СУММАТОР ИЗЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам - сумматорам оптического излучения импульсных источников излучения, в том числе с большой расходимостью выходного луча, например, импульсных светодиодов, импульсных ламп и может быть использовано в технологическом оборудовании, в бытовых приборах, в медицине, в системах постановки оптических помех, в системах охраны объектов и т.д. Сумматоры излучения импульсных источников позволяют построить уникальный по яркости некогерентный квазинепрерывный источник света. В качестве источников света используемых в сумматоре возьмем импульсные ксеноновые лампы. Они обладают очень высокой яркостью, которая превышает яркость непрерывных источников света (ксеноновых ламп) более чем в 10 раз. При вращении зеркала импульсы излучение ксеноновых ламп будет следовать друг за другом. При этом, в зависимости от длительности импульса отдельных ламп и их количества, установленного в сумматоре, устройство будет излучать либо импульсы требуемой длительности, либо квазинепрерывное излучение. Яркость излучения такого источника будет превосходить яркость непрерывных источников излучения в 3-5 раз (учитывая размытие изображения источников излучения при движении зеркала и непрямоугольную форму импульса).
Существуют сумматоры оптического излучения, например, US 4154507, кл. G02B 27/14, опубл. 1979, содержащие по направлению хода лучей набор сложных оптических элементов, в том числе V-образное зеркало.
Недостатком таких систем являются чрезмерное увеличение размеров и высокая стоимость оригинальных оптических компонент.
Наиболее близким устройством по технической сущности к заявляемой полезной модели является оптический сумматор световых лучей, патент US 4311360, кл. G02B 27/14, опубл. 1982 г., содержащий несколько лазеров с небольшой расходимостью выходного излучения и набор вращающихся зеркал, пространственное положение которых синхронизировано с моментом излучения лазерных импульсов. Существенным недостатком такой системы является невозможность суммирования множества импульсных излучателей с большим углом расходимости выходного луча, высокая сложность и стоимость.
Предлагаемый сумматор лишен приведенных выше недостатков, таких как большие размеры, высокая стоимость оригинальных оптических компонент и невозможность суммирования множества импульсных излучателей с большим углом расходимости выходного луча.
Задачей полезной модели является упрощение конструкции, расширение функциональных возможностей, а именно, обеспечение возможности использования в качестве источников излучения излучателей с большим углом расходимости выходного луча, а также расширение арсенала технических средств.
Раскрытие полезной модели.
Для решения данной задачи предложен сумматор излучения, содержащий множество импульсных источников излучения, зеркало, выполненное с возможностью вращения, и синхронизирующее устройство запуска каждого источника излучения.
Заявленный сумматор отличается тем, что зеркало установлено под углом 30-60° к оптической оси сумматора, причем ось вращения зеркала совпадает с оптической осью, а множество импульсных источников излучения расположено вокруг упомянутого зеркала на одинаковом расстоянии от оптической оси в плоскости, перпендикулярной оптической оси, при этом синхронизирующее устройство запуска выполнено с возможностью запуска каждого источника излучения так, что луч, совпадающий с осью симметрии пучка, излучаемого упомянутым источником излучения, падает на поверхность зеркала в точку ее пересечения с осью вращения зеркала, и после отражения от зеркала проходит вдоль оптической оси сумматора. В контексте данной заявки под точкой пересечения понимается не только геометрическая точка, но и область в пределах телесного угла, составляющего 0.2α, где а телесный угол расходимости пучка, излучаемого упомянутым источником излучения. То же относится и к пути распространения луча вдоль оптической оси после отражения от поверхности зеркала, а именно, это означает, что луч может проходить не только по оси, но и в области около оси в пределах телесного угла, составляющего 0.2α.
В случае необходимости сохранения импульсной яркости суммируемых источников излучения, предельная угловая скорость вращения зеркала предпочтительно равна ω=0.05·a/t·b, где t - длительность импульса излучения отдельного источника, b - расстояние от источника излучения до оптической оси сумматора, а - габаритный размер источника излучения.
Сумматор излучения может дополнительно содержать оптическую систему, формирующую диаграмму направленности излучения.
В предпочтительном варианте множество импульсных источников излучения содержит, по меньшей мере, один непрерывный или квазинепрерывный источник излучения.
Множество источников излучения может быть выбрано из группы, включающей импульсные лампы, светодиоды, лазерные диоды и их комбинации.
Множество источников излучения могут иметь различные спектральные и/или энергетические характеристики.
