УСИЛИТЕЛЬ ЯРКОСТИ Российский патент 2024 года по МПК G02B17/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Изобретение относится к области оптики, а именно к оптическим системам для усиления яркости.

[0002] Заявляемый усилитель яркости может применяться как самостоятельный источник света, например, для освещения приближённых или удалённых объектов, а также может использоваться в качестве промежуточного звена в сложных оптических устройствах, например, для создания узла ввода от высокоапертурных источников в волоконный световод.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] В геометрической оптике (далее по тексту - ГО) существует понятие постоянства геометрического фактора луча (далее по тексту - ГФЛ) и, как следствие, закон сохранения яркости. Все оптические приборы и устройства, как передающие изображение, так и неизображающие, соответствуют этому закону. Данное ограничение не позволяет завести излучение от источников с повышенной числовой апертурой (большие размеры и расходимость) в приёмники с малой апертурой (малые размеры и угол захвата). В тоже время, поскольку свет имеет не только геометрическую природу, но и волновую, то в сочетании с использованием многослойного интерференционного покрытия, это даёт возможность на преодоление ГФЛ и усиления яркости для неизображающих оптических систем.

[0004] При прохождении света из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления происходит раздвоение луча, пропорционально углу падения. И чем больше угол падения, тем больше свет отразится обратно. Однако, если на поверхность нанести пропускающее (просветляющее) интерференционное покрытие (далее по тексту - ПИП), то соотношение между прошедшей и отражённой мощностью на границе раздела можно изменить в сторону выхода при больших углах падения (фиг. 1). Применяя многослойное интерференционное покрытие можно управлять распределением энергии между преломленным и отраженным лучами. Теоретически, даже угол близкий к углу полного внутреннего отражения (далее по тексту - ПВО) можно «просветлить» на 100%.

[0005] Существует множество преобразователей светового потока целью которых является усиление светового потока в нужной зоне или направлении.

[0006] Известны светоизлучающий диодный модуль [RU 115565 U1, дата публикации 27.04.2012], конструкция оптической системы сигнального светового прибора на основе светодиодных источников света [RU 164399 U1, дата публикация 27.08.2016], фара на светодиодах [RU 2468287 C2, дата публикации 27.11.2012].

[0007] В данных устройствах происходит преобразование светового потока за счёт использования параболического зеркала и других оптических элементов, в результате чего достигается увеличение освещённости необходимого объекта или увеличение светового потока в нужном направлении.

[0008] Также известно устройство для преобразования апертурного угла светового потока, содержащее отражатель в форме эллипсоида вращения и вторичный источник света, расположенный в одном из фокусов отражателя, при этом по крайней мере один из участков отражателя с центром на его большой оси выполнен в виде отрезка градиентного световода [RU 2017179 C1, дата публикации 30.07.1994].

[0009] Недостатком данного устройства является то, что он может работать только со вторичными, притом точечными источниками света, с источником больших размеров схема не работает.

[0010] Общим недостатком всех перечисленных аналогов является то, что они не увеличивают яркость излучения на выходе. Закон сохранения ГФЛ, а также инварианты Штраубеля, Лагранжа-Гельмгольца, принцип этендю и другие - все эти законы ГО не позволяют одновременно уменьшать расходимость и размер светового пучка. Поэтому, когда требуется увеличить яркость излучения, это осуществляется либо за счёт повышения мощности источника или источников, либо за счёт увеличения входного зрачка оптической системы, т.е. повышения мощности излучения на входе.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0011] Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании преобразователя светового потока, у которого яркость излучения на выходе будет превышать яркость источника излучения на входе.

[0012] Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей преобразователей светового потока за счет обеспечения повышения выходной яркости излучения по отношению к яркости источника излучения на входе.

