Устройство для освещения внутренней стороны цилиндра светом и устройство для преобразования лучей для такого устройства
Устройство для освещения внутренней стороны цилиндра светом содержит коллиматор, отражающий конус, установленный на оптической оси, коническое зеркало. Также устройство содержит устройство для преобразования лучей, которое выполнено на основе матриц цилиндрических линз, расположенных вокруг оптической оси, второе коническое зеркало, гомогенизатор в виде полой трубки с рифлёной поверхностью, тороидальную линзу или тороидальное зеркало, установленные на выходе устройства. Технический результат заключается в обеспечении однородного кольцевого освещения зоны фокусировки на внутренней поверхности цилиндра. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 24 ил.
Изобретение относится к устройству для освещения внутренней стороны цилиндра светом и к устройству для преобразования лучей, в частности, подходящему для такого устройства.
Определения. Термины «свет», «освещение», «лазерное излучение» не должны ограничиваться областью видимого света. Напротив, эти термины используются в рамках этой заявки для электромагнитного излучения по всему диапазону длин волн от дальнего инфракрасного до вакуумного ультрафиолетового. В направлении распространения лазерного излучения или света имеется в виду среднее направление распространения лазерного излучения или света, в частности, если оно не является плоской волной или, по меньшей мере, частично дивергентное. Под «лазерным лучом», «световым лучом», «частичным лучом» или «лучом» может подразумеваться не только идеальный луч геометрической оптики, но и реальный световой луч, например лазерный луч с гауссовым профилем или модифицированным гауссовым профилем, таким как супергауссов профиль или профиль Top-Hat, который имеет не бесконечное малое, а вытянутое сечение луча.
Например, упомянутое устройство может служить для освещения внутренней стороны трубы целенаправленно лазерным светом с кругообразным распределением интенсивности, чтобы обработать эту внутреннюю сторону. Например, с перемещающимся вперед в продольном направлении трубы распределением интенсивности можно последовательно темперировать внутреннюю сторону трубы. Таким образом, можно обработать, например, покрытие на внутренней стороне трубы.
Задачей изобретения является создание устройства описанного выше рода, с помощью которого можно было бы создавать максимально однородную огибающую зону фокусировки на внутренней стороне освещаемого светом цилиндра, причем зона фокусировки должна быть, в частности, также минимально тонкой. Кроме того, должно быть создано устройство для преобразования лучей, которое подходило бы для такого устройства.
Это достигается посредством устройства для преобразования лучей по пунктам 1 или 2, а также посредством устройства для освещения внутренней стороны цилиндра светом по пункту 4 формулы изобретения. Зависимые пункты касаются предпочтительных вариантов осуществления изобретения.
По пункту 1 предусмотрено, что устройство для преобразования лучей содержит несколько матриц цилиндрических линз, которые расположены кольцеобразно рядом друг с другом и содержат каждая цилиндрические линзы, оси которых ориентированы под углом 45° к радиальному направлению кольцеобразного расположения. Такое устройство для преобразования лучей может поворачивать единичные векторы частичных лучей проходящего через него света на 90° или вызывать поворот азимутального угла проходящего через него светового луча на 90°.
По пункту 2 предусмотрено, что устройство для преобразования лучей содержит, по меньшей мере, одну первую матрицу с несколькими цилиндрическими линзами, оси которых проходят в первом направлении, причем преобразуемой первой матрицей цилиндрических линз свет может проходить через нее, и по меньшей мере одну вторую матрицу с несколькими цилиндрическими линзами, оси которых проходят во втором направлении, причем выходящий из первой матрицы цилиндрических линз свет может проходить через вторую матрицу цилиндрических линз, а первое направление составляет со вторым направлением угол 45°. Такое устройство для преобразования лучей может поворачивать единичные векторы частичных лучей проходящего через него света на 90° или вызывать поворот азимутального угла проходящего через него светового луча на 90°.
