СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ОПТИКОВОЛОКОННЫХ ПРИМЕНЕНИЙ Российский патент 2002 года по МПК G02B6/42 

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу формирования оптического излучения, связанному с применением оптического волокна, согласно которому оптическое излучение, формируемое с помощью устройства для формирования оптического излучения, проходит по оптическому волокну; при этом устройство для формирования оптического излучения содержит, по меньшей мере, средства формирования оптического излучения, такие как узел лампа-объектив (1а, 1b) или аналогичный ему узел, служащие для подачи излучения по направлению к концу оптического волокна с тем, чтобы оно распространялось далее по волокну. Отличительная особенность изобретения состоит в том, что охлаждение входного конца (2а) оптического волокна, на который подается излучение, осуществляется за счет конвекции, т.е. подачей к нему охлаждающего потока (w) воздуха, охлажденного охлаждающим устройством, основанным предпочтительно на эффекте Пельтье. Изобретение относится также к устройству формирования оптического излучения, обеспечивающему осуществление указанного способа.

Уровень техники
При решении подобных задач обычный порядок работы заключался в том, что лампа описанного выше типа охлаждается потоком проходящего вокруг нее воздуха. В подобных случаях воздух обычно подавался непосредственно из воздушного пространства, окружающего лампу. Этот вариант охлаждения имеет ограниченную эффективность, поскольку охлаждающее действие зависит прежде всего от температуры окружающего пространства. В особенно теплых условиях, которые являются характерными для установки ламп в контакте с крышей, обеспечение достаточно эффективного охлаждения может оказаться невозможным. По этой причине необходимо применять лампы с очень низкой светимостью с тем, чтобы входной конец оптического волокна не был поврежден в связи с перегревом. Таким образом, известные устройства для формирования оптического излучения, в которых используются оптические волокна, далеки от совершенства в том отношении, что светимость ламп по описанным выше причинам должна поддерживаться на непропорционально низком уровне.

Из международной заявки WO 89/03539 известно устройство, которое образовано средством формирования излучения в форме светового луча, распространяющегося внутри устройства по оптическому волокну, средством приема светового луча и объективом, расположенным между указанными средствами, и предназначено для направления света с конца оптического волокна на средство приема. Вблизи конца оптического волокна расположен усилитель света, т.е. лазер, причем луч света, проходящий через него, направляется далее посредством объектива, например, на PIN-диод, служащий средством приема. Светодиоды, применяемые в высокочастотном диапазоне, для обеспечения требуемой надежности требуют постоянства температуры. По этой причине в известном устройстве лазерный усилитель связан с корпусом устройства посредством охлаждающего устройства на эффекте Пельтье.

Схема вышеописанного устройства противоположна схеме устройства, указанного в первом разделе описания, в том отношении, что здесь оптическое волокно применено в качестве источника света, свет от которого должен быть подан на светодиод. Кроме того, лазер, который используется в данном устройстве, требует охлаждения, и это охлаждение обеспечивается за счет теплопроводности жестких элементов конструкции, а именно соединением внутренней рамы, несущей лазерный модуль, с корпусом устройства через Пельтье-модуль. В конструкции этого типа невозможно достичь эффективного охлаждения требуемой для решения задачи, сформулированной в начале данного описания. Особенно важным является охлаждение конца оптического волокна, который представляет самую критичную точку в схеме оптиковолоконного освещения, поскольку именно ему соответствует зона высоких температур.

Сущность изобретения
Задачей, на решение которой направлен способ согласно настоящему изобретению, заключается в существенно более эффективном решении вышеперечисленных проблем, т. е. в значительном совершенствовании уровня техники. Для того, чтобы обеспечить решение указанной задачи, способ по настоящему изобретению характеризуется охлаждением входного конца оптического волокна, который охлаждается за счет конвекции, так что поток воздуха, охлаждаемый посредством охлаждающего устройства, предпочтительно основанном на эффекте Пельтье, направляется именно к этому концу.

