DE2455398C2

DE2455398C2 - Fassung für einen optischen Konzentrator

Info

Publication number: DE2455398C2
Application number: DE2455398A
Authority: DE
Inventors: Albert Saint-Benoit Poirier
Original assignee: ULMIC FRANCE PARIS FR
Current assignee: ULMIC FRANCE PARIS FR
Priority date: 1973-11-23
Filing date: 1974-11-22
Publication date: 1983-10-13
Also published as: FR2252584A1; FR2252584B3; DE2455398A1; US3963327A

Description

a) Rund um den Kegelstumpf (C) und koaxial dazu ist ein zylindrisches Rohr (T) angeordnet;

b) das Rohr (T) trägt im Anschluß an die Ebene der kleinen Grundfläche des Kegelstumpfes (C)den Reflektor^

c) der Reflektor (R) umgibt den Kegelstumpf (C) mit von einer Luftschicht erfülltem Abstand;

d) der Reflektor (R) erstreckt sich in axialer Richtung wenigstens bis zur Höhe eines Punktes (A), der dem Ort entspricht, an dem der mit der stärksten Neigung an der großen Grundfläche in den Kegelstumpf (C) eintretende Lichtstrahl an der Mantelfläche des Kegelstumpfes (C) zum ersten Mal unter einem den Winkel der Totalreflexion unterschreitenden Winkel Θ2 gegen die Normale auf diese Mantelfläche reflektiert wird;

e) auf ein Gewinde (4) an dem die große Grundfläche des Kegelstumpfes (C) umgebenden Ende des Rohres (T) ist ein Gewindering (10) aufgeschraubt, dessen lichte Weite kleiner ist als der Durchmesser der großen Grundfläche des Kegelstumpfes (C) und der eine erste Abstützung für den Kegelstumpf (C)bildet;

f) zwischen dem Gewindering (10) und dem Reflektor (R) ist rund um den Kegelstumpf (C) als zweite Abstützung dafür ein Symmetrierring (8) angeordnet, der mit einer Außenkante an dem Rohr (T) anliegt und mit einer Innenkante den Kegelstumpf (C) berührt und diesen so in dem Rohr (7}zentriert;

g) der Symmetrierring (8) wird von einer Feder (6)

in Anlage an dem Kegelstumpf (C)gehalten, die zwischen dem Reflektor (R) und dem Symmetrierring (8) befestigt ist.

2. Fassung für einen optischen Konzentrator, der in Form eines Kegelstumpfes aus einem Material mit einem Brechungsindex η ausgebildet und zumindest auf einem Teil seiner axialen Länge im Anschluß an seine kleine Grundfläche unter Zwischenschaltung eines Materials mit einem kleineren Brechungsindex n' von einem koaxialen Reflektor umgeben ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Rund um den Kegelstumpf (C) und koaxial dazu ist ein zylinderisches Rohr (^angeordnet;

b) das Rohr (T) trägt im Anschluß an die Ebene der e>o kleinen Grundfläche des Kegelstumpfes (Qden Reflektor (R)\

d) der Reflektor (R) erstreckt sich in axialer Richtung wenigstens bis zur Höhe eines Punktes (A), der dem Ort entspricht, an dem der mit der stärksten Neigung an der großen Grundfläche in den Kegelstumpf (C) eintretende Lichtstrahl an der Mantefläche des Kegelstumpfes (C) zum ersten Mal unter einem den Winkel der Totalreflexion unterschreitenden Winkel Θ2 gegen die Normale auf diese Mantelfläche reflektiert wird;

e) in das die große Grundfläche des Kegelstumpfes (C) umgebende Ende des Rohres (T) ist ein Gewindering (18) eingeschraubt;

f) der Gewindering (18) weist einen Innenflansch auf, der die große Grundfläche des Kegelstumpfes (C) übergreift und eine erste Abstützung dafür bildet;

g) in das der kleinen Grundfläche des Kegelstumpfes (C) zugewandte Ende des Gewinderinges (18) ist ein Gegenring (24) eingeschraubt, der als zweite Abstützung für den Kegelstumpf (C) eine daran anliegende ringförmige Dichtung (22) zwischen einer Innenschulter (20) des Gewinderinges (18) und dem Kegelstumpf (C) festlegt.

