Имитатор солнца

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению. Целью изобретения является расширение спектра излучения, обеспечение углового размера 32ʹ пучка света и повышение мощности излучения. Имитатор содержит три источника света, два смесителя пучков света, три двухлинзовые системы, диафрагму с отверстием, матовую пластину, два фильтра с радиальным изменением пропускания света. Имитатор используется для проверок приборов ориентации на Землю в инфракрасном диапазоне спектра. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. 3 табл.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, к имитаторам излучения, используемым для проверок приборов ориентации на Землю в инфракрасном диапазоне спектра с длинами волн света 25 мкм (инфракрасных вертикалей ИКВ).

Известен имитатор Солнца, содержащий ксеноновую лампу с кварцевой колбой, объектив, смеситель (пакет из линзовых элементов гексагонального сечения).

Имитатор обеспечивает солнечную расходимость пучка света Θ 32^' и внеатмосферный уровень солнечной освещенности.

Недостатком этого имитатора является ограниченный спектральный диапазон излучения, длинноволновая граница которого определяется краем пропускания кварцевой колбы на длине волны света λ≈ 3 мкм.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является имитатор, содержащий источник света, рассеиватель, диафрагму с щелью, объектив.

Недостатками этого имитатора являются малая мощность излучения в рабочем пучке света за объективом, так как после рассеивателя на щель приходит небольшая часть потока от источника света; различная расходимость света в пучке света за объективом в плоскостях: параллельной щели и в перпендикулярной к ней.

Целью изобретения являются расширение спектра излучения, обеспечение углового размера Θ32^' пучка света имитатора и повышение мощности излучения.

Цель достигается тем, что в известном имитаторе, содержащем три источника слаборасходящихся пучков света, ослабляющие фильтры за первым и вторым источниками, в качестве первого источника света использован лазер со спектральным составом излучения в области длины волны света λ₁ в качестве второго источника света использован лазер со спектральным составом излучения в области длины волны света λ₂ в качестве третьего источника света использован спектральный прибор со спектральным составом излучения в области длин волн света от λ₃ до λ₄,λ₁>λ₄,λ₃≅λ₂≅λ₄, за ослабляющим фильтром второго источника слаборасходящегося пучка света соосно установлена первая двухлинзовая система с совмещенными фокусами лиз, оптические оси первого источника и первой двухлинзовой системы перпендикулярны и пересекаются, в области пересечения установлен первый смеситель пучков света, в котором плоскость смещения пучков света расположена под углами 45^о к осям первого и второго источников света, за первым смесителем соосно с первым источником света последовательно установлена вторая двухлинзовая система с совмещенными фокусами линз, первый оптический фильтр с радиальным изменением пропускания света, за второй двухлинзовой системой последовательно установлены плоскопараллельная пластина, третья двухлинзовая система с совмещенными фокусами линз, первый и второй оптические фильтры с радиальным изменением пропускания, причем обращенная к первому источнику света поверхность плоскопараллельной пластины матовая и установлена перпендикулярно оси первого источника света, в фокальной плоскости третьей двухлинзовой системы установлена диафрагма с отверстием, отверстие соосно с третьей двухлинзовой системой и осью первого источника света, диаметр D отверстия и фокусное расстояние f₄ выходной линзы в третьей двухлинзовой системе связаны соотношением Θ arctg (D/f₄), первый оптический фильтр имеет осесимметричное радиальное изменение пропускания света для длины волны λ₁ и является прозрачным для света с длиной волны λ₂ второй оптический фильтр имеет осесимметричное радиальное изменение пропускания света для длины волны λ₂ и является прозрачным для света с длиной волны λ₁ оба фильтра установлены соосно с третьей двухлинзовой системой, оптические оси третьей двухлинзовой системы и третьего источника света перпендикулярны и пересекаются, в области их пересечения установлен второй смеситель пучков света, в котором плоскость смешивания пучков расположена под углами 45^о к осям третьей двухлинзовой системы и третьего источника света, первый оптический фильтр выполнен в виде плосковыпуклой линзы, дополненной до плоскопараллельной пластины с помощью вогнутоплоской линзы, причем плосковыпуклая линза выполнена из вещества, прозрачного на длине волны света λ₂ и имеющего область края пропускания на длине волны света λ₁, например CaF₂ или CdF₂, а вогнуто-плоская линза выполнена из вещества, прозрачного на обеих длинах волн света, λ₁ и λ₂ например, Na₃AlF₆, второй оптический фильтр выполнен в виде тонкой пленки на подложке, вещества тонкой пленки и подложки прозрачны на обеих длинах волн света, λ₁ и λ₂ геометрическая толщина пленки осесимметрично уменьшается в радиальном направлении от значения t₁ в центре фильтра до значения t₂на расстоянии r от центра фильтра, где r радиус сечения пучка света имитатора инфракрасного диапазона, причем, если показатель преломления n₂ пленки (например, n₂ 2,55 у ZnSe) меньше показателя преломления n₃подложки (например, n₃ 4 у Ge), то а если показатель преломления n₂ пленки (например, n₂ 2,55 у ZnSe) больше показателя преломления n₃ подложки (например, n₃ 1,5 у ThF₄), то Таким образом, предлагаемое техническое решение представляет собой совокупность существенных признаков, которые в сравнении с прототипом обладают новизной.