По пункту 4 предусмотрено, что устройство включает в себя гомогенизатор, в который может входить и из которого может снова выходить свет, причем гомогенизатор имеет цилиндрическую внутреннюю поверхность, от которой свет может отражаться после входа и перед выходом, средства для ввода света в гомогенизатор и фокусирующие средства, которые могут фокусировать выходящий из гомогенизатора свет на внутренней стороне освещаемого светом цилиндра. При этом гомогенизаторы могут достигать однородного распределения интенсивности света на внутренней стороне цилиндра.
Может быть предусмотрено, что гомогенизатор выполнен в виде полого цилиндра, причем, в частности, внутренняя боковая поверхность полого цилиндра выполнена отражающей. Благодаря этому выполнению свет, движущийся через полый цилиндр, гомогенизируется за счет многократных отражений.
При этом существует возможность того, что внутренняя боковая поверхность полого цилиндра структурирована. За счет структурирования обеспечивается хорошая гомогенизация кругообразной зоны фокусировки на внутренней стороне цилиндра. При этом может быть предусмотрено, что структурирование расположено в виде отражающей матрицы участков полого цилиндра на внутренней боковой поверхности. Такое структурирование функционирует аналогично плоской матрице цилиндрических линз, которая используется обычно для гомогенизации света.
Существует возможность использования в качестве гомогенизатора вместо полого цилиндра, в частности, массивного светоделителя. Также в нем свет может быть гомогенизирован за счет многократных внутренних отражений.
Может быть предусмотрено, что фокусирующие средства выполнены в виде линзы, в частности тороидальной линзы, или в виде зеркала, в частности тороидального зеркала, или включают в себя линзу, в частности тороидальную линзу, или зеркало, в частности тороидальное зеркало. Такие фокусирующие средства могут обеспечивать кругообразную зону фокусировки на внутренней стороне цилиндра со сравнительно малой шириной линий.
Существует возможность того, что устройство включает в себя устройство для преобразования лучей, расположенное перед гомогенизатором, так что проходящий через устройство для преобразования лучей свет может входить в гомогенизатор. В частности, устройством для преобразования лучей может быть устройство для преобразования лучей по пунктам 1 или 2. За счет вызванного таким устройством для преобразования лучей поворота единичных векторов или азимутального угла света на 90° к нему добавляется сагиттальная составляющая, которая усиливает гомогенизирующий эффект гомогенизатора.
Может быть предусмотрено, что устройство включает в себя средства для расширения лучей, которые могут расширять и/или формировать свет перед входом в устройство для преобразования лучей и/или в гомогенизатор таким образом, что сечение луча света имеет внецентренно один или несколько максимумов интенсивности. Благодаря такой мере можно упростить фокусировку в кругообразной зоне на внутренней стороне цилиндра.
Другие признаки и преимущества изобретения поясняются с помощью нижеследующего описания предпочтительных примеров его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображают:
фиг. 1 - схематичный вид сбоку первого варианта предложенного устройства;
фиг. 2 - схематичный вид сбоку второго варианта предложенного устройства;
фиг. 3 - типичное для меридиональных лучей распределение их траекторий в проекции на плоскость перпендикулярно оси цилиндра гомогенизатора;
фиг. 4 - типичное для сагиттальных лучей распределение их траекторий в проекции на плоскость перпендикулярно оси цилиндра гомогенизатора;
фиг. 5 - типичное для примеров на фиг. 1 и 2 распределение траекторий лучей в проекции на плоскость перпендикулярно оси цилиндра гомогенизатора;
фиг. 6 - перспективный вид гомогенизатора;
фиг. 7 - схематичный вид, показывающий единичные векторы света в проекции на плоскость перпендикулярно среднему направлению распространения света перед входом в устройство для преобразования лучей;
фиг. 8 - схематичный вид, показывающий единичные векторы света в проекции на плоскость перпендикулярно среднему направлению распространения света после выхода из устройства для преобразования лучей;
фиг. 9 - схематичный вид сбоку первого варианта предложенного устройства для преобразования лучей;
