FR2480949A1

FR2480949A1 - OPTICAL AFFICIATOR WITH CONTINUOUS VARIATION

Info

Publication number: FR2480949A1
Application number: FR8107764A
Authority: FR
Inventors: Evan Stuart Cameron; John Mcleod; John Campbell Parker
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1980-04-18
Filing date: 1981-04-17
Publication date: 1981-10-23
Also published as: AU531891B2; DE3113840A1; GB2074339A; GB2074339B; JPS56164303A; AU6936781A; SE8102249L

Abstract

AFFAIBLISSEUR OPTIQUE POUR FAIRE VARIER L'INTENSITE D'UN FAISCEAU OPTIQUE RAYONNE 13. DEUX PRISMES 10, 11 SONT DISPOSES TRANSVERSALEMENT A L'AXE 12 DU FAISCEAU 13. CES PRISMES SONT EN VERRE ABSORBANT ET PRESENTENT CHACUN UNE FACE 14, 16 PERPENDICULAIRE A L'AXE 12 ET UNE FACE 15, 17 INCLINEE SUR CET AXE, LES FACES 15 ET 17 ETANT PARALLELES L'UNE A L'AUTRE. LE PRISME 11 EST MOBILE PERPENDICULAIREMENT A L'AXE 12 ET PERMET D'OBTENIR UNE VARIATION CONTINUE DE L'INTENSITE DU FAISCEAU, UNIFORME DANS TOUTE LA SECTION. APPLICATION A TOUT PROBLEME D'ATTENUATION LUMINEUSE.OPTICAL WEAKENER TO VARY THE INTENSITY OF AN OPTICAL RADIUS BEAM 13. TWO PRISMS 10, 11 ARE ARRANGED TRANSVERSALLY AT AXIS 12 OF BEAM 13. THESE PRISMS ARE IN ABSORBENT GLASS AND EACH SHOW A FACE 14, 16 PERPENDICULAR TO L 'AXIS 12 AND A FACE 15, 17 INCLINED ON THIS AXIS, FACES 15 AND 17 BEING PARALLEL TO ONE ANOTHER. PRISM 11 IS MOBILE PERPENDICULAR TO AXIS 12 AND ALLOWS A CONTINUOUS VARIATION IN BEAM INTENSITY, UNIFORM THROUGHOUT THE SECTION. APPLICATION TO ANY LIGHT ATTENUATION PROBLEM.

Description

La présente invention concerne un affaiblisseur opti-The present invention relates to an optical attenuator

que à variation continue.only with continuous variation.

On connaît de nombreux genres d'affaiblisseurs opti- Many types of optical attenuators are known

ques, qui sont employés dans de nombreux types d'appareils optiques pour commander l'intensité du faisceau d'un rayon- which are used in many types of optical devices to control the beam intensity of a beam-

nement optique. Une forme d'affaiblisseur communément utili- optically. A form of weakener commonly used

sée est le diaphragme à iris, tandis que d'autres affaiblis- is the iris diaphragm, while others weaken

seurs ont recours à des filtres neutres de densités varia- use neutral filters of varying densities.

bles. Ces formes d'affaiblisseurs présentent un inconvénient ble. These forms of attenuators have a disadvantage

fondamental en ce que leur emploi entraîne la variation d'in- fundamental in that their use entails the variation of

tensité du rayonnement dans la section du fai-sceau. En vérité, radiation intensity in the section of the seal. In truth,

dans le cas du diaphragme à iris, il y a réduction de la sec- in the case of the iris diaphragm, there is a reduction in the

tion du faisceau. Dans de nombreux cas, on ne peut accepter the beam. In many cases, we can not accept

cette variation de la section, comme par exemple dans un dis- this variation of the section, as for example in a

positif à laser o peuvent apparaître des effets de diffrac- positive to laser o may appear diffractive effects

tion. Le but de l'invention est de réaliser un affaiblisseur optique à variation continue qui procure un affaiblissement constant dans toute l'étendue de la section d'un faisceau de tion. The object of the invention is to provide a continuously variable optical attenuator which provides constant attenuation throughout the entire section of a beam of

rayonnement et qui ne modifie pas cette section. radiation and that does not change this section.