3. Fassung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (T) eine Einrichtung (12) zum Umwälzen von kalter Druckluft entlang des Kegelstumpfes (C) und des Reflektors (R) aufweist.

4. Fassung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (T) zum Einführen der kalten Druckluft wenigstens eine Aussparung (12) in seiner Seitenwand enthält.

5. Fassung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewindering (10; 18) entlang seines Innenumfangs die große Grundfläche des Kegelstumpfes (C) zentrierend untergreifende Zähne (16) aufweist.

Die Erfindung betrifft eine Fassung für einen optischen Konzentrator, der in Form eines Kegelstumpfes aus einem Material mit einem Brechungsindex η ausgebildet und zumindest auf einem Teil seiner axialen Länge im Anschluß an seine kleine Grundfläche unter Zwischenschaltung eines Materials mit einem kleineren Brechungsindex n' von einem koaxialen Reflektor umgeben ist.

Ein optischer Konzentrator dieser Art ist in der US-PS 37 56 688 beschrieben, wobei der Kegelstumpf zunächst mit einer Schicht aus einem Material mit kleinerem Brechungsindex überzogen ist und der Reflektor in Form eines reflektierenden Überzugs auf dieser Beschichtung ausgebildet ist.

Bei einem solchen optischen Konzentrator muß insbesondere bei seiner Verwendung mit starken Lichtquellen dafür gesorgt werden, daß der Kegelstumpf zum einen eine ortsfeste Lage gegenüber der Lichtquelle behält, zum anderen aber sich ohne das Auftreten innerer Spannungen unter der Einwirkung des von der Lichtquelle außerdem ausgehenden Wärmestromes ausdehnen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fassung für einen optischen Konzentrator der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die beiden vorgenannten Bedingungen genügt.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im Patentanspruch 1 oder im Patentanspruch 2 jeweils im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale; vorteilhafte Weiterbildungen

der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Fassung ist der beispielsweise metallische Reflektor derart angeordnet, daß aile durch die Mantelfläche des Kegelstumpfes hindurchtretenden Lichtstrahlen einer Reflexion am Reflektor unterliegen und in den Kegelstumpf zurück umgelenkt werden. Diese Ausbildung spart einen beträchtlichen Lichtenergieteil ein, der im Kegelstumpf zurückgewonnen an der kleinen Grundfläche des Kegelstumpfes abgegeben wird, und außerdem können diese Lichtstrahlen nicht mehr einen in ihrer Lichtbahn entlang mehr oder weniger unkontrollierter Winkel angeordneten Gegenstand blenden oder aufheizen. Die kegelstumpfförmige Innenfläche des z. B. metallischen Reflektors ist derart '5 spiegelpcliert, daß Absorption und Diffusion minimal sind.

Der Reflektor ist in einem geringen Abstand von mindestens 0,1 mm bis einigem mm zum Kegelstumpf angeordnet, um einen möglicherweise komprimierten Luftstrom zum Abkühlen des Kegelstumpfes und des Reflektors hindurchtreten zu lessen und um andererseits eine Immersionswirkung zu vermeiden, die bei enger Berührung des Metall-Reflektors mit der Kegelstumpf-Mantelfläche auftreten würde. Dann ist nämlich die dem Metall-Reflektor entsprechende Brenzahl n' verschieden von Eins, weshalb die den Totalreflexionswinkel wiedergebende Gleichung

sinA = 1//J,

mit λ = Totalreflexionswinkel gegen die Normale auf die zwei Werkstoffe verschiedener Brechzahlen trennende Fläche, gegeben, sondern durch die Gleichung

