Концентратор лучистой энергии

 

3I9I49

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Союз Соеетскиз

Социалистически»

Реслуолик

Зависимый от патента №

Заявлено 12.Ч1.1969 (№ 1340947/18-10)

Приоритет 12.VI.1968, № 154663, Франция

Опубликовано 28.Х.1971. Бюллетень № 32

МПК G 02Ь 5/14

Комитет ло оелам нзоооетеиий и открытий сои Совете Министров

СССР

УДК 535.874(088.8) Дата опубликования описания 18.1.1972

Автор изобретения и заявитель

Иностранец

Пьер Малифо (Франция) КОНЦЕНТРАТОР ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ

1

Данное изобретение относится к устройствам для передачи лучистой энергии удаленного источника и концентрации ее на поверхности фотоприемника.

Известны концентраторы лучистой энергии, содержащие оптическую фокусирующую систему первичной концентрации с относительным отверстием 1/У, создающую сходящийся пучок лучей, полуугол О которого с оптической осью равен arcsin О, 5N, и вторичный концентратор, выполненный в виде усеченного конуса с показателем преломления п1 среды внутри него, плоскость входного сечения которого с диаметром d совмещена с изображением, создаваемым оптической системой, а выходное сечение с диаметром d3 находится в непосредственной близости к чувствительному элементу приемника, погруженному в иммерсионную среду с показателем преломления тт2.

Описываемое устройство отличается от известных тем, что в нем полуугол у при вершине конуса и диаметры d> и d3 связаны соотношением: в котором Л вЂ” угол полного внутреннего отражения среды внутри конуса по отношению к иммерсионной среде, (3O — полуугол пучка лучей, проникших внутрь конуса после преломления на его входном сечении, при этом Л вЂ (0 вЂ, где к — целое число, а значение у определяется из выражения; где q — заданное отношение потока, падающего на входное сечение конуса, к потоку, прошедшему его входное сечение.

15 Такие отличия позволяют получить заданную величину потерь лучистой энергии внутри конуса.

На фиг. 1 изображена оптическая схема описываемого устройства; на фиг. 2 показан

20 график изменения освещенности в различных сечениях конического зеркала.

Концентрирующее оптическое устройство состоит из оптической фронтальной собирающей системы 1 с относительным отверстием

2S 1/Ю, захватывающей поток, поступающий от удал нного источника излучения, установленного в среде с показателем преломления, равным единице, и создающей истинное изображение источника в плоскости 2 в сходящемся

30 пучке лучей 8 с полууглом О, и из усеченного

319149

4 рами, определяемыми приведенными формулами.

Диаметр di большого входного сечения потока принят равным диаметру изображения, 5 обеспечиваемому оптической фронтальной системой, т. е. в данном случае di — — 6,8 мм, Подставив в формулу (2): т1=0,75; ni=

1,73; пг=1,73; в(п0=1/2ГЧ=1/2 ф 2=0,154; получим: 1 — 4,8 i =/0,75, откуда i =

0,028, а у= l/36 рад (l 36 ).

Подставляя значение у в формулу (1) при

sinPp —— sinO, п,=0,354/1,73 (т. е, Pp= l l 48 ), получим 6,8/dg — — 0,9996/0,1771 и с4=1,2 мм, Длина / конического зеркала равна (6,8 — 1,2) 21д или L=100,8 мм.

На фиг. 2 представлен график, в котором сведены результаты применения приспособления по данному изобретению. На абсциссе откладывается длина конического зеркала между входным участком di и произвольным сечением а„для зеркала с углом у=1/36 рад.

Обозначив отношение диаметра d, к любому диаметру d„÷åðåç к, получим:

25 /. . 1 — 18 1

Кривая 7 отображает изменение полученного отношения между освещенностью в каком-либо сечении и освещенностью во входном сечении. Кроме того, здесь же представлена кривая 8, отражающая изменение отношения между потоком, достигающим произвольного сечения а„и потоком Фо, захваченным во входном сечении di.

Кривые показывают две возможности оптимизации работы конического зеркала. Первая, характеризующаяся сечением d>, — позволяет получить наибольшую освещенность (в данном случае 70 /о от максимальной осве40 щенности) без потери потока при использовании зеркала с определенными размерами (французский патент № 1543165 от 6 мая

1964 г).

Вторая оптимальная точка, соответствую45 щая данному изобретению и представленная сечением с4, обеспечивает возможность максимального освещения при минимальной потере потока (в данном случае 25 /о).

Приведенные выше формулы (1) и (2) определения размеров пригодны для всех случаев.

Кроме того, желательно, когда и> отличается от единицы, а пг отличается от и, и еди55 ницы, изменить параметры у и рр так, чтобы

Х вЂ” Pa=2 ку (3) конического зеркала 4, входное сечение которого с диаметром di расположено в плоскости 2 изображения. Полуугол при вершине конического зеркала равен у. Показатель преломления среды внутри конуса равен пь

Диаметр конечного сечения зеркала равен

Это сечение расположено в непосредственной близости от чувствительного элемента

5 приемного приспособления. Чувствительный элемент 5 погружен в среду с показателем преломления пг, Крайний меридиональный луч б образует полуугол О пучка излучения, захваченного коническим зеркалом 4, и полуугол Ро пучка, отраженного входным сечением аГ конического зеркала 4.

