RU2287736C2 - Universal source of polychromatic optical radiation - Google Patents
Universal source of polychromatic optical radiation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2287736C2 RU2287736C2 RU2004105078/28A RU2004105078A RU2287736C2 RU 2287736 C2 RU2287736 C2 RU 2287736C2 RU 2004105078/28 A RU2004105078/28 A RU 2004105078/28A RU 2004105078 A RU2004105078 A RU 2004105078A RU 2287736 C2 RU2287736 C2 RU 2287736C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- light
- diffraction
- optical radiation
- emitting elements
- universal source
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 37
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims description 64
- PLXMOAALOJOTIY-FPTXNFDTSA-N Aesculin Natural products OC[C@@H]1[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H]1Oc2cc3C=CC(=O)Oc3cc2O PLXMOAALOJOTIY-FPTXNFDTSA-N 0.000 claims description 21
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 8
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 16
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 12
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 230000019771 cognition Effects 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/10—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
- G02B27/4233—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application
- G02B27/4244—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application in wavelength selecting devices
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
- G02B27/4233—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application
- G02B27/425—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application in illumination systems
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
- G02F1/33—Acousto-optical deflection devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
Abstract
Description
Изобретение предназначено для формирования направленного оптического излучения с заданными спектральными, энергетическими, пространственными, поляризационными и временными характеристиками и может быть использовано в разных областях народного хозяйства, таких, как, например: в медицине, в оптическом приборостроении, в системах оптической обработки информации, в светотехнических и осветительных устройствах.The invention is intended for the formation of directional optical radiation with specified spectral, energy, spatial, polarization and temporal characteristics and can be used in various fields of the national economy, such as, for example: in medicine, optical instrument making, in optical information processing systems, in lighting and lighting devices.
Известен универсальный светодиодный фонарь, содержащий несколько источников света, рефлектор, оптическую систему, аккумуляторную батарею и коммутатор, причем источник света представляет собой плату со светодиодами в виде узкой полосы, изогнутой в форме параболы, а также имеется коллиматор и световод. При этом источник света со светодиодами располагается в сплошном пластмассовом корпусе, имеющем вид сектора, выпуклая сторона которого согнута по форме параболы или параболоида и снабжена светодиодами, а узкая полоса усечена и сочленена с коллиматором или линзой (патент РФ №2194212, F 12 L 17/00, F 21 Y 101:02, опубл. 2002.12.10).A universal LED flashlight is known, containing several light sources, a reflector, an optical system, a battery and a switch, the light source being a board with LEDs in the form of a narrow strip curved in the shape of a parabola, and there is also a collimator and a light guide. In this case, the light source with LEDs is located in a solid plastic case, which has the form of a sector, the convex side of which is bent in the shape of a parabola or paraboloid and equipped with LEDs, and a narrow strip is truncated and articulated with a collimator or lens (RF patent No. 2194212, F 12
Недостатком данного устройства является невозможность регулировать характеристики выходного излучения в широком диапазоне, в частности невозможно управлять пространственными характеристиками излучения.The disadvantage of this device is the inability to adjust the characteristics of the output radiation in a wide range, in particular it is impossible to control the spatial characteristics of the radiation.
Известна светодиодная сборка, включающая корпус, линзу для направления света от светодиодов вертикально и горизонтально, а также устройства для регулировки тока, текущего через светодиоды и источник питания (патент США №5765940, F 21 V 1/00, F 21 V 21/00, F 21 V 29/00, B 60 Q 1/00, опубл. 1998-06-16).Known LED assembly, comprising a housing, a lens for directing light from the LEDs vertically and horizontally, as well as devices for adjusting the current flowing through the LEDs and a power source (US patent No. 5765940, F 21 V 1/00, F 21 V 21/00, F 21 V 29/00, B 60 Q 1/00, publ. 1998-06-16).
Недостатком данного устройства является невозможность регулировать характеристики выходного излучения в широком диапазоне, так как спектр излучателей достаточно узок и отсутствует возможность управления пространственными характеристиками излучателей.The disadvantage of this device is the inability to adjust the characteristics of the output radiation in a wide range, since the spectrum of the emitters is quite narrow and there is no way to control the spatial characteristics of the emitters.
Широкополосный источник света является ключевым устройством для проведения различных спектрографических анализов. Такие анализы обеспечивают измерение состава сельскохозяйственной продукции и свойств химических веществ. Приборы спектрографического анализа работают в видимом диапазоне, а также имеют важное применение в анализе цветных документов. Известен широкополосный источник света раскрыт в патенте США №5477322 (опубликован 1995.12.09.), включающий множество светоизлучающих диодов, в котором свет через входную щель освещает дифракционную решетку. Свет дифрагирует на решетке и поступает на выходную щель, которая передает узкую полосу света на объект. Так происходит сканирование длин волн выходного спектра от дифракционной решетки.A broadband light source is a key device for various spectrographic analyzes. Such analyzes provide a measure of the composition of agricultural products and the properties of chemicals. Spectrographic analysis instruments operate in the visible range, and also have important applications in the analysis of color documents. Known broadband light source is disclosed in US patent No. 5477322 (published 1995.12.09.), Including many light emitting diodes, in which light through the entrance slit illuminates the diffraction grating. The light diffracts on the grating and enters the exit slit, which transmits a narrow band of light to the object. This is how the wavelength scanning of the output spectrum from the diffraction grating takes place.
