Осветительное устройство Советский патент 1987 года по МПК G02B21/06 

Изобретение относится к оптике, точнее к осветительным устройствам, применяемым преимущественно ля освещения удаленных объектов.

Целью изобретения является обесечение равномерности освещения поей, имегацих угловой размер 2 Jf 0,10 рад.

На фиг, ) представлена оптическая схема осветительного устройства с габаритным ходом лучей; на-фиг. 2- примеры выполнения линзового блока: а - из элементов, б - из элементов, в - из элементов, пунктиром показан контур лазерного пучка.

Осветительное устройство (фиг.1) состоит из источника света лазера 1, вдоль оптической оси isriToporo последовательно установлены блок 2, по меньшей мере из двух децентри ро- ванных друг относительно друга линзовых элементов, объектив 3 телескопической системы, причем расстояние между блоком 2 линзовых элементов и объективом 3 равно сумме их фокусных расстояний, ли нзовый растр 4. Устройство работает следующим образом .

Работу устройства (фиг. l) рас- смоурим на примере блока, состоящего из двух линзовых элементов.

Пучок лучей от лазера 1 падает на блок 2 линзовых элементов, после прохождения к оторого образуются два внеосевых пучка лучей, фокусирующихся в.фокальной плоскости объектива 3, Из объектива 3 выходят два параллельных пучка лучей, которые попадают на лийзовый растр 4 под углом uJ и uJ, причем a)uJf,K оптической оси осветительного устройства,

Линзовый растр 4 преобразует каждый из двух параллельных пучков лучей в бесконечное множество параллельных пучков лучей, распространяющихся под углом друг к другу В

пространстве, ограниченном задним апертурным углом линзового растра 2б р , которые, достигая плоскости объектива, освещают две равные площадки .

На фиг. 2 показаны конкретные примеры исполнения линзового блока для числа линзовых элементов (фиг, 2.;oJ, (фиг. 2Е.), (фиг, 2& ), а пунктиром показан диаметр падаю1цего лазерного .пучка.

Линзовый блок (фиг, 2а) изготавливается следующим образом. Смещаем исходный окуляр в декартовой системе координат (ось X - горизонтально, ось У - вертикально, начало координат совпадает с оптической осью лазера) перпендикулярно оптической оси на величину N5., где X - расстояние между фокусами линзовых элементов блока в передней фокальной плоскости объективав и обрабатываем по форме и размеру входного зрачка (форма зрачка - квадратная, размер зрачка больше или равен диаметру лазерного пучка). Для данного случая смещение вдоль оси равно нулю. Смещение исходного окуляра при изготовлении двух элементов происходит в двух противоположных направлениях. При этом заданное расположение задних фокусов линзовых элементов определяется величиной d 2f -tg&; .

Для линзового блока по фиг, 28. Смещение исходного окуляра произвоX У

ДИМ на величину ( ; TJ) в декартовой системе координат с последующей обработкой по форме и размеру входного зрачка (форма зрачка - квадратная, размер зрачка равен или больше половины диаметра лазерного пучка).

Для линзового блока по фиг. 26. Величину смещения исходного окуляра

для каждого из линзовых элементов производим на величиьгу X j, У j, где

i - 1, 2, 3, X, У- - координаты фокусов линзовых элементов в декартовой системе координат, совмещенной с

Передней фокальной плоскостью объектива. Форма зрачков - секторная.

Выполнение окуляра телескопической системы в виде блока из нескольких децентрированных оптических элементов приводит к фокусировке отдельных частей исходного лазерного пучка в задних фокусах указаннь1х децентрированных элементов. Так как эти фокуса лежат в передней фокальной плоскости объектива телескопической системы и находятся друг от друга в этой плоскости на конечном расстоянии, например d, то все это приводит к появлению в телескопической системе внеосевых пучков лучей, которые выходят из объектива в виде наклонных пучков параллельных лучей, попадающих на линзовый растр, на котором происходит преобразование каждого из указанш гх

внеосевых пучков лучей во множество параллельных пучков лучей, распрострняющихся под углом друг к другу в пространстве, ограниченном значением заднего апертурного угла линзово- го растра , т.е. из образованных внеосевых пучков, рассеянных линзовым растром, получаем на удаленном расстоянии одинаковые площадки, угловой размер которых определяется не- которым углом 2У, который, в свою очередь, равен 2б . Линейный размер указанной площадки L, как следует из чисто тригонометрических соображений определяется по формуле с достаточно для практики точностью ,где Н - расстояние до объекта.

Таким образом, одновременно освещается несколько площадок размером L световыми пучками, полученными из од ного исходного. В случае, если количество энергии, несомой каждым из вн осевых пучков одинаково, то освещенность каждой из указанных площадок будет также одинаковой, а равномер- ность распределения осаещенности оределяется действием линзового растра и его техническими параметрами.

Для обеспечения равенства количества энергии в каждом из внеосевых пучков необходимым является наличие равенства формы и площади входных зрачков указанных децентрированных линзовых элементов блока и такое расположение указанных децентрированных злементов блока в исходном лазерном пучке, при котором функции распределения энергии по поверхности входного зрачка, определенной частью, ограничиваемой указанным входным зрачком, функции распределения энергии в сечении лазерного пучка будут одинаковы. Это значит, что контуру каждого входного зрачка должна принадлежать осевая точка лазерного пучка, а площади сечения указанного пучка входными зрачками децентрированных линзовых элементов блока рав- йы, что обеспечивается касанием боковых поверхностей указанных линзовых элементов, одинаковой формой и площадью входного зрачка и наличием общей касательной для всех элементов, проходящих через оптическую ось лазера,

Ориентация/ освещаемых площадок при действии внеосевых пучков в пространстве объекта определяется в данном случае углом наклона внеосевого

асfo , }5

2(; е-25JQ

35

40

45

50

лгучкя 1.0, который может быть определен следующим образом:

tp fV.

где X - расстояние от заднего фокуса отдельного линзового элемента до оптической оси; - фокусное расстояние объектива телескопической системы.

При освещении большой площадки, формируемой из отдельных меньших освещаемых площадей, с целью обеспечения равномерного освещения по всей площади необходимо и достаточно, кроме равномерного освещения отдельных указанных площадей,.обеспечение такого положения в плоскости освещаемого объекта, при котором будет отсутствовать как зазор между соседн - ми элементарными площадками, так и переналожение.; Этого можно добиться, если расстояние между центрами указанных площадок, причем одинаковых по размеру, будет равно размеру указанной площадки L в данном направ- . л ВНИИ,- что равносильно выполнению равенства

(tgu),.-tp(J.),

iV гдеш- , ц)-- углы наклона внеосевых

пучков, образованных i+1-м и i-M элементами. Преобразовывая формулу, получаем

,- -(X.,-X.),

йЪ

где X., ,Х, - расстояние в фокальной

(41 ч

ПЛОСКОСТИ объектива от фокусов i+1-го и i-ro линзовых элементов до оптической оси соответственно .

.Разность (Х(|-Х ) - есть расстояние между фокусами соседних элементов в фокальной плоскости объектива d.,

С учетом того, что 0 , получаем условие

( ...

Указанное условие обеспечивает, в совокупности со всеми остальными, достижение указанной цели.

В зависимости от формы и размера всего освещаемого поля элементарные площадки, из которых формируется поле, получается за счет дей

51

ствия внеосевых пучков, могут быть расположены друг относительно друга, перекрывая всю площадь, по-разному: их центры могут лежать на одной прямой или в узлах, например, ортогональной сетки, т.е. в точках пересечения эквидистантных параллельных прямых с другой системой эквидистантных параллельных прямых, направленных перпендикулярно первой системе прямь1Х. Аналогично может быть из ортогональных сеток получена гексагональная сетка путем наложения двух ортогональных сеток, сдвинутых друг относительно друга. Так как расположение фокусов вдоль одной прямой линии можно представить в виде одномерной ортогональной упаковки (одна строка или один столбец), то с учетом всего сказанного достаточно рас- .смотреть случай ортогональной сетки

Формулаизоб-ретени

Осветительное устройство, содержащее лазер, вдоль оптической оси

которого последовательно установлены телескопическая система, состоящая из окуляра и объектива, и линзовый растр, отличающееся тем, что, с целью обеспечения равномерности освещения полей, имеющих угловой размер рад, окуляр телескопической системы вьшолнен в виде блока, симметричного оси, по меньшей мере из двух децентрирован- ных и установленных вплотную друг к другу линзовых элементов, фокусы которых по всем меридиональным направлениям отстоят друг от друга на ве- личину d, определяемую по следукщей зависимости:

, d 2f;5 tg6-p,

1

где - фокусное расстояние объектива;

задний апертурный угол линзового растра, все элементы линзового бло

S - р

при этом

ка имеют одинаковую площадь входного

зрачка.,

а)

Уигг

Изобретение относится к оптическому приборостроению и позволяет обеспечить равномерность освещения полей, имеющих угловой размер 2 У 0,10 рад. Окуляр осветительного устройства выполнен в виде блока 2 де- центрированных линз с одинаковой площадью входного зрачка, установленных вплотную друг к другу симм.ет- рично относительно оптической оси устройства. Блок 2 делит пучок лучей от лазера 1 на внеосевые пучки, фокусирующиеся в фокальной плоскости объектива 3. Количество пучков определяется числом линз,-входящих в блок. Каждый из падающих на линзовьй растр 4 параллельный пучок преобразуется им в множество пучков параллельных лучей, распространяющихся под углом друг к другу и освещакяпих в плоскости объектива равные площадки. Фокусы линзовых элементов по всем меридиональным направлениям отсто- § ят друг от друга на определенную величину, зависящую от заднего апер- турного угла линзового растра. 2 ил. (Л f 7 2 /7 а с ffac/77tr C7577e/i-/770L to 00 со O5 со 4 cpuel

Составитель В.Сорокин Редактор М.Бандура Техред В.Кадар Заказ 7435/44 Тираж 522Подписное

ВНИИПИ 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

Корректор С.Шекмар