Использование имитаторов Солнца с ксеноновыми (и другими) лампами в спектральной области с длинами волн света менее 3 мкм известно. Использование матовых и молочных пластин, работающих на пропускание, как рассеиватели света, известно.

Однако совместное использование лазеров и имитаторов с ксеноновыми лампами, плоскопараллельной пластины с входной матовой поверхностью, установленной перед двухлинзовой системой с совмещенными фокусами линз, последовательно установленных фильтров с радиальным изменением пропускания в различных областях спектра не известно.

Таким образом, заявленное техническое решение обладает существенными отличиями.

Повышение мощности излучения в рабочем пучке света имитатора Солнца инфракрасного диапазона, расширение спектрального состава света в рабочем пучке имитатора и обеспечение углового размера Θ рабочего пучка света, равного солнечному, осуществляется использованием мощных лазеров и имитатора Солнца с ксеноновой (или другой) лампой, излучающих в различных областях спектра, двухлинзовых преобразователей размеров пучка света, матовой пластины большой площади перед двухлинзовой системой с установкой диафрагмы с отверстием соответствующего диаметра в фокусе двухлинзовой системы.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить новый положительный эффект.

на фиг. 1 показано устройство имитатора Солнца; на фиг.2 показана (для полного внутреннего отражения света) зависимость пропускания Т света воздушным зазором с толщиной d в зависимости от отношения (d /λ ), где λ длина волны света, при показателе преломления призм ≈1,5; на фиг.3 показана конструкция первого оптического фильтра с радиальным изменением пропускания света.

Имитатор содержит первый источник света лазер 1 с излучением в области длины волны света, например, λ₁≈ 10,6 мкм, второй источник света лазер 2 со спектральными линиями излучения в области длины волн света λ₂≈ 2,6 3 мкм, третий источник света имитатор 3 Солнца, например с ксеноновой лампой со спектром излучения от длины волны света λ₃≈ 0,2 мкм до λ₄≈4 мкм, ограничиваемым кварцевой колбой ксеноновой лампы. За лазером 1 установлен ослабляющий оптический фильтр 4. За лазером 2 установлен ослабляющий оптический фильтр 5. За фильтром 5 установлена соосно с лазером 2 первая двухлинзовая система 6, 7.

Оптические оси лазера 1 и первой духлинзовой системы 6, 7 пересекаются, и в области пересечения установлен первый смеситель пучков, например, из призм 8, 9 с воздушным зазором 10. Фокусы линз 6, 7 совмещены.

Плоскость смешивания первого смесителя проходит через точку пересечения оптических осей лазеров 1, 2 и расположена под углом 45^о к этим осям так, что смешанный пучок света соосен с оптической осью лазера 1.

За первым смесителем 8, 9 соосно с лазером 1 установлена вторая двухлинзовая система 11, 12 с совмещенными фокусами линз 11 и 12. Фокусные расстояния линз 11, 12 равны соответственно f₁ и f₂.

Далее установлена плоскопараллельная пластина 13 с входной матовой поверхностью 14. Пластина 13 перпендикулярна оси лазера 1. За пластиной 13 соосно с лазером 1 установлена третья двухлинзовая система 15, 16 с совмещенными фокусами линз 15, 16.

В фокальной плоскости линз 15, 16 установлена диафрагма 17 с отверстием 18 диаметром D. Фокусное расстояние линзы 15 равно f₃, фокусное расстояние линзы 16 равно f₄. Отверстие 18 соосно лазеру 1.

Далее вдоль оси лазера 1 установлены первый 19, 20 и второй 21, 22 оптические фильтры с радиальным изменением пропускания света, оба фильтра установлены соосно с лазером 1. За фильтром 21, 22 установлен второй смеситель пучков света, например, из призм 23, 24 с воздушным зазором 25 между ними.

Оптические оси лазера 1 и третьего источника 3 света перпендикулярны и пересекаются, а плоскость смешивания пучков в смесителе 23, 24 расположена под углами 45^о к осям лазера 1 и источника 3 света.