Главный недостаток этого источника света в том, что в нем содержатся подвижные части (особенно решетка), и поэтому он не обладает компактностью и портативностью. К тому же формирование пространственного распределения интенсивности в выходном излучении такого источника зависит от спектрального состава излучения, вследствие чего снижается эффективность освещения объекта.The main disadvantage of this light source is that it contains moving parts (especially the grill), and therefore it does not have compactness and portability. In addition, the formation of the spatial intensity distribution in the output radiation of such a source depends on the spectral composition of the radiation, as a result of which the lighting efficiency of the object decreases.
Известен широкополосный источник излучения для спектрометра (патент США №6075595, опубликован 2000.06.13.). Этот источник содержит множество светоизлучающих элементов, которые расположены в заранее определенном порядке, и они использованы для освещения дисперсионного элемента. Светоизлучающие элементы расположены друг за другом. Линейная дисперсия длин волн такова, что для каждого излучающего элемента длина волны, выделенная из спектрального диапазона, будет попадать на выходную щель.Known broadband radiation source for the spectrometer (US patent No. 6075595, published 2000.06.13.). This source contains many light emitting elements that are arranged in a predetermined order, and they are used to illuminate the dispersion element. The light emitting elements are arranged one after another. The linear dispersion of wavelengths is such that for each radiating element, the wavelength extracted from the spectral range will fall on the exit slit.
Недостатком этого устройства является то, что формирование пространственного распределения интенсивности излучения в пучке света не зависит от длины волны только в ограниченном спектральном диапазоне, в котором удовлетворяются необходимые условия. Результатом этого является уменьшение эффективности излучения, потому что должна быть использована оптическая система с большим значением апертуры для сбора отраженного или рассеянного света на фотоприемном устройстве для обеспечения приемлемого отношения сигнал/шум.The disadvantage of this device is that the formation of the spatial distribution of the radiation intensity in the light beam does not depend on the wavelength only in a limited spectral range in which the necessary conditions are satisfied. The result is a decrease in radiation efficiency, because an optical system with a large aperture value must be used to collect reflected or scattered light on a photodetector to ensure an acceptable signal-to-noise ratio.
Известен широкополосный источник света, входящий в состав спектрометра, содержащий линейку светоизлучающих элементов. Каждый отдельный светоизлучающий элемент, входящий в состав линейки, излучает в узком волновом диапазоне, но комбинация этих излучений обеспечивает желаемый диапазон длин волн. Способы управления коммутацией, которые включают или выключают отдельный светоизлучающий элемент в заданное время, а также средства мультиплексирования для управления упомянутыми средствами коммутации производят разделение общего волнового диапазона (патент США №5475221, опубликован 1995.12.12).Known broadband light source, which is part of a spectrometer containing a line of light-emitting elements. Each individual light-emitting element included in the ruler emits in a narrow wavelength range, but a combination of these radiations provides the desired wavelength range. Switching control methods that turn a separate light emitting element on or off at a predetermined time, as well as multiplexing means for controlling said switching means, divide the total wavelength range (US Patent No. 5,475,221, published 1995.12.12).
Недостатком этого устройства является то, что выходное излучение от каждого светоизлучающего элемента в линейке распространяется в различных направлениях или в выделенных длинах волн, что создает в потоке излучения изменение пространственных характеристик в результате коммутирования или мультиплексирования. Специфическое расположение светоизлучающих элементов в этом устройстве не позволяет формировать поток излучения, в котором излучение от каждого отдельного светоизлучающего элемента является составляющей общего потока излучения. Как и вышеупомянутые устройства, эффективность освещения этим устройством объекта не велика.The disadvantage of this device is that the output radiation from each light-emitting element in the line propagates in different directions or in the selected wavelengths, which creates a change in spatial characteristics in the radiation flux as a result of switching or multiplexing. The specific arrangement of the light-emitting elements in this device does not allow the formation of a radiation flux in which the radiation from each individual light-emitting element is a component of the total radiation flux. Like the aforementioned devices, the lighting efficiency of this object is not great.
В основу изобретения положена задача создания универсального источника полихромного оптического излучения с такой пространственной формой выходного распределения излучения, которая оставалась бы стабильной в широком спектральном диапазоне. Такое выходное излучение обеспечивает более эффективное освещение объекта. В основу изобретения также положена задача создания универсального источника полихромного оптического излучения, генерирующего излучение в виде линии, форма которой остается одинаковой в широком спектральном диапазоне, что обеспечивает эффективное освещение отражающих объектов.The basis of the invention is the creation of a universal source of polychrome optical radiation with such a spatial shape of the output radiation distribution that would remain stable in a wide spectral range. Such output radiation provides more efficient illumination of the object. The invention is also based on the task of creating a universal source of polychrome optical radiation generating radiation in the form of a line, the shape of which remains the same in a wide spectral range, which ensures efficient illumination of reflective objects.
Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в универсальном источнике полихромного оптического излучения, содержащем корпус, блок питания, линейку светоизлучающих элементов с электронными средствами, обеспечивающими возможность регулирования тока, текущего через них, и их управления, и оптические средства для управления геометрическими характеристиками пучка, дополнительно в корпусе установлены дифракционный элемент и средства позиционирования, имеющие, по крайней мере, 3 степени свободы и обеспечивающие установку светоизлучающих элементов относительно дифракционного элемента в соответствии с выражением d(sinαi+sinβi)=mλi, где d - период дифракционного элемента, αi - угол падения пучка между нормалью к элементу дифракционного элемента и направлением луча от i-того светоизлучающего элемента, βi - угол дифракции, m - целое число, λi - длина волны соответствующего i-того светоизлучающего элемента.The achievement of the above technical result is ensured by the fact that in a universal source of polychrome optical radiation, comprising a housing, a power supply unit, a line of light-emitting elements with electronic means providing the ability to control the current flowing through them, and their control, and optical means to control the geometric characteristics of the beam, additionally, a diffraction element and positioning means are installed in the housing, having at least 3 degrees of freedom and providing Suitable unit light-emitting elements with respect to the diffraction element according to the expression d (sinα i + sinβ i) = mλ i, where d - the period of the diffraction element, α i - beam angle of incidence between the normal to the element of the diffractive element and the direction of the beam from the i-order light emitting element, β i is the diffraction angle, m is an integer, λ i is the wavelength of the corresponding i-th light-emitting element.
Между светоизлучающими элементами и дифракционным элементом по ходу излучения может быть дополнительно установлено зеркало таким образом, что луч, отраженный от зеркала, падает на дифракционный элемент в соответствии с выражением, указанным в п.1.An additional mirror may be installed between the light-emitting elements and the diffractive element along the radiation path so that the beam reflected from the mirror falls on the diffraction element in accordance with the expression specified in claim 1.
Дифракционный элемент может быть установлен на корпусе через элементы крепления и одновременной юстировки.The diffraction element can be mounted on the housing through fastening and simultaneous alignment elements.
Дифракционный элемент может быть выполнен в виде сферической дифракционной решетки.The diffraction element can be made in the form of a spherical diffraction grating.
Зеркало может быть выполнено сферическим.The mirror can be made spherical.
Дифракционный элементом может быть выбрана акустооптическая ячейка Брэгга с управляющим элементом для возбуждения и контроля дифракционной решетки внутри указанной ячейки таким образом, что период Λi указанной решетки удовлетворяет уравнению Λi(sinαi+sinβ)=±mλi, где αi - угол между нормалью к указанной ячейке Брэгга и направлением распространения излучения от i-того светоизлучающего элемента, λi - длина волны излучения от i-того светоизлучающего элемента, β - угол дифракции, измеренный относительно нормали к дифракционному элементу, a m - целое число.An acousto-optical Bragg cell with a control element for exciting and controlling the diffraction grating inside the specified cell in such a way that the period Λ i of the specified grating satisfies the equation Λ i (sinα i + sinβ) = ± mλ i , where α i is the angle between normal to said Bragg cell and the direction of propagation of the radiation from the i-order light emitting element, λ i - wavelength from i-order light emitting element, β - the angle of diffraction, measured with respect to the normal to the diffraction element, am - tse th number.
Дифракционный элемент может быть выполнен в виде последовательности дифракционной решетки и акустооптической ячейки Брэгга, размещенных таким образом, что часть вышеуказанных светоизлучающих элементов оптически связаны с вышеуказанной дифракционной решеткой, в то время как другая часть оптически связана с акустооптической ячейкой Брэгга, причем выполнено условие, что дифрагировавшие лучи и от дифракционной решетки, и от акустооптической ячейки Брэгга распространяются в одном направлении.The diffraction element can be made in the form of a sequence of the diffraction grating and the Bragg acousto-optic cell arranged in such a way that part of the above light-emitting elements are optically coupled to the above diffraction grating, while the other part is optically coupled to the Bragg acousto-optical cell, and the condition that the diffracted rays from both the diffraction grating and the acousto-optical Bragg cell propagate in the same direction.
Дифракционный элемент может быть выполнен в виде последовательности, по крайней мере, двух акустооптических ячеек Брэгга.The diffraction element can be made in the form of a sequence of at least two acousto-optical Bragg cells.
Дифракционный элемент может быть выполнен в виде последовательности, по крайней мере, двух дифракционных решеток.The diffraction element can be made in the form of a sequence of at least two diffraction gratings.
В качестве светоизлучающих элементов могут быть использованы светодиоды.As light emitting elements, LEDs can be used.
В качестве светоизлучающих элементов могут быть использованы светоизлучающие кристаллы.As the light-emitting elements, light-emitting crystals can be used.
В качестве светоизлучающих элементов может быть выбрана линейка светоизлучающих элементов, включающих несколько чипов, в которых последовательно на одной линии установлены малогабаритные бескорпусные светоилучающие элементы, при этом плоскость дифракции света перпендикулярна этой линии.As light-emitting elements, a line of light-emitting elements can be selected, including several chips, in which small-sized open-frame light-emitting elements are installed in series on the same line, while the light diffraction plane is perpendicular to this line.
В линейку светоизлучающих элементов могут быть включены несколько чипов, в которых использованы светоизлучающие кристаллы, выстроенные в одну линию.Several chips may be included in the line of light-emitting elements, in which light-emitting crystals are used, arranged in a single line.