Selon la présente invention, ce but est atteint avec un affaiblisseur optique à variation continue comportant une paire d'étages optiques dont chacun est disposé sur l'axe d'un faisceau de rayonnement, chacun ayant une face plane According to the present invention, this object is achieved with a continuously variable optical attenuator having a pair of optical stages each of which is disposed on the axis of a radiation beam, each having a planar face

s'étendant perpendiculairement audit axe et, dans une pre- extending perpendicularly to said axis and, in a first

mière direction du plan de cette face, présentant une densité first direction of the plane of this face, having a density

optique constante, et ayant dans une seconde direction per- constant optics, and in a second direction

pendiculaire à la première une densité optique à variation continue dont le taux de variation est le même, mais en sens opposé, pour les deux étages dans ladite seconde direction, pendicular to the first a continuously varying optical density whose rate of change is the same, but in the opposite direction, for the two stages in the said second direction,

ainsi que des moyens pour produire dans cette dernière direc- as well as means to produce in the latter direction

tion un mouvement relatif des étages optiques. a relative movement of the optical stages.

Chacun-des étages optiques comporte de préférence un prisme en matière optiquement absorbante ayant une épaisseur Each optical stage preferably comprises a prism made of optically absorbing material having a thickness

à variation continue dans ladite seconde direction. continuously variable in said second direction.

Les faces inclinées des deux prismes peuvent être proches l'une de l'autre, et chaque prisme peut se combiner avec un prisme en matière non absorbante optiquement, pour former un bloc à faces parallèles. D'autres particularités et avantages de l'invention The inclined faces of the two prisms may be close to one another, and each prism may combine with a prism in optically non-absorbent material to form a parallel-faced block. Other features and advantages of the invention

vont ressortir de la description, qui va suivre, de divers will emerge from the description, which will follow, of various

modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exem- embodiments of the invention given by way of example

ples non limitatifs, en référence aux dessins annexés qui représentent respectivement: non-limiting plies, with reference to the appended drawings which represent respectively:

Figures 1 et 2: un premier mode de réalisation illus- Figures 1 and 2: a first embodiment illustrated

trant le fonctionnement de l'invention; Figure 3: un second mode de réalisation; Figure 4: un troisième mode de réalisation; et Figures 5 et 6: une illustration de procédés pour the operation of the invention; Figure 3: a second embodiment; Figure 4: a third embodiment; and Figures 5 and 6: an illustration of methods for

produire le mouvement relatif désiré. produce the desired relative motion.

En se reportant maintenant aux figures 1 et 2, l'af- Referring now to Figures 1 and 2, the

faiblisseur comprend deux prismes 10 et 11, dont chacun est weakener includes two prisms 10 and 11, each of which is

fait d'une matière optiquement absorbante telle que du verre. made of an optically absorbing material such as glass.

Le petit prisme 10 est fixe par rapport à l'axe optique 12 d'un faisceau de rayonnement 13. Le prisme 10 a une face 14 perpendiculaire à l'axe optique 12, et une seconde face 15 inclinée d'un certain angle sur l'axe. L'épaisseur du prisme est constante dans une direction perpendiculaire au plan du The small prism 10 is fixed relative to the optical axis 12 of a radiation beam 13. The prism 10 has a face 14 perpendicular to the optical axis 12, and a second face 15 inclined at an angle to the 'axis. The thickness of the prism is constant in a direction perpendicular to the plane of the

dessin.drawing.

Le second prisme il est de même configuration que le prisme 10, mais de dimensions beaucoup plus grandes. Ce prisme a aussi une face 16 perpendiculaire à l'axe optique 12 et une seconde face 17 inclinée du même angle que la face 15. Le The second prism is of the same configuration as the prism 10, but of much larger dimensions. This prism also has a face 16 perpendicular to the optical axis 12 and a second face 17 inclined at the same angle as the face 15.

prisme il est également d'épaisseur constante dans la direc- prism it is also of constant thickness in the direc-

tion perpendiculaire au plan du dessin. Les deux prismes sont disposés avec leurs faces inclinées parallèles et proches perpendicular to the plane of the drawing. The two prisms are arranged with their inclined faces parallel and close

l'une de l'autre.one from the other.

