Источник остронаправленного луча Советский патент 1993 года по МПК F21V7/06 

ptt&l

Изобретение относится k оптике и может быть использовано в качестве источника узкого, концентрированного остронаправленного светового (или инфракрасного) некогерентного пучка излучения.

Целью изобретения является расширение области использования путем повышения степени концентрации излучения при уменьшении коэффициента рассеяния выходящего луча.1

На фиг.1 изображено устройство источника со схемой прохождения лучей; на фиг.2 - вариант установки основного и дополнительного зеркал, не имеющих общей апер- турной границы.

Источник остронаправленного луча включает в себя основное параболическое зеркало 1 с источником излучения 2 в его фокусе, дополнительное параболическое зеркало 3 с осевым отверстием для выхода сконцентрированного луча 4 и два внутренних параболических зеркала 5 и 6, одно из которых имеет общий фокус с основным, а другое с дополнительным зеркалом. Соотношения диаметров зеркал (d и D) их фокусных расстояний (Fi и RZ, f 1 и Ь) должны подчиняться закономерностям:

D ... 16 fi Fi d

4

.

.Все лучи, исходящие из источника 2, путем отражения от основного 1 (луч 7) или предварительно переотражения от внутреннего 5 (луч 8) зеркал попадает параллельным потоком на дополнительное зеркало 3, и путем многократных переотражений от него и внутреннего зеркала 6 .в конечном итоге выходят узким сконцентрированным пучком через отверстие 4. А так как система зеркал 3 и 6, собирающая и концентрирую- щая лучи, имеет общий фокус, не занятый и не затененный никаким физическим объектом (типа источника излучения, как в. прототипе), но ничто не мешает формированию

сколь угодно узкого пучка, ограниченного

лишь диаметром выходного отверстия 4 (Do), и искажений лучей, Проходящих через этот фокус, не происходит, что позволяет достичь минимального коэффициента рассеивания выходящего пучка лучей. Этому способствует также возможность увеличения базы прохождения пучка (суммы фокусных расстояний f2 и F2) по схеме, изображенной яа фиг.2,

Поэтому, имея даже маломощный источник излучения, предложенным набором соответствующим образом установленных зеркал можно получить очень высокую плотность излучения, причем не в определенной пространственной точке, как это делают фокусирующие системы, а в параллельном лучевом пучке, на пути которого в любом месте можно расположить требуемый потребитель (например, приемное устройство в системе контроля или пачку листов материала - пластмассы, ткани - для его раскроя).

Путем подбора соотношений диаметров (d и D) зеркал и диаметра выходного отверстия (Do) можно при одной и той же мощности источника излучения добиться требуемой величины плотности выходящего пучка, характеризуемой коэффициентом сжатия:

«««(Ј).

Выходящий пучок будет иметь в сечении кольцевую структуру со свободной серединой, в которой расположится точка скрещивания лучей (фокус дополнительного зеркала).

Пример. Допустим, поставлена задача: создавать источник остронаправленного луча световой энергии с плотностью излучения не меньше 0,5 вт/мм , имея устройство, вписываемое в объем 1 дм3, с относительно маломощным точечным источником излучения мощностью 10-15 вт. Плотность светового и теплового излучения 0,5-0,8 вт/мм2 позволит получить локальный нагрев материала с хорошими поглощающими свойствами свыше 800°С. (Ориентировочный расчет указанной температуры может быть при необходимости представлен дополнительно). Имея луч такой энергетической мощности, можно проводить широкий спектр технологических операций (резка различных материалов, сварки их и т.п.) в различных областях техники.

Располагая по указанной на фиг.2 схеме точечный источник световой энергии мощностью 15 вт в фокусе основного зеркала с D 120 мм и софокусного с ним внутреннего зеркала с d 60 мм, при выполнении соотношения их фокусных расстояний (Fi - 25 мм и f.1 18 мм)

D 16fi 120 16 18 Fi d 25

60

4,

получим кольцеобразный плоскопараллельный световой поток, направленный на дополнительное зеркало, фронтальной площадью:

Sn J (1202-602) 8482 мм2

Мощность источника, приходящаяся на эту площадь, с учетом зон, не участвующих в отражении и КПД отражающих поверхностей (0,95), составит

Рп 15 -0,56 0,95 - 7,98 вт.

