КОНЦЕНТРАТОР ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ Советский патент 1971 года по МПК G02B6/42 

Данное изобретение относится к устройствам для передачи лучистой энергии удаленного источника и концентрации ее на поверхности фотоприемника.

Известны концентраторы лучистой энергии, содержащие оптическую фокусирующую систему первичной концентрации с относительным отверстием 1/Л, создающую сходящийся пучок лучей, полуугол 0 которого с оптической осью равен arcsin О, 5N, и вторичный концентратор, выполненный в виде усеченного конуса с показателем преломления п среды внутри него, плоскость входного сечения которого с диаметром dj совмещена с изображением, создаваемым оптической системой, а выходное сечение с диаметром dz находится в непосредственной близости к чувствительному элементу приемника, погруженному в иммерсионную среду с показателем преломления П2.

Описываемое устройство отличается от известных тем, что в нем полуугол у при вершине конуса и диаметры di и ds связаны соотнощением:

dj sin (А - i) dy sin (Po - т)

В котором я - угол полного внутреннего отражения среды внутри конуса по отношению к иммерсионной среде, ро - полуугол пучка лучей, проникщих внутрь конуса после преломления на его входном сечении, при этом , где к - целое число, а значение у определяется нз выражения:

1/ А -tgT

V

l-tg,-l/4-: Y nl

10

где Т) - заданное отнощение нотока, падающего на входное сечение конуса, к потоку, прощедщему его входное сечение.

Такие отличия позволяют получить заданную величину потерь лучистой энергии внутри конуса.

На фиг. 1 изображена оптическая схема описываемого устройства; на фиг. 2 показан

график изменения освещенности в различных сечениях конического зеркала.

Концентрирующее оптическое устройство состоит из оптической фронтальной собирающей системы 1 с относительным отверстием

