Анаморфотная система формирования штрихового распределения интенсивности лазерного излучения
Полезная модель относится к преобразователям лазерных пучков для концентрации излучения в виде штриха при изготовлении растров высокоточных оптоэлектронных энкодеров. Система содержит расположенные последовательно по ходу распространения излучения лазера цилиндрические линзы с образующей вогнутой цилиндрической поверхности первой из них перпендикулярной образующим цилиндрических поверхностей остальных, которые соответственно по ходу излучения составляют перевернутую телескопическую схему Галилея и трехкомпонентный объектив компенсатор сферической аберрации. Между объективом и стеклянной заготовкой, на внешней поверхности которой формируется штриховое распределение размещены корректирующая пластина и апертурная диафрагма, что в сочетании с системой линз обеспечивает высокую точность формы и позиционирования штриховых элементов длиной в несколько мм и шириной 1÷2 мкм.
1 з.п.ф., 2 илл.
Полезная модель относится к преобразователям лазерных пучков для концентрации лазерного излучения на площадке малых размеров в виде узкого штриха и может использоваться при изготовлении растров высокоточных оптико-электронных энкодеров линейных и угловых перемещений. Штриховые элементы растра формируются на покрытой пленкой хрома стеклянной пластине за счет его испарения под действием лазерного излучения.
Нанесение подобных штрихов возможно путем сканирования с помощью лазерных гравировальных установок, оптические системы которых концентрируют лазерное излучение в точку. Однако такой процесс очень длительный и не обеспечивает требуемую точность формы и расположения штрихов.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели и принятой за прототип является анаморфотная оптическая система для формирования лазерного пучка (Свидетельство на полезную модель 
28926, опубл, 20.04.2003), позволяющая получить распределение интенсивности близкое к прямоугольному. Эта система содержит установленные последовательно по ходу распространения лазерного излучения формирующую линзу, отрицательную и положительную цилиндрические линзы с параллельными образующими цилиндрических поверхностей. Недостатком прототипа является невозможность получения прямоугольного распределения с отношением сторон более пятнадцати.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является получение узкого прямоугольного однородного распределения интенсивности излучения лазера с шириной прямоугольника 1÷2 мкм и длиной несколько миллиметров.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата при реализации полезной модели, заключающегося в обеспечении высокой точности формы и позиционирования штриховых элементов растра.
Данный технический результат достигается тем, что в анаморфотной системе формирования штрихового распределения лазерного излучения, содержащей установленные последовательно по ходу распространения излучения лазера формирующую линзу, отрицательную и положительную цилиндрические линзы с параллельными образующими цилиндрических поверхностей, согласно полезной модели, взаимное расположение отрицательной и положительной линз удовлетворяет условию реализации перевернутой телескопической схемы Галилея, формирующая линза выполнена цилиндрической с вогнутой поверхностью, образующая которой перпендикулярна образующим поверхностей последующих двух линз, а также образующим цилиндрических поверхностей линз размещаемого за положительной линзой с возможностью перемещения вдоль оптической оси трехкомпонентного анаморфотного объектива-концентратора с функцией формирования штрихового распределения интенсивности на совпадающей с наружной поверхностью стеклянной заготовки выходной плоскости системы, причем между объективом-концентратором и стеклянной заготовкой введены сменная компенсирующая сферическую аберрацию пластина и апертурная диафрагма с функцией экранирования краевого поля продольной части изображения штриха, длина которого пропорциональна оптической силе формирующей линзы.
Показатель преломления стекла, из которого выполнена отрицательная линза телескопической схемы Галилея, больше показателя преломления стекла положительной линзы этой схемы
Сущность полезной модели поясняется фигурами чертежей, на которых представлена схема предлагаемого устройства в двух ортогональных сечениях. Фиг.1 иллюстрирует систему в сечении, перпендикулярном продольному направлению требуемого штрихового распределения излучения, а фиг.2 - в сечении, содержащем штрих.
Устройство состоит из лазера 1, установленных последовательно по оси и направлению распространения излучения лазера 1 цилиндрических отрицательных линз 2 и 3, образующие цилиндрических поверхностей которых ориентированы перпендикулярно. За линзой 3, последовательно по направлению излучения, на расстоянии, соответствующем условию образования перевернутой телескопической схеме Галилея, расположена положительная цилиндрическая линза 4, а затем, с возможностью перемещения вдоль оптической оси, трехкомпонентный анаморфотный объектив-концентратор, состоящий из цилиндрических отрицательной линзы 5 и двух положительных линз 6 и 7, а также сменная плоскопараллельная пластина 8 и апертурная диафрагма 9. Образующие цилиндрических поверхностей линз 4, 5, 6 и 7 ориентированы параллельно образующей цилиндрической поверхности линзы 3. Внешняя поверхность стеклянной пластины 10 является выходной плоскостью предлагаемой системы, на которой концентрируется распределение интенсивности излучения лазера 1 в виде штриха 11.
