Коллиматор Советский патент 1987 года по МПК G02B27/30 G02B3/00 

fO

15

11282051

Изобретение относится к оптике, а точнее к устройствам преобразования лучистой энергии источников расходящегося излучения (светодиодов, газоразрядных ламп, ламп накаливания и др.) в виде пучка параллельных лучей.

Цель изобретения - уменьшение искажения профиля пучка, упрощение конструкции и экономия материала.

На чертеже изображена верхняя часть коллиматора, аксиальное сечение.

Коллиматор вьтолнен из прозрачного однородного материала в виде тела вращения, содержащего полусферическую входную поверхность, образованную вращением четверти окружности 1 относительно оси симметрии X, поверхности, образованной вращением отрезка 2 прямой относительно оси X, сопрягакяцей входную поверхность с боковой поверхностью полного внутреннего отражения, образованную вращением участка параболы 3, причем ось параболы X наклонена под углом

0 arcsin (1 - 2/п) относительно оси симметрии, и выходную поверхность, образованную вращением отрезка 4 прямой и участка эллипса 5.Причем отрезок 4 прямой расположен вдоль радиуса сферической входной поверхности и наклонен относительно

20

25

30

С

оси симметрии X на угол Ч , определяемый из соотношения

.2/п2 -- 2-п

arccos

при условиях

n-cos (Ч 0) сов n 1,656,

где n - относительный показатель преломления материала.

Образованная вращением отрезка 4 прямой, коническая поверхность сопрягает боковую параболическую и эллиптическую поверхности.

Коллиматор работает следующим образом.

Радиальные лучи, имекицие разные углы наклона Ц относительно оси симметрии X, испускаются источником S в полусфере с телесным углом 21Г. При Ч РО лучи направляются через сферическую поверхность 1 на эллиптическую поверхность 5 коллиматора, где подвергаются преломлению и да- лее следуют параллельно оси X.Уравнение для линии вращения 5 имеет вид

f/)

R,-exp S

,

(1)

где n - относительный показатель

преломления материала коллиматора. После преобразований получают

fO

Р() (.11

n - COS Ц

(2)

или

РХЧ ) Р ( ч)

n - COS Ч

(3)

0

где Р ( Ч) - значение функции при граничном угле Ч -

О

Так как угол преломленного луча с касательной эллиптической поверхности 5 не превышает -- , условие

для угла

-f следующее:

25

Ч arccos

оn

(4)

Дпя преобразования периферийных лучей, испускаемых под углами Ч Ч в коллиматоре использовано полное внутреннее отражение от поверхности 3, которая образована вращением вокруг оси X участка параболы с осью X . Отраженные лучи параллельны оси X и образуют с осью X угол D , выбранный С учетом условия полного внутреннего отражения:

0 i-у 2arcsin - arcsin (1-j-)

Кривая 3 аналитически описывается выражением

Р (U) ) Г-совХч- +е )

при ч 1 --- ,

Тг

т

(6)

где

COS9

(условие прохождения луча, испущенного при W

«-).

2

г - габаритный размер (радиус) щточника.

Отраженные от поверхности 3 лучи преломляются поверхностью 4, которая образована вращением радиальной прямой с углом наклона f Параллельность преломленных лучей с осью симметрии X обеспечивает условие + 0 Р. С учетом закона преломления

данное условие можно виде

. созЧ,.

arcsin

или

n-cos (0+© )

cosf

(7)

Выражение (7) определяет взаимную связь параметров п, ,& в предлагаемом решении. Кроме того, имеет место ограничение на неличину показателя преломпения: п п , где значение п согласно выражениям (4), (5) и (7), удовлетворяет равенству

--- --- + arcsin n, 2

1

п (8)

откуда п g 1,656.

Точка пересечения линий 4 дана ходом луча с f --- :

и 5 .за- 20

)

R COS 0 sin Тц) +Ъ )

(9)

Следовательно, выражение для отрезка прямой 4 следующее:

) - Их) г, ( СО)

Сопоставляя выражения (5) и (6) можно определить нижний предел значения tf ;

о

f arctg

. . (11) п2 - 2 -

Редактор М.Бланар

Составитель Г.Татарникова Техред И. Попович

Ко Под

7263/44 Тираж 522

ВНИИГШ Государственного комитета СССР

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

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

о

1282051

Фор

мула изобретения

Коллиматор из прозрачного однородного материала, содержащий полусфе-

рическую входную поверхность, боковую поверхность полного внутреннего отражения, образованную вращением участка параболы, сопрягакяцую их плоскую кольцеобразную поверхность

и выходную поверхность, образованную вращением отрезк прямой и участка эллипса относительно оси симметрии, отличающийся тем, что, с целью уменьшения искажения профиля пучка, упрощения конструкции и

экономии материала, ось параболы на- 1.,, -2

клонена под углом 0 6 arcsin (1- -7-)

п

относительно оси симметрии, а отрезок прямой, вращением которого образована часть выходной поверхности, расположен вдоль радиуса сферической входной поверхности и образует с осью симметрии угол ч определяемый из соотношения

2 /n2 - l - n ... arctg-Г YO.

- 2

30

arccos

J. n

при условиях: n-cos ( ) cos 4 и n 1,656, где n - относительный показатель преломпения материала.

Корректор А.Тяско Подписное

Изобретение относится к устройствам преобразования лучистой энергии источников расходящегося излучения в виде пучка параллельных лучей без применения зеркальных покрытий. Коллиматор представляет собой тело вращения из однородно прозрачного материала с заданным показателем преломления. Профиль поверхности образован вращением линии, составленной из четверти окружности 1, в центре которой располагается источник, отрезка прямой 2, участка параболы 3, отрезка прямой 4 и участка эллипса 5. Наклон оси параболы 3 под углом Q arcsin (1-2/п2) относительно оси симметрии обеспечивает полное внутреннее отложение лучей от параболы к поверхности, образованной вращением отрезка прямой 4, расположенного вдоль радиуса окружности 1 под определенным углом, обуславливаюцщм параллельность с осью симметрии преломленных этой поверхностью лучей. Коллиматор отличается повьшгенной эффективностью образования хода лучей, уменьшенным искажением профиля выходного пучка, свободного от сферических аберраций, и уменьшенными габаритами. 1 ил. i (Л ю 00 to о СП