1/jV, захватывающей поток, поступающий от удаленного источника излучения, установленного в среде с показателем преломления, равным единице, и создающей истинное изображение источника в плоскости 2 в сходящемся конического зеркала 4, входное сечение кото рого с диаметром d расиоложено в плоскости 2 изображения. Полуугол при вершине конического зеркала равен 7- Показатель преломления среды внутри конуса равен Яь Диаметр конечного сечения зеркала равен dz. Это сечение расположено в непосредственной близости от чувствительного элемента 5 приемного приспособления. Чувствительный элемент 5 погружен в среду с показателем преломления п. Крайний меридиональный луч 6 образует полуугол в пучка излучения, захваченного коническим зеркалом 4, и полуугол ро пучка, отраженного входным сечением di конического зеркала 4. Задавая отношение -ц (отношение между потоком, собранным в конечном участке d, и потоком, захваченным во входном участке di) и зная характеристику оптической фронтальной системы 1, можно определить размеры, однозначно характеризуюш,ие конструкцию конического зеркаЛа 4, по следующим формулам:d,/u, sin(X-f/Sln(c,-T)(1) ()/(- /Я1-.Так, например, для удаленного источника с кажущимся диаметром в 5°, энергия от которого передается оптической фронтальной собирающей системой, образованной объективом со светосилой 1/1, 414, диаметром 55жл и фокусным расстоянием 77,8 мм, получаем изображение источника с диаметром изображенин, равным 77,8-tg5° 6,8 мм. Освещенность изображения относится к максимальной освещенности как 1/4 Л (в данном случае 1/8), Допустим, требуется получить максимальную освещенность при непосредственном погружении чувствительного элемента приемника в флинтглас с показателем преломления ,73 и при коническом зеркале 4, также выполненном из флинтгласа. Это погружение должно обеспечить дополнительный коэффициент концентрации , например, трехкратный. В конечном счете необходимо получить освещенность (предельную), в двадцать четыре раза превышающую интенсивность, обеспечиваемую оптической фронтальной системой со светосилой 1/1,4 и при этом потерять, например, не более 25% потока, захваченного входным сечением di, иначе говоря6 ,75. (2) рами, определяемыми приведенными формулами. Диаметр di большого входного сечения потока принят равным диаметру изображения, обеспечиваемому оптической фронталы-юй системой, т. е. в данном случае di 6,8 мм. Подставив в формулу (2): ,75; п 1,73; ,73; sine l/2jV l/2 1/2--0,154; получим: 1-4,8 ,75, откуда tgy 0,028, а 7 1/36 раа (1°36). Подставляя значение Y в формулу (1) при sinpo sine, ,354/1,73 (т. е. Ро 1148), получим 6,,9996/0,1771 и da 1,2 мм. Длина L конического зеркала равна (6,8-1,2) 2tgY или L 100,8 мм. На фиг. 2 представлен график, в котором сведены результаты применения приспособления по данному изобретению. Па абсциссе откладывается длина конического зеркала между входным участком di и произвольным сечением dy, для зеркала с утлом рад. Обозначив отношение диаметра d к любому диаметру dx через к, получим: -.(i-iUisfi- V 2tgT V к) к) Кривая 7 отображает изменение полученного отношения между освещенностью в каком-либо сечении и освещенностью во входном сечении. Кроме того, здесь же представлена кривая 8, отражающая изменение отношения между потоком, достигающим произвольного сечения dx и потоком Фо, захваченным во входном сечении d. Кривые, показывают две возможности оптимизации работы коиического зеркала. Первая, характеризующаяся сечением dz, - позволяет получить наибольшую освещенность (в данном случае 70% от максимальной освещенности) без потери потока при использовании зеркала с определенными размерами (французский патент № 1543165 от 6 мая 1964 г). Вторая оптимальная точка, соответствуюая данному изобретению и представленная ечением dz, обеспечивает возможность макимального освещения при минимальной ноере потока (в данном случае 25%). Приведенные выше формулы (1) и (2) опеделения размеров пригодны для всех слуаев. Кроме того, желательно, когда п отличатся от единицы, а HZ отличается от п и едиицы, изменить параметры 7 и |3о так, чтобы . К7 (3) Здесь к является целым числом. Максимальное число внутренних отражеий для меридиональных лучей, определяеX -ро ое выражением-, равно целому числу. Таким образом достигается полнота лучей, особных обеспечить максимальную освеенность. В отдельных случаях общие формулы (1) и (2) можно упростить. Если не равному единице ( случай непосредственного погружения чувствительного элемента в преломляющее коническое зеркало), то формулы упрощаются следующим образом: 51пЯ П2/П1 1; Slnf- -T):COST stn(3o-f) /Г 1-tgTi/ iU3-... I/ / И, наконец, для пустотелого конического зеркала, где п пч, формулы принимают вид: sinpo sin9/ni -sin0; следовательно, Ро в и rt, d.COST (6) sin (в - -f) (- /is r-T -с той же собирающей оптической системой можно сочетать несколько элементарных конических зеркал, установленных пучком и работающих параллельно. Этот пучок может быть образован коническими оптическими волокнами, оптимальную форму которых находят по приведенным формулам. При этом на чувствительном элементе приемника можно воспроизвести мозаичное изображение источника излучения. Длина образованного таким образом пучка элементарных конических зеркал короче (пропорциональна корню квадратному из числа элементарных зеркал) эквивалентного одиночного конического зеркала. Данное изобретение может быть применено, например, для обнаружения излучения при любой длине волны и, в частности, обнаружения в инфракрасных лучах, для оптического дистанционного контроля, например. (4) контроля нагрева и пламени для фотоуправления и термоуправления, для световых конденсоров, фотографических концентраторов, концентраторов солнечной энергии, для нитания лазеров и т. п. Предмет изобретения Концентратор лучистой энергии, содержащий оптическую фокусирующую систему первичной концентрации с относительнь1М отверстием 1/Л, создающую сходящийся пучок лучей, полуугол в которого с оптической осью равен arcsin 0,5Л, и вторичный концентратор, выполненный в виде усеченного конуса с показателем преломления п среды внутри него, плоскость входного сечения которого с диаметром d совмещена с изображением, создаваемым оптической системой, а выходное сечение с диаметром находится в непосредственной близости к чувствительному элементу приемника, погруженному в иммерсионную среду с показателем преломления Пз, отличающийся тем, что, с целью получения заданной величины потерь лучистой энергии внутри конуса, в нем полуугол j при верщине конуса, диаметры d и d, связаны соотнощением: rfr stn (X - -О rfg sJn(Bo--т) в котором . - угол полного внутреннего отражения среды внутри конуса по отнощению к иммерсионной среде, Ро - нолуугол пучка лучей, проникщих внутрь конуса после преломления на его входном сечении, при этом . KY, где к - целое число, а значение Y определяется из выражения: l-tgT/- -lV V ,-,g,/. где г - заданное отнощение нотока, надающего на выходное сечение конуса, к потоку, прощедщему его входное сечение.

mо;

вг QJ

У- фВрад

ml

max

РО

ае. г