Материалы линз 6, 7 прозрачны для света с длиной волны λ₂ Материалы элементов 8, 9, 13, 15, 16 прозрачны для света с длинами волн λ₁,λ₂ Материалы элементов 23, 24 прозрачны для света с длинами волн λ₁,λ₂,λ₃-λ₄ Устройство работает следующим образом.

Варианты исполнения ослабляющих фильтров 4 и 5 следующие.

1. Интерференционное зеркало с необходимым коэффициентом отражения света.

2. Ослабление за счет отражения света от поверхностей одной или нескольких прозрачных плоскопараллельных пластин.

3. Ослабление в поглощающих свет материалах.

Для фильтра 4 CaF₄, CdF₄, Te, As₂S₃.

Для фильтра 5 абсорбционные цветные стекла типа НС, ЗС, СЗС, ФС. Здесь следует иметь в виду, что в одной поглощающей свет плоскопараллельнной пластинке допустимо поглощение ограниченного количества потока, так как диаметр пучков света от лазеров небольшой (менее 3 мм) и происходит локальный разогрев пластины. Тепловым расчетом следует выявить получающийся градиент температуры в толще материала (^оС/мин), который должен быть меньше допустимого для данного материала во избежание растрескивания.

Таким образом, может потребоваться несколько поглощающих свет пластин, чтобы локальный разогрев в каждой не превысил допустимой величины.

В дальнейшем примем к использованию первый вариант: интерференционные зеркала из не поглощающих свет слоев на прозрачных подложках.

Смеситель пучков может быть различного исполнения. На фиг.1 представлен один из вариантов смесителя, основанный на зависимости коэффициента отражения света от толщины d воздушного зазора 10 (25) между призмами ThF₄ при (нарушенном) полном внутреннем отражении света (призмы 8, 9 и 23, 24).

Пропускание света через воздушный зазор зависит от отношения d/λ. Для ThF₄ (показатель преломления 1,5) угол полного внутреннего отражения равен arcsin (1/1,5) 42^о.

На фиг.1 пучки света поступают на воздушный зазор 10 (25) между призмами 8, 9 (23, 24) под углами 45^о.

Если толщина зазора d 1,8 мкм, то для длины волны света λ₂ 3 мкм отношение d /λ₂ 0,6, пропускание света через зазор из призмы 9 (24) в призму 8 (23) равно 0,1, а отражение (то есть уходит к линзе 11) составляет 0,9.

Для длины волны света λ₁ 10 мкм отношение d/λ₁0,18, пропускание света через зазор из призмы 8 (23) в призму 9 (24) и далее к линзе 11 равно 0,7.

Таким образом, в пучке света, поступающем на линзу 11, содержится 0,7 потока от лазера 1 (длина волны света λ₁ ) и 0,9 потока от лазера 2 (длина волны света λ₂ ).

Воздушный зазор толщиной 1,8 мкм может быть изготовлен с помощью ионной полировки колодца глубиной 1,8 мкм в гипотенузной грани призмы.

Обе призмы 8, 9 (23, 24) соединяются на оптическом контакте по бортику колодца. Технология размерной ионной полировки освоена.

Возможны и другие варианты конструкции смесителя (пленочный интерференционный светоделитель).

ИКВ имеют два фотоэлектрических канала: основной, работающий на собственном излучении Земли, и канал защиты от Солнца, блокирующий (защищающий) основной канал при попадании Солнца в угловое поле ИКВ.

Солнечный имитатор необходим именно для проверок ИКВ по защите от Солнца.

Солнечный имитатор должен содержать в рабочем пучке длины волн света и λ₁, где, например, λ₃ 0,2 мкм; λ₄≈ 4 мкм; λ₂ 2,6-3 мкм; и, например, λ₁10,6 мкм (или λ₁ 15 мкм).

Спектральный состав излучения имитатора обусловлен тем, что основной канал ИКВ имеет рабочую спектральную область 7< 25 мкм а канал защиты от Солнца работает в спектре λ<3-4 мкм.

Изготовление СО₂-лазеров с излучением на длине волны света λ₁=10,6 мкм промышленностью освоено.

Типичные характеристики необходимого для имитатора СО₂-лазера в непрерывном режиме работы: мощность излучения 2 4 Вт; диаметр пучка света ≈ 2 мм; расходимость пучка света 10^-2 радиан (34,2^I); распределение интенсивности по сечению пучка близко к гауссовому. Химический HF-лазер излучает множество линий на длинах волн света 14, 15: 2,64; 2,708; 2,728; 2,742; 2,76; 2,782; 2,796; 2,822; 2,83; 2,87; 2,88; 2,91; 2,911; 2,955 мкм, т.е. 2,6 < λ₂< 3 мкм.