В качестве основных преимуществ способа согласно настоящему изобретению можно отметить простоту самого способа и конструкции устройства для его осуществления, а также надежность и эффективность, которые составляют главные требования к устройствам формирования оптического излучения, сочетающим технические достоинства с конкурентоспособностью по экономическим показателям. Способ в соответствии с настоящим изобретением прежде всего позволяет использовать значительно более высокие уровни светимости лампы, чем применяемые в настоящее время. Это достигается за счет того, что благодаря использованию конвекции, особенно в случае использования эффекта Пельтье, охлаждающий поток воздуха по простой и удобной схеме может быть очень точно направлен в критическую зону.

При этом в устройстве для осуществления данного способа выполнен охлаждающий отсек, в котором функционирует Пельтье-модуль, установленный съемно или образующий единое целое с указанным отсеком. Охлаждающий поток воздуха, образующийся внутри этого отсека, направляют прямо к входному концу оптического волокна с помощью направляющего компонента и далее через отверстие (оптическую диафрагму) в стенке, отделяющей охлаждающий отсек от лампового отсека, через остальную часть устройства, т.е. через ламповый отсек и электронный отсек, где размещен электронный модуль, управляющий узлом лампа-объектив. Далее охлаждающий поток выводят из устройства через вытяжной вентилятор (или вентиляторы), размещенный (размещенные) в ламповом или электронных отсеках, т. е. на другом конце устройства, на концевой стенке корпуса, противоположной по отношению к охлаждающему устройству.

При этом движение охлаждающего потока воздуха в охлаждающем отсеке к входному концу оптического волокна направляют посредством направляющего компонента, который закреплен на стенке, расположенной со стороны лампового отсека, и включает, например, кромки оптической диафрагмы, направленные в сторону конца оптического волокна или аналогичным образом, для обеспечения подвода охлаждающего потока воздуха к входному концу оптического волокна.

Для дальнейшего повышения эффективности способа согласно настоящему изобретению холодную сторону Пельтье-модуля приводят в контакт с одной или несколькими внутренними поверхностями охлаждающего отсека предпочтительно с использованием структурированной металлической стенки, выполненной, например, из алюминия, а горячую сторону указанного модуля приводят в контакт с одной или несколькими наружными поверхностями корпуса, которые предпочтительно профилируют для повышения эффективности теплообмена.

При использовании подобной схемы размещения оказывается возможным достичь весьма эффективного конвекционного охлаждения, благодаря чему, в рамках решения сформулированной выше задачи, обеспечивается достижение оптимальных значений светимости источников излучения, поскольку в этом случае нет необходимости ограничивать светимость в связи с чрезмерным нагревом входного конца оптического волокна. Как следствие, могут быть реализованы различные осветительные эффекты. Более конкретно, можно отметить, что при использовании конвекционного охлаждения в практических испытаниях было достигнуто многократное повышение светимости лампы по сравнению с оптиковолоконными осветительными устройствами, в которых используется традиционная вентиляция.

Изобретение относится также к устройству формирования оптического излучения, обеспечивающему осуществление указанного способа. Это устройство и, в первую очередь, его отличительные признаки подробно охарактеризованы в отличительной части соответствующего независимого пункта формулы. В устройстве по настоящему изобретению средства формирования оптического излучения, образованные преимущественно узлом лампа-объектив, а также электронным модулем, управляющим указанным узлом, расположены внутри однородного и, по существу, закрытого корпуса и служат для подачи излучения на конец оптического волокна, которое охлаждается посредством охлаждающего устройства на основе Пельтье-модуля. Этот модуль размещен в охлаждающем отсеке, выполненном пространственно отделенным от лампового отсека, охлаждающий поток воздуха в который подается через оптическую диафрагму, расположенную, по меньшей мере, вблизи входного конца оптического волокна, охлаждаемого за счет принудительной конвекции.

В качестве основных преимуществ устройства формирования оптического излучения согласно настоящему изобретению можно отметить его простоту, надежность и эффективность. Простота конструкции устройства достигается применением в нем эффективного охлаждающего устройства, основанного предпочтительно на эффекте Пельтье. Предпочтительно охлаждающий отсек и отсек для размещения лампы (ламповый отсек) отделены друг от друга разделительной стенкой. При этом холодная сторона Пельтье-модуля сопряжена (т.е. находится в контакте предпочтительно за счет использования структурированной металлической стенки, выполненной, например, из алюминия) с внутренними стенками (поверхностями), ограничивающими охлаждающий отсек таким образом, что поток воздуха, поступающий извне в охлаждающий отсек, охлаждается при прохождении вдоль внутренних стенок и далее направляется, например, с помощью направляющего компонента или компонентов непосредственно к входному концу оптического волокна.