Da n' größer als Eins ist, ist der der Totalreflexion entsprechende Grenzwinkel λ im Immersionsfall erhöht, weshalb zahlreiche Lichtstrahlen, die einer Totalreflexion an der Tren.ifläche zwischen einem Werkstoff der Brechzahl π und einem Werkstoff der Brechzahl 1 (Luft) unterliegen, was aber ungünstig ist, da nun ein Teil der Lichtenergie vom Metall absorbiert wird. Wenn die Brechzahl n' eine komplexe Zahl ist, wird bei den genannten Gleichungen der Realteil der Brechzahl n' eingesetzt. Um diese Totalreflexionserscheinung zu vermeiden, muß der Abstand zwischen den beiden Werkstoffen der Brechzahl η bzw. n'um ein Mehrfaches größer sein als die Wellenlänge des verwendeten Lichtes. Deswegen erfüllt ein Zwischenraum zwischen dem Kegelstumpf und dem Reflektor der Größenord- '" nung mm vollkommen diese Bedingung, wobei noch das mögliche Kühlgas zwischen dem Kegelstumpf und dem Reflektor strömen kann. Es ist möglich, die Höhe / theoretisch zu berechnen, wenn die Lage der Quelle, der Scheitelwinkel λ des Kegelstumpfes und der Öffnungswinkel Θ des an der großen Grundfläche des Kegelstumpfes ankommenden Strahlungsbündels bekannt sind. Bei bestimmten Anwendungsfällen ist eine graphische Konstruktion ebenso und möglicherweise bequemer möglich, die darin besteht, die Strahlenbahnen größten Neigungswinkels zur Eintrittsfläche des Kegelstumpfes aufzuzeichnen und die Ordinate des Punktes A zu messen, an der keine Totalreflexion mehr erfolgt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung enthält eine Einrichtung, um kalte Luft unter Druck nahe dem Kegelstumpf, der Feder und dem Reflektor umzuwäl-Dieser Luftstrom hat den Zweck, die Metallteile nahe der Lichtquelle und des Kegelstumpfes abzukühlen, die einer kräftigen Bestrahlung durch die Lichtquelle unterliegen und durch sie kräftig aufgeheizt werden. Die Abkühlung vermeidet zu große Wärmedehnungen der Metallteile, die den Kegelstumpf zusammenpressen und ihn zersplittern oder zerbrechen könnten.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das zylindrische Rohr von Öffnungen oder Ausnehmungen in der Seitenwand durchsetzt, die eine bessere Belüftung, eine mögliche Betriebsüberwachung im Inneren der Vorrichtung und eine Führung des Luftstroms unter Druck durch die Öffnungen ermöglichen. Die Metallteile, die das Rohr, die Feder, den Unterlegring und den Gewindering bilden, sind aus einem Metall geringen Wärmedehnungskoeffizienten wie Stahl oder Invar hergestellt.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Gewindering an seinem horizontalebenen Abschnitt derart gezahnt oder gezackt, daß er, wenn er auf das Rohr aufgeschraubt ist, den Kegelstumpf durch Anlegen nur der Zähne oder Zacken am unteren Tei! des Kegelstumpfes berührt.

Die Zähne verringern den vom am Kegelstumpf anlegenden Gewindering bedeckten Teil des Kegelstumpfs, damit der größte Teil des von der Quelle abgegebenen Lichtes in den Kegelstumpf eintreten kann.

Durch die Fassung gemäß der Erfindung wird der Kegelstumpf fest in dem Rohr verankert oder gehaltert, weshalb bei einer Explosion von nahe der Grundfläche des Kegelstumpfes angeordneten Sendelampen (Quelle) der Kegelstumpf nicht beschädigt wird.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt.

Fig. 1 den Strahlengang des Lichts durch einen in einer Fassung gemäß der Erfindung zu haltenden optischen Konzentrator,

F i g. 2 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Fassung gemäß der Erfindung, die den Kegelstumpf des Konzentrators von F i g. 1 gegenüber dem Reflektor in seiner Lage hält,

Fig. 3 eine Unteransicht des an der großen Grundfläche des Kegelstumpfes anliegenden Gewinderings,

Fig.4 einen Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel für die Befestigung des Kegelstumpfes im Rohr.