Типичные характеристики HF-лазера в непрерывном режиме работы: мощность излучения от нескольких Ватт до 150 Вт (примем 11,5 Вт); диаметр пучка света ≈ (2-3) мм; расходимость пучка света ≈ 2˙10^-3 радиан (6,84^'); распределение интенсивности по сечению пучка близко к гауссовому.

Полупроводниковые источники света в области λ₂ 2,5 мкм имеют недостаточную мощность.

Имитаторы солнечного излучения с Хе-лампами обеспечивают освещенность выше солнечной постоянной: освещенность 150000 лк; диаметр пучка света более 40 мм; расходимость пучка света 32^'; распределение интенсивности по сечению пучка света приблизительно равномерное; спектральный состав: от λ₃ 0,35 мкм до λ₄3-4 мкм.

Дублирующее использование в устройстве на фиг.1 двух излучателей лазера 2 и имитатора 3 с излучателями на длинах волн света менее 4 мкм обусловлено следующими причинами.

В настоящее время в качестве достаточно мощного лазера 2 может быть использован только химический HF-лазер. Это дорогой лазер. Эксплуатация лазера требует большого расхода дорогостоящего газа (SF₆). Процесс эксплуатации требует особого соблюдения техники безопасности.

Имитаторы с Хе-лампами в настоящее время эксплуатируются в промышленности, и их изготовление на отечественных заводах освоено. Они имеют широкий и непрерывный спектр излучения.

Рассмотрим прохождение пучков света от источников света в рабочий пучок 26 света имитатора Солнца инфракрасного диапазона.

Перавя двухлинзовая система 6, 7 выравнивает диаметр пучка света 27 от лазера 2 с диаметром пучка света 28 от лазера 1.

После первого смесителя 8, 9 объединенные пучка света поступают во вторую двухлинзовую систему 11, 12 для расширения до диаметра пучка 29, равного 30 40 мм. Пучок 29 света содержит два пучка с разной расходимостью.

Пучок света от лазера 1 имеет расходимость, определяемую или через фокусные расстояния линз 11, 12, или через диаметры пучков: 34,2ʹ· (f₁/f₂) 34,2= 2,28ʹ-1,71ʹ где 34,2^', 2 мм параметры пучка света от лазера 1; 30 40 мм диаметр пучка 29 света.

Пучок света от лазера 2 имеет расходимость 6,84= 0,684ʹ-0,513ʹ где 6,84^', 3 мм параметры пучка света от лазера 2.

Матовые стекла с соответствующей шероховатостью имеют узкую индикатрису рассеяния света с полушириной менее 1^о.

Необходимый средний размер рельефа матовой поверхности подбирается номером абразивного порошка и технологией изготовления.

Например, алмазное тонкое шлифование дает поверхность матовой фактуры с высотой неровностей 1 4 мкм, а алмазное полирование со средней высотой неровностей 0,1 0,5 мкм. Регулярный рельеф на поверхности может быть образован воздействием лазерных импульсов.

После матового стекла 13, 14 образуется пучок 30 света с одинаковой общей расходимостью. Диаметр пучков света 29, 30 принят большим (30 40 мм) с тем, чтобы обеспечить лучшую идентичность в различных местах сечения пучка 30 света (по расходимости).

Если вместо матового стекла 13, 14 применить молочное стекло, то большой диаметр (30 40 мм) предотвратит сильный разогрев и растрескивание молочного стекла. Молочное стекло должно быть очень тонким (≈ 50 мкм) и, ввиду хрупкости, соединенным с более толстой несущей подложкой.

Плоскопараллельная пластина 13 выполняется из материала, прозрачного на длинах волн света λ₁ 10 мкм и λ₂ 3 мкм. (Например, криолит Na₃AlF₆, германий Ge).

Пластина 13 из криолита (с небольшим показателем преломления) имеет малые потери на отражение от поверхностей. Матовая поверхность 14 пластины 13 используется как входная.

При такой установке пластины 13 свет 29 поступает из воздуха (показатель преломления равен 1) в пластину 13 (показатель преломления больше 1) и испытывает на матовой поверхности 14 только преломление и френелевское отражение.

Если бы входной поверхностью была полированная сторона, то на матовую поверхность свет поступал бы из среды (материал пластины) с большим показателем преломления, чем у воздуха. Поэтому добавились бы потери потока на полное внутреннее отражение в тех местах рельефа шероховатости, где угол падения больше критического.