[0013] Заявляемый технический результат достигается за счет того, что усилитель яркости содержит сужающийся кварцевый конус, установленный во внутреннее зеркало, представляющее собой тело вращения на основе внеосевой усеченной параболы, геометрически рассчитанной таким образом, чтобы крайние максимальные лучи сходились в фокусе, высокоапертурный источник излучения, размещенный в торце кварцевого конуса, при этом коническая поверхность кварцевого конуса покрыта многослойным пропускающим интерференционным покрытием, а выходное отверстие устройства находится в фокальной плоскости параболы, в центральной зоне которой энергетическая яркость больше, чем у источника излучения на входе.

[0014] Кроме того, в частном случае реализации изобретения, внутреннее зеркало сопряжено с собирающим зеркалом, выполненным в виде сужающейся конической поверхности или расширяющейся конической поверхности, или в виде цилиндрической поверхности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕТРТЕЖЕЙ

[0015] Заявляемое изобретение поясняется графическими материалами, на которых изображены:

фиг. 1 - оптическая схема действия пропускающего интерференционного покрытия (ПИП);

фиг. 2 - схема усилителя яркости;

фиг. 3 - схема усилителя яркости с собирающим зеркалом;

фиг. 4 - диаграмма лучей после конуса;

фиг. 5 (а, б) - графики яркости на выходе из системы;

[0016] На чертежах позиции имеют следующие обозначения:

1 - источник излучения;

2 - кварцевый конус;

3 - пропускающее интерференционное покрытие (ПИП);

4 - внутреннее зеркало на основе внеосевой усечённой параболы;

5 - фокальная плоскость параболы;

6 - собирающее зеркало.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0017] Усилитель яркости (фиг. 2) содержит внутреннее зеркало 4, представляющее собой тело вращения на основе усеченной внеосевой параболы, в которое установлен сужающийся кварцевый конус 2, в торце которого размещен высокоапертурный источник 1 излучения. Коническая поверхность кварцевого конуса 2 покрыта ПИПом 3 с максимальным коэффициентом пропускания, близким к углу ПВО. В качестве ПИПа 3 используется, например, многослойное покрытие, представляющее собой сочетание слоев ZrO₂/SiO₂ или Nb₂O₅/SiO₂ c чередованием показателя преломления, при этом чем ближе угол просветления ПИП 3 к углу ПВО, тем эффективнее усиление яркости. В предпочтительном варианте реализации изобретения геометрически парабола рассчитана таким образом, чтобы крайние максимальные лучи сходились в фокусе F. В качестве высокоапертурного источника 1 используют источники, удовлетворяющие закону Ламберта, например, светодиоды. Угол α_max - это максимальный угол, под которым лучи выходят из кварцевого конуса 2.

[0018] C целью снижения световых потерь между выходным диаметром внутреннего зеркала 4 (параболы) и выходным зрачком, расположенном в фокальной плоскости, внутреннее зеркало 4 сопряжено с собирающим зеркалом 6, выполненным в виде конической собирающей поверхности. Собирающее зеркало 6 может быть выполнено в виде сужающейся конической поверхности (фиг. 3) или расширяющейся конической поверхности (на чертежах не показано), или в виде цилиндрической поверхности (на чертежах не показано)

Работа устройства осуществляется следующим образом

[0019] Лучи от высокоапертурного источника излучения 1 через торец входят в кварцевый конус 2 и далее распространяются вдоль него, отражаясь от конической поверхности по закону ПВО. С каждым отражением, угол падения на коническую поверхность кварцевого конуса уменьшается и, достигнув угла просветления ПИПа 3 (близком к углу ПВО), лучи выходят из кварцевого конуса 2. Таким образом, за счет покрытия конической поверхности кварцевого конуса 2 ПИПом 3 лучи с углом падения большем угла ПВО отражаются обратно в кварцевый конус 2, лучи с углом равном или меньше - выходят из кварцевого конуса 2.

[0020] Диаграмма лучей после кварцевого конуса 2 имеет вид «бабочки» (фиг. 4) с максимальным углом выхода α_max, на основе которого построена парабола 4 (лучи с α_max собираются в фокусе F параболы).

