SU1227909A1 - Светонаправл ющее устройство - Google Patents

Description

уменьшени  диаметра выходного торца оптического элемента, угол С уменьшен до значени , удовлетвор ющего неравенству

-. (,

f2(, )

5,Гр7

3, Устройство по п. Г, о т л и- ч а ю Df е е с   тем, что, с целью

где i 6-arcsin

sin(2arcsin - n

1

Изобретение относитс  к.светотехнике , в частности к устройствам, уменьшающим угол расходимости излучени  источников света.

Целью изобретени   вл етс  повышение КПД устройства путем обеспечени  полного внутреннего отражени  илучени  источника света на боковой поверхности формирующего световой пучок оптического элемента и исклто- чени  многократных отражений в нем. На чертеже изображено светонапра л ющее устройство, аксиальное сечение .

Устройство состоит из источника света 1 и круглосимметричного све- тонаправл ющего оптического элемен- та полного внутреннего отражени  2, охватывакхдего его в пределах телесного угла 2тг и выполненного из однородно прозрачного материала с покзателем преломлени  п,

Входной торец 3 оптического элемента 2 выполнен в виде менисковой полусферической поверхности радиуса г, центр кривизны которой совпадает с пентром-источника света I. Бокова  поверхность 4 оптического элемета 2 образована плавно сопр женными участками логарифмической спирали ) и параболы вращени  6j)((f}, описываемых в пол рной системе координат с началом, совмещенным с центром источника света 1, соответственно уравнени ми

р.(ц )(| -tf) приср, ttj

.

упрощени  технологии изт отовлени  оптического элемента путем исключени  участка логарифмической спирали, показатель преломлени  материала оптического элемента удовлетвор ет неравенству

п

.7 г-2§т

sin( )

при q7j ),,

г

где R i-7i - радиус плоской кольцесозУ„ :

НОИ поверхности 7

/

р. (), соедин ющей iJ /

входной торец 3 и боковую поверхность 4 оптического элемента 2j

и . /sin0o4

У arcsin(-);

п

0д- заданный угол расходимости светового пучка на выходе светонаправ- л ющего устройства;

Cf - текущий угол, отсчитываемый от оптической оси устройства по направлению распространени  света;

К

При этом углы if,Hif, определ ющие границы участков логарифмической спирали 5 и параболы вращени  6, удовлетвор ют неравенствам

qj ,

5

ТГ-8-28,rcsin п 2

Величина R внешнего радиусу плоской кольцевой поверхностиp,|-J7 выбрана из услови  исключени  касани 

/ч.

отраженного луча (4 поверхности менискового полусферического вход31

ного торца 3 и, следовательно, устранени  многократных отражений.

Выбор профил  участка 5 в форме логарифмической спирали обусловлен тем ее свойством, что касательна  к точке данной поверхности составл ет посто нный угол с пр мой, котора  соедин ет эту с полюсом Следовательно, все радиальные лучи при использовании источника света 1 достаточно малого размера падают на поверхность вращени  логарифмической спирали под одинаковым угломot, который должен удовлетвор ть условию полного внутреннего отражени 

. 1 oi arcsin - .

Участок 5 ограничен с одной сторны углом tp - , определ емым плоско

кольцевой поверхностью 7, ас другой - углом , срответствзлощим радиальному лучу, образующему после отражени  от боковой поверхности 4 оптического элемента 2 угол 0 с оп- тической осью х устройства. Участок 6 боковой поверхности 4 оптического элемента 2, ограниченный углами tp, иС 0, выполнен в форме параболы врап1,ени , фикус которой совмещен с центром источника света I, а ось Z ориентирована под углом б к оптической X устройства.

В соответствии со свойствами параболы вышедшие из фокуса и отраженные ею лучи распростран ютс  в направлени х , параллельных оси Z, т.е составл ют с оптической сью х устройства угол 9 .

С целью уменьшени  диаметра выходного торца 8 оптического элемента 2, что бывает необходимо дл  успешного сопр жени  устройства и световода небольшого диаметра при их совместном использовании, угол cpj , определ ющий границу параболического участка 6, может быть умень-шен до значени , удовлетвор ющего неравенству

,е,

где

|3 0arcsin

МЩ1 sin(2arcsin I) , J5,((57nj

Дальнейшее уменьшение угла р нецелесообразно , так как приведет к повторному отражению лучей от проти9

воположмой боковой стенки 4 оптического элемента 2.

Дл  ijacTHoro случа , когда при сочетании параметров б и п выполн етс  соотношение 0+2(у; , профиль

поверхности 4 оптического элемента 2 может быть упрощен путем исключени  участка 5 логарр ф1 гаческой стшрали .

Этому случаю соответствует подбор показател  преломлени  п материала оптического элемента 2 в соответствии с неравенством

п -

1

/1 -АС sin()

Устройство работает следующим об- разом.