фиг. 10 - перспективный вид второго варианта предложенного устройства для преобразования лучей;
фиг. 11 - схематичный вид сбоку второго варианта предложенного устройства для преобразования лучей;
фиг. 12 - иллюстрацию действия второго варианта предложенного устройства для преобразования лучей;
фиг. 13 - схематичный вид сбоку третьего варианта предложенного устройства для преобразования лучей;
фиг. 14 - схематичный вид сбоку хода лучей света в верхней части предложенного устройства, в котором используются три источника света;
фиг. 15 - соответствующий фиг. 14 схематичный вид сбоку хода лучей света в нижней части устройства;
фиг. 16 - фиг. 14 схематичный вид сбоку хода лучей света в нижней части устройства с поворотом по сравнению с фиг. 15 на 90°;
фиг. 17 - схематичное сечение света в зоне источников света при их использовании в количестве трех;
фиг. 18 - схематичное сечение света после коллиматоров;
фиг. 19 - схематичное сечение света после комприматоров;
фиг. 20 - схематичное сечение света перед устройством для преобразования лучей;
фиг. 21 - пример локального распределения интенсивности света на внутренней стороне цилиндра в случае неиспользования устройства для преобразования лучей;
фиг. 22 - пример локального распределения интенсивности света на внутренней стороне цилиндра в случае использования устройства для преобразования лучей;
фиг. 23 - общее распределение интенсивности света на внутренней стороне цилиндра в случае неиспользования гомогенизатора;
фиг. 24 - общее распределение интенсивности света на внутренней стороне цилиндра в случае использования гомогенизатора.
Изображенный на фиг. 1 вариант устройства 1 служит для подачи света 4 на внутреннюю сторону 2 схематично показанного цилиндра 3. В частности, с помощью устройства 1 должна быть создана кругообразная зона 5 фокусировки на внутренней стороне 2 цилиндра 3. Устройство 1 находится в цилиндре 3.
Устройство 1 содержит четыре источника 6 света, которыми могут быть, например, концы световолокон. Исходящий от источников 6 свет 4 (см., например, пример распределения с тремя источниками света на фиг. 17) коллимируется коллиматорами 9 (см. пример распределения с тремя источниками света на фиг. 18) и отражается зеркалами 8 на комприматоры 9, которые реализованы отражающей четырехгранной пирамидой. На фиг. 19 изображен пример распределения света после комприматоров 9 для трех источников света.
Устройство 1 содержит также конус 10 с отражающей наружной стороной, на которую от пирамиды отражается сжатый свет 4. Исходя от этого конуса 10, свет 4 отклоняется радиально наружу на отражающую внутреннюю сторону полого конуса 11 и отражается от него на фиг. 1 вверх, так что свет 4 движется снова в осевом направлении цилиндра 3.
Конус 10 с отражающей наружной стороной и полый конус 11 с отражающей внутренней стороной образуют сообща средства для расширения лучей, которые могут расширять и формировать свет 4 так, что сечение лучей света имеет внецентренно один или несколько максимумов интенсивности (см. пример распределения с тремя источниками света на фиг. 20).
В направлении распространения света 4 за полым конусом 11 расположено устройство 12 для преобразования лучей в первом варианте. Это устройство 12 еще раз подробно изображено на фиг. 9.
Устройство 12 содержит несколько матриц 121 с несколькими цилиндрическими линзами 122 каждая. Отдельные матрицы 121 расположены кольцеобразно. Каждая из осей Z цилиндрических линз 122 ориентирована к радиальному направлению R кольца под углом γ приблизительно 45°.
Отдельные цилиндрические линзы 122 выполнены, например, в виде двояковыпуклых линз с выпуклыми поверхностями на входной и выходной сторонах устройства 12. При этом расстояние между обеими выпуклыми поверхностями соответствует, в частности, сумме их фокусных расстояний или двойному фокусному расстоянию выпуклых поверхностей, если фокусные расстояния одинаковые. Тем самым каждая из цилиндрических линз 122 образует кеплеровский телескоп.
На фиг. 7 и 8 изображены схематичные виды, которые поясняют единичные векторы частичных лучей света 4 в проекции на плоскость перпендикулярно среднему направлению распространения света 4 перед входом в устройство 12 и после выхода из него. Оказывается, что за счет ориентированных к радиальному направлению под углом 45° цилиндрических линз единичные векторы поворачиваются на 90°.