Дифракционный элемент обеспечивает выделение определенной части спектра от каждого светодиода и формирование выходного излучения с заданными характеристиками.The diffraction element provides the allocation of a certain part of the spectrum from each LED and the formation of the output radiation with the given characteristics.
Наличие зеркала обеспечивает условие компактности всего устройства.The presence of a mirror ensures the compactness of the entire device.
Электронное устройство управления необходимо для расчета нужного значения тока для каждого светодиода для получения выходного излучения с заданными характеристиками.An electronic control device is necessary to calculate the desired current value for each LED to obtain output radiation with specified characteristics.
Для формирования направленного пучка света применяется комплект светодиодов, в котором излучаемая длина волны каждого из них, интенсивность излучения каждого светодиода, телесный угол, а также режим работы определяется конкретными условиями применения изделия в целом.To form a directed light beam, a set of LEDs is used in which the emitted wavelength of each of them, the radiation intensity of each LED, the solid angle, and also the operating mode are determined by the specific conditions of use of the product as a whole.
Для сведения n световых пучков с разными λi применяется дифракционный элемент, обеспечивающий формирование совокупного светового потока и распространение отклоненного излучения с заданными спектральными и пространственными характеристиками.To reduce n light beams with different λ i , a diffraction element is used, which ensures the formation of the total light flux and the propagation of deflected radiation with given spectral and spatial characteristics.
В качестве дифракционного элемента может быть использована акустооптическая ячейка Брэгга с управляющим элементом, которая обеспечивает не только формирование совокупного светового потока, но и управление интенсивностью излучения каждой из спектральных составляющих.As a diffraction element, an acousto-optical Bragg cell with a control element can be used, which provides not only the formation of the total light flux, but also control the radiation intensity of each of the spectral components.
Последовательная установка на одной линии комплектов малогабаритных бескорпусных светодиодов позволяет решить задачу формирования световой строки с заданными геометрическими характеристиками в выходной плоскости устройства и создания оптических сканеров, причем такое использование светодиодов позволяет увеличить световой поток до величин, обеспечивающих получение считанных цветных изображений объектов с высоким отношением сигнал/шум, что позволяет увеличить надежность передачи изображения объекта и уменьшить вероятность нераспознавания (неразличения), сканируемых деталей, а также осуществить цветовой анализ сканируемого изображения более, чем по трем цветам, что существенно увеличивает объем информации, получаемой об объекте с помощью сканера, обеспечить компактность сканера и сократить энергопотребление.Sequential installation on one line of sets of small open-source LEDs allows us to solve the problem of forming a light line with specified geometric characteristics in the output plane of the device and creating optical scanners, and this use of LEDs allows us to increase the luminous flux to values that ensure the receipt of read color images of objects with a high signal / noise, which allows to increase the reliability of image transmission of the object and reduce the likelihood of cognition (indistinction) scanned items, and to carry out analysis of the scanned color image more than the three colors, which substantially increases the amount of information obtained about the object using the scanner, the scanner to provide a compact and reduce power consumption.
В случае использования светоизлучающих кристаллов в качестве светоизлучающих элементов обеспечивается компактность устройства, создание на выходе устройства светового потока большой плотности, снижение энергопотребления и значительное увеличение времени эксплуатации за счет того, что излучающие кристаллы обладают малыми размерами, высокой силой света и высоким кпд.In the case of using light-emitting crystals as light-emitting elements, the device is compact, creating a high-density light flux at the output of the device, reducing energy consumption and significantly increasing the operating time due to the fact that the emitting crystals have small dimensions, high light intensity and high efficiency.
Световые пучки от каждого комплекта светодиодов, пространственные координаты каждого из которых соответствуют углам, определяемым из расчета и соответствующим каждой конкретной λi, собираются в рабочей апертуре дифракционной решетки. Отклоненные пучки распространяются в одном направлении, образуя совокупный световой поток. На выходе устройства расположены оптические элементы, обеспечивающие необходимую коллимацию пучка.Light beams from each set of LEDs, the spatial coordinates of each of which correspond to the angles determined from the calculation and corresponding to each specific λ i , are collected in the working aperture of the diffraction grating. Deflected beams propagate in one direction, forming the total luminous flux. At the output of the device are optical elements that provide the necessary collimation of the beam.
При необходимости формирования однородной спектральной характеристики выходного излучения применяются дополнительные светодиоды, при юстировке которых используется явление дисперсии излучения на дифракционном элементе, при этом используется часть светового потока в стороне от основных длин волн излучения светодиодов.If it is necessary to form a homogeneous spectral characteristic of the output radiation, additional LEDs are used, when adjusting them, the phenomenon of radiation dispersion on the diffraction element is used, and a part of the light flux is used away from the main wavelengths of the LED radiation.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг 1. показана схема источника полихромного оптического излучения со стабильной пространственной модой в широком спектральном диапазоне в выходном пучке.The invention is illustrated by drawings. In Fig 1. shows a diagram of a polychrome optical radiation source with a stable spatial mode in a wide spectral range in the output beam.
