ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности к осветительным оптическим устройствам, и может быть использована для создания источников направленного излучения для освещения местности.
Известно [1] осветительное оптическое устройство (ООУ) с использованием излучателя, у которого расходимости пучка излучения различны в взаимно перпендикулярных плоскостях. Оно включает излучатель, и формирующую оптическую систему, включающую коллимирующую линзу для приема излучения, две ортогональные цилиндрические линзы с общей фокальной плоскостью, выпуклую положительную линзу, имеющую фокус в общей фокальной плоскости. ООУ [1] позволяет получить пучок излучения с необходимыми расходимостями в взаимно перпендикулярных плоскостях, в том числе и пучок с большим сектором обзора горизонтальной местности. Недостатком ее является сложная конструкция из-за наличия нескольких оптических элементов.
Более простая конструкция ООУ описана в [2], являющаяся наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату и выбранная в качестве прототипа.
ООУ [2] включает формирующую оптическую систему, выполненную в виде объектива с положительным фокусным расстоянием, и излучатель, имеющий излучающую поверхность в виде прямоугольной полосы, ширина которой пренебрежимо мала по сравнению с длиной.
При выборе параметров формирующей оптической системы, излучателя с определенными геометрическими характеристиками указанной излучающей поверхности и с определенными пространственно-энергетическими характеристиками пучка излучения, связанными определенными соотношениями друг с другом и пространственно-энергетическими характеристиками пучка излучения ООУ, реализована простая конструкция ООУ.
Однако ООУ [2] возможно реализовать только при условии, что, ширина излучающей поверхности излучателя в виде прямоугольной полосы пренебрежимо мала по сравнению с ее длиной.
Задачей полезной модели является упрощение конструкции ООУ при использовании излучателя, имеющего любые соотношения ширины и длины излучающей поверхности в виде прямоугольной полосы.
w
d
Сущность полезной модели заключается в том, что в осветительном оптическом устройстве, включающем формирующую оптическую систему, выполненную в виде объектива с положительным фокусным расстоянием, и излучатель, имеющий излучающую поверхность в виде прямоугольной полосы, в отличие от прототипа, излучатель выполнен таким образом, что ширина d и длина w указанной полосы, и расходимости α, и α пучка излучения излучателя в плоскостях, проходящих перпендикулярно ее излучающей поверхности через середину излучающей прямоугольной полосы параллельно и перпендикулярно ее длинной стороне, соответственно, выбраны удовлетворяющими соотношениям:
w
d
w
d
tg(α/2)/tg(α/2)<min[w/d, tg(β/2)/tg(β/2)],
или
w
d
w
d
tg(α/2)/tg(α/2)>max[w/d, tg(β/2)/tg(β/2)],
w
d
где min и max - минимальное и максимальное значения, выбираемые из двух величин в скобках, β и β - расходимости пучка излучения осветительного оптического устройства в плоскостях, проходящих через геометрическую ось осветительного оптического устройства через середину излучающей прямоугольной полосы параллельно и перпендикулярно ее длинной стороне, соответственно,
f
а формирующая оптическая система выполнена так, что диаметр входного зрачка D и передний фокальный отрезок S объектива, расстояние Δ от его переднего фокуса до излучающей поверхности излучателя и фокусное расстояние f' объектива связаны соотношениями:
2>f'/Q>0,5,
где
w
d
Осветительное оптическое устройство возможно реализовать таким образом, что излучатель выполнен так, что ширина d и длина w указанной полосы, и расходимости α и α пучка излучения излучателя выбраны удовлетворяющими соотношениям:
w
d
w
d
d/w«1 и tg(α/2)/tg(α/2)<[tg(β/2)/tg(β/2],
f
а формирующая оптическая система выполнена так, что диаметр входного зрачка D и передний фокальный отрезок S объектива, расстояние Δ от его переднего фокуса до излучающей поверхности излучателя и фокусное расстояние f' объектива связаны соотношениями:
2>f'/Q>0,5,
где
w
d
Осветительное оптическое устройство возможно реализовать таким образом, что излучатель выполнен так, что ширина d и длина w указанной полосы, и расходимости α и α пучка излучения излучателя выбраны удовлетворяющими соотношениям:
w
d
d/w«1 и tg(α/2)«tg(α/2),
f
а формирующая оптическая система выполнена так, что диаметр входного зрачка D и передний фокальный отрезок S объектива, расстояние Δ от его переднего фокуса до излучающей поверхности излучателя и фокусное расстояние f' объектива связаны соотношениями:
2>f'/Q>0,5,
где
w
d
Осветительное оптическое устройство возможно реализовать таким образом, что излучатель выполнен так, что ширина d и длина w указанной полосы, и расходимости α и α пучка излучения излучателя в плоскостях, проходящих перпендикулярно ее излучающей поверхности через середину излучающей прямоугольной полосы параллельно и перпендикулярно ее длинной стороне, соответственно, выбраны удовлетворяющими соотношениям:
w
d
d/w«1 и tg(α/2)/tg(α/2)<2,
а формирующая оптическая система выполнена так, что диаметр входного зрачка D объектива, расстояние Δ от его переднего фокуса до излучающей поверхности излучателя и фокусное расстояние f' объектива связаны соотношениями:
D/f'>0,79, 2>f'(мм)/15,0>0,5,
w
d
Осветительное оптическое устройство возможно реализовать таким образом, что излучатель выполнен так, что ширина d и длина w указанной полосы, и расходимости α и α пучка излучения излучателя в плоскостях, проходящих перпендикулярно ее излучающей поверхности через середину излучающей прямоугольной полосы параллельно и перпендикулярно ее длинной стороне, соответственно, выбраны удовлетворяющими соотношениям:
w
d
d/w«1 и tg(α/2)/tg(α/2)<0,35,
а формирующая оптическая система выполнена так, что диаметр входного зрачка D объектива, расстояние Δ от его переднего фокуса до излучающей поверхности излучателя и фокусное расстояние f' объектива связаны соотношениями:
D/f'>0,5, 2>f'(мм)/15,0>0,5,
Осветительное оптическое устройство возможно реализовать таким образом, что в качестве излучателя использован лазерный диод или светодиод.
