Графоаналитический расчет оптического фильтра с угловым селективным светопропусканием

УДК 535.31, 681.7.06 ББК 22.3

Р. С. ЗАКИРУЛЛИН

ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОПТИЧЕСКОГО ФИЛЬТРА С УГЛОВЫМ СЕЛЕКТИВНЫМ СВЕТОПРОПУСКАНИЕМ

Ключевые слова: оптический фильтр, чередующиеся полосы, направленное свето-пропускание, смещение преломленного луча, линия регулирования.

Описан метод графоаналитического расчета направленного светопропускания оптического фильтра. Фильтр обладает свойством углового селективного регулирования светопропускания за счет относительного расположения решеток с чередующимися пропускающими и поглощающими полосами на двух поверхностях. Установлены закономерности влияния различных комбинаций ширин полос на результаты регулирования. R.S. ZAKTRTTTLTN

GRAPHIC-ANALYTICAL CALCULATTON OF OPTICAL FILTER WTTH ANGULAR SELECTIVE LIGHT TRANSMISSION Key words: optical filter, alternating strips, directional light transmission, offset of refracted beam, line of regulation.

A graphic-analytical method to calculate directional light transmission of optical filter is presented. The filter has property of angular selective regulation of the light transmission due to relative position of gratings with alternating transmissive and absorptive strips on two surfaces. Regularities of the effect of various combinations of widths of the strips on the regulation outcomes are set.

Угловое селективное регулирование направленного светопропускания востребовано при движении источника света и остекленной конструкции друг относительно друга. Особенный интерес представляет регулирование проходящего в помещение дневного света при постоянном движении солнца относительно окна. Для этого применяются различные дополнительные устройства перераспределения световых потоков. В статье оконная конструкция рассматривается как оптический фильтр для регулирования светопропускания без дополнительных устройств. Расчет коэффициентов отражения и пропускания многослойных покрытий оптических фильтров основан на формулах Френеля [8]. Свойства светопропускания оконных систем с жалюзи рассчитываются на основе функции распределения двунаправленного пропускания [3]. Для изменения спектра и интенсивности проходящего в помещение солнечного излучения применяются передовые смарт-стекла различных типов с тонкопленочными покрытиями [7], фотохромными [5], электрохромными [4] и жидкокристаллическими [9] слоями.

Разработан новый способ углового селективного регулирования светопропуска-ния за счет формирования на поверхностях остекленной конструкции пропускающих полос, чередующихся с поглощающими, рассеивающими или отражающими полосами [2, 6]. Селективность светопропускания такого оптического фильтра обеспечивается за счет взаимного расположения двух поверхностных решеток с чередующимися полосами. Угловые оптические характеристики фильтра рассчитываются графоаналитическим методом [1] на основе законов геометрической оптики. В статье установлены основные закономерности влияния ширин чередующихся полос и их расположения на результаты регулирования.

Расчет направленного светопропускания. Графоаналитический расчет плоскопараллельного решеточного фильтра (рис. 1) проводится для случая падения параллельных лучей. Показатель преломления и толщина стекла фильтра n = 1,5 и s = 4 мм. При характеристическом угле падения ©30, равном 30°, центральный падающий луч последовательно проходит через центры чередующихся полос входной и выходной решеток. Шаги полос (суммарные ширины двух соседних чередующихся полос) на обеих решетках равны: tj + t2 = t3 + t4 = 4 мм, где tj и t2 - ширины пропускающих и поглощающих полос на входной решетке, t3 и t4 - то же на выходной решетке.

Для плоскопараллельного фильтра коэффициент направленного светопропускания т рассчитывается по формуле:

т =

h +12

где h - ширина светопропускания (ширина части пропускающих полос выходной решетки, через которую преломленные лучи направленно проходят в пределах одного шага полос) при данном угле падения ©, который определяется через функцию смещения [1] - угловую зависимость смещения l преломленного луча на выходной поверхности относительно непре-ломленного луча при нормальном угле падения:

l = , sin 0 .

- sin2 0

Рис. 1. Расчетная схема решеточного оптического фильтра

Коэффициент светопропускания рассчитывается для пяти фильтров с разными комбинациями ширин чередующихся полос и их взаимного расположения (таблица). На рис. 1 приведена расчетная схема фильтра № 1. Указаны преломленные лучи для углов падения от от 0° до 90° через каждые 10° и для угла 45°, показывающие для этих углов падения границы направленного светопропускания через входную решетку фильтра.