На фиг.2 показана схема источника полихромного оптического излучения, в котором в качестве дифракционного элемента применена акустооптическая ячейка Брэгга вместо дифракционной решетки.Figure 2 shows a diagram of a polychrome optical radiation source in which an acousto-optical Bragg cell is used instead of a diffraction grating as a diffraction element.
На фиг.3 показана схема источника полихромного оптического излучения, в котором применены оба дифракционных элемента - и акустооптическая ячейка Брэгга, и дифракционная решетка.Figure 3 shows a diagram of a polychrome optical radiation source in which both diffraction elements are used — both the Bragg acousto-optic cell and the diffraction grating.
На фиг.4 показана схема источника полихромного оптического излучения, который генерирует пучок света, сечение которого сформировано в виде световой линии и характеризуется широким спектральным диапазоном.Figure 4 shows a diagram of a polychrome optical radiation source that generates a light beam whose cross section is formed as a light line and is characterized by a wide spectral range.
На фиг.1 показан источник полихромного оптического излучения, содержащий корпус (10), линейку светоизлучающих элементов (121, 122, ...12n), микрооптическую сборку (13) для формирования пространственных характеристик пучка света, излучаемого каждым светоизлучающим диодом или светоизлучающим кристаллом, зеркало (15), дифракционный элемент (16), оптическую сборку для формирования выходного пучка света, регулировочный элемент (11) для регулировки светоизлучающих элементов, а также электронное устройство управления (14). Корпус (10) содержит небольшую платформу (11) для пространственного позиционирования и фиксирования светоизлучающих элементов (12). Эта платформа, установленная в корпусе (10), может быть изготовлена при помощи механической обработки или методом вакуумного литья. Угол между плоскостью платформы (11) и плоскостью дифракционного элемента (16) должен рассчитываться перед установкой в корпус (10) упомянутой небольшой платформы. Этот угол зависит от длины волны, испускаемой светоизлучающим элементом (12). Для обеспечения электрической изоляции светоизлучающих элементов (12) вся небольшая платформа может быть покрыта тонким слоем изолирующего материала (например, Al2О3). Микрооптическая сборка (13) монтируется в корпусе после светоизлучающих элементов (12) и фиксируется в корпусе (10), тем самым обеспечивается электрическая связь источников электропитания и светоизлучающих элементов (12).Figure 1 shows a polychrome optical radiation source comprising a housing (10), a line of light-emitting elements (12 1 , 12 2 , ... 12 n ), a micro-optical assembly (13) for forming the spatial characteristics of a light beam emitted by each light-emitting diode or a light emitting crystal, a mirror (15), a diffraction element (16), an optical assembly for generating an output light beam, an adjustment element (11) for adjusting the light emitting elements, and an electronic control device (14). The housing (10) contains a small platform (11) for spatial positioning and fixing of the light emitting elements (12). This platform, installed in the housing (10), can be manufactured by machining or by vacuum casting. The angle between the plane of the platform (11) and the plane of the diffraction element (16) must be calculated before installing the said small platform in the housing (10). This angle depends on the wavelength emitted by the light emitting element (12). To ensure electrical isolation of the light-emitting elements (12), the entire small platform can be covered with a thin layer of insulating material (for example, Al 2 O 3 ). The micro-optical assembly (13) is mounted in the housing after the light emitting elements (12) and fixed in the housing (10), thereby providing electrical connection between the power sources and the light emitting elements (12).
Устройство, показанное на фиг.1, работает следующим образом. Элементы регулировки (11) обеспечивают фиксацию светоизлучающих элементов (12) к основанию корпуса (10) и обеспечивают условие, при котором угол падения (αi) пучка света, излучаемого (i-ым) светоизлучающим элементом (12i) на дифракционную решетку (16), определяется в соответствии с выражением d(sinαi+sinβ)=±mλi, где d - период дифракционного элемента, β - угол дифракции, m - целое число и λi -длина волны излучения, испускаемая (i-ым) светоизлучающим элементом. Элементы регулировки (11) также обеспечивают ортогональность проекции оси падающего пучка света на плоскость дифракционной решетки (16) и штрихов дифракционной решетки. Более того, элементы регулировки (11) обеспечивают пространственное совмещение пучков света, испускаемых различными светоизлучающим и элементами (12), в плоскости дифракционной решетки (16).The device shown in figure 1, operates as follows. Adjustment elements (11) allow fixing the light emitting elements (12) to the base body (10) and providing a condition under which the angle of incidence (α i) of the light beam emitted from (i -th) light emitting element (12 i) to a diffraction grating (16 ) is determined according to the expression d (sinα i + sinβ) = ± mλ i, where d - the period of the diffraction element, β - the angle of diffraction, m - an integer and λ i is the wavelength emitted by (i -th) emitting an element. The adjustment elements (11) also ensure the orthogonality of the projection of the axis of the incident light beam on the plane of the diffraction grating (16) and the strokes of the diffraction grating. Moreover, the adjustment elements (11) provide spatial alignment of light beams emitted by various light-emitting and elements (12) in the plane of the diffraction grating (16).
