Optyczny uklad skupiajacy Przedmiotem wynalazku jest optyczny uklad sku¬ piajacy zawierajacy czolowy uklad ogniskujacy o otworze wzglednym l/N skupiajacy wstepnie strumien swietlny i tworzacy obraz z wiazki zbiez¬ nej promieni o niewielkim przekroju poprzecznym i pólkacie zbieznosci &t wzgledem osi optycznej (sin Bi = 1/2N), zwierciadlo o ksztalcie stozka scie¬ tego, którego srednica d± czesci wejsciowej znajdu¬ je sie w plaszczyznie obrazu utworzonego przez czolowy uklad ogniskujacy, a czesc wyjsciowa o duzo mniejszej srednicy jest polaczona z elemen¬ tem swiatloczulym odbiornika, umieszczonym w osrodku o wspólczynniku zalamania swiatla n* ' Znany jest optyczny uklad skupiajacy wspom¬ nianego wyzej typu pozwalajacy na uzyskanie na¬ tezenia energetycznego tak duzego jak to tylko jest mozliwe przy zachowaniu calego strumienia swietl¬ nego odbieranego przez uklad.Jednakze znane uklady tego typu nie pozwalaja na osiagniecie maksymalnego teoretycznego na¬ swietlenia. Najwieksze naswietlenie rzeczywiste uzyskane przy uzyciu ukladów skupiajacych wyno¬ si rzedu 95f/t maksymalnego naswietlenia teore¬ tycznego dla zwierciadla stozkowego o pólkacie wierzcholkowym y =7^ radiana. Jednakze z przy¬ czyn technologicznych nie mozna uzyskac naswie¬ tlenia wiekszego niz 56—88Vi maksymalnego teore¬ tycznego naswietlenia.Innym zagadnieniem, calkowicie odmiennym i 10 15 20 dotychczas nie rozwiazanym jest uzyskanie ma¬ ksymalnego natezenia energetycznego mozliwego do uzyskania przy jak najmniejszych stratach stru¬ mienia, tj. do ograniczenia tych strat strumienia do wartosci minimalnej, z góry okreslonej.Celem niniejszego wynalazku jest uzyskanie ukladu optycznego wspomnianego typu, pozwala¬ jacego w sposób optymalny rozwiazac powyzsze zagadnienie.Istota urzadzenia wedlug wynalazku polega na tym, ze pólkat y wierzcholka zwierciadla stozko¬ wego oraz jego srednica d, czesci wyjsciowej sa okreslone nastepujacymi zaleznosciami wymiaro¬ wymi: ! oV = Bin(X-Y) __~„ d* sin (p0-Y) -tgYiAL_- 7 »in2 0i (2) 80 gdzie: i ; sin Po = sin Oi/nj, B0 stanowi pólkat nachylenia wiazki promieni przechodzacych przez zwierciadlo stozkowe po zalamanu w czesci wejsciowej zwier¬ ciadla, sin X = n,/^, X — kat calkowity zalama¬ nia pomiedzy osrodkiem ni i n, zas \f — z góry okreslona wartosc stosunku strumienia otrzymane- 71 IW71IW 4 go w czesci wyjsciowej zwierciadla stozkowego do strumienia przy wejsciu tego zwierciadla.Tak wiec dla zródla promieniowania o danej srednicy, w zalozeniu oddalonego, oraz dla czolowe¬ go ukladu ogniskujacego o danej srednicy i otwo¬ rze wzglednym przy z góry zalozonym stosunku ti' mozna okreslic jednoznacznie wymiary zwier¬ ciadla stozkowego pozwalajace na uzyskanie ma¬ ksymalnego natezenia z jedynie niewielka, okre¬ slona z góry strata strumienia.Przedmiot wynalazku zostanie teraz dokladniej opisany na przykladach wykonania, nie ogranicza¬ jacych jego zakresu, w powolaniu sie na zalaczo¬ ny rysunek, na którym ifig. 1 przedstawia schemat optyczny ukladu wedlug wynalazku a fig. 2 — wykres ilustrujacy zmiany natezenia strumienia w róznych czesciach stozkowego zwierciadla, któ¬ rego przekrój w czesci Wejsciowej i pólkat wierz¬ cholkowy zostaly okreslone zgodnie z wynalazkiem.Na fig. 1 przedstawiono optyczny uklad sku¬ piajacy zawierajacy z jednej strony czolowy uklad ogniskujacy 1 o otworze wzglednym l/N przyjmu¬ jacy strumien wysylany przez odlegle zródlo pro¬ mieniowania, nie przedstawione na rysunku, znaj¬ dujace sie w osrodku o wspólczynniku zalamania