Le grand prisme il peut se déplacer dans une direction parallèle à la face 16, comme le montre la flèche. Les deux prismes doivent toujours couper la totalité du faisceau 13, la figure 1 montrant le prisme mobile il presqu'à l'une des extrémités de sa course. Le degré d'affaiblissement dépend de la longueur du trajet du rayonnement à travers la matière absorbante. Du fait que les faces 14 et 16 d'une part, et les faces 15 et 17 d'autre part sont parallèles deux à deux, on voit que toutes les parties du faisceau traversent une égale épaisseur de matière, et l'affaiblissement est donc constant The large prism can move in a direction parallel to the face 16, as shown by the arrow. The two prisms must always cut the entire beam 13, Figure 1 showing the moving prism it almost at one end of its race. The degree of weakening depends on the length of the path of the radiation through the absorbing material. Because the faces 14 and 16 on the one hand, and the faces 15 and 17 on the other hand are parallel in pairs, we see that all the parts of the beam pass through an equal thickness of material, and the attenuation is therefore constant

sur toute l'étendue de la section du faisceau. throughout the beam section.

La figure 2 montre le prisme mobile à l'autre extré- Figure 2 shows the mobile prism at the other end.

mité de sa course. Ici encore, l'affaiblissement est constant sur toute l'étendue de la section du faisceau, étant entendu que l'affaiblissement est plus grand dans ce cas puisque le of his race. Here again, the attenuation is constant over the whole extent of the section of the beam, it being understood that the attenuation is greater in this case since the

faisceau traverse une plus grande épaisseur de matière. beam passes through a greater thickness of material.

Le taux de variation de l'affaiblissement est fonction The rate of change of the attenuation is a function

de l'angle des faces inclinées 15 et 17 et des propriétés affai- angle of the inclined faces 15 and 17 and the

blissantes de la matière absorbante. of the absorbent material.

L'un des problèmes associés au dispositif représenté aux figures 1 et 2 est que la trajectoire du faisceau de rayonnement n'est pas exactement celle qui est représentée, One of the problems associated with the device shown in FIGS. 1 and 2 is that the trajectory of the radiation beam is not exactly that which is represented,

en raison de la réfraction aux diverses interfaces. Il en ré- due to refraction at various interfaces. He is

sulte un décalage latéral du faisceau. On peut l'éviter en s'assurant que toutes les surfaces traversées par le faisceau sont perpendiculaires à l'axe de celui-ci. La figure 3 montre results in a lateral shift of the beam. This can be avoided by ensuring that all surfaces crossed by the beam are perpendicular to the axis of the beam. Figure 3 shows

une façon d'y parvenir.a way to achieve this.

Chacun des prismes 10 et 11 est accolé à un prisme identique, 30 et 31 respectivement, fait de verre optique de même indice de réfraction que les prismes 10 et 11, de façon Each of the prisms 10 and 11 is attached to an identical prism, 30 and 31 respectively, made of optical glass of the same refractive index as the prisms 10 and 11, so that

à former des blocs à faces parallèles comme on le voit. L'ef- to form blocks with parallel faces as seen. The F-

fet est exactement le même qu'auparavant -mis à part un léger affaiblissement dû au verre optique- sauf qu'il n'y a plus fet is exactly the same as before - except for a slight weakening due to optical glass - except that there is more

maintenant de réfraction par les interfaces air-verre puis- now refraction through the air-glass interfaces then-

qu'elles sont maintenant perpendiculaires au faisceau. Les that they are now perpendicular to the beam. The

deux éléments peuvent être rapprochés pour diminuer l'inter- two elements can be reconciled to reduce the inter-

valle qui les sépare. La longueur du trajet du faisceau à travers le verre optique est constante sur toute la section du faisceau, ce qui fait que l'adjonction des prismes 30 et valle that separates them. The length of the path of the beam through the optical glass is constant over the entire section of the beam, so that the addition of the prisms 30 and

31 ne crée aucun problème.31 does not create any problem.