Световой пучок из n-ого светоизлучающего элемента (121...12i) с известной заранее длиной волны λi(i∈1...n), полосой длин волн Δλi и телесным углом η, относительно дифракционной решетки (16), направленный в рабочую апертуру дифракционной решетки, падает под разными углами (αi) для разных длин волн λi в соответствии с выражением d(sinαi+sinβ)=±mλi. Для обеспечения компактности устройства на пути распространения вышеупомянутого пучка света может быть установлено зеркало (15). Угол дифракции β, одинаковый для всех длин волн n - числа световых пучков, отклоненных дифракционной решеткой (16), распространяется в одном направлении и формирует выходной световой пучок. Следовательно, общее излучение, выделенное в выходной пучок, содержит световые пучки, испущенные n - числом светоизлучающих элементов. Выходной пучок света характеризуется теперь произвольными комбинациями длин волн, испущенных n - числом светоизлучающих элементов, потому что эти различные элементы могут включаться и выключаться независимо друг от друга. Общее излучение потока, так же, как и различные спектральные компоненты, могут управляться при помощи управляющих токов светоизлучающих элементов (12). Заметим, что пространственное распределение интенсивности в выходном потоке остается одинаковым для всех спектральных компонент в излучаемом потоке. Телесный угол ηout излучения на выходе определяется параметрами оптической сборки и условиями формирования их на дифракционной решетке 16. Применение сферической дифракционной решетки (16) или сферического зеркала (15) изменяют пространственные характеристики выходного пучка. Заметим также, что возможно применение дифракционных решеток разных типов - и пропускающих, и отражающих, и, если дифракционная решетка работает в режиме пропускания, то конфигурация, показанная на фиг.1, будет отличаться, так как в нее тогда следует ввести дополнительное зеркало. Дополнительная особенность источника полихромного оптического излучения - это введение модуляции как общей интенсивности выходного излучения, так и модуляции различных спектральных компонент или их произвольных комбинаций. Это достигается путем модуляции управляющих токов светоизлучающих элементов (12).The light beam from the n th light emitting element (12 1 ... 12 i) with known beforehand wavelength λ i (i∈1 ... n), the band of wavelengths Δλ i and the solid angle η, relative to the grating (16) directed into the working aperture of the diffraction grating falls at different angles (α i ) for different wavelengths λ i in accordance with the expression d (sinα i + sinβ) = ± mλ i . To ensure the compactness of the device, a mirror (15) can be installed in the propagation path of the aforementioned light beam. The diffraction angle β, which is the same for all wavelengths n — the number of light beams deflected by the diffraction grating (16), propagates in one direction and forms an output light beam. Therefore, the total radiation allocated to the output beam contains light beams emitted by n - the number of light-emitting elements. The output light beam is now characterized by arbitrary combinations of wavelengths emitted by n - the number of light-emitting elements, because these various elements can be switched on and off independently of each other. The total radiation of the flow, as well as various spectral components, can be controlled using the control currents of the light-emitting elements (12). Note that the spatial intensity distribution in the output stream remains the same for all spectral components in the emitted stream. The solid angle η out of the radiation at the output is determined by the parameters of the optical assembly and the conditions for their formation on the
Управляющие токи каждого светоизлучающего элемента регулируются при помощи блока управления (14). В качестве блока управления (14) может быть использован программируемый микрокомпьютер. Программируемый микрокомпьютер позволяет управлять временем излучения каждого светоизлучающего элемента, порядком включения/выключения каждого светоизлучающего элемента или их комбинацией, а также модулировать как общую интенсивность светового потока, так и интенсивность каждой спектральной компоненты выходного пучка.The control currents of each light-emitting element are regulated using the control unit (14). A programmable microcomputer can be used as a control unit (14). The programmable microcomputer allows you to control the radiation time of each light-emitting element, the on / off order of each light-emitting element, or a combination thereof, as well as modulate both the total light flux intensity and the intensity of each spectral component of the output beam.
В качестве светоизлучающих элементов (12) могут использоваться как светоизлучающие диоды, так и светоизлучающие кристаллы.As light-emitting elements (12), both light-emitting diodes and light-emitting crystals can be used.