Радиальное излучение источника 1 , испускаемое в телесном угле 2 п , попадает в тело оптического элемента 2 через входной , полусферичес- кий менисковый торец 3. Входное излучение дл  углов ср C-pj попадает на выходной торец 8 без отражений.При q ср радиальные лучи до попадани  на выходной торец 8 претерпевают од- нократное полное внутреннее отражение на боковой поверхности 4, образованной .плавно сопр женными участками лoгapиф шчecкoй спирали 5 и параболы вращени  6. В обоих случа-  х угол падени  лучей на выходной торец 8 не превьтает значени  Q , а угол расходимости выходного излучени  после преломлени  на поверхности торца 8 - заданного угла расхо- димости вд.

Положительный эффект от применени  устройства заключаетс  в существенном повьплении эфективнос ти сбора изотропного излучени . Ввод излучени  через полусферическую поверхность обеспечивает попадание в тело оптического элемента лучей, испускаемых источником во всем телесном угле 2 i.

Кроме того, устранена необходимость сложной технологической операции - нанесени  отражающего покрыти  на светонаправл ющую деталь. Наиболее удобным видом изготовлени  оптичес- кого элемента  вл етс  прессование из прозрачных полимерных материалов, например из полиметилметаакрилата (п.,49). Така  технологи  позвол ет организовать дешевый серийный

выпуск светонаправл ющих элементов к уже выпускаемьм источникам (например , к светодиодам дл  оптических линий св зи) с высоким экономическим эффектом,

Повьшено удобство эксплуатации светонаправл ющих устройств. Рефлекторные и линзовые системы требуют тонкой юстировки при настройке и квалифицированного обслуживани  при эксг1л атации, Если их заменить предлагаемым устройством, изготовленным с учетом габаритов источника, то все обслуживание системы сводитс  к присоединению оптического элемента к источнику. Удобства эксплуатации создают также небо ьпще габариты светонаправл к цего элементна.Кроме того, его конструкци  защищает

источник от внешних механических воздействий и способствует его термостабилизации .

Выходной плоский торец оптического элемента позвол ет вплотную соединить его со входными торцами оптических деталей серийного выпуска - волоконных световодов (дл  отвода излучени  источника в требуемое место ), монолитных йфоконов (дл  сужени  угла расходимости выходного пучка ), и др. Такое соединение возможно через слой оптического кле ,показатель преломлени  которого ,

Кроме того, повьшение эффективности преобразовани  лучистой энергии дает возможность экономить электроэнергию , потребл емую дл  питани  источников света.

,-/

Составитель И,Зайцев Редактор Н.Горват Техред И. Попович

.Заказ 2001/40 Тираж 462Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета.СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раунгска  наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предпри тие, г. Ужгород, ул. Проектна ,4

Корректор А,Т ско

Claims (3)

1. СВЕТОНАПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, состоящее из круглосимметричного оптического элемента полного внутреннего отражения, с плоским выходным торцом с размещенным в центре кривизны его входного менискового полусферического торца источником света, о тличающееся тем, что, с цеЛрю повышения КПД путем обеспечения полного внутреннего отражения на боковой поверхности оптического элемента и исклю-¹ чения многократных отражений в нем, его входной полусферический торец Сопряжен с боковой образующей оптического элемента - плоской кольцевой поверхностью J), (^), удовлетворяющей в полярной системе координат с началом, совпадающим с центром источ· ника света, уравнению где г - радиус кривизны менискового полусферического входного торца оптического элемента, охватывающего источник света; ' θ₀ - заданный угол расходимости светового пучка на выходе светонаправляющего устройства;

η - показатель преломления материала оптического элемента;

а боковая поверхность оптического элемента выполнена в виде плавно сопряженных участков логарифмической спирали p_z ((f) и параболы вращения (q>), описываемых соответственно уравнениями p₂(q>)=Rexp^K(!4 -if)J при(|₍<цр<| l-cos(<p, +θ)

Τ-οδεΤφ+θ7 при cp₂ t ср έ ср,, где ср - текущий угол, отсчитываемый от оптической оси устройства по направлению распространения света;

при этом углы ср, и ср₂ , определяющие границы участков логарифмической спирали и параболы вращения,:удовлетворяют неравенствам φ₂=Θ«4>,

-0-2arcsin -4ср,£

2. Устройство по π. 1, отличающееся тем, что, с целью уменьшения диаметра выходного торца оптического элемента, угол ср_г уменьшен до значения, удовлетворяющего где неравенству (ч>,)

3. Устройство по п.

sin(2arcsin -)

η.

Г, отлиупрощения технологии изготовления оптического элемента путем исключения участка логарифмической спирали, показатель преломления материала оптического элемента удовлетворяет неравенству чающееся тем, что, с целью