On peut démontrer que, dans chacun des modes de réa- It can be shown that in each of the modes of

lisation précédents, l'affaiblissement de puissance du fais- ceau est donné par la formule R = 10 kLxlog10e (dB) = 4,3429 kL (dB) o k est le coefficient d'absorption de la matière absorbante Previously, the power loss of the beam is given by the formula R = 10 kLxlog10e (dB) = 4.3429 kL (dB) where k is the absorption coefficient of the absorbing material

et L la longueur du trajet du faisceau dans ladite matière. and L the length of the beam path in said material.

La sensibilité de l'appareil, c'est-à-dire la varia- The sensitivity of the apparatus, that is to say the variation

tion d'affaiblissement pour une variation donnée de position weakening for a given variation of position

relative, peut se réduire en choisissant un coefficient d'ab- relative, can be reduced by choosing a coefficient of ab-

sorption tel qu'une variation donnée d'affaiblissement demande un plus grand déplacement. La course totale peut être modifiée en prenant deux prismes de même dimension et en les rendant mobiles tous les deux. C'est ce que montre la figure 4, o chaque élément est un prisme double, ainsi qu'on l'a décrit sorption such that a given variation of weakening requires a greater displacement. The total stroke can be changed by taking two prisms of the same size and making both of them movable. This is shown in Figure 4, where each element is a double prism, as described

en référence à la figure 3.with reference to FIG.

Il y a beaucoup de façons d'obtenir le déplacement relatif des prismes désiré. Dans les réalisations des figures There are many ways to get the relative displacement of the desired prisms. In the achievements of the figures

1, 2 et 3, le petit prisme a une position fixe. Comme le mon- 1, 2 and 3, the small prism has a fixed position. As the

tre la figure 5; le grand prisme peut être porté par une mon- see Figure 5; the great prism can be carried by a

ture coulissante (non représentée) et déplacé par un réglage micrométrique 50 contre la poussée d'un ressort représenté schématiquement en 51. Ceci assure un positionnement précis et reproductible. La même forme de monture peut être utilisée pour slider (not shown) and moved by a micrometer 50 against the thrust of a spring shown schematically at 51. This ensures accurate and reproducible positioning. The same frame shape can be used to

chacun des prismes dans la réalisation de la figure 4. each of the prisms in the embodiment of Figure 4.

Etant donné que l'absorption de la matière dépend de Since the absorption of the material depends on

la longueur d'onde du rayonnement, tout étalonnage de l'affai- the wavelength of the radiation, any calibration of the

blisseur n'est correct que pour une longueur d'onde particu- blender is correct only for a particular wavelength

lière. Si l'affaiblisseur est étalonné à la longueur d'onde la plus basse de sa gamme d'utilisation, et si la matière de l'affaiblisseur est telle que son coefficient d'absorption croit avec la longueur d'onde, le réglage micrométrique évoqué ci-dessus peut être modifié pour corriger la variation. Ce peut être fait, comme le montre la figure 6, en déviant l'axe du micromètre 50 d'un angle connu 5 de sorte qu'à égalité de déplacement du micromètre, le prisme ait un déplacement moindre. Le déplacement micrométrique est ainsi égal à celui du prisme divisé par le cosinus de l'angle S. Comme l'affai- blissement est proportionnel au déplacement du prisme, l'angle S est donné par la relation = Arc Cos {k/(k+Ak)} die. If the attenuator is calibrated to the lowest wavelength of its range of use, and if the attenuator material is such that its absorption coefficient increases with the wavelength, the micrometric adjustment evoked above can be modified to correct the variation. This can be done, as shown in FIG. 6, by deflecting the axis of the micrometer 50 by a known angle so that at equal displacement of the micrometer, the prism has less displacement. The micrometric displacement is thus equal to that of the prism divided by the cosine of the angle S. As the attenuation is proportional to the displacement of the prism, the angle S is given by the relation = Arc Cos {k / (k + Ak)}

o Ak est la quantité dont s'accroit le coefficient d'absorp- o Ak is the quantity with which the absorption coefficient increases

tion k en fonction de l'accroissement de longueur d'onde. La tion k as a function of the wavelength increase. The

lecture du micromètre continue alors à correspondre à l'affai- reading of the micrometer then continues to correspond to the

blissement étalonné.calibration.