За счет этого к предварительно коллимированным частичным лучам света 4 добавляется сагиттальная составляющая. Эта взаимосвязь поясняется на фиг. 3-5. На них изображены распределения траекторий лучей в проекции на плоскость перпендикулярно оси цилиндра цилиндрической среды, в которой движется свет. При этом фиг. 3 поясняет распределение, типичное для меридиональных лучей, а фиг. 4 - распределение, типичное для сагиттальных лучей.
Частичные лучи света 4 имеют при соответственно полной коллимации, в основном, только меридиональную составляющую. За счет прохождения через устройство 12 к частичным лучам света 4 добавляется сагиттальная составляющая. Такое снабженное сагиттальной составляющей распределение показано на фиг. 5.
За устройством 12 в направлении распространения света 4 расположен дополнительный полый конус 13 с отражающей внутренней стороной. Свет 4 отражается от нее в гомогенизатор 14, схематично изображенный на фиг. 6.
Гомогенизатор 14 выполнен в виде полого цилиндра с отражающей структурированной внутренней поверхностью 15. Ее структуры представляют собой вогнутые участки, оси которых проходят параллельно оси полого цилиндра. При этом вогнутые участки примыкают друг к другу в направлении окружности полого цилиндра. Гомогенизатор 14 может быть заметно длиннее схематичного изображения на фиг. 6.
В гомогенизаторе 14 свет 4 за счет многократного отражения от внутренней стороны 15 гомогенизируется таким образом, что вдоль кругообразной зоны фокусировки 5, в основном, везде имеет место одинаковая интенсивность. Гомогенизация улучшается за счет того, что, как описано со ссылкой на фиг. 3-5, к свету 4 посредством устройства 12 подмешивается сагиттальная составляющая.
На фиг. 21 поясняется, насколько мала гомогенизация без устройства 12. Напротив, на фиг. 22 показано очень однородное распределение света 4 по кругообразной зоне 5 фокусировки. На фиг. 23 поясняется, насколько мала гомогенизация без гомогенизатора 14. Напротив, на фиг. 24 показано очень однородное распределение света 4 по кругообразной зоне фокусировки 5.
Структурирование гомогенизатора 14 также обеспечивает хорошую гомогенизацию кругообразной зоны 5 фокусировки на внутренней стороне 2 цилиндра 3.
Выходящий из гомогенизатора 14 свет 4 фокусируется служащей в качестве фокусирующего средства линзой 16 на внутреннюю сторону 2 цилиндра 3. Линза 16 выполнена, в частности, в виде тороидальной линзы 16, так что на внутренней стороне 2 цилиндра 3 создается кругообразная зона 5 фокусировки. При этом тороидальная линза 16 имеет огибающая тороидальную наружную поверхность 17, которая преломляет свет 4 так, что он фокусируется на внутренней стороне 2 цилиндра 3.
Второй вариант на фиг. 2 отличается от первого варианта на фиг.1 тем, что вместо линзы 16 использовано служащее также в качестве фокусирующего средства зеркало 18. Оно выполнено, в частности, в виде тороидального зеркала 18, так что оно также создает кругообразную зону 5 фокусировки на внутренней стороне 2 цилиндра 3. При этом тороидальное зеркало 18 имеет зеркальную тороидальную внутреннюю поверхность 19, от которой свет 4 отражается на внутреннюю сторону 2 цилиндра 3.
На фиг. 10, 11 изображен второй вариант устройства 20 для преобразования лучей. Оно содержит две расположенные друг за другом матрицы 21, 22 цилиндрических линз 23, 24, причем оси последних заключают между собой угол 45°.
Также в этом варианте отдельные цилиндрические линзы 23, 24 выполнены, например, в виде двояковыпуклых линз с выпуклыми поверхностями на входной и выходной сторонах устройства 20. При этом расстояние между обеими выпуклыми поверхностями соответствует, в частности, сумме их фокусных расстояний или двойному фокусному расстоянию выпуклых поверхностей, если фокусные расстояния одинаковые. Тем самым каждая из цилиндрических линз 23, 24 образует кеплеровский телескоп.