В предпочтительном варианте устройства по настоящему изобретению предусмотрен по меньшей мере один вытяжной вентилятор, который размещен предпочтительно на противоположном конце устройства относительно охлаждающего устройства таким образом, что охлаждающий поток воздуха проходит через оптическую диафрагму, выполненную в стенке охлаждающего отсека, и выводится из устройства после прохождения через ламповый и электронный отсеки, расположенные смежно по отношению к охлаждающему отсеку и отделенные от него разделительной стенкой.

Еще одним достоинством устройства согласно настоящему изобретению является возможность установки шагового двигателя, приводящего в действие узел фильтра, который может быть выполнен съемным или интегрированным в устройство. Фильтр предназначен для изменения длины волны излучения, поступающего в оптическое волокно, с тем чтобы обеспечить возможность освещения в различных цветах. Возможна установка и других вспомогательных компонентов.

Предпочтительно, чтобы горячая сторона Пельтье-модуля находилась в контакте с профилированной наружной поверхностью корпуса устройства формирования оптического излучения. В этом случае достигается эффективное рассеяние тепла, генерируемого Пельтье-модулем.

В зависимых пунктах формулы, относящихся к устройству формирования оптического излучения по изобретению, охарактеризованы предпочтительные варианты осуществления этого устройства. В частности, в охлаждающем отсеке, например, на стенке, расположенной со стороны лампового отсека, может быть размещен направляющий компонент, выполненный, например, в виде кромок оптической диафрагмы, направленных в сторону конца оптического волокна или аналогичным образом, для обеспечения подвода охлаждающего потока воздуха к входному концу оптического волокна.

Далее настоящее изобретение будет подробнее описано со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 иллюстрирует основные принципы изобретения с использованием перспективного изображения устройства, работающего по способу согласно настоящему изобретению,
на фиг. 2 устройство, изображенное на фиг.1, представлено в сечении горизонтальной плоскостью,
на фиг.3 устройство представлено в сечении по линии 3-3 на фиг.2,
фиг. 4 представляет предпочтительный вариант выполнения стенки охлаждающего отсека в перспективном изображении и на виде сбоку.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Настоящее изобретение относится к способу, связанному с применением оптических волокон, согласно которому излучение, формируемое с помощью устройства для формирования оптического излучения, проходит по оптическому волокну, при этом устройство для формирования оптического излучения содержит, по меньшей мере, средства 1 формирования оптического излучения, такие как узел лампа-объектив 1а, 1b или аналогичный ему узел, служащий для направления излучения по направлению к концу оптического волокна 2 с тем, чтобы оно распространялось далее по волокну 2. Изобретение предусматривает, в частности, охлаждение входного конца 2а оптического волокна, который охлаждается за счет конвекции, т. е. поток воздуха, охлаждаемый посредством охлаждающего устройства 3, предпочтительно основанного на эффекте Пельтье, направляется именно к этому концу.

Наиболее предпочтительный вариант осуществления способа согласно настоящему изобретению, который иллюстрируется фиг.1 и 2, реализуется с использованием устройства для формирования оптического излучения, в котором узел лампа-объектив 1а, 1b, а также электронный блок 4, управляющий указанным узлом, установлены внутри однородного и, по существу, закрытого корпуса 5. Согласно изобретению охлаждающий отсек 5b, который пространственно отделен от лампового отсека 5а, охлаждается посредством Пельтье-модуля 3а, действующего в качестве охлаждающего устройства 3. При этом охлаждающий поток w воздуха, который создается в охлаждающем отсеке, подается в ламповый отсек 5а, по меньшей мере, через оптическую диафрагму А, которая расположена у входного конца 2а оптического волокна.