Задавая отношение q (отношение между потоком, собранным в конечном участке d3„и потоком, захваченным во входном участке di) и зная характеристику оптической фронтальной системы 1, можно определить размеры, однозначно характеризующие конструкцию конического зеркала 4, по следующим формулам;

q =0,75.

d,/d, = sin (л — y/sin (), — y) 1 — tgy — 1 1 — tgr Y пг х + — >) (2) пг

Так например, для удаленного источника

Э о с кажущимся диаметром в 5, энергия от которого передается оптической фронтальной собирающей системой, образованной объективом со светосилой 1/1, 414, диаметром 55мм и фокусным расстоянием 77,8 мм, получаем изображение источника с диаметром изображения, равным 77,8.tg5 =6,8 мм.

Освещенность изображения относится к максимальной освещенности как 1/4 _#_ (в данном случае 1/8).

Допустим, требуется получить максимальную освещенность при непосредственном погружении чувствительного элемента приемника в флинтглас с показателем преломления пг — — п,=1,73 и при коническом зеркале 4, также выполненном из флинтгласа. Это погружение должно обеспечить дополнительный коэффициент концентрации п ь например, трехкратный. В конечном счете необходимо получить освещенность (предельную), в двадцать четыре раза превышающую интенсивность, обеспечиваемую оптической фронтальной системой со светосилой 1/1,4 и при этом потерять, например, не более 25 потока, захваченного входным сечением di, иначе говоря

Для этого надо объединить оптическую фронтальную систему со светосилой 1/1,4 с отражающим коническим зеркалом с размеЗдесь к является целым числом.

Максимальное число внутренних отражений для меридиональных лучей, определяел — р мое выражением ", равно целому числу.

Г

Таким образом достигается полнота лучей, способных обеспечить максимальную освещенность, 5

В отдельных случаях общие формулы (1) и (2) можно у п р остить, Если n> — — п,, не равному единице (случай непосредственного погружения чувствительного элемента в преломляющее коннческое зеркало), то формулы упрощаются следующим образом:

319149 контроля нагрева и пламени для фотоуправления и термоуправления, для световых конченсоров, фотографических концеIITpBToooB, концентраторов солнечной энергии, для пп5 тания лазеров и т. п.

Предмет изобретения

sin). = ns/n — — 1;

> = —; sin(— — y = cos "(...

2 2 (4) d, сов; з sIn (зо — 1) 1 — tg1 1 =т,,... (5) И, наконец, для пустотелого конического зеркала, где n> — — ns — — 1, формулы принимают вид: з1п — — з1пО/n — — sin8; следовательно, I)p — — 8 ип ns — — 1

d сов т (6) 3 sin (8 ()

1 и

1 — tgт — () я1п 8

С той же собирающей оптической системой можно сочетать несколько элементарных конических зеркал, установленных пучком и работающих параллельно. Этот пучок может быть образован коническими оптическими волокнами, оптимальную форму которых находят по приведенным формулам. При этом на чувствительном элементе приемника можно воспроизвести мозаичное изображение источника излучения. Длина образованного таким образом пучка элементарных конических зеркал короче (пропорциональна коршо квадратному из числа элементарных зеркал) эквивалентного одиночного конического зеркала.

Данное изобретение может быть применено, например, для обнаружения излучения при любой длине волны и, в частности, обнаружения в инфракрасных лучах, для оптического дистанционного контроля, например, концентратор лучистой энергии, содержа10 щий оптическую фокусирующую систему первичной концентрации с относительным отверстием 1/N, создающую сходящийся пучок лучей, полуугол О которого с оптической осью равен arcsin 0,5N, и вторичный концентратор, 15 выполнен ы в виде усеченного конуса с показателем преломления п среды внутри него, плоскость входного сечения которого с диаметром d, совмещена с изображением, создаваемым оптической системой, а выходное се20 чение с диаметром А находится в непосредственной близости к чувствительному элементу приемника, погруженному в иммерсионпую среду с показателем преломления п,, отлича; юи ийся тем, что, с целью получения заданной

25 величины потерь лучистой энергии внутри конуса, в нем полуугол у при в ршпне конуса, диаметры d н ds связаны соотношением:

d,: sin (). — 1)

sin (РО ) в котором Х вЂ” угол полного внутреннего отражения среды внутри конуса по отношению к иммерсионной среде, Pp — полуугол пучка лучей, проникших внутрь конуса после пре35 ломления на его входном сечении, при этом

>.— 2 ку, где к — целое число, а значение у определяется из выражения:

40 пг г

45 где и — заданное отношение потока, падающего на выходное сечение конуса, к потоку, прошедшему его входное сечение.

319149 г 4

Редактор Е, Хорина

Заказ 3783/7 Изд. № 1477 Тираж 473 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 типография, пр. <"апунова, 2

Составитель Г. Литвин

Техред Л. Богданова

ИЯ

Корректоры; E. Усова и Т. Бабакина