Назначение третьей двухлинзовой системы 15, 16 и диафрагмы 17 с отверстием 18 двойное: сделать расходимость пучка света 31 (и 26) равной 32'; получить необходимый диаметр пучка 31 света (и 26).

Например, если диаметры пучков 30 и 31 (26) одинаковые, 40 мм, фокусные расстояния f₃ линзы 15 и f₄ линзы 16 равны, f₃ f₄, то диаметр D отверстия 18 выбирается из условия обеспечения солнечной расходимости Θ= 32^': Θ= arctg (D/f₄) 32, и получается диаметр отверстия
D f₄ ˙tg 32^' 0,931 мм, если f₄ 100 мм.

Линза диаметром 40 мм и фокусным расстоянием 100 мм технологически реализуется без затруднений.

Поскольку после матового стекла 13, 14 расходимость пучка 30 света больше 32^', то диаметр светового пятна, сфокусированного на диафрагму 17 линзой 15, будет больше диаметра D отверстия 18, так как конструкция имитатора обеспечивает и соотношение
32^' arctg D/f₃,
т.е. будет иметь место некоторая потеря потока на диафрагме 17.

Пучок света 31 является однородным в отношении расходимости. Однако он имеет различный фотометрический разрез (по сечению пучка) для длин волн света λ₁ и λ₂ То есть для каждой длины волны света необходим свой фильтр с радиальным изменением пропускания света, с тем чтобы сделать фотометрический разрез пучка 26 близким к прямоугольному (сделать энергетическую освещенность одинаковой по сечению пучка света 26).

Конструкция первого фильтра 19, 20 показана на фиг.3.

Способность фильтра компенсировать изменение освещенности в радиальном направлении подтвердим на конкретном примере конструкции. Пусть сферическая линза 19 выполнена из CaF₂; сферическая линза 20 из Na₃AlF₆; радиус R 209,083 мм. Пропускание τ света материалом CaF₂толщиной 1,0 мм на длине волны света λ 10 мкм равно 0,77. Показатели преломления CaF₂ и Na₃AlF₆ близки (≈ 1,35), поэтому плоскопараллельная пластина из линз 19, 20 не имеет фокусирующего свойства для слаборасходящего пучка 31 света.

Показатель поглощения К для CaF₂ на длине волны λ 10 мкм найдем из формулы
τ= 10^-Kg где g толщина материала CaF₂,
получим К 0,1135 мм^-1.

В табл. 1 представлены результаты расчетов пропускания света линзой 19 для длины волны λ= 10 мкм на различном расстоянии а от центра линзы.

Линза 20 из Na₃AlF₆ прозрачна на длинах волн λ₁ 10 мкм и λ₂ 3 мкм. Материал линзы 19 прозрачен на длине волны света λ₂ 3 мкм. Геометрия линз 19, 20 для конкретного фотометрического разреза пучка 31 света на длине волны света может быть реализована или сферическим исполнением линз, или любой другой конфигурацией с помощью алмазного точения. Коэффициент отражения от поверхностей плоскопараллельной пластины из линз 19,20 мал, так как показатель преломления линз мал.

Второй оптический фильтр 21, 22 с радиальным изменением пропускания света на длине волны λ₂ тонкопленочный.

Пропускание Т тонкой прозрачной пленки на прозрачной подложке равно
T (1) где n₁ показатель преломления воздуха ( 1);
n₂ показатель преломления пленки;
n₃ показатель преломления подложки.

Формула (1) не учитывает отражение света от свободной стороны подложки.

Из формулы (1) видно, что при фиксированной длине волны света λ₂ 3 мкм пропускание Т пленки можно варьировать изменением ее геометрической толщины t. Однако в рассматриваемом устройстве ситуация усложнена в том, что при вышеуказанном изменении геометрической толщины t пленки необходимо сохранить неизменным и высоким пропускание пленки на другой фиксированной длине волны света λ₁≈ 10 мкм. Это возможно только в том случае, если толщины t пленки обеспечивают интерференционный максимум пропускания в области длины волны света λ₁
В табл. 2, 3 представлены результаты расчетов пропускания Т пленки по формуле (1) для двух вариантов соотношений показателей преломлений n₂и n₃.

При n₂ < n₃ интерференционный максимум пропускания на длине волны света λ₁ обеспечивается при
t 0,98 мкм (2)
Из табл. 2 видно, что при изменении толщины пленки от 0,9 до 1,1 мкм пропускание пленки на длине волны света λ₁ изменяется на
·100 1.72 (3) а на длине волны света λ₂ на
· 100 19,7 (4)
В табл. 2 видно, что для длины волны света λ₁ действительно имеет место максимум пропускания (Т 0,9432) при t 0,98 мкм по сравнению с другими толщинами t пленки. Результат (3) подтверждает, что изменение пропускания Т света на длине волны света λ₁ практически отсутствует, то есть не изменяется в разных точках сечения светового пучка имитатора и остается очень высоким.