Далее, предпочтительный вариант осуществления способа по изобретению предусматривает, как это показано на фиг.1 и 2, использование одного или нескольких вентиляторов 3b, размещенных в ламповом отсеке 5а и/или электронном отсеке 5с, для формирования охлаждающего потока w воздуха, выходящего из корпуса 5 через его заднюю стенку 5х, расположенную с противоположной стороны корпуса по отношению к охлаждающему устройству 3.

Кроме того, как показано на фиг.1-3, согласно предпочтительному варианту осуществления способа холодная сторона Пельтье-модуля 3а сопряжена с одной или несколькими поверхностями охлаждающего отсека 5b предпочтительно с использованием металлических структурированных стенок, выполненных, например, из алюминия, тогда как горячая сторона этого модуля сопряжена с одной или несколькими наружными поверхностями корпуса 5, которые предпочтительно выполнены ребристыми для повышения эффективности теплообмена.

Предпочтительно также, чтобы движение охлаждающего потока w воздуха в охлаждающем отсеке 5b к входному концу 2а оптического волокна направлялось направляющим узлом 6, который закреплен на стенке 5b', расположенной со стороны лампового отсека 5а. С этой целью оптическая диафрагма А, как это показано на фиг.4, выполнена с кромками, направленными в сторону конца 2а оптического волокна.

Устройство для формирования оптического излучения, работающее в соответствии с описанным способом и обеспечивающее использование оптического волокна, содержит, как это было описано выше, узел лампа-объектив 1а, 1b, а также оптическое волокно 2, оптически сопряженное с указанным узлом. Излучение от лампы 1а направляется на входной конец 2а оптического волокна 2 для того, чтобы оно распространялось далее по оптическому волокну 2. Устройство для формирования оптического излучения содержит охлаждающее устройство 3, которое предпочтительно основано на эффекте Пельтье, причем входной конец 2а оптического волокна установлен с возможностью его охлаждения путем конвекции за счет подачи к нему охлаждающего потока w воздуха.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения устройство выполнено в виде интегрированного модуля, в котором внутри однородного и, по существу, закрытого корпуса 5 размещены, по меньшей мере, узел лампа-объектив 1а, 1b, а также электронный блок 4, управляющий указанным узлом. Пелтье-модуль 3а предпочтительно размещен внутри охлаждающего отсека 5b, который пространственно отделен от лампового отсека 5а, при этом охлаждающий поток w воздуха, который создается в охлаждающем отсеке, подается в ламповый отсек 5а, по меньшей мере, через оптическую диафрагму А, которая расположена у входного конца 2а оптического волокна.

Как показано, в частности, на фиг 1 и 2, предусмотрен вентилятор 3b, который является общим для лампового отсека 5а и электронного отсека 5с, причем оба этих отсека сопряжены между собой, например, разделительной стенкой 5ас. В результате вентилятор формирует охлаждающий поток w воздуха, который предпочтительно выходит из корпуса 5 через его заднюю стенку 5х, расположенную с противоположной стороны корпуса по отношению к охлаждающему устройству 3.

Согласно предпочтительному варианту выполнения устройства холодная сторона Пельтье-модуля 3а находится в контакте (сопряжена), как это показано на фиг. 2, с одной или несколькими поверхностями охлаждающего отсека 5b предпочтительно с использованием металлических структурированных стенок, выполненных, например, из алюминия, тогда как горячая сторона этого модуля сопряжена с одной или несколькими наружными поверхностями корпуса 5, которые, как показано на фиг.1-3, предпочтительно выполнены ребристыми для повышения эффективности теплообмена.

Согласно предпочтительному варианту устройства движение охлаждающего потока w воздуха в охлаждающем отсеке 5b к входному концу 2а оптического волокна направляется направляющим узлом 6, который закреплен на стенке 5b', расположенной со стороны лампового отсека 5а. С этой целью оптическая диафрагма А выполнена с кромками, направленными в сторону конца 2а оптического волокна. Данный вариант иллюстрируется, в частности, фиг.4, причем в этом случае, благодаря применению соответствующих методов формообразования, например прессования или штамповки металлического листа, образующего стенку, обеспечивается возможность сформировать коническую кромку на разделительной стенке 5b' в зоне оптической диафрагмы А.