На фиг. 12 A1 обозначает азимутальный угол падающего светового луча, а А3 - азимутальный угол выходящего светового луча. A2 обозначает азимутальный угол светового луча после выхода из первой матрицы 21 цилиндрических линз 23, 24. На фиг. 12 показаны также направления Z23, Z24 осей цилиндрических линз 23, 24 матриц 21, 22.
На фиг. 12 поясняется, как азимутальный угол проходящего через устройство 20 светового луча поворачивается обеими матрицами 21, 22 сообща на 45°. При этом матрица 21 преобразует угол α между азимутальным углом A1 и направлением Z23 в угол - α. Вслед за этим матрица 22 преобразует угол β между азимутальным углом А2 и направлением Z24 в угол - β.
Оказывается, что за счет угла 45° между направлениями Z23, Z24 осей цилиндрических линз 23, 24 достигается поворот азимутального угла проходящего через устройство 20 светового луча на 90°.
На фиг. 13 изображен другой вариант устройства 25 для преобразования лучей. Оно имеет аналогичную устройству 20 на фиг. 10, 11 конструкцию, однако включает в себя не две матрицы цилиндрических линз, а четыре. В частности, в устройстве 25 предусмотрены две первые 21 и две вторые 22 матрицы, расположенные соответственно друг за другом в направлении распространения света.
1. Устройство (12) для преобразования лучей, содержащее несколько матриц (121) цилиндрических линз (122), которые расположены кольцеобразно рядом друг с другом и содержат каждая цилиндрические линзы (122), оси (Z) которых ориентированы под углом (γ) 45° к радиальному направлению (R) кольцеобразного расположения.
2. Устройство (1) для освещения внутренней стороны (2) цилиндра (3) светом (4), содержащее
гомогенизатор (14), в который может входить и из которого может снова выходить свет (4), причем гомогенизатор (14) имеет цилиндрическую внутреннюю поверхность (15), от которой свет (4) может отражаться после входа перед выходом,
средства для ввода света (4) в гомогенизатор (14),
фокусирующие средства, которые могут фокусировать выходящий из гомогенизатора (14) свет (4) на внутренней стороне (2) освещаемого светом цилиндра (3),
устройство (12, 20, 25) для преобразования лучей, расположенное перед гомогенизатором (14), так что проходящий через устройство (12, 20, 25) для преобразования лучей свет (4) может входить в гомогенизатор (14),
отличающееся тем, что устройством (12, 20, 25) для преобразования лучей является устройство (12, 20, 25) для преобразования лучей согласно п.1.
3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что гомогенизатор (14) выполнен в форме полого цилиндра, причем, в частности, внутренняя боковая поверхность полого цилиндра выполнена отражающей.
4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что внутренняя боковая поверхность полого цилиндра структурирована.
5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что структурирование выполнено в виде отражающей матрицы участков полого цилиндра на внутренней боковой поверхности.
6. Устройство по любому из пп. 2-5, отличающееся тем, что фокусирующие средства выполнены в виде линзы (16), в частности тороидальной линзы (16), или в виде зеркала (18), в частности тороидального зеркала (18), или включают в себя линзу (16), в частности тороидальную линзу (16), или зеркало (18), в частности тороидальное зеркало (18).
7. Устройство по любому из пп. 2-5, отличающееся тем, что оно содержит средства для расширения лучей, которые выполнены с возможностью расширения и/или формирования света (4) перед входом в устройство (12, 20, 25) для преобразования лучей и/или в гомогенизатор (14) таким образом, что сечение луча света (4) имеет внецентренно один или несколько максимумов интенсивности.
8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что оно содержит средства для расширения лучей, которые выполнены с возможностью расширения и/или формирования света (4) перед входом в устройство (12, 20, 25) для преобразования лучей и/или в гомогенизатор (14) таким образом, что сечение луча света (4) имеет внецентренно один или несколько максимумов интенсивности.