В то же время на длине волны света λ₂3 мкм пропускание Т изменяется на достаточно большую величину (4), равную 19,7% Изменение пропускания 19,7% позволяет провести компенсацию гауссового изменения энергетической освещенности от источника света (лазера), на длине волны света λ₂ Важно, что абсолютные значения пропускания Т пленки в табл.2 для длины волны света λ₂ имеют высокие значения.

Для компенсации гауссового распределения освещенности толщина пленки в центре фильтра должна быть большей (t 1,1 мкм, Т 0,755), а на краю фильтра меньшей (t 0,9 мкм, Т 0,94).

Кроме того, из технологических соображений благоприятно то, что толщина пленки t≈1 мкм удобна для напыления. Пленки с такой небольшой толщиной (в отличие от пленок с толщинами несколько микрон) являются эксплуатационно прочными.

В общем случае для соотношения показателей преломления n₂ < n₃условие (2) следует записать:
≈ (5) где t₁ толщина пленки в центре фильтра;
t₂ толщина пленки на расстоянии r от центра фильтра;
r радиус сечения пучка света имитатора.

Соответствие изменения пропускания Т пленки в радиальном направлении гауссовой кривой технологически обеспечивается при напылении пленки на подложку через вращающуюся массу с щелью. Ширина щели зависит от расстояния до центра маски (фильтра). По мере удаления от центра маски ширина щели уменьшается. Ось вращения маски совпадает с осью фильтра.

Из табл. 2 видно, что имеется возможность просветления поверхностей оптических элементов (см. фиг.1) одновременно для двух длин волн света, λ₁ и λ₂ Если оптические элементы выполнены из германия (Ge), то пленка из ZnSe толщиной 0,9 мкм обеспечивает очень хорошее просветление для обеих длин волн света: на λ₁ 10 мкм пропускание Т 0,9362; на λ₂ 3 мкм пропускание Т 0,94. Толщина просветляющей пленки из ZnSe одинакова для всей просветляемой поверхности.

При показателях преломления n₂ > n₃ интерференционный максимум пропускания на длине волны света λ₁ обеспечивается при толщине t пленки t , или ≈ (6)
Из табл. 3 видно, что на длине волны света λ₁ 10 мкм пропускание пленки изменяется на
· 100 1,48 (7) а на длине волны света λ₂ 3 мкм на
· 100 27,9 (8)
Таким образом, и в этом варианте (n₂ > n₃) обеспечивается неизменность и высокое значение пропускания Т пленки на длине волны света λ₁ большое изменение пропускания Т на длине волны света λ₂ высокий абсолютный уровень пропускания на длине волны света λ₂
Для компенсации гауссовой кривой распределения освещенности в пучке света имитатора и в этом случае (n₂ > n₃) толщина пленки в центре фильтра должна быть больше, чем на краю фильтра.

Технологические возможности изготовления сферических поверхностей линз 19, 20 таковы, что после сборки плоскопараллельной пластины между сферическими поверхностями линз 19, 20 могут быть в отдельных местах воздушные зазоры толщиной до 0,1 мкм. Воспользуемся формулой (1) для выяснения величины пропускания Т через воздушный зазор. В данном случае в формуле (1) следует принять: n₁ 1,35 показатель преломления CaF₂(линза 19); n₂ 1 показатель преломления воздуха в зазоре между сферическими поверхностями; n₃ 1,35 показатель преломления Na₃AlF₆(линза 20).

После подстановки этих значений n₁, n₂, n₃ формула (1) приобретает вид:
T
При t 0 получим Т 1 для любых длин волн λ
При t 0,1 мкм получим: на длине волны λ₂ 3 мкм пропускание Т 0,99605; на длине волны λ₁ 10 мкм пропускание Т 0,99964.

Полученные значения Т отличаются от 1 на 0,395% и 0,036% чем можно пренебречь.

Таким образом, нет необходимости заполнять воздушные зазоры между линзами 19, 20 веществом с показателем преломления, близким к 1,35.

После фильтров 19, 20 и 21, 22 образуется пучок 32 света с солнечной расходимостью 32^' и прямоугольным фотометрическим разрезом (с одинаковой энергетической освещенностью по сечению пучка). Пучок 32 смешивается с пучком 33 света от имитатора 3 с ксеноновой лампой во втором смесителе 23, 24, так что образуется рабочий пучок 26 света имитатора Солнца инфракрасного диапазона.

Пучок 33 света от имитатора 3 Солнца имеет одинаковую освещенность по сечению пучка 33, расходимость 32^' и диаметр 30 40 мм, совпадающий с диаметром пучка 32 света.

Поэтому между имитатором 3 и смесителем 23, 24 нет необходимости в двухлинзовой системе. Ослабляющий фильтр после источника 3 в пучке 33 не нужен, так как имитатор 3 обеспечивает освещенность с некоторым превышением солнечной постоянной. Небольшая потеря освещенности в смесителе 23, 24 незначительно снижает освещенность от имитатора 3.

Проведен энергетический расчет потоков в устройстве.

Пропускания света элементами устройства для пучка от лазера 1 с излучением с длиной волны λ₁≈ 10 мкм следующие:
τ₁ пропускание фильтра 4 (будет определено по общему результату расчета);
τ₂≈ 0,7 пропускание первого смесителя 8, 9 для пучка от лазера 1;
τ₃≈ 0,84 пропускание второй двухлинзовой системы 11, 12 с четырьмя отражающими по ≈ 4% поверхностями линз;
τ₄ 0,92 пропускание матовой пластины 13;
τ₅ 0,84 пропускание третьей двухлинзовой системы 15, 16;
τ₆ 0,3 пропускание отверстия 18 в диафрагме 17 принято столь малым, так как диаметр светового пятна на диафрагме от линзы 15 больше диаметра отверстия 18 (коэффициент отражения света на длинах волн света λ₁ и λ₂ у диафрагмы 17 со стороны линзы 15 должен быть высоким, чтобы избежать разогрева диафрагмы);
τ₇ 0,67 пропускание первого фильтра 19, 20 по оси пучка света 31 для длины волны света λ₁
τ₈ 0,93 пропускание второго фильтра 21, 22 для длины волны света λ₁ 10 мкм;
τ₉ 0,7 пропускание второго смесителя 23, 24 для пучка света с длиной волны λ₁ 10 мкм.

Солнце в спектре от 7 до 25 мкм создает энергетическую освещенность 0,23 мВт/см². Диаметр пучка света 26 примем равным 40 мм. Площадь пучка 26 равна 12,6 см².

Следовательно, на длине волны света λ₁ 10 мкм необходим поток
0,23 · 12,6 см² 2,9 мВт
Пусть лазер 1 излучает 2 Вт. Тогда необходимое пропускание τ₁фильтра 4 равно
τ₁= = 0,0244 что технологически выполнимо.

Если фильтр 4 не ставить, то от лазера 1 потребуется мощность излучения 0,0488 Вт ≈ 0,05 Вт.

Пропускания света элементами устройства для пучка от лазера 2 с излучением с длиной волны λ₂≈ 3 мкм следующие:
τ₁₀ 0,84 пропускание первой двухлинзовой системы 6, 7 для пучка от лазера 2;
τ₁₁ 0,9 отражение смесителя 9, 10 для пучка света от лазера 2;

τ₁₂= 0,93 пропускание первого фильтра 21, 22 для длины волны света λ₂
τ₁₃≈ 0,6 пропускание второго фильтра 21, 22 для длины волны света λ₂
τ₁₄= 0,1 пропускание второго смесителя 23, 24 для длины волны света λ₂ поступающей в пучке 32.

Если в ИКВ используется германиевая оптика с краем пропускания на длине волны света 1,7 мкм, то энергетику от Солнца оцениваем в спектре от 1,7 до ≈ 3 мкм. (Длина волны света 3 мкм длинноволновая граница чувствительности фотоприемника в канале защиты от Солнца ИКВ).

В этом спектре энергетическая освещенность от Солнца равна примерно 7,33 мВт/см². Площадь пучка 26 света 12,6 см².

На длине волны света λ₂ 3 мкм необходим поток:
7,33 мВт/см² ˙ 12,6 см² 92,36 мВт.

Пусть лазер 2 излучает 11,5 Вт. Тогда необходимое пропускание τ₁₅фильтра 5 равно
τ₁₅= 0,977 что технологически выполнимо.

То есть и лазер 1, и лазер 2 обеспечивают уровень засветки, эквивалентный солнечной. Но при одновременном включенном имитаторе 3 нет необходимости отбирать от лазера 2 весь поток 11,5 Вт, так как в спектральной области λ₂ излучает и имитатор 3.

Поток от имитатора 3 ослабляется с коэффициентом 0,9 при отражении от второго смесителя 23, 24 в пучок 26 света.

Лазер 2 и имитатор 9 нельзя поменять местами, так как ослабление потока через элементы 5 9, 11 22 значительное, а для пучка 33 света не предусмотрены матовое стекло и фильтры с радиальным изменением пропускания света.

В предлагаемом устройстве могут использоваться лазеры, излучающие и поляризованный и неполяризованный свет.

Возможны следующие варианты имитатора Солнца инфракрасного диапазона: имитатор, не содержащий линзы 11, 12; имитатор с первым и вторым фильтрами (19, 20 и 21, 22) на одном принципе построения (например, оба фильтра с абсорбционными линзами, либо интерференционные).

Поскольку диаметр абсорбционной линзы 19 большой (40 мм), а световой поток, проходящий через линзу, менее 0,1 Вт, то разогрева линзы не будет.

Имитатор, не содержащий лазер 2 и элементы 5 9, 21, 22.

Имитатор, не содержащий источник 3 света и смесители 23, 24.

Имитатор, в котором в качестве источника 3 или 2 света используется полупроводниковый лазер с мощностью излучения 0,5 4 Вт, например на длине волны света λ 0,8 мкм, и соответствующая оптика, преобразующая лазерный пучок в слаборасходящийся. Коротковолновое излучение λ0,8 мкм используется в каналах защиты от Солнца некоторых типов ИКВ.

Формула изобретения

1. ИМИТАТОР СОЛНЦА, содержащий три источника слаборасходящихся пучков света, ослабляющие фильтры за первым и вторым источниками, отличающийся тем, что в качестве первого источника света использован лазер со спектральным составом излучения в области длины волны света λ₁, в качестве второго источника света использован лазер со спектральным составом излучения в области длины волны света λ₂, в качестве третьего источника света использован спектральный прибор со спектральным составом излучения в области длин волн света от λ₃ до λ₄,λ₁>λ₄, λ₃≅ λ₂≅ λ₄, за фильтром второго источника соосно установлена первая двухлинзовая система с совмещенными фокусами линз, оптические оси первого источника и первой двухлинзовой системы перпендикулярны и пересекаются, в области пересечения установлен первый смеситель пучков, в котором плоскость смещения пучков расположена под углом 45^o к осям первого и второго источников света, за первым смесителем соосно с первым источником света последовательно установлены вторая двухлинзовая система с совмещенными фокусами линз, первый оптический фильтр с радиальным изменением пропускания света, за второй двухлинзовой системой последовательно установлены плоскопараллельная пластина, третья двухлинзовая система с совмещенными фокусами линз, первый и второй оптические фильтры с радиальным изменением пропускания, причем обращенная к первому источнику поверхность плоскопараллельной пластины матовая и установлена перпендикулярно оси первого источника света, в фокальной плоскости третьей двухлинзовой системы установлена диафрагма с отверстием, указанное отверстие выполнено соосно с третьей двухлинзовой системой и осью первого источника света, диаметр D отверстия и фокусное расстояние f₄ выходной линзы в третьей двухлинзовой системе связано соотношением Θ = arctg (D/f₄), первый оптический фильтр имеет осесимметричное радиальное изменение пропускания света для длины волны λ₁ и является прозрачным для света с длиной волны λ₂, второй оптический фильтр имеет осесимметричное радиальное изменение пропускания света для длины волны λ₂ и является прозрачным для света с длиной волны λ₁, оба фильтра установлены соосно с третьей двухлинзовой системой, оптические оси третьей двухлинзовой системы и третьего источника света перпендикулярны и пересекаются, в области их пересечения установлен второй смеситель пучков света, в котором плоскость смешивания пучков расположена под углом 45^o к осям третьей двухлинзовой системы и третьего источника света.

2. Имитатор Солнца по п.1, отличающийся тем, что первый оптический фильтр выполнен в виде плосковыпуклой линзы, дополненной до плоскопараллельной пластины с помощью вогнуто-плоской линзы, причем плосковыпуклая линза выполнена из вещества, прозрачного на длине волны света λ₂ и имеющего область края пропускания на длине волны света λ₁, а вогнуто-плоская линза выполнена из вещества, прозрачного на обеих длинах волн света λ₁ и λ₂.
3. Имитатор Солнца по п.1, отличающийся тем, что второй оптический фильтр выполнен в виде тонкой пленки на подложке, вещества тонкой пленки и подложки прозрачны на обеих длинах волн света λ₁ и λ₂, геометрическая толщина пленки осесимметрично уменьшается в радиальном направлении от значения t₁ в центре фильтра до значения t₂ на расстоянии r от центра фильтра, где r - радиус сечения пучка света имитатора, причем если показатель преломления n₂ пленки меньше показателя преломления n₃ подложки, то

а если показатель преломления n₂ пленки больше показателя преломления n₃ подложки, то

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4