In Fig. 1 ist die Lage eines Teils eines Reflektors R neben einem Kegelstumpf C dargestellt, nämlich lediglich an einer Seite des Kegelstumpfes C. Ein Lichtstrahl 1, der von einer Lichtquelle S kommt, ist der Lichtstrahl, der annähernd einem kleinsten Winkel Θ der ersten Reflexion an den Wänden des Kegelstumpfes Centspricht. Der Winkel, den der Lichtstrahl 2 mit der Normalen auf der Wand oder Mantelfläche des Kegelstumpfes C bildet, verringert sich von Reflexion zu Reflexion; der Winkel Θι ist deshalb kleiner als der Winkel 0j. Im in Fig. 1 betrachteten Fall, in dem der Reflexionsfaktor des den Kegelstumpf C bildenden lichtbrechenden Werkstoffs die Größe π hat, ist der Winkel Θι größer als der Totalreflexionswinkel, während der Winkel O₂ kleiner als der Totalreflexionswinkel ist. Auf diese Weise ist ein Punkt A der erste Punkt, an dem keine Totalreflexion mehr erfolgt. Daraus folgt, daß der Winkel Θ der kleinste Winkel für alle in den Kegelstumpf C eintretenden und von der Quelle S abgegebenen Lichtstrahlen 2 ist. und daß der Punkt A

der erste Punkt ist. an dem ein von der Quelle S abgegebener Lichtstrahl 2 nicht mehr der Totalreflexion unterliegt. Dabei ist die Höhe / des Reflektors R mindestens gleich oder etwas größer, wie in Fig. 1. als die Ordinate des Punkts A, gemessen in Richtung der ·> Symmetrieachse Oy. ausgehend vom Punkt O.

In Fig. 2 ist schematisch im Schnitt eine Fassung dargestellt, die eine Festlegung des Kegelstumpfes C nahe dem Reflektor R in einem zylindrischen Rohr T ermöglicht. Das Rohr Γ. an dem der Reflektor R. z. B. in durch Schweißen, befestigt ist, ist an seinem Unterteil mit einem Gewinde 4 versehen. Eine Feder 6. die den Kegelstumpf C umgibt, ist an einem Ende Λ'an dem Reflektor R und am anderen Ende B' an einem Symmetriering 8 befestigt. Ein Gewindering 10 ist auf i"> das Gewinde 4 des Rohrs T schraubbar. Dieser Gewindering tO stößt durch das Schrauben den Kegelstumpf C nach oben. Der Gewindering 10 blockiert, sobald der Kegelstumpf Cgerade bündig über dem Reflektor R liegt. Der Symmetriering 8 ist in dem >» Rohr Γ frei beweglich. Um den Kegelstumpf C in dem Rohr T anzuordnen, wird er von der Unterseite des Rohres reingeführt, wobei din Feder 6 entlastet und der Symmetriering 8 freihängend sind. Beim Aufschrauben des Gewinderings 10, der den Kegelstumpf C stößt, berührt dieser den Symnietriering 8, was wiederum die Feder 6 zusammendrückt. Der Symmetriering 8 fixiert den Kegelstumpf 10 in dem Rohr T symmetrisch zu dessen Achse 11. Ein Preßluftstrom zum Abkühlen des Reflektors R und des Kegelstumpfes C tritt durch Öffnungen oder Aussparungen 12 im Rohr 7" gemäß dem Pfeil 14 ein.

In F i g. 3 ist eine Unteransicht des Gewinderinges 10 dargestellt, der den Kegelstumpf C an dessen großer Grundfläche durch Zähne 16 in einer Lage hält.

In Fig. 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Befestigung des Kegelstumpfes C in dem Rohr T dargestellt mit einem Gewindering 18, der in das Rohr T einschraubbar ist und den Kegelstumpf C in vertikaler Lage hält. Der Gewindering 18 weist eine Innenschulter 20 auf. auf der eine Dichtung 22 aufliegt. Ein Gegenring 24 ist in das obere Ende des Gewinderings 18 einschraubbar und drückt die Dichtung 22 flach, die den Kegelstumpf Cin der Achse 11 des Rohrs Thält.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Fassung für einen optischen Konzentrator, der in Form eines Kegelstumpfes aus einem Material mit einem Brechungsindex π ausgebildet und zumindest auf einem Teil seiner axialen Länge im Anschluß an seine kleine Grundfläche unter Zwischenschaltung eines Materials mit einem kleineren Brechungsindex n' von einem koaxialen Reflektor umgeben ist, gekennzeichnetdurch folgende Merkmale: