Светонаправляющее устройство Советский патент 1986 года по МПК G02B6/42 

уменьшения диаметра выходного торца оптического элемента, угол С уменьшен до значения, удовлетворяющего неравенству

-. (,

f2(, )

5,Гр7

3, Устройство по п. Г, о т л и- ч а ю Df е е с я тем, что, с целью

где i 6-arcsin

sin(2arcsin - n

1

Изобретение относится к.светотехнике, в частности к устройствам, уменьшающим угол расходимости излучения источников света.

Целью изобретения является повышение КПД устройства путем обеспечения полного внутреннего отражения илучения источника света на боковой поверхности формирующего световой пучок оптического элемента и исклто- чения многократных отражений в нем. На чертеже изображено светонапра ляющее устройство, аксиальное сечение.

Устройство состоит из источника света 1 и круглосимметричного све- тонаправляющего оптического элемен- та полного внутреннего отражения 2, охватывакхдего его в пределах телесного угла 2тг и выполненного из однородно прозрачного материала с покзателем преломления п,

Входной торец 3 оптического элемента 2 выполнен в виде менисковой полусферической поверхности радиуса г, центр кривизны которой совпадает с пентром-источника света I. Боковая поверхность 4 оптического элемета 2 образована плавно сопряженными участками логарифмической спирали ) и параболы вращения 6j)((f}, описываемых в полярной системе координат с началом, совмещенным с центром источника света 1, соответственно уравнениями

р.(ц )(| -tf) приср, ttj

.

упрощения технологии изт отовления оптического элемента путем исключения участка логарифмической спирали, показатель преломления материала оптического элемента удовлетворяет неравенству

п

.7 г-2§т

sin( )

при q7j ),,

г

где R i-7i - радиус плоской кольцесозУ„ :

НОИ поверхности 7

/

р. (), соединяющей iJ /

входной торец 3 и боковую поверхность 4 оптического элемента 2j

и . /sin0o4

У arcsin(-);

п

0д- заданный угол расходимости светового пучка на выходе светонаправ- ляющего устройства;

Cf - текущий угол, отсчитываемый от оптической оси устройства по направлению распространения света;

К

При этом углы if,Hif, определяющие границы участков логарифмической спирали 5 и параболы вращения 6, удовлетворяют неравенствам

qj ,

5

ТГ-8-28,rcsin п 2

Величина R внешнего радиусу плоской кольцевой поверхностиp,|-J7 выбрана из условия исключения касания

/ч.

отраженного луча (4 поверхности менискового полусферического вход31

ного торца 3 и, следовательно, устранения многократных отражений.

Выбор профиля участка 5 в форме логарифмической спирали обусловлен тем ее свойством, что касательная к точке данной поверхности составляет постоянный угол с прямой, которая соединяет эту с полюсом Следовательно, все радиальные лучи при использовании источника света 1 достаточно малого размера падают на поверхность вращения логарифмической спирали под одинаковым угломot, который должен удовлетворять условию полного внутреннего отражения

. 1 oi arcsin - .

Участок 5 ограничен с одной сторны углом tp - , определяемым плоско

кольцевой поверхностью 7, ас другой - углом , срответствзлощим радиальному лучу, образующему после отражения от боковой поверхности 4 оптического элемента 2 угол 0 с оп- тической осью х устройства. Участок 6 боковой поверхности 4 оптического элемента 2, ограниченный углами tp, иС 0, выполнен в форме параболы врап1,ения, фикус которой совмещен с центром источника света I, а ось Z ориентирована под углом б к оптической X устройства.

В соответствии со свойствами параболы вышедшие из фокуса и отраженные ею лучи распространяются в направлениях, параллельных оси Z, т.е составляют с оптической сью х устройства угол 9 .

С целью уменьшения диаметра выходного торца 8 оптического элемента 2, что бывает необходимо для успешного сопряжения устройства и световода небольшого диаметра при их совместном использовании, угол cpj , определяющий границу параболического участка 6, может быть умень-шен до значения, удовлетворяющего неравенству

,е,

где

|3 0arcsin

МЩ1 sin(2arcsin I) , J5,((57nj

Дальнейшее уменьшение угла р нецелесообразно, так как приведет к повторному отражению лучей от проти9

воположмой боковой стенки 4 оптического элемента 2.

Для ijacTHoro случая, когда при сочетании параметров б и п выполняется соотношение 0+2(у; , профиль

поверхности 4 оптического элемента 2 может быть упрощен путем исключения участка 5 логарр ф1 гаческой стшрали.

Этому случаю соответствует подбор показателя преломления п материала оптического элемента 2 в соответствии с неравенством

п -

1

/1 -АС sin()

Устройство работает следующим об- разом.

Радиальное излучение источника 1 , испускаемое в телесном угле 2 п , попадает в тело оптического элемента 2 через входной , полусферичес- кий менисковый торец 3. Входное излучение для углов ср C-pj попадает на выходной торец 8 без отражений.При q ср радиальные лучи до попадания на выходной торец 8 претерпевают од- нократное полное внутреннее отражение на боковой поверхности 4, образованной .плавно сопряженными участками лoгapиф шчecкoй спирали 5 и параболы вращения 6. В обоих случа- ях угол падения лучей на выходной торец 8 не превьтает значения Q , а угол расходимости выходного излучения после преломления на поверхности торца 8 - заданного угла расхо- димости вд.

Положительный эффект от применения устройства заключается в существенном повьплении эфективнос ти сбора изотропного излучения. Ввод излучения через полусферическую поверхность обеспечивает попадание в тело оптического элемента лучей, испускаемых источником во всем телесном угле 2 i.

Кроме того, устранена необходимость сложной технологической операции - нанесения отражающего покрытия на светонаправляющую деталь. Наиболее удобным видом изготовления оптичес- кого элемента является прессование из прозрачных полимерных материалов, например из полиметилметаакрилата (п.,49). Такая технология позволяет организовать дешевый серийный

выпуск светонаправляющих элементов к уже выпускаемьм источникам (например, к светодиодам для оптических линий связи) с высоким экономическим эффектом,

Повьшено удобство эксплуатации светонаправляющих устройств. Рефлекторные и линзовые системы требуют тонкой юстировки при настройке и квалифицированного обслуживания при эксг1л атации, Если их заменить предлагаемым устройством, изготовленным с учетом габаритов источника, то все обслуживание системы сводится к присоединению оптического элемента к источнику. Удобства эксплуатации создают также небояьпще габариты светонаправлякяцего элементна.Кроме того, его конструкция защищает

источник от внешних механических воздействий и способствует его термостабилизации.

Выходной плоский торец оптического элемента позволяет вплотную соединить его со входными торцами оптических деталей серийного выпуска - волоконных световодов (для отвода излучения источника в требуемое место), монолитных йфоконов (для сужения угла расходимости выходного пучка), и др. Такое соединение возможно через слой оптического клея,показатель преломления которого ,

Кроме того, повьшение эффективности преобразования лучистой энергии дает возможность экономить электроэнергию, потребляемую для питания источников света.

,-/

Составитель И,Зайцев Редактор Н.Горват Техред И. Попович

.Заказ 2001/40 Тираж 462Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета.СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раунгская наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,4

Корректор А,Тяско