СПОСОБ ОСВЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТОВ Российский патент 1994 года по МПК G02B26/02 

Описание патента на изобретение RU2024895C1

Изобретение относится к оптике, а именно к способам управления интенсивностью и освещенностью.

Освещенностью называют величину
E = , где W - мощность излучения, S - площадь поверхности (здесь и далее рассматривается излучение с постоянной во времени мощностью). Широко известно использование фокусирующей оптики (зеркал и линз), при прохождении которых излучение фокусируется, вследствие чего освещенность в области изображения повышается по сравнению с освещенностью подающего излучения (1).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ освещения объектов (2), при котором излучение от источника малой яркости направляется на фотолюминесцирующий световод, выходная поверхность которого является источником излучения. В указанном источнике информации отсутствует такой подбор параметров световода, который позволяет получить максимальную яркость излучения.

Целью изобретения является повышение яркости излучения.

На фиг. 1 приведена схема реализации способа; на фиг. 2 - иллюстрация к расчету яркости в данном способе.

Излучение 1 падает на боковую поверхность световода 2, выполненного из люминесцирующего материала. Часть возникающего в световоде 2 излучения люминесценции 3 выходит через боковую поверхность световода 2. Другая часть излучения люминесценции 4, распространяясь по оси световода и вблизи этой оси, отражаясь при этом от боковых поверхностей, выходит через торцовую поверхность. Излучение 4 фокусируется линзой 5 в достаточно большой апертурный угол.

Если освещенность падающего на световод излучения 1 составляет величину Е1, а телесный угол составляет Ω1, то его яркость равна
B1 =
Для простоты будем считать, что излучение 1 и излучение люминесценции почти монохроматичны, бугеровский показатель поглощения на длине волны люминесценции будем считать малым, а показатель поглощения σ2 на длине волны падающего излучения имеющим конечное значение. Полная мощность излучения люминесценции Wл пропорциональна мощности W1падающего излучения 1 и составляет величину
Wл = W3 + W4 = η W1. Здесь η - эффективность люминесценции (считается, что падающее излучение поглощается полностью).

Основная часть излучения люминисценции W3 выходит через боковую поверхность световода. Меньшая часть люминесценции с мощностью W4, распространяясь волноводно, выходит через его торцовую грань. Поглощение на длине волны люминесценции σ2 пренебрежимо мало, поэтому мощность W4неограниченно растет с увеличением длины световода. Средняя яркость выходящего через торцовую грань излучения равна
B4ср = , где Ω4 - телесный угол, в котором распространяется излучение по выходе из световода; S4 - площадь этой грани. Так как величины Ω4 и S4фиксированы, а величина W4 неограниченно возрастает, яркость В4срнеограничено увеличивается с увеличением длины световода.

Проведем точный расчет яркости (см. фиг. 2). Падающее излучение 6 возбуждает излучение люминесценции 7 в люминесцирующем теле 8 произвольной формы. Плотность мощности излучения люминесценции составляет величину ρ (х, y, z) в каждой точке и определяется формой тела, геометрией падающего излучения и величиной α1(х,y,z - пространственные координаты). Полная мощность излучения люминесценции nл равна интегралу по объему от ρ (х,y,z)
Wл = ρ(x,y,z)dx dy dz = dv (1) и равна произведению поглощенной мощности W на энергетический выход люминесценции η
Wл = dv = ηW .

Каждый элемент объема dv излучает в угол 4π стерадиан. Если это излучение изотропно (все направления равноправны), то в угол dΩ излучается мощность, равная
dW = ρ (x,y,z)dv .

Выберем произвольную точку А(х0,y0,z0) на внутренней поверхности тела 8 и произвольное направление, характеризуемое вектором . В направлении в точку А(x0, y0,z0) приходит только излучение из точек, лежащих в интервале углов d Ω , задаваемом направлением .

Выделим элемент объема dv, принадлежащий указанному конусу и ограниченный площадкой dS. Величина этого объема равна
dv = dSdl, где dl - элемент длины. Яркость излучения на поверхности dS этого объема в соответствии с определением (2) и формулой (7) равна
dB = = ρdl . (3)
Каждый элемент люминесцирующего объема является независимым источником с яркостью, определяемой формулой (3). Поэтому яркость в точке А(х0,y0,z0) в направлении , создаваемая вышеуказанным элементом объема dv, определяется с учетом сохранения яркости (инварианта Штраубеля) и бугеровского поглощения излучения при прохождении расстояния от элемента объема до точки А(х0,y0,z0)
dB = l dB = l ρdl . чтобы учесть вклад от всех точек в направлении , необходимо провести интегрирование по всей траектории, задаваемой этим направлением. При этом нужно учесть коэффициенты отражения, существенные в тех случаях, когда луч отражается от поверхности люминесцирующего тела. Если каждый такой коэффициент обозначить величиной Rn, то яркость в точке А и по направлению записывается в виде ряда
B = l(x,y,z) dl+ R1 l ρ(x,y,z) dl +...+
+ (R1...Rn) l ρ(x,y,z) dl+... (4)
В соответствии с теоремой Штраубеля (7) яркость излучения в точке А с внешней стороны поверхности равна
B(xo,yo,zo,) = B , (4a) где N - относительный показатель преломления, Rо - коэффициент отражения в точке А в направлении (направление вне люминесцирующего объема связано с направлением законом Снеллиуса).