На фиг.2 показан источник, в котором в качестве дифракционного элемента 26 выбрана акустооптическая ячейка Брэгга. Ячейка Брэгга 26 снабжена электронными средствами 28 для возбуждения внутри ячейки акустической волны. Эта волна модулирует коэффициент преломления ячейки Брэгга, обеспечивая формирование бегущей дифракционной решетки, которая работает как дифракционный элемент 6. Период Λ бегущей дифракционной решетки определяется параметрами акустических волн и может быть изменен с помощью блока управления 4.Figure 2 shows a source in which an acousto-optical Bragg cell is selected as the
Источник с акустооптической ячейкой Брэгга работает следующим образом. Для создания выходного пучка с определенной длиной волны блок управления 14 активирует излучение от i-того светоизлучающего элемента 12i путем подачи напряжения на этот элемент. Одновременно блок управления 14 активизирует электронные средства управления 28 с целью создания акустической волны с периодом Λ1 в соответствии с выражением Λi(sinαi+sinβ)=±mλi, где Λi - длина акустической волны в акустооптической ячейке Брэгга, αi - угол между нормалью к ячейке Брэгга и направлением луча от i-того светоизлучающего элемента 2, β - угол дифракции от ячейки Брэгга, m - целое число, λi - длина волны света, излучаемого i-тым светоизлучающим элементом 2. Для выбора другого значения выходной длины волны (например, λn) устройство управления активизирует другой светоизлучающий элемент 12n и одновременно создает возбуждение в другой движущейся решетке 26 с периодом Λn в соответствии с уравнением Λn(sinαn+sinβ)=±mλn.A source with an acousto-optical Bragg cell works as follows. To create an output beam with a certain wavelength, the
На фиг.3 показана альтернативная схема источника. Вследствие подобия дифракции на дифракционной решетке и на акустооптической ячейке Брэгга пучки, излучаемые частью светоизлучающих элементов 121-12i, как показано на фиг.3, направляют на дифракционную решетку 16, тогда как другая часть элементов 12i+1-12n оптически связана с акустооптической ячейкой Брэгга 26. Дифракционная решетка и ячейка Брэгга установлены последовательно таким образом, что любой луч, дифрагировавший от дифракционной решетки 16, и любой луч, дифрагировавший от акустооптической ячейки Брэгга 26, распространяются в одном и том же направлении. Когда желательно, чтобы длина волны выходного излучения находилась в диапазоне λ1-λi, ячейку Брэгга не возбуждают и одновременно активизируют несколько светоизлучающих элементов 121-12i. Свет, излучаемый этими элементами, дифрагирует на дифракционной решетке 16 под одним и тем же углом β, и затем свободно распространяется через неработающую ячейку Брэгга 26. В свою очередь, когда желательно, чтобы длина волны выходного излучения находилась в диапазоне λ1-λn, управляющее устройство 14 активизирует один из светоизлучающих элементов ряда 12i+1-12n, и одновременно контрольное устройство 14 воздействует на электронные управляющие средства 28 так, чтобы обеспечить возбуждение акустической волны с периодом Λ в соответствии с объяснением, приведенным ранее относительно схемы, показанной на фиг.2. Эта конфигурация позволяет минимизировать потери световой энергии, и, следовательно, увеличивает эффективность освещения объекта.Figure 3 shows an alternative source circuit. Due to the similarity of diffraction by the diffraction grating and the acousto-optical Bragg cell, the beams emitted by a part of the light emitting elements 12 1 -12 i , as shown in FIG. 3, are directed to the
В соответствии с фиг.3, дифракционная решетка может быть заменена на любую другую ячейку Брэгга или несколько ячеек Брэгга при условии, что дифрагирующие на них лучи распространяются в одном и том же направлении. Синхронизация активации соответствующих светоизлучающих элементов и возбуждение акустической волны с соответствующим периодом обеспечивается управляющим устройством 14 и электронными управляющими средствами 28. В этом случае последовательность нескольких ячеек Брэгга рассматривается как дифракционный элемент.In accordance with figure 3, the diffraction grating can be replaced by any other Bragg cell or several Bragg cells, provided that the rays diffracted on them propagate in the same direction. The synchronization of the activation of the corresponding light-emitting elements and the excitation of the acoustic wave with the corresponding period is provided by the
Источник, показанный на фиг.4, работает подобно источнику, показанному на фиг.1. Массивы светоизлучающих элементов 421-42n играют такую же роль, как и отдельные светоизлучающие элементы 121-12n, показанные на фиг.1. Каждый массив 42 содержит ряд бескорпусных светоизлучающих элементов, выстроенных в линию. Все элементы в любом массиве 42 излучают свет с почти одинаковой длиной волны. Однако длина волны излучения линейки светодиодов 42i может отличаться от длины волны, излучаемой другим массивом, например 42n. Линейки 42 обычно расположены параллельно друг другу. Линейки 42 установлены на устройстве для регулирования 41, которое зафиксировано на корпусе 40. Свет, излучаемый линейками 42, передается через оптические средства 43, которые фокусируют свет на дифракционном элементе 44. Дифракционный элемент 43 установлен таким образом, что плоскость дифракции света ортогональна главному направлению линейки 42 светоизлучающих элементов. Свет, излучаемый каждым массивом 42i, падает на дифракционный элемент 44 под углом αi, который различен для разных массивов и может быть рассчитан из уравнения d(sinαi+sinβ)=±mαi, где d - период дифракционного элемента, β - угол дифракции, m - целое число и λi - длина волны излучения, испускаемая (i-ой) линейкой светоизлучающих элементов. После дифракции от дифракционного элемента 44 излучение от разных массивов 42 распространяется в одном и том же направлении, формируя общий поток излучения. Оптические средства 45 формируют пространственную форму совокупного светового потока, в частности, фокусируя его в линию в выходной плоскости 46.The source shown in FIG. 4 works like the source shown in FIG. 1. Arrays of light emitting elements 42 1 -42 n play the same role as the individual light emitting elements 12 1 -12 n shown in FIG. Each
Предложенный вариант универсального источника полихромного оптического излучения, показанного на фиг.4, целесообразно использовать для комплектования оптических сканеров, предназначенных для спектральной идентификации объектов, содержащих цветную графическую информацию, или в качестве светотехнического осветительного устройства, заменив лампы накаливания, а также ксеноновые лампы.The proposed version of the universal source of polychrome optical radiation, shown in figure 4, it is advisable to use for acquisition of optical scanners designed for spectral identification of objects containing color graphic information, or as a lighting lighting device, replacing incandescent lamps, as well as xenon lamps.