w
d
Выполнение излучателя, имеющего излучающую поверхность в виде прямоугольной полосы, таким образом, что ширина d и длина w указанной полосы, и расходимости α и α пучка излучения излучателя в плоскостях, проходящих перпендикулярно ее излучающей поверхности через середину излучающей прямоугольной полосы параллельно и перпендикулярно ее длинной стороне, соответственно, выбраны удовлетворяющими соотношениям:
w
d
w
d
tg(α/2)/tg(α/2)<min[w/d, tg(β/2)/tg(β/2)],
или
w
d
w
d
tg(α/2)/tg(α/2)>max[w/d, tg(β/2)/tg(β/2)],
w
d
где min и max - минимальное и максимальное значения, выбираемые из двух величин в скобках, β и β - расходимости пучка излучения ООУ в плоскостях, проходящих через геометрическую ось ООУ через середину излучающей прямоугольной полосы параллельно и перпендикулярно ее длинной стороне, соответственно, позволяет использовать формирующую оптическую систему с положительным фокусным расстоянием для формирования освещающего пучка ООУ с заданными расходимостями при разных соотношениях ширины и длины излучающей поверхности излучателя.
Выполнение формирующей оптической системы со следующей связью параметров, определенной соотношениями:
2>f'/Q>0,5,
где
позволяет, во-первых, полностью использовать весь поток излучения излучателя, во-вторых, получить заданные расходимости пучка излучения ООУ в плоскостях, проходящих через геометрическую ось ООУ через середину излучающей прямоугольной полосы параллельно и перпендикулярно ее длинной стороне, и соответственно, создать простую конструкцию ООУ при использовании излучателя, имеющего разные соотношения ширины и длины излучающей поверхности в виде прямоугольной полосы.
w
d
Возможная реализация ООУ таким образом, что излучатель выполнен так, что ширина d и длина w указанной полосы, и расходимости α и α пучка излучения излучателя выбраны удовлетворяющими соотношениям:
w
d
w
d
d/w«1 и tg(α/2)/tg(α/2)<tg(β/2)/tg(β/2),
f
и возможное выполнение формирующей оптической системы таким образом, что диаметр входного зрачка D и передний фокальный отрезок S объектива, расстояние Δ от его переднего фокуса до излучающей поверхности излучателя и фокусное расстояние f' объектива связаны соотношениями:
2>f'/Q>0,5,
где
позволяет упростить оптическую схему формирующей оптической системы.
w
d
Возможная реализация ООУ таким образом, что излучатель выполнен так, что ширина d и длина w указанной полосы, и расходимости α и α пучка излучения излучателя выбраны удовлетворяющими соотношениям:
w
d
d/w«1 и tg(α/2)«tg(α/2),
f
и возможное выполнение формирующей оптической системы таким образом, что диаметр входного зрачка D и передний фокальный отрезок S объектива, расстояние Δ от его переднего фокуса до излучающей поверхности излучателя и фокусное расстояние f' объектива связаны соотношениями:
2>f'/Q>0,5,
где
w
d
позволяет упростить оптическую схему формирующей оптической системы при использовании излучателя, имеющего ширину d излучающей поверхности в виде прямоугольной полосы значительно меньше ее длины w, и имеющего расходимость α пучка излучения излучателя в плоскости, проходящей перпендикулярно ее излучающей поверхности через середину излучающей прямоугольной полосы параллельно ее длинной стороне, значительно меньшую расходимости α пучка излучения излучателя в плоскости, проходящей перпендикулярно ее излучающей поверхности через середину излучающей прямоугольной полосы перпендикулярно ее длинной стороне.