Формулы (4) и (4а) позволяют, зная формулу люминесцирующего объема и распределение источников излучения в нем, точно рассчитать тело распределения яркости в произвольной точке.

Рассмотрим частные случаи вышеуказанных формул, иллюстрирующие возможность повышения яркости и дающие ее точный расчет.

Длинный световод в форме прямоугольного параллелепипеда с квадратным сечением а х а и длиной L, обладающий сильным поглощением возбуждающего излучения ( α1 > а-1) и слабым поглощением излучения люминесценции (α2L << 1). Для простоты будем считать, что все падающее излучение с освещенностью Е1 на поверхности световода поглощается равномерно всем объемом. При этом в соответствии с формулами (1)
ρ = η = η . Будем также считать, что N = 1, в этом случае значения Rn равны нулю.

В соответствии с (4), (4а) яркость излучения, распространяющего по оси световода, равна
B = B′ = η . (5)
Если исходная яркость равна
B1 = , то, учитывая (5), яркость выходного излучения превышает эту величину при условии
η > (6) или
L > a Таким образом, яркость повышается при использовании световода, превышающей указанную длину L.

В случае световода большой длины (α2L >> 1) и для излучения, распространяющегося по его оси, сумма (9) приобретает максимально возможное значение, а все ее члены, кроме первого, обращаются в нуль. Первый член, определяющий все выражение (4), равен
B′ = (считается, что а-1 = α1). Яркость выходного излучения превышает яркость падающего при условии
V = > (6a) Последнее выражение имеет важное значение. В его левую часть входят только параметры люминесцирующего материала: поглощение на длине волны возбуждения α1, поглощение на длине волны люминесценции α2, энергетический выход люминесценции η, показатель преломления N. Поэтому правая часть, обозначенная символом V, есть параметр материала. Правая часть выражения (6а) является отношением полного сферического угла к углу прихода излучения и не может быть меньше единицы.

Таким образом, параметр V характеризует возможность использования материала для повышения яркости. Для повышения яркости параметр V должен быть больше единицы. Существуют материалы, представляющие собой прозрачные матрицы, активированные ионами редких земель, у которых значение V достигает 102-103.

Условия (6) и (6а) получены в предложении о том, что френелевским отражением падающего и выходящего излучения можно пренебречь. В действительности учет отражения приводит к тому, что указанные условия должны быть записаны в виде
L > a (1-R1)-1 (1-R2)-1. (7)
V = > (1-R1)-1 (1-R2)-1 . (7a) Здесь факторы 1 - R1 и 1 - R2 учитывают частичное отражение соответственно для излучения 6 и 7, их величины определяются по формулам Френеля или аналогичным формулам для каждого конкретного случая. Для френелевского отражения и при показателе преломления 1,5-1,8 указанные факторы порядка 0,6-0,8.

Расчет плотности мощности поглощенного излучения является одной из задач теории переноса и производился в ряде работ. Приведем один из вариантов расчета распределения объемной плотности мощности ρ(х,y,z), удобный для численных машинных вычислений.

Поверхность люминофора может быть описана следующим выражением общего вида:
F(x,y,z) = const . (8)
Выберем произвольную точку с координатами (x,y,z), лежащую внутри люминофора. Уравнение прямой, проходящей через эту точку в направлении, характеризуемом направляющими косинусами cos α, cos β, cosγ имеет вид
= =
откуда
x = (z-z1)+x1 (9)
y = (z-z1)+y1 (10)
Уравнения (9) и (10) совместно с уравнением (8) образуют систему из трех уравнений с тремя неизвестными. Решение этой системы определяет координаты точек пересечения указанной прямой с поверхностью люминофора. Их координаты (x2y2z2) зависят от координат точки (x1y1z1) и направления, задаваемого направляющими косинусами, т.е. (x2y2z2) зависят от параметров { x1y1z1 α β γ } . Расстояние h от точки (x1y1z1) до точки (x2y2z2) равно h = . (11)
В соответствии с законом Снеллиуса в направлении, задаваемому указанной прямой, соответствует направление распространения излучения 6 вне люминофора ϕ
N = .