На фиг. 3 представлено сечение устройства по линии 3-3 на фиг.2, на котором показана стенка 5у устройства, в которой в зоне, соответствующей охлаждающему отсеку 5b, выполнены отверстия R, позволяющие воздуху проходить сквозь эту стенку внутрь охлаждающего отсека. Кроме того, видно, что предусмотрено также дополнительное пространство 5d вблизи стенки 5у, которое может быть использовано, например, для установки шагового двигателя, приводящего в действие узел фильтра.

Следует отметить, что использование оптического волокна в рамках настоящего изобретения охватывает все возможные применения в области волоконной оптики. При этом оптическое волокно может быть изготовлено как из полимерного материала (пластика), так и из стекла. Используемый при этом прозрачный материал должен хорошо проводить оптическое излучение. Материалом на основе синтетических смол, наиболее широко применяемым в оптиковолоконной технике, является, вероятно, ПММА (полиметилметакрилат). Существуют и новые материалы на основе полиолефинов, которые также обладают высокой прозрачностью и полезностью с точки зрения оптических применений. Получение подобных материалов осуществляют с использованием металлоценовых катализаторов.

Очевидно, что изобретение не ограничивается представленными на чертежах и описанными вариантами осуществления изобретения. В рамках своей основой идеи оно допускает существенные модификации. Представленные варианты иллюстрируют, в качестве примеров, только некоторые предпочтительные варианты его реализации. В частности, могут быть использованы другие, отличные от представленных, варианты выполнения системы подачи воздуха. Кроме того, в том случае, когда нужно обеспечить значительно более эффективное охлаждение, разумеется, возможно применение нескольких Пельтье-модулей, состыкованных с боковыми поверхностями нескольких устройств. В данном случае могут быть реализованы и намного более сложные и разнообразные устройства, например, с применением нескольких вентиляторов. Для решения проблемы шумов, которая может при этом возникнуть, могут потребоваться дополнительные узлы, обеспечивающие шумопоглощение.

Естественно, при изготовлении различных частей устройства могут быть использованы самые разнообразные материалы для того, чтобы оптимизировать затраты на его изготовление. С другой стороны, можно изготовить устройство для формирования оптического излучения и методом литья, литья под давлением, с тем чтобы получить единую структурированную деталь. Альтернативно, можно изготовить устройство из нескольких частей, соединенных между собой посредством простых соединительных деталей. В частности, можно спроектировать охлаждающий отсек съемным и присоединяемым тем или иным методом к другим частям устройства, так что одно и то же базовое устройство может быть использовано с различными охлаждающими устройствами. Тот же принцип модульного конструирования может представлять интерес и применительно к другим компонентам, подлежащим установке в устройство по изобретению.