Au lieu des éléments de verre absorbant ci-dessus dé- Instead of the absorbing glass elements above

crits, il est possible d'utiliser une paire de filtres de den- it is possible to use a pair of

sité variable. Ceux-ci consistent habituellement en un substrat de verre sur lequel on dépose une couche soit absorbante, soit réflectrice, dont la densité optique est une fonction linéaire de la distance. Si l'on utilise des couches réflectrices, il faut veiller à éviter les effets indésirables des réflexions variable. These usually consist of a glass substrate on which is deposited a layer either absorbing or reflective, whose optical density is a linear function of distance. If reflective layers are used, care must be taken to avoid the undesirable effects of reflections

multiples. Comme précédemment, la paire d'éléments est dispo- multiple. As before, the pair of elements is

sée de façon que les deux densités varient en sens opposés. so that the two densities vary in opposite directions.

En conséquence, comme dans la réalisation ci-dessus décrite, As a result, as in the embodiment described above,

l'affaiblissement ast constant sur toute l'étendue de la sec- the weakening is constant throughout the whole area.

tion du faisceau de rayonnement.radiation beam.

En outre, l'affaiblisseur à filtre de densité varia- In addition, the variable density filter attenuator

ble peut dans certains cas être moins dépendant de la longueur may in some cases be less dependent on the length

d'onde que l'affaiblisseur à coin d'épaisseur. waveform than the wedge thickener.

Les appareils ci-dessus décrits peuvent être utilisés avec une lumière de n'importe quelle polarisation, sans qu'un réétalonnage soit nécessaire, et toute réflexion qui se produit The apparatuses described above may be used with any light of any polarization, without recalibration being necessary, and any reflection that occurs

demeure constante quel que soit le degré d'affaiblissement. remains constant regardless of the degree of impairment.

Celui-ci peut varier lentement et de façon continue. Le fait que It can vary slowly and continuously. The fact that

l'affaiblissement dépende de la longueur d'onde peut être avan- wavelength-dependent attenuation can be advan-

tageusement utilisé si l'on cherche à obtenir un affaiblisseur tagged used if one seeks to obtain a weakener

dont l'action dépende de la longueur d'onde. whose action depends on the wavelength.

Claims

1. Continuous dimming optical attenuator,

characterized in that it comprises a pair of optical stages (10, 11), each of which is arranged on the axis (12) of a radiation beam (13), each having a planar face (14, 16) 'and in-

perpendicular to the axis and, in a first

rection of the plane of this face, having a constant optical density, and having in a second direction perpendicular to the first a continuous variation optical density whose rate of change is the same, but in the opposite direction,

respectively for the two floors in the said second heading

as well as means (50) to produce in this

direction relative movement of the two optical stages.

2. Absorber according to claim 1, characterized in that each of the optical stages comprises a prism (10,11) of optically absorbing material having a constant thickness in said first direction and a varying thickness.

continue in said second direction.

3. A weakener according to claim 2, characterized

in that each prism (10,11) has a face (15,17) inclined

born with respect to the axis (12), the two inclined faces being

parallel and close to each other.

4. A weakener according to claim 2, characterized

rsEen-e --- that - each-prism 410,11) is combined with a prism

(30,31) in optically non-absorbing material, forming together

a block with parallel faces.

5. An attenuator according to claim 4, characterized in that the two optical stages, with prisms made of

optically non-absorbing, are arranged close to one another

the parallel faces of the blocks being perpendicular to

the axis of the radiation beam.

6. Impaler according to claim 1, characterized in that each optical stage comprises a substrate carrying a layer of optically absorbing material, the optical density of

the linearly increasing layer in said second direction.

7. De-loader according to claim 1, characterized

in that each optical stage comprises a substrate

one or more reflective layers, the reflectance

linearly increasing layer in said second direction

tion.

8. Impaler according to one of the preceding claims

cedeentes, characterized in that one of said optical stages

is eixe with respect to the axis of the beam, the other stage optimizes

that being displaceable in said second direction.

9. Weakener according to claim 8, characterized

in that the mobile optical stage is movable by a

micrometer screw (50) against the force of an antago-

nist (51).

] 0. A weakener according to claim 9, characterized

rised in that the direction of thrust of the micrometer screw

that (50) is adjustable.