двух оптических элементов, приведенных на фиг. 4, установленных последовательно на одной оптической оси и развернутых друг относительно друга на 90^o.

Оптический элемент выполнен в виде стопы, набранной из плоскопараллельных стеклянных пластин 1 с градиентом распределения показателя преломления (ПП) 2. Пластины в стопе могут быть соединены посредством склеивания или оптического контакта.

Плоскопараллельные стеклянные пластины в стопе могут быть улажены в порядке возрастания или убывания исходных значений ПП стекла пластин, с максимумом или минимумом исходных значений ПП стекла в центре стопы.

В зависимости от взаимной компоновки пластин в стопе (фиг. 1, 4) последняя приобретает различные распределения ПП и по разному воздействует на световой пучок (фиг. 2, 5).

Плоскопараллельная пластина 1, входящая в состав стопы имеет распределение ПП 2 в плоскости, перпендикулярной контактирующим поверхностям пластины. Это распределение является аксиальным по отношению к оптической оси OX и поперечным по отношению к оптическим осям ОУ и OZ.

Следовательно, при переходе светового пучка в направлении оптических осей OУ и ОZ оптический элемент работает как цилиндрическая линза, при ходе светового пучка в направлении оси OX как сферическая линза. Градиент ПП в стеклянной пластине можно получить различными способами, в том числе, с помощью технологии ионного обмена между стеклом и расплавом соли.

Изготавливая составляющие плоскопараллельные пластины из стекол с разным значением показателя преломления и подвергая их ионному обмену, можно получить стопу с суммарным перепадом ПП, равным перепаду ПП между исходными стеклами с минимальным и максимальным значением ПП, т.е. порядка 10^-1.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами:

Пример 1.

Оптический элемент выполнен в виде стопы плоскопараллельных пластин 1, уложенных в порядке возрастания исходных значений ПП стекла пластин, причем входной поверхности стопы придана сферическая форма фиг. 3. Параллельный пучок 3 света, входящий в стопу в направлении градиента ПП, фокусируется, т. е. элемент работает как собирающая линза. Такой оптический элемент сочетает градиентные свойства с кривизной рабочих поверхностей и чрезвычайно перспективен для безаберрационной оптики. Толщину пластин можно варьировать от величины порядка 1 мм до нескольких миллиметров, что позволяет получить толщину стопы от нескольких миллиметров до нескольких десятков миллиметров при перепаде тП до величины порядка 10^-1.

Пример 2.

Оптический элемент выполнен в виде стопы, пластины в которой уложены так, что исходные значения ПП стекла пластин достигают максимума в центре стопы фиг. 4. Световой пучок 3 входит в стопу через боковые поверхности плоскопараллельных пластин 1 (случай поперечного градиента) фиг. 5. Оптический элемент воздействует на пучок как цилиндрическая линза.

Пример 3.

Два оптических элемента, аналогичных приведенным на фиг. 4 (с поперечным градиентом ПП), установлены последовательно на одной оптической оси и развернуты относительно друг друга вокруг оси на 90^o фиг. 6. Полученная система аналогична системе из двух цилиндрических линз.

Вышеприведенные примеры подтверждают, что оптический элемент обладает фокусирующими и дефокусирующими свойствами, высоким перепадом показателя преломления и обеспечивает его воздействие на световой пучок как единого градиентного элемента больших геометрических размеров с высокой апертурой.

Таким образом, изобретение обеспечивает достижение технического результата и соответствует требованию промышленной применимости, т.к. осуществимо на действующем оборудовании с применением промышленно выпускаемых материалов.