Исходя из изложенного, выражение для плотности мощности в точке (x1y1z1), полученное без учета переотражений, записывается в виде
ρo(x1y1z1) = [1-R(ϕ)] α1B(x2y2z2)l dαdβdγ . (12)
Здесь R(ϕ ) - коэффициент отражения для излучения 6 в направлении ϕ и в точке (x2y2z2); B(x2y2z2) - яркость излучения 6 и направлении ϕ и в точке (x2y2z2); α1 - поглощение; h - расстояние от точки (x1y1z1) до точки (x2y2z2).

Учет переотражений возбуждающего излучения внутри люминофора даст дополнительное увеличение плотности мощности ρ и может быть проведен следующим образом. Яркость переотраженного излучения в произвольной точке (x1' y1' z1' ), лежащей на поверхности (8) и в направлении Ψ равна
B′ = [1-R(Ψ′)]lB(x2y2z2) .

Направление Ψ ' связано с направлением Ψ законом отражения
Ψ ' = - Ψ ,
а связь между ϕ и ϕпр задается законом Снеллиуса. Величина h' определяется аналогично (11):
h′ = .

Зная яркость на поверхности после первого переотражения, можно считать это излучение новым независимым излучением и определить создаваемую им плотность мощности источников ρ1 по формуле (12), в которую вместо ϕ входит Ψ, а множитель перед интегралом отсутствует. Аналогично определяется плотность мощности после второго переотражения и т.д. Полная плотность мощности равна
ρ (x1 y1 z1)=ρo1+ ...+ρn +...

Похожие патенты RU2024895C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И МОДУЛЯТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 1988
  • Сисакян И.Н.
  • Шварцбург А.Б.
  • Шепелев А.В.
RU2050034C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКА МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 1990
  • Голуб М.А.
  • Сисакян И.Н.
  • Сойфер В.А.
RU2034322C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КОРРЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ 1992
  • Голуб М.А.
  • Сойфер В.А.
  • Сисакян И.Н.
  • Терехин Ю.Д.
RU2047205C1
ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ КОРРЕКЦИИ ЗРЕНИЯ 1990
  • Терехин Ю.Д.
  • Сисакян И.Н.
RU2051392C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 1991
  • Голуб М.А.
  • Досколович Л.Л.
  • Казанский Н.Л.
  • Сисакян И.Н.
  • Сойфер В.А.
  • Харитонов С.И.
RU2024897C1
УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОПЕРЕЧНОГО РАЗМЕРА ДЕТАЛИ 1990
  • Евсеенко Н.И.
RU2047090C1
ЛАЗЕРНЫЙ ИМИТАТОР СТРЕЛЬБЫ И ПОРАЖЕНИЯ 1986
  • Большаков В.А.
  • Большакова В.С.
  • Скивко Г.П.
RU2037767C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО ОТКЛОНЕНИЯ ОСИ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА ОТ НОМИНАЛЬНОГО ПОЛОЖЕНИЯ 2011
  • Артемов Юрий Михайлович
  • Барышников Николай Васильевич
RU2496098C2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОПЕРЕЧНОГО РАЗМЕРА ДЕТАЛИ 1990
  • Евсеенко Н.И.
  • Райхерт А.А.
  • Зубиков П.В.
RU2047091C1
ЛАЗЕРНЫЙ ПРИЦЕЛ-ДАЛЬНОМЕР 1991
  • Шойдин С.А.
  • Ямщиков Ю.И.
  • Батомункуев Ю.Ц.
  • Скивко Г.П.
RU2088883C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 024 895 C1

Реферат патента 1994 года СПОСОБ ОСВЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТОВ

Использование: способы управления интенсивностью излучения и освещенностью. Сущность изобретения: способ заключается в том, что световое излучение направляют на поверхность световода из люминесцирующего материала, причем оптические параметры световода выбирают из математических зависимостей, а объект освещают излучением, выходящим из торца световода. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 024 895 C1

СПОСОБ ОСВЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТОВ, при котором световое излучение направляют на поверхность световода из люминесцирующего материала, и освещают объекты излучением, выходящим из торца световода, отличающийся тем, что, с целью повышения яркости излучения, оптические параметры световода выбирают из условия
L > a (1-R1)-1 (1-R2)-1,
где L - длина световода;
a2 - площадь поперечного сечения световода;
Ω1 - угол, в котором сосредоточено падающее на световод излучение;
R1 и R2 - коэффициенты отражения падающего на световод излучения и излучения люминесценции;
η - энергетический выход люминесценции,
а материал световода выбирают их условия
> 1,
где α1 - показатель поглощения падающего излучения;
α2 - показатель поглощения излучения люминесценции;
N - показатель преломления материала световода.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1994 года RU2024895C1

Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов 1917
  • Гордон И.Д.
SU2A1
Патент США N 4753512, кл
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов 1917
  • Гордон И.Д.
SU2A1

RU 2 024 895 C1

Авторы

Сисакян И.Н.

Шварцбург А.Б.

Шепелев А.В.

Даты

1994-12-15Публикация

1990-01-31Подача