Изобретение относится к средствам, связанным с применением для ввода излучения в оптические волокна. Устройство для формирования оптического излучения содержит узел лампа-объектив, служащий для подачи излучения на торец оптического волокна. Входной торец оптического волокна охлаждается конвективным методом путем направления на него потока воздуха, который был охлажден с помощью охлаждающего устройства, работающего с использованием эффекта Пельтье. Охлаждающий поток подают в ламповый отсек через оптическую диафрагму, расположенную вблизи входного торца волокна. Охлаждающий отсек выполнен пространственно отделенным от лампового отсека. Обеспечено повышение эффективности охлаждения. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ формирования оптического излучения для оптиковолоконных применений, согласно которому оптическое излучение, формируемое устройством формирования оптического излучения, направляется посредством оптического волокна, причем средства формирования оптического излучения (1), преимущественно образованные узлом лампа-объектив (1а, 1b), а также электронным модулем (4), управляющим указанным узлом, и служащие для подачи излучения на конец оптического волокна (2) с тем, чтобы оно распространялось далее по оптическому волокну, расположены внутри однородного и, по существу, закрытого корпуса (5), причем оптическое волокно (2) охлаждается посредством охлаждающего устройства, основанного на эффекте Пельтье, отличающийся тем, что охлаждающий отсек (5b), который выполнен пространственно отделенным от лампового отсека (5а), охлаждают посредством Пельтье-модуля (3а), действующим в качестве охлаждающего устройства (3), при этом охлаждающий поток (w) воздуха, формируемый в указанном охлаждающем отсеке, подают в ламповый отсек (5а) через оптическую диафрагму (А), расположенную по меньшей мере вблизи входного конца (2а) оптического волокна, на которое подают излучение, обеспечивая преимущественное охлаждение входного конца (2а) оптического волокна за счет принудительной конвекции при направлении указанного охлаждающего потока (w) воздуха к указанному входному концу оптического волокна. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждающий поток (w) воздуха формируют посредством одного или нескольких вентиляторов (3b), установленных в ламповом отсеке (5а) и/или электронном отсеке, а вывод указанного потока из корпуса (5) осуществляют через концевую стенку (5х) корпуса, противоположную по отношению к охлаждающему устройству (3). 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что холодную сторону Пельтье-модуля (3а) приводят в контакт с одной или несколькими внутренними поверхностями охлаждающего отсека (5b), предпочтительно с использованием структурированной металлической стенки, выполненной, например, из алюминия, а горячую сторону указанного модуля приводят в контакт с одной или несколькими наружными поверхностями корпуса (5), которые предпочтительно профилируют для повышения эффективности теплообмена. 4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что движение охлаждающего потока (w) воздуха в охлаждающем отсеке (5b) к входному концу (2а) оптического волокна направляют посредством направляющего компонента (6), который закреплен на стенке 5b', расположенной со стороны лампового отсека 5а, и включающий, например, кромки оптической диафрагмы (А), направленные в сторону конца (2а) оптического волокна или аналогичным образом, для обеспечения подвода охлаждающего потока (w) воздуха к входному концу (2а) оптического волокна. 5. Устройство формирования оптического излучения, в котором средства (1) формирования оптического излучения, образованные преимущественно узлом лампа-объектив (1а, 1b), а также электронным модулем (4), управляющим указанным узлом, расположены внутри однородного и, по существу, закрытого корпуса (5) выполнены с возможностью подачи излучения на конец оптического волокна (2) для его дальнейшего распространения по оптическому волокну, с охлаждением оптического волокна (2) посредством охлаждающего устройства, основанного на эффекте Пельтье, отличающееся тем, что Пельтье-модуль (3а), действующий в качестве охлаждающего устройства (3), размещен в охлаждающем отсеке (5b), выполненном пространственно отделенным от лампового отсека (5а), с возможностью подачи формируемого в указанном охлаждающем отсеке охлаждающего потока (w) воздуха в ламповый отсек (5а) через оптическую диафрагму (А), расположенную по меньшей мере вблизи входного конца (2а) оптического волокна, на которое подается излучение, для того, чтобы обеспечить преимущественное охлаждение входного конца (2а) оптического волокна за счет принудительной конвекции при направлении указанного охлаждающего потока (w) воздуха к указанному входному концу оптического волокна. 6. Устройство формирования оптического излучения по п.5, отличающееся тем, что в ламповом отсеке (5а) и/или электронном отсеке установлен(ы) один или несколько вентиляторов (3b) для формирования охлаждающего потока (w) воздуха, с выведением указанного потока из корпуса (5), предпочтительно через концевую стенку (5х) корпуса, противоположную по отношению к охлаждающему устройству (3). 7. Устройство формирования оптического излучения по п.5 или 6, отличающееся тем, что холодная сторона Пельтье-модуля (3а) находится в контакте с одной или несколькими внутренними поверхностями охлаждающего отсека (5b), предпочтительно с использованием структурированной металлической стенки, выполненной, например, из алюминия, а горячая сторона указанного модуля находится в контакте с одной или несколькими наружными поверхностями корпуса (5), которые предпочтительно выполнены профилированными для повышения эффективности теплообмена. 8. Устройство формирования оптического излучения по любому из пп.5-7, отличающееся тем, что в охлаждающем отсеке (5b), например, на стенке (5b'), расположенной со стороны лампового отсека (5а), размещен направляющий компонент (6) выполненный, например, в виде кромок оптической диафрагмы (А), направленных в сторону конца (2а) оптического волокна или аналогичным образом, для обеспечения подвода охлаждающего потока (w) воздуха к входному концу (2а) оптического волокна.