Для диапазона углов падения от 0° примерно до 14° при анализе рис. 1 получена расчетная формула для ширины светопропускания:

Н — 0,5/1 — 0,5/4 + 1з0 _ /,

где 130 — смещение преломленного луча для характеристического угла.

Примерно при угле падения 14°, когда самый нижний луч, прошедший направленно через входную решетку, после преломления точно попадает на нижний край поглощающей полосы выходной решетки, смещение равно: / = —0,5/1 + 0,5/4 + /30. Этот угол падения является экстремальным, его величина точно определяется через функцию арксинус путем подстановки в формулу (2) вычисленного значения смещения — 14,22°.

При дальнейшем увеличении угла падения выделены еще три диапазона с одинаковым характером изменения ширины светопропускания, разделенные экстремальными углами. От 14,22° до 45,55° (величина угла определена из условия / = 0,5/1 — 0,5/4 + /30) ширина светопропускания не изменяется и равна Н = /1 — /4. От 45,55° до 68,53° (из условия / = —0,5/1 + /3 + 0,5/4 + /30) ширина светопропускания возрастает по формуле:

Н — 0,5/1 — 0,5/4 — /30 + /.

Геометрические параметры фильтров От 68,53° до 90° ширина свето-

пропускания не изменяется и равна Н = /3.

Для четырех участков регулирования рассчитаны коэффициенты светопропускания по формуле (1), и на рис. 2 построена линия регулирования 1 (угловая характеристика светопропускания для фильтра № 1).

№ фильтра Ширина полосы, мм Полосы прохождения центрального луча

ti t2 t3 t4 ti: ti

1 3 1 2,5 1,5 ti : t/4

2 3 1 1,0 3,0 ti : t4

3 2 2 2,0 2,0 t1 : t4

4 3 1 3,0 1,0 t1 : t3

5 2 2 2,0 2,0 t1 : t3

/ \

/ \

/ / \ \

/ А' /

> / \ / п

/ у

N \ /

\ / ^3

\

/

„К \ / 4 2

/ \ \ /

\ \ / /5

\ /

\ / N

О 10 20 30 40 50 60 70 0, град

Рис. 2. Угловые характеристики светопропускания фильтров № 1—5

Линии 2-5 на рис. 2 получены по результатам аналогичных графоаналитических расчетов фильтров № 2-5 с параметрами из таблицы.

Сравнение пяти линий регулирования при разных комбинациях ширин полос и их взаимного расположения позволяет сделать следующие выводы:

— участки возрастания и убывания коэффициента светопропускания при углах падения примерно до 60° практически эквидистантны, линейны и симметричны относительно характеристического угла 30°, так как синусоидальная зависимость по формуле (2), влияющая на расчеты этих участков по формулам (3) и (4), в этом диапазоне близка к линейной;

— при больших углах падения регулирование в зависимости от угла падения ослабевает — линии становятся более пологими (линии 3 и 5 по отношению к линии 1), что также связано с синусоидальной зависимостью — синусы больших углов изменяются медленнее;

— при замене местами пропускающих и поглощающих полос на выходной решетке линии регулирования осесимметричны относительно горизонталей (линии 2 и 3 по отношению к линиям 4 и 5, соответственно);

— минимум светопропускания наблюдается в некотором диапазоне углов падения симметрично относительно характеристического угла, когда ширина поглощающей полосы на выходной решетке меньше ширины пропускающей полосы на входной решетке (/4 < /1 для линии 1, причем при приближении значений этих ширин друг к другу угловой диапазон одинакового минимального пропускания сужается);

— при равенстве ширин пропускающей полосы на входной решетке и поглощающей полосы на выходной решетке (/1 = /4 для линий 2 и 3) коэффициент свето-пропускания равен 0 (для линий 4 и 5 при равенстве ширин пропускающих полос обеих решеток соответственно при характеристическом угле наблюдается максимум светопропускания).

Выводы. Полученные результаты необходимо учитывать при применении данного способа углового селективного регулирования направленного светопропускания для достижения оптимальных параметров путем подбора ширин чередующихся полос обеих решеток и их взаимного расположения. Вместо поглощающих полос возможно также применение рассеивающих или отражающих полос, что не влияет на результаты графоаналитического расчета направленного светопропускания.