Следовательно, плотность этого потока будет

9-41-10 ВТ/Мм2

Этот световой поток, переотразившись от поверхностей дополнительного (D - 120 мм, Fa 36,мм) и софокуено ему установленного внутреннего зеркала (d 60 мм, fa 18 мм), выйдет сжатым до требуемого уровня плотности через осевое отверстие в дополнительном зеркале D0 3,75 мм. Эти зеркала выполнены также с указанным в формуле условием:

D.d.-.120-603 Fa fa 36 18

Выходящий луч будет иметь с учетом КПД мощность

Рл Рп 0.959 7,89 0.63 - 5,03 вт.

Площадь сечения кольцеобразного выходящего луча с Do 3,75 мм будет составлять:

с - п ро t d2 N - п 3752 - bn---2j-V1 02)---4 x

х(1 --) 8,28 мм2

1202

ИЛИ

о - Sn л V - ( Р 1 -

где Ксэ(о;) -(-&У1И4

Плотность выходящего луча соответственно будет составлять

Й Ш-° 61вт/мм2

Таким образом, поставленную задачу можно реализовать, имея источник световой энергии мощностью 15 вт и установленные по схеме, представленной на фиг.1 параболические зеркала:

1. D 120мм. Fi 25 мм

2. D - 120мм, Р2 36мм 5,6. d 60 мм, fi fa 18 мм. Примерные общие габариты устройства 5 будут: D 120мм, L 110мм.

Таким образом, предложенное устройство источника остронаправленного луча обладает по сравнению с прототипом следующими основными преимуществами: воз- 0 можность теоретически неограниченной степени концентрации энергии (плотности) выходящего луча, ограниченной лишь технологическими возможностями изготовления точных зеркал и их взаимной фокусировки,

5 возможность применения весьма маломощных источников энергии при Достижении высокой плотности луча, что открывает широкие возможности для различных направлений его использования в народном хозяйстве,

0 заметно снижается коэффициент рассеивания выходящего луча за счет отсутствия в фокусе концентрирующей системы зеркал каких-либо физических объектов (типа источника излучения), препятствующих гео.5 метрически правильному распространению лучей и достижению требуемых уровней плотности выходящего пучка и минимальных размеров его сечения.

Использование предложенного устрой0 ства может дать значительный экономический и технический эффект за счет расширения технологических возможностей при достижении высоких степеней плотности энергии выходящего пучка и минимального его рассеивания

5 в пространстве.

Формула изобретения Источник остронаправленного луча, содержащий основное вогнутое параболическое зеркало с источником излучения в его

0 фокусе и дополнительное вогнутое параболическое зеркало с фокусным расстоянием большим, чем у основного, и с осевым отверстием для выхода луча, установленнсе со- осно с основным с противоположной от

5 источника излучения стороны, отличаю- щ и и с я тем, что, с целью расширения области применения путем повышения степени концентрации излучения при уменьшении коэффициента рассеивания выходящего

0 луча, основное и дополнительное зеркала установлены так, что сумма их фокусных расстояний меньше суммы их осевых габаритов, соосно с ними установлены два внутренних вогнутых параболических зеркал

5 равных между собой диаметров d, но меньших, чем у основного и дополнительного D диаметров, при этом одно из них установлено софокуено основному зеркалу и их диаметры d и D и фокусные расстояния fi и Fi находятся в соотношении

D/Fi 16fi/d 4,

а другое установлено софокусно дополнительному зеркалу и их диаметры d и D и

фокусные расстояния f2 и Рг находятся соответственно в соотношении

D/F2 .

Использование: в светотехнике, в оптических системах и для создания узкого, высокоплотного и остронаправленного некогерентного пучка световой энергии. Сущность изобретения: устройство состоит из двух пар соосно и софокусно установленных параболических зеркал 1, 5, 3, 6 с источником излучения 2 в одном из фокусов. Параметры зеркал (диаметры и фокусные расстояния) находятся между собой в определенной зависимости, а степень концентрации луча характеризуется лишь отношением диаметров основного зеркала 1 и выходного отверстия 4. 2 ил.