Светонаправляющее устройство

 

Взамен ранее изданного

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (5D4 F 21 V 8/00 G 02 В 6 00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, : и с: б

Н АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ г

R ---(osg я1и О„, 9 =arcsin(-- — о); и

K р»(д)=Вихр(К(- -с )) приСр «q»вЂ”

Ю% ми

° »с

ЪЮ -Р() Чс = gc(g

1

)(-e-2arcsin — ау < — ° . и 2

2. Устройство по и, 1, о т л ичающее ся тем, что, с целью (21 ) 3767160/24-1 2 (22) 04,07,84 (46) 30.04.86. Бюл. ¹ 16 (7!) Латвийский ордена Трудового

Красного Знамени государственный университет им. П.Стучки (72) Я.А.Спигулис (53) 666,124,5(088,8) (56) Патент CWA ¹ 3437804, кл. 240-41.35, 1969 ° (54) (57) 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 т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения КПД путем обеспечения полного внутреннего отражения на боковой поверхности оптического элемента и исклю- чения многократных отражений в нем, его входной полусферический торец сопряжен с боковой образующей оптического элемента — плоской кольцевой поверхностью, (- ), 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;,.SU„„1227909 А 1

8 — заданный угол расходимости о светового пучка на выходе светонаправляющего устройства; и — показатель преломления материала оптического элемента; а боковая поверхность оптического элемента выполнена в виде плавно сопряженных участков логарифмической спирали у ((р) и параболы вращения р (g), описываемых соответственно уравнениями при С аp cp,, где ср — текущий угол, отсчитываемый от оптической оси устройства по направлению распространения света;

-(п - 1 при этом углы Ср, и (р, определяющие границы участков логарифмической спирали и параболы вращения,. удовлетворяют неравенствам

1227909

1 и=

i, -2g

sin(- --) 9 =aicsin(- — );

sin8 п!

K =----rn2-1 р =g cq

1 и -8-2ar c sin — «c q, <—

2 уменьшения диаметра выходного торца оптического элемента, угол у уменьшен до значения, удовлетворяющего неравенству

< йЦ cg рг( где II =8-a resin (5- я1п(28.гсБ!и -I:

n) 3, Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью

Изобретение относится к светотехнике, в частности к устройствам-, уменьшающим угол расходимости излучения источников света, Целью изобретения является повышение КПД устройства путем обеспечения полного внутреннего отражения излучения источника света на боковой поверхности формирующего световой пучок оптического элемента и исклю- fp чения многократных отражений в нем.

На чертеже изображено светонаправляющее устройство, аксиальное сечение.

Устройство состоит из источника 15 света 1 и круглосимметричного светонаправляющего оптического элемен та полного внутреннего отражения 2, охватывающего его в пределах телесного угла 21 и выполненного из од- gp нородно прозрачного материала с показателем преломления п.

Входной торец 3 оптического элемента 2 выполнен в виде менисковой полусферической поверхности радиуса 25 г, центр кривизны которой совпадает с пентром источника света 1. Боковая поверхность 4 оптического элемента 2 образована плавно сопряженными участками логарифмической спирали ЗО

5)3 (lp) и параболы вращения 6g>(lp), описываемых в полярной системе координат с началом, совмещенным с центром источника света 1, соответственно уравнениями

Р (g) =RexptK(- -le)) при g упрощения технологии изготовления оптического элемента путем исключения участка логарифмической спирали, показатель преломления материала оптического элемента удовлетворяет неравенству при (р cqriq г где R — - - радиус плоской кольцесозе вой поверхности 7

pI(- ),соединяющей входной торец 3 и боковую поверхность 4 оптического элемента 2;

8 — заданный угол расходимости светового пучка на выходе светонаправляющего устройства; (— текущий угол, отсчиты" ваемый от оптической оси устройства по направлению распространения света, При этом углы (P, и <р, определяющие границы участков логарифмической спирали 5 и параболы вращения 6, удовлетворяют неравенствам

Величина R внешнего радиуса плоской кольцевой поверхностиу (- )7 вы,1 2/ брана из условия исключения касания

I отраженного луча (q = -) поверхности

2 менискового полусферического вход1227909

15

1 и -2B

sin(†---) 4

cf 48 где ного торца 3 и, следовательно, устранения многократных отражений.

Выбор профиля участка 5 в форме логарифмической спирали обусловлен тем ее свойством, что касательная к любой точке данной поверхности составляет постоянный угол с прямой, которая соединяет эту точку с полюсом °

Следовательно, все радиальные лучи при использовании источника света 1 достаточно малого размера падают на поверхность вращения логарифмической спирали под одинаковым углом oL, который должен удовлетворять условию полного внутреннего отражения

g > arcsin— и

Участок 5 ограничен с одной стороИ ны угломс = — определяемым плоской

2 кольцевой поверхностью 7, а с другой — углом (P,, соответствующим радиальному лучу, образующему после отражения от боковой поверхности 4 оптического элемента 2 угол 8 с оп- . тической осью х устройства. Участок

6 боковой поверхности 4 оптического . элемента 2,-ограниченный углами с, и(=6, выполнен в форме параболы вращения, фокус которой совмещен с центром источника света 1, а ось Z ориентирована под углом 9 к оптической еси х устройства, В соответствии. со свойствами параболы вышедшие из фокуса и отраженные ею лучи распространяются в направлениях, параллельных оси Z т,е. составляют с оптической осью х устройства угол 9 .

С целью уменьшения диаметра выходного торца 8 оптического элемента

2, что бывает необходимо для успешного сопряжения устройства и световода небольшого диаметра при их сов- g5 местном использовании, угол (, определяющий границу параболического участка 6, может быть уменьшен до значения, удовлетворяющего неравенству 50

„o,(q,) P=8-are sin - sin(2arc sin — ) ) 1(3) и !

Дальнейшее уменьшение угла Р нецелесообразно, так как приведет к повторному отражению лучей от противоположной боковой стенки 4 с птического элемента 2.

Для частного случая, когда при сочетании параметров Д и и выполняII ется соотношение О +2 "- —, профиль

2 поверхности 4 оптического элемента

2 может быть упрощен путем исключения участка 5 логарифмической спирали.

Этому случаю соответствует подбор показателя преломления и материала оптического элемента 2 в соответствии с неравенством

Устройство работает следующим образом.

Радиальное излучение источника

1, испускаемое в телесном угле 2il, попадает в тело оптического элемента 2 через входной полусферический менисковый торец 3. Входное излучение для углов ф ср попадает на †.г выходной торец 8 без отражений.При (<р радиальные лучи до попадания на выходной торец 8 претерпевают од. нократное полное внутреннее отражение на боковой поверхности 4, образованной .плавно сопряженными участками логарифмической спирали 5 и параболы вращения 6. В обоих случаях угол падения лучей на выходной торец 8 не превьппает значения 8, а угол расходимости выходного излучения после преломления на поверхности торца 8 — заданного угла расходимости 8д.

Положительный эффект от применения устройства заключается в существенном повышении эфективности сбора изотропного излучения. Ввод излучения через полусферическую поверхность обеспечивает попадание в тело оптического элемента лучей, испускаемых источником во всем телесном угле 2 .

Кроме того, устранена необходимость сложной технологической операции — нанесения отражающего покрытия на светонаправляющую деталь. Наиболее удобным видом изготовления оптического элемента является прессование иэ прозрачных полимерных материалов, например из полиметилметаакрилата (n =1,49). Такая технология позвоД), Э ляет организовать дешевый серийный

122?909

Составитель И.Зайцев

Редактор Н. Горва т Техрец И. Попович Корректор А.Тяско.Заказ 2001/40 . Тираж 46? Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета, СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж"35, Раущская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r, Ужгород, ул. Проектная,4 выпуск светонаправляющих элементов к уже выпускаемым источникам (например, к светодиодам для оптических линий связи) с высоким экономическим эффектом, 5

Повыщено удобство эксплуатации светонаправляющих устройств. Рефлекторные и линзовые системы требуют тонкой юстировки при настройке и квалифицированного обслуживания при 0 эксплуатации. Если их заменить предлагаемым устройством, изготовленным с учетом габаритов источника, то все обслуживание системы сводится к присоединению оптического элемен- 15 та к источнику. Удобства эксплуатации создают также небольное габариты светонаправляющего элемента,Кроме того, его конструкция защищает источник от внешних механических воздействий и способствует его термостабилизации.

Выходной плоский торец оптического элемента позволяет вплотную соединить его со входными торцами оптических деталей серийного выпуска — волоконных световодов (для отвода излучения источника в требуемое место), монолитных афоконов (для сужения угла расходимости выходного пучка), и др. Такое соединение возможно через слой оптического клея,по-! казатель преломления которого и рп, Кроме того, повьппение эффективности преобразования лучистой энергии дает возможность экономить электроэнергию, потребляемую для питания источников света,