w
d
Возможная реализация ООУ таким образом, что излучатель выполнен так, что ширина d и длина w указанной полосы, и расходимости α и α пучка излучения излучателя в плоскостях, проходящих перпендикулярно ее излучающей поверхности через середину излучающей прямоугольной полосы параллельно и перпендикулярно ее длинной стороне, соответственно, выбраны удовлетворяющими соотношениям:
w
d
d/w«1 и tg(α/2)/tg(α/2)<2,
и возможное выполнение формирующей оптической системы таким образом, что диаметр входного зрачка D объектива, расстояние Δ от его переднего фокуса до излучающей поверхности излучателя и фокусное расстояние f' объектива связаны соотношениями:
D/f'>0,79, 2>f'(мм)/15,0>0,5,
позволяет упростить оптическую схему формирующей оптической системы прожекторных систем с расходимостью пучка излучения ~1° при использовании в качестве излучателя лазерного диода.
w
d
Возможная реализация ООУ таким образом, что излучатель выполнен так, что ширина d и длина w указанной полосы, и расходимости α и α пучка излучения излучателя в плоскостях, проходящих перпендикулярно ее излучающей поверхности через середину излучающей прямоугольной полосы параллельно и перпендикулярно ее длинной стороне, соответственно, выбраны удовлетворяющими соотношениям:
w
d
d/w«1 и tg(α/2)/tg(α/2)<0,35,
и возможное выполнение формирующей оптической системы таким образом, что диаметр входного зрачка D объектива, расстояние Δ от его переднего фокуса до излучающей поверхности излучателя и фокусное расстояние f' объектива связаны соотношениями:
D/f'>0,5, 2>f'(мм)/15,0>0,5, ,
позволяет упростить оптическую схему формирующей оптической системы для оптических систем накачки лазеров при использовании в качестве излучателя лазерного диода.
Возможная реализация ООУ с использованием в качестве излучателя лазерного диода или светодиода позволяет упростить конструкцию ООУ.
Полезная модель поясняется чертежом.
На фигуре представлена оптическая схема ООУ.
w
d
ООУ включает в себя излучатель 1, в качестве которого используется лазерный диод (ЛД) с длиной волны излучения λ=0,803 мкм, и формирующую оптическую систему, выполненную в виде объектива 2 с положительным фокусным расстоянием f'. ООУ обеспечивает заданные расходимости пучка излучения в плоскостях, проходящих через геометрическую ось ООУ через середину излучающей прямоугольной полосы ЛД параллельно и перпендикулярно ее длинной стороне, соответственно, в горизонтальной плоскости, равную β=1,5°, а в вертикальной плоскости, равную β=0,75°.
w
d
ЛД 1 имеет излучающую поверхность (показана на фиг. в проекции) в виде прямоугольной полосы, ширина d которой равна 1 мкм, а длина w равна 200 мкм. ЛД 1 установлен в ООУ так, что его излучающая поверхность перпендикулярна геометрической оси ООУ, проходящей вдоль оптической оси объектива 2. Расходимость пучка излучения ЛД равна (по уровню 0,5 от максимального значения плотности мощности): α=6,75° и α=43° в плоскостях, проходящих перпендикулярно излучающей поверхности ЛД через середину излучающей прямоугольной полосы параллельно и перпендикулярно ее длинной стороне, соответственно, что обеспечивает выполнение условия:
w
d
w
d
tg(α/2)/tg(α/2)=0,15<2=min[w/d, tg(β/2)/tg(β/2)],
f
Объектив 2 имеет выходной зрачок D=5,3 мм, передний фокальный отрезок S объектива 2 равен 5,56 мм, фокусное расстояние f' положительное и равно 8,8 мм для длины волны излучения 0,803 мкм. ЛД 1 находится на расстоянии  мм от переднего фокуса объектива 2.
f
Диаметр входного зрачка D и передний фокальный отрезок S объектива, фокусное расстояние его f', и расстояние Δ от его переднего фокуса до излучающей поверхности ЛД связаны соотношениями:
2>(f'=8,8 мм)/(15,0 мм)>0,5,
ООУ работает следующим образом.
w
d
ЛД 1 излучает с поверхности в виде прямоугольной полосы, имеющей ширину d и длину w, пучок излучения с λ=0,803 мкм и с расходимостью α и α в плоскостях, проходящих перпендикулярно ее излучающей поверхности через середину излучающей прямоугольной полосы параллельно и перпендикулярно ее длинной стороне, соответственно.
w
d
Объектив 2 принимает и преобразует этот поток излучения в пучок излучения ООУ с расходимостью β и β в плоскостях, проходящих через геометрическую ось ООУ через середину излучающей прямоугольной полосы ЛД параллельно и перпендикулярно ее длинной стороне, соответственно.
В данном случае ООУ освещает горизонтальную поверхность пучком излучения с расходимостью 1,5° по горизонту и расходимостью 0,75° по вертикали.
Таким образом, ООУ обеспечивает простую конструкцию для формирования пучка излучения с заданными расходимостями в взаимно перпендикулярных плоскостях при использовании излучателя, имеющего любые соотношения ширины и длины излучающей поверхности в виде прямоугольной полосы.
Использованные источники информации:
1. Патент ЕР №1331709 А1, МПК Н01S 5/00, опубл. 2004 г.
2. Патент BY №4020, МПК F21S 2/00, опубл. 30.12.2007 г (прототип).