równym jednosci, tworzacy obraz rzeczywisty zródla promieniowania w plaszczyznie ogniskowej 2 za pomoca zbieznej wiazki promieni 3 o pólka- cie rozwarcia 9, a z drugiej strony stozkowe zwierciadlo 4, którego strona wejsciowa o sred¬ nicy di znajduje sie w plaszczyznie ogniskowej obrazowej 2 pokrywajacej sie z obrazem utwo¬ rzonym przez uklad ogniskujacy. Zwierciadlo stoz¬ kowe 4 posiada pólkat wierzcholkowy y a wspól¬ czynnik zalamania osrodka wypelniajacego jego wnetrze wzgledem osrodka otaczajacego zródlo promieniowania wynosi nt. Czesc wyjsciowa zwier¬ ciadla stozkowego ma srednice d« i jest w niej umieszczony element swiatloczuly 5 odbiornika, w osrodku o wspólczynniku zalamania ni.Na tej samej figurze zaznaczono pólkat Si roz¬ warcia wiazki promieni wchodzacej do zwierciadla stozkowego 4 pomiedzy linia 6 oznaczajaca ze¬ wnetrzny promien wiazki, oraz pólkat Po rozwar¬ cia wiazki promieni 6' zalamanej w czesci wej¬ sciowej zwierciadla 4.Przy stosunku t|' pomiedzy strumieniem odbie¬ ranym w czesci wejsciowej zwierciadla o srednicy d, i strumieniem wchodzacym do zwierciadla od strony srednicy dt i znanej charakterystyki czo¬ lowej ukladu optycznego 1 mozna okreslic wy¬ miary charakteryzujace jednoznacznie wymiary zwierciadla stozkowego 4 stosujac nastepujace za¬ leznosci wedlug wynalazku: d, _ ain (X — y) d, sin (p0 - Y) r sin* Q± I = w, -•"V3-- (1) (2) 10 15 Ponizszy przyklad liczbowy przedstawia sposób konstruowania zwierciadla stozkowego 4.Zakladajac, ze zródlo, dosyc odlegle, daje wiazke promieni o rozwartosci 5°. Optyczny uklad ogni¬ skujacy sklada sie z obiektywu o otworze wzgled¬ nym 1 :1,414. Obiektyw ten posiada srednice 56 mm i odleglosc ogniskowa 77,8 mm. Daje on obraz zródla promieniowania o srednicy I okreslonej równaniem i = 77,8- tg 5° = 6,8 nim Natezenie tego obrazu jest znane w stosunku do maksymalnej granicznej wartosci natezenia V4 N1 i w rozpatrywanym przypadku wynosi 1/8.Maksymalne natezenie oswietlenia osiaga sie przy umieszczeniu elementu swiatloczulego bez¬ posrednio w szkle flintowym o wspólczynniku za¬ lamania n2 = nj = 1,73, z którego to szkla wyko¬ nane jest zwierciadlo stozkowe 4. Takie umiesz- 20 czenie elementu daje dodatkowa koncentracje sku¬ pienia n\( w rozpatrywanym przypadku trzykrot¬ na). Natezenie oswietlenia (wartosc graniczna) uzy¬ skuje sie dwudziestoczterokrotnie wieksze niz przy czolowym ukladzie optycznym o otworze wzgled¬ nym 1:1,4 nie tracac przy tym wiecej niz 25Vt strumienia wchodzacego do zwierciadla w czesci wejsciowej o srednicy di. Zatem if = 0,75.Urzadzenie wedlug wynalazku daje rozwiazanie tego zagadnienia. Wystarczy polaczyc z czolowym f0 ukladem optycznym o otworze wzglednym 1 :1,4, zwierciadlo stozkowe zalamujace promienie swietl¬ ne i zbudowane zgodnie z zaleznosciami wymia¬ rowymi podanymi powyzej.Srednica d4 czesci wejsciowego zwierciadla jest prawie równa srednicy i obrazu utworzonego przez czolowy uklad optyczny a zatem dA = 6,8 mm.Podstawiajac do wzoru (2) rf = 0,75, nt = 1,73, 25 85 40 45 50 55 60 65 n2 = 1,73, sin St = 1/2N i t= =0,354 otrzymamy 1- 4,8 tgy = ^OJo" sk*d tgY = 0,028 a pólkat wierzcholkowy y = 1/36 radiana czyli 1° 36*.Podstawiajac wartosc y do wzoru (1), gdzie sin Po = sinOj/n! = 0,354/1,73 a zatem p0- lló 48', otrzymuje sie: 6fi _ 0,9996 d,~ 0,1771 skad d8 = 1,2 mm Dlugosc zwierciadla stozkowego jest równa (6,8— —1,2) /2 tg y i wynosi L = 100,8 mm.Fig. 2 przedstawia wykres obrazujacy wyniki uzyskane przy zastosowaniu urzadzenia wedlug wynalazku w