Claims (11)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004105078/28A RU2287736C2 (en) | 2004-02-17 | 2004-02-17 | Universal source of polychromatic optical radiation |
| PCT/FI2005/050020 WO2005078484A1 (en) | 2004-02-17 | 2005-02-08 | Multi-purpose source of polychromatic optical irradiation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004105078/28A RU2287736C2 (en) | 2004-02-17 | 2004-02-17 | Universal source of polychromatic optical radiation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2004105078A RU2004105078A (en) | 2005-07-27 |
| RU2287736C2 true RU2287736C2 (en) | 2006-11-20 |
Family
ID=34859369
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004105078/28A RU2287736C2 (en) | 2004-02-17 | 2004-02-17 | Universal source of polychromatic optical radiation |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2287736C2 (en) |
| WO (1) | WO2005078484A1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2453928C2 (en) * | 2006-12-20 | 2012-06-20 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Lighting device full of different main colours |
| RU2478871C2 (en) * | 2011-06-10 | 2013-04-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" | Controlled spectrum polychromatic radiation source |
| RU2562041C2 (en) * | 2009-03-12 | 2015-09-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Light-emitting device and lighting fitting |
| RU169833U1 (en) * | 2016-04-15 | 2017-04-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Matched spectrum optical radiation source for measuring the concentration of methane molecules in the atmosphere |
| RU171814U1 (en) * | 2017-01-31 | 2017-06-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Optical radiation source for measuring the concentration of methane molecules in the gas phase |
| RU2629886C1 (en) * | 2016-04-14 | 2017-09-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Device with multibeam spectral filter for detecting methane in atmosphere |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102005022175A1 (en) * | 2005-05-13 | 2006-12-21 | Carl Zeiss Jena Gmbh | Multispectral lighting unit |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU2923701A (en) * | 1999-11-10 | 2001-06-06 | Zolo Technologies, Inc. | High resolution wavelength locking technique for one- and two-dimensional arraysof semiconductor diode lasers |
| JP2003115631A (en) * | 2001-10-04 | 2003-04-18 | Hamamatsu Photonics Kk | Semiconductor laser apparatus |
-
2004
- 2004-02-17 RU RU2004105078/28A patent/RU2287736C2/en not_active IP Right Cessation
-
2005
- 2005-02-08 WO PCT/FI2005/050020 patent/WO2005078484A1/en active Application Filing
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2453928C2 (en) * | 2006-12-20 | 2012-06-20 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Lighting device full of different main colours |
| RU2562041C2 (en) * | 2009-03-12 | 2015-09-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Light-emitting device and lighting fitting |
| RU2478871C2 (en) * | 2011-06-10 | 2013-04-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" | Controlled spectrum polychromatic radiation source |
| RU2629886C1 (en) * | 2016-04-14 | 2017-09-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Device with multibeam spectral filter for detecting methane in atmosphere |
| RU169833U1 (en) * | 2016-04-15 | 2017-04-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Matched spectrum optical radiation source for measuring the concentration of methane molecules in the atmosphere |
| RU171814U1 (en) * | 2017-01-31 | 2017-06-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Optical radiation source for measuring the concentration of methane molecules in the gas phase |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2005078484A1 (en) | 2005-08-25 |
| RU2004105078A (en) | 2005-07-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7085056B2 (en) | Light guide plate with diffraction gratings and backlight module using the same | |
| US6272269B1 (en) | Optical fiber/waveguide illumination system | |
| US6270244B1 (en) | Fiber optic illumination system having diffraction grating wavelength selector | |
| KR100647327B1 (en) | Back light unit for flat display device, and flat display apparatus having the same | |
| US7740375B2 (en) | High brightness illumination device with incoherent solid state light source | |
| US7527416B2 (en) | Light guide plate with diffraction gratings and backlight module using the same | |
| KR100506092B1 (en) | Light guide panel of edge light type backlight apparatus and edge light type backlight apparatus using the same | |
| US8042967B2 (en) | Lamp module and lighting device comprising such a lamp module | |
| US6604839B2 (en) | Multi-chip LED color mixing by diffraction | |
| US20060126142A1 (en) | Illumination apparatus for display device using hologram-based light guide plate (LGP) | |
| KR20040089892A (en) | Light guide panel having light deflection member and edge light type backlight apparatus | |
| WO2006060096A1 (en) | Compact color illumination device | |
| US11543575B2 (en) | Holographic display apparatus illuminating a hologram and a holographic image | |
| WO2005078484A1 (en) | Multi-purpose source of polychromatic optical irradiation | |
| JP6856022B2 (en) | Lighting device | |
| CN102057215A (en) | Light emitting system producting beam with adjustable width | |
| JP5583468B2 (en) | Simulated solar irradiation device | |
| KR101411218B1 (en) | Lateral planar light emitting module | |
| EP0584546B1 (en) | Lighting device | |
| KR20120019367A (en) | Light source apparatus | |
| US20050135746A1 (en) | Reflective plate and backlight system using same | |
| KR20050029768A (en) | Surface light illumination apparatus | |
| RU2601386C2 (en) | Spectrometer, having spatial light modulator | |
| RU2478871C2 (en) | Controlled spectrum polychromatic radiation source | |
| JP4599979B2 (en) | Lighting device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090218 |