КОНЦЕНТРАТОР Российский патент 1995 года по МПК G02B5/10 

Изобретение относится к светотехническим устройствам и может быть использовано в приемниках излучения для концентрации световой энергии на светочувствительной площадке фотодиода.

Известен фокон, представляющий собой световод переменного сечения в форме тела вращения, внутренняя зеркальная поверхность которого образована вращением участка параболы вокруг оси, совпадающей с осью фокона, причем фокус параболы совмещен с точкой на окружности входного отверстия фокона [1]
Наиболее близким к изобретению является концентратор солнечного излучения [2] содержащий симметричную отражающую поверхность, выполненную в виде фокона. При этом образующая отражающей поверхности выполнена в виде кривой, описываемой параметрическими уравнениями
Y + · ;
X [(k+ρ)Y-(k+2ρ)r] · , где Х, Y текущие значения кривой в декартовой системе координат;
ρ коэффициент отражения поверхности;
k коэффициент концентрации;
r ширина фокальной зоны одной половины фокона;
t параметр, имеющий граничные значения.

t/Y ≅ t ≅ 1.

Известные концентраторы имеют отражающую поверхность, образующая которой выполнена в виде параболы или кривой, описываемой параметрическим уравнением. Это усложняет изготовление концентратора, не позволяет сократить его длину и ограничивает получение равномерной плотности излучения в выходном отверстии концентратора.

Технический результат, который достигается изобретением, состоит в уменьшении длины концентратора, упрощении его изготовления и в создании равномерной плотности излучения в плоскости выходного отверстия.

Для достижения указанного технического результата концентратор, преимущественно для параллельного пучка света, содержит внутреннюю отражающую поверхность, выполненную в виде n соосно расположенных усеченных прямых конусов, число которых определяется из уравнения
= -1, i 1,2,3.n, α при условии 1,4 ≅α≅ 2,5, где d_o диаметр выходного отверстия концентратора;
d_n диаметр входного отверстия концентратора;
S_o площадь выходного отверстия концентратора;
S_i площадь проекции поверхности i-го конуса на плоскость, перпендикулярную оси концентратора.

На чертеже изображен пример выполнения концентратора из трех конусов.

Концентратор содержит внутреннюю отражающую поверхность из трех соосно расположенных усеченных прямых конусов 1-3, выходное отверстие 4 и входное отверстие 5. Число n=3 конусов определено из уравнения
α+α²+α³ (d₃/d_o)² 1,
α S₁/S_o S₂/S₁ S₃/S₂ при выполнении условия 1,4 ≅α≅ 2,5, где d_o диаметр выходного отверстия 4 концентратора и первого конуса 1;
d₁ диаметр входного отверстия первого конуса 1 и выходного отверстия второго конуса 2;
d₂ диаметр входного отверстия второго конуса 2 и выходного отверстия третьего конуса 3;
d₃ диаметр входного отверстия 5 концентратора и третьего конуса 3;
S_o πd_o²/4 площадь выходного отверстия 4 концентратора;
S₁ π (d₁² d_o²)/4 площадь проекции поверхности первого конуса 1 на плоскость, перпендикулярную оси концентратора;
S₂ π (d₂² d₁²)/4 площадь проекции поверхности второго конуса 2 на плоскость, перпендикулярную оси концентратора;
S₃ π (d₃² d₂²)/4 площадь проекции поверхности третьего конуса 3 на плоскость, перпендикулярную оси концентратора.

Концентратор работает следующим образом.

Луч 6 отражается от начала внутренней поверхности конуса 3 и попадает на край выходного отверстия 4 конуса 1. Луч 7 отражается от конца внутренней поверхности того же конуса 3 и попадает в выходное отверстие 4 концентратора на расстоянии а от конца луча 6. Коэффициент засветки Р диаметра d_o, характеризующий равномерность плотности излучения в плоскости выходного отверстия 4 конусом 3, определяется из выражения
P₃ 0.5[(1 + d₂/d_o) (1 + d₃/d_o)
-l₂/l₃] P₃ a/d_o.

В общем случае засветка i-ым конусом определяется из выражения
P_i 0,5[(1 + d_i 1/d_o) (1 d_i/d_o) l_i 1/li] где P_i коэффициент засветки диаметра d_o i-ым конусом;
d_i диаметр входного отверстия i-го конуса;
l_i длина концентратора, состоящего из i конусов, включая первый конус.

Луч 8 отражается от начала внутренней поверхности конуса 2 и попадает на край выходного отверстия 4 концентратора. Луч 9 аналогично лучу 7, отразившись от конца внутренней поверхности того же конуса 2, попадает в выходное отверстие 4 на некотором расстоянии от конца луча 8. Луч 10 отражается от начала внутренней поверхности конуса 1 и также попадает на край выходного отверстия 4. При этом весь свет, отраженный конусом 1, полностью засвечивает диаметр выходного отверстия 4.

Примеры выполнения концентраторов в относительных размерах для граничных значений условия приведены в таблице.

Конструкция концентратора позволяет уменьшить длину концентратора, упростить изготовление за счет применения усеченных прямых концов. При этом, как видно из таблицы, чем больше число конусов в пределах ограничивающего условия, 1,4 ≅α≅2,5 тем меньше длина концентратора. Достигнута более равномерная плотность излучения в плоскости выходного отверстия.

Использование: в светотехнике, в частности в устройствах приемников излучения для концентрации световой энергии на светочувствительной площадке фотодиода. Сущность изобретения: концентратор содержит внутреннюю отражающую поверхность, выполненную в виде n соосно расположенных усеченных прямых конусов. Число конусов определяется из уравнения: i 1,2,3.n, где d_o- диаметр выходного отверстия концентратора: d_n диаметр входного отверстия концентратора; n число конусов, при этом 1,4 ≅ α ≅ 2,5. Конструкция позволяет уменьшить длину концентратора, упростить изготовление, получить более равномерную плотность излучения в плоскости выходного отверстия. 1 ил. 1 табл.

КОНЦЕНТРАТОР преимущественно для параллельного пучка света, содержащий внутреннюю отражающую поверхность, выполненную в виде n соосно расположенных усеченных прямых конусов, отличающийся тем, что отношение α площади проекции поверхности i-го конуса к площади проекции поверхности (i 1)-го конуса на плоскость, перпендикулярную оси концентратора, равно отношению площади проекции поверхности первого конуса с выходным отверстием на плоскость, перпендикулярную оси концентратора, к площади выходного отверстия концентратора и удовлетворяет условию 1,4≅ α≅ 2,5, при этом число конусов соответствует уравнению

где d_o диаметр выходного отверстия концентратора;
d_n диаметр входного отверстия концентратора;
n число конусов.