odniesieniu do opisanego powyzej przykladu liczbowego. Na osi odcietych odlozono dlugosc L pomiedzy czescia wejsciowa zwiercia¬ dla stozkowego majaca srednice dt i dowolnym przekrojem na jego dlugosci majacym srednice dx. Zwierciadlo to posiada pólkat wierzcholkowy Y = 1/36 radiana. Oznaczajac przez k stosunek srednicy dr do srednicy dx dowolnego przekroju, otrzymujemy.L-2-i-Y-(1-r)=18(l-¥)71195 Na osi rzednych odlozono z jednej strony war¬ tosci stosunku pomiedzy natezeniem strumienia w danym przekroju zwierciadla i natezeniem w prze¬ kroju czesci wejsciowej o srednicy di- Krzywa 7 obrazuje zmiany tego stosunku na dlugosci zwier¬ ciadla. Z drugiej strony na osi rzednych odlozono wartosci stosunku wielkosci strumienia w danym przekroju o srednicy dx na dlugosci zwierciadla do wielkosci strumienia $o wchodzacego do zwier¬ ciadla w czesci o srednicy di. Krzywa 8 obrazuje zmiany tego stosunku.Z krzywych tych wyraznie widac jaka powinna byc optymalna dlugosc zwierciadla stozkowego.Dlugosc zwierciadla odpowiadajaca przekrojowi czesci wejsciowej o srednicy d2 pozwala na osiag¬ niecie duzego natezenia strumienia, w danym przypadku 70°/o wartosci maksymalnej. Takie op¬ timum jest uzyskiwane przy wymiarach luster stozkowych stosowanych w znanych urzadzeniach skupiajacych.Drugie optimum wymiarowe zwierciadla odpo¬ wiada jego dlugosci równej srednicy d8 czesci wyjsciowej zwierciadla i pozwala na uzyskanie maksymalnego granicznego natezenia przy mozli¬ wie najmniejszej stracie strumienia wynoszacej tutaj 25Vo.Okazalo sie korzystne, w przypadkach gdy ni jest rózne od jednosci i gdy n2 jest rózne od ni i rózne równiez od jednosci, takie ustalenie para¬ metrów y i po aby spelnialy one równanie: X-Po^2KY (3) gdzie K jest liczba calkowita.Tak wiec maksymalna liczba odbic wewnetrz¬ nych dla promieni zewnetrznych wiazki okreslona przez 2 Y odpowiada liczbie calkowitej.W przypadku gdy n2 = nt i sa rózne od jednos¬ ci, to jest w przypadku gdy element czujnikowy umieszczony jest bezposrednio w zwierciadle stoz¬ kowym, wzory ulegna przeksztalceniu biorac pod uwage, ze w tym przypadku n2 sin X = — = 1 ni sin ( — — y) = cos y cos y di d3 sin (Po — Y) 1-tg y r sin2 0j (4) (5) W przypadku gdy zwierciadlo stozkowe jest we¬ wnatrz puste a zatem n± i n2 sa równe jednosci sin©i ^ _ • _ a sin Po = = sin 6i a zatem p0 = ©i ni ni l — =i wzory przyjma postac: ns ?L_ cos Y d« (1-tgY1/ ll-ff F sin* 0i / (7) Mozliwe jest równiez polaczenie z czolowym 5 ukladem ogniskujacym szeregu zwierciadel stoz¬ kowych elementarnych tworzacych wiazke i prze¬ biegajacych równolegle do siebie. Wiazka ta utwo¬ rzona jest ze stozkowych wlókien optycznych o optymalnych wymiarach ustalonych zgodnie z wy* *o nalazkiem. Korzysci z tego wyplywajace sa na¬ stepujace: na elemencie swiatloczulym mozna od¬ tworzyc obraz mozaikowy zródla promieniowania, z drugiej strony dlugosc wiazki zwierciadel ele¬ mentarnych jest mniejsza w stosunku do pier- 15 wiastka kwadratowego z liczby zwierciadel ele¬ mentarnych w danym przekroju osiowym niz w przypadku równowaznego zwierciadla jednolitego.Niniejszy wynalazek moze znalezc rozmaite za¬ stosowanie, mianowicie do wykrywania promie- 20 niowania o wszystkich dlugosciach fal, a zwlaszcza promieni podczerwonych, w urzadzeniach obser¬ wacyjnych, w telekomunikacji optycznej, przy ste¬ rowaniu fotoelektrycznym i termoelektrycznym, w kondensorach optycznych, fotograficznych ukladach 25 ogniskujacych, przy zasilaniu laserów i tym po¬ dobne. 30 35 40 45 50 55 PL PL