[0021] В фокальной плоскости 5 параболы 4 имеем усиление яркости по сравнению с источником 1 на входе, что подтверждается графиками (фиг 5 (а),(б)).

[0022] После кварцевого конуса 2 световой поток собирают в минимальное пятно с минимальной расходимостью (минимальный ГФЛ) за счет использования внутреннего зеркала 4. Для обоснования выбора формы внутреннего зеркала 4 используем особенность диаграммы в виде «бабочки», которая имеет максимум в крайнем луче (фиг. 4). Задача внутреннего зеркала 4 состоит в том, чтобы собрать в осевом сечении крайние лучи в одну точку, что обеспечивается за счет известного оптического свойства параболы - пучок лучей, параллельных оси параболы, отражаясь в параболе, собирается в её фокусе.

[0023] Таким образом, внутреннее зеркало 4 после кварцевого конуса 2 представляет собой тело вращения на основе внеосевой параболы. Форма его поверхности определялась с использованием программного комплекса ZEMAX® с помощью функции оптимизации. Программный комплекс ZEMAX® предназначен для расчета, моделирования и анализа оптических систем.

[0024] На фиг. 5 показаны графики измерения яркости для разных ламбертовских источников на входе и выходе схемы (в фокальной плоскости параболы) в разных режимах. Зоны превышения сплошной линии над прерывистой - это и есть зоны повышенной яркости. Таким образом, графики, приведенные на фиг. 5, полученные с использованием программного комплекса ZEMAX®, наглядно подтверждают усиление яркости на выходе заявленного устройства.

[0025] По оптической схеме на фиг. 2 получено усиление яркости в фокальной плоскости 5. Однако часть светового потока проходит мимо внутреннего зеркала 4 в виде параболы и теряется. Во избежание таких потерь, схема дополнена собирающим зеркалом 6 в виде сужающейся конической поверхности (фиг. 3) или расширяющейся конической поверхности (на чертежах не показано), или в виде цилиндрической поверхности (на чертежах не показано) в зависимости от выбранного диаметра выходного отверстия.

[0026] Таким образом, сочетая просветление на углах, близких к ПВО с соответствующей оптической схемой, можно перераспределить световой поток в нужном направлении и добиться необходимого светоэнергетического эффекта, например, усиления яркости в нужных зонах.

Изобретение относится к области оптики, а именно к оптическим системам для усиления яркости. Усилитель яркости содержит сужающийся кварцевый конус, установленный во внутреннее зеркало, представляющее собой тело вращения на основе усеченной внеосевой параболы, геометрически рассчитанной таким образом, чтобы крайние максимальные лучи сходились в фокусе, высокоапертурный источник излучения, размещенный в торце кварцевого конуса. При этом коническая поверхность кварцевого конуса покрыта пропускающим интерференционным покрытием, а выходное отверстие устройства находится в фокальной плоскости параболы, в центральной зоне которой энергетическая яркость больше, чем у источника излучения на входе. Технический результат - расширение функциональных возможностей преобразователей светового потока. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Усилитель яркости, содержащий сужающийся кварцевый конус, установленный во внутреннее зеркало, представляющее собой тело вращения на основе усеченной внеосевой параболы, геометрически рассчитанной таким образом, чтобы крайние максимальные лучи сходились в фокусе, высокоапертурный источник излучения, размещенный в торце кварцевого конуса, при этом коническая поверхность кварцевого конуса покрыта пропускающим интерференционным покрытием, а выходное отверстие устройства находится в фокальной плоскости параболы, в центральной зоне которой энергетическая яркость больше, чем у источника излучения на входе.

2. Усилитель яркости по п.1, отличающийся тем, что внутреннее зеркало сопряжено с собирающим зеркалом, выполненным в виде сужающейся конической поверхности или расширяющейся конической поверхности, или в виде цилиндрической поверхности.