Устройство работает следующим образом. Излучение лазера 1, проходя линзу 2, расширяется в направлении перпендикулярном образующей цилиндрической поверхности этой линзы. Это направление соответствует продольному распределению излучения в конечном штриховом распределении излучения. В ортогональном сечении действие линзы 2 подобно действию плоскопараллельной пластины, т.е. сохраняется начальная расходимость пучка излучения лазера 1. При прохождении телескопической системы Галилея образованной по перевернутой схеме линзами 3 и 4 пучок излучения становится параллельным в силу ориентации цилиндрических поверхностей этих линз только в сечении, определяющем ширину штриха 11. Сформированный телескопической системой Галилея лазерный пучок фокусируется образованным цилиндрическими линзами 5, 6 и 7 анаморфотным объективом-концентратором в соответствии с ориентацией этих линз тоже только в сечении ширины штриха 11. При этом, из-за необходимости получения минимальной ширины штриха 11 очевидны высокие требования к аберрационным характеристикам системы, причем, она должна быть хорошо корригирована в отношении сферической аберрации. Остальные аберрации вследствие монохроматичности лазерного излучения и его малого апертурного угла не имеют значения. Положительные линзы имеют отрицательное значение сферической аберрации, а отрицательные - положительное. Устранение сферической аберрации оптических систем достигается равенством сферических аберраций компонентов по модулю и противоположностью по знаку. Габаритный расчет предлагаемой системы и моделирование ее функционирования с учетом разумности конструктивных параметров, в частности того, что фокусное расстояние линзы 3 значительно меньше фокусного расстояния линзы 4, и, как следствие, меньше, пропорциональная этому расстоянию сферическая аберрация, показали целесообразность уравнивания значений аберраций линз 3 и 4 за счет разности показателей преломления стекол, из которых они изготовлены. Для этого линза 4 должна изготавливаться из стекла с более высоким показателем преломления, например, из стекла ТФ-4, а линза 3 - с более низким, например, из стекла К-8. Подобные условия могут выполняться и для линз 6 и 7 по отношению к линзе 5. Однако, как показали исследования, из-за того, что параллельный ход лучей между телескопической системой и объективом-концентратором обеспечивает возможность их взаимного осевого перемещения без потери качества системы, ее тонкую фокусировку можно осуществлять лишь за счет перемещения объектива. Такая возможность существенно облегчает конструкторское решение задачи.
В состав системы входит и сама заготовка в виде стеклянной пластины 10, на внешней поверхности которой формируется штриховое распределение интенсивности излучения лазера 1. Расположена эта пластина в сходящемся ходе лучей, и внешняя ее поверхность совпадает с выходной плоскостью системы с максимальной концентрацией лазерного излучения. Качество поверхности и толщина материала заготовки существенно сказывается на ширине и характере распределения интенсивности излучения на покрытой, например хромом, этой поверхности. Поэтому, для минимизации суммарной сферической аберрации системы и, как следствие, минимально возможной ширины штриха при обработке заготовок различной толщины установлена компенсирующая сферическую аберрацию сменная плоскопараллельная пластина 8, толщина которой выбирается в результате расчета в зависимости от толщины заготовки. Продольный размер распределения интенсивности штриха 11 в выходной плоскости системы определяется расходимостью пучка в плоскости ортогональной образующей цилиндрической поверхности линзы 2 и пропорционален ее оптической силе. Апертурная диафрагма 9 экранирует периферийные лучи этого пучка, вырезая заданную длину штриха с необходимым равномерным распределением интенсивности.
В случае необходимости получения растра с большей шириной штрихов достаточно перемещать стеклянную заготовку 10 таким образом, чтобы наносимые на нее штрихи последовательно перекрывали друг друга, образуя прямоугольники необходимой ширины.
1. Анаморфотная система формирования штрихового распределения интенсивности лазерного излучения, содержащая установленные последовательно по ходу распространения излучения лазера формирующую линзу, отрицательную и положительную цилиндрические линзы с параллельными образующими цилиндрических поверхностей, отличающаяся тем, что взаимное расположение отрицательной и положительной линз удовлетворяет условию реализации перевернутой телескопической схемы Галилея, формирующая линза выполнена цилиндрической с вогнутой поверхностью, образующая которой перпендикулярна образующим поверхностей последующих двух линз, а также образующим цилиндрических поверхностей линз размещаемого за положительной линзой с возможностью перемещения вдоль оптической оси трехкомпонентного анаморфотного объектива-концентратора с функцией формирования штрихового распределения интенсивности на совпадающей с наружной поверхностью стеклянной заготовки выходной плоскости системы, причем между объективом-концентратором и стеклянной заготовкой введены сменная компенсирующая сферическую аберрацию пластина и апертурная диафрагма с функцией экранирования краевого поля продольной части изображения штриха, длина которого пропорциональна оптической силе формирующей линзы.
2. Анаморфотная система формирования штрихового распределения интенсивности лазерного излучения по п.1, отличающаяся тем, что показатель преломления стекла, из которого выполнена отрицательная линза телескопической схемы Галилея больше показателя преломления стекла положительной линзы этой схемы.