Литература

1. Закируллин Р.С. Селективное регулирование направленного светопропускания по углам падения лучей // ЖТФ. 2012. Т. 82, вып. 10. С. 134-136.

2. Способ регулирования направленного светопропускания: заявка 2012130148 РФ МПК7 G 02 B 5/20 / Закируллин Р.С. (РФ); заявитель Закируллин Р.С. № 2012130148/28; заявл. 17.07.12; опубл. 10.11.12. Бюл. № 31; приоритет 11.05.10, № 2010/000234 (РСТ).

3. Andersen M., Rubin M., Powles R., Scartezzini J.-L. Bi-directional transmission properties of Venetian blinds: experimental assessment compared to ray-tracing calculations // Solar Energy. 2005. № 78(2). P. 187-198.

4. Andersson A.M., Granqvist C.G., Stevens J.R. Electrochromic LixWO3/poymer lamina-te/LiyV2O5 device: toward an all-solid-state smart window // Appl. Opt. 1989. Vol. 28. P. 3295-3302.

5. Crow J.D., Borrelli N.F., SewardIII T.P., Chodak J. Lightguiding in Photochromic Glasses // Appl. Opt. 1975. Vol. 14. P. 580-585.

6. Expedient of regulation of the directional gear transmission of light: application 13/138,812 US: IPC7 G 02 B 5/22 / U.S. Cl. 359/359; 359/613 / Zakirullin R.S. (Russian Federation); applicant Zakirullin R.S. № 2012/0057225; fil. 29.09.11; publ. 08.03.12; priority 11.05.10, № 2010/000234 (РСТ).

7. Horowitz F., Pereira M.B., de Azambuja G.B. Glass window coatings for sunlight heat reflection and co-utilization // Appl. Opt. 2011. Vol. 50. P. С250-С252.

8. Mazilu M., Miller A., Donchev V. T. Modular Method for Calculation of Transmission and Reflection in Multilayered Structures // Appl. Opt. 2001. Vol. 40. P. 6670-6676.

9. Sueda K., Tsubakimoto K., Miyanaga N., NakatsukaM. Control of spatial polarization by use of a liquid crystal with an optically treated alignment layer and its application to beam apodization // Appl. Opt. 2005. Vol. 44. P. 3752-3758.

ЗАКИРУЛЛИН РУСТАМ САБИРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры теплогазоснабжения, вентиляции и гидромеханики, Оренбургский государственный университет, Россия, Оренбург (rustam.zakirullin@gmail.com).

ZAKIRULLIN RUSTAM SABIROVICH - candidate of technical sciences, associate professor of Heat and Gas Supply, Ventilation and Hydromechanics Chair, Orenburg State University, Russia, Orenburg.

УДК 546.26.538.97 ББК Г124.1

А.В. КОКШИНА, В.Д. КОЧАКОВ, А.Г. КРАСНОВА

ФОТОАКТИВНОСТЬ МЕТАЛЛ-УГЛЕРОДНЫХ ПЛЕНОК

Ключевые слова: металл-углеродные пленки, кадмий, углерод в состоянии Sp1. Представлены результаты исследования фотоактивных пленочных систем металл-углерод на примере системы кадмий - линейно-цепочечный углерод (Cd-ЛЦУ). Приведены РФЭ-спектры и вольт-амперные характеристики систем. Определена ширина запрещенной зоны данных систем.

A.V. KOKSHINA, V.D. KOCHAKOV, A.G. KRASNOVA PHOTOAKTIVITY THE METALL-CARBON FILMS

Key words: metal-carbon films, cadmium, carbon in the state Sp1.

The article presents results of study photoactivity film systems of metal-carbon, for the example - cadmium-linear chain carbon (Cd-LCC). We defined the band gap of this system.

В настоящее время внимание многих исследователей привлечено к изучению различных фотоактивных соединений. Это обусловлено возможностью практического применения данных соединений в качестве фотосопротивлений, различных датчиков, солнечных элементов. Фотопроводимость - увеличение электропроводности под действием света. Как известно, фотоактивные свойства чаще всего проявляют соединения кадмия, теллура, селена. Бинарные соединения этих элементов довольно хорошо изучены.

В данной работе представлены результаты исследования тонкопленочной системы Cd-ЛЦУ, обладающей фотоактивными свойствами.