Предлагаемая конструкция сумматора является более простой и компактной по сравнению с известными аналогами, поскольку в ней имеется возможность использования не только источников лазерного излучения, но и излучателей с большим углом расходимости выходного луча, включая более дешевые импульсные лампы, светодиоды, лазерные диоды, а также позволяет расширить сферу применения заявленного сумматора в различных оптических приборах.
Краткое описание чертежей
Конструкция сумматора проиллюстрирована чертежами, представленными на Фигурах.
На Фиг. 1 представлена схема сумматора излучения согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения изобретения.
На Фиг. 2 представлена схема сумматора излучения согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения.
На Фиг. 3 представлена схема сумматора излучения согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения изобретения,
На Фиг. 4 схематически представлен пример использования сумматора излучения в осветительном устройстве.
Вариант осуществления полезной модели.
Сумматор, показанный на Фиг. 1, содержит вращающееся зеркало 1, установленное на оси 2 вращения, совпадающей с оптической осью 3 сумматора, множество импульсных источников 4 излучения, расположенных вокруг оптической оси 3 в плоскости, перпендикулярной оптической оси. Плоскость зеркала 1 наклонена под углом 30-60° к оптической оси, тем самым обеспечивая направленность выходного излучения всех источников 4 вдоль оптической оси и суммирования их выходных энергий. Ось 2 вращения зеркала 1 соединена с валом шагового двигателя 5. В предпочтительном варианте на Фиг. 1 зеркало 1 установлено под углом 45° к оптической оси. На Фиг. 2 показан пример установки зеркала под углом 60°. Момент излучения импульса каждого источника 4 синхронизирован с определенным пространственным положением вращающегося зеркала 1 посредством синхронизирующего устройство запуска источника излучения. В показанном на Фиг. 1 варианте выполнения изобретения оно может содержать генератор 7 тактовых импульсов, блок поджига 6 и драйвер 8 шагового двигателя.
Существуют определенные ограничения угловой скорости вращения зеркала и, при определенной длительности импульса, времени излучения каждого отдельного источника. Поскольку изображение источника излучения формируется с участием вращающегося зеркала, происходит размытие изображения излучателя. Оценим предельную скорость вращения зеркала, а, следовательно, и минимальный период суммирования излучаемой энергии. Зададим величину размытия изображения излучателя на уровне 10% от размера источника излучения. Предположим, что угловая скорость вращения зеркала равна ω. Угол поворота зеркала за время импульса t составляет φ=ω·t, где t - длительность импульса излучения отдельного источника. Величина размытия изображения источника излучения за время единичного импульса составляет Δ=2·φ·b=0.1·a, где b - радиус окружности, на которой расположены источники излучения (расстояние до оптической оси сумматора), a - габаритный размер источника излучения. Тогда, предельная угловая скорость вращения зеркала, обеспечивающая размытие изображения не более 10% оставляет ω=0.1·a/2·t·b=0.05·a/t·b. Частота вращения зеркала η будет составлять n=ω/2·π=0.1·a/4·π·t·b=a/40·π·t·b. Для формирования выходного луча определенной направленности в конструкции сумматора может быть предусмотрена оптическая система 9, которая проецирует изображение источников 4 излучения в нужную область пространства (Фиг. 3).
Сумматор работает следующим образом. Генератор 7 тактовых импульсов подает сигнал на драйвер 8 шагового двигателя. Под управлением драйвера 8 двигатель 5 поворачивает зеркало 1, закрепленное на его валу, на требуемое количество шагов. Количество шагов фиксируется схемой управления поджига (на Фиг. 1 не показана), которая на определенном шаге двигателя подает сигнал на блок 6 поджига требуемого источника. Излучение импульса света происходит в тот момент времени, когда изображение источника 4 оказывается на оптической оси 3 сумматора. Таким образом, последовательно по мере вращения зеркала 1 происходит излучение импульсов всех источников 4 излучения сумматора. Полный оборот зеркало 1 совершает за время около 0.1 секунды. В течение секунды происходит подзарядка схемы питания от аккумулятора либо бортовой сети (на чертежах не показаны) и устройство излучает следующий импульс. Синхронизацией момента излучения источника 4 и положения зеркала обеспечивается суммирование всех изображений источников 4 излучения сумматора в одной 5 области пространства. Для формирования диаграммы направленности выходного луча могут быть использованы дополнительные оптические элементы 9.
Пример использования заявленного сумматора в оптической системе представлен на Фиг. 4. Оценим предельную угловую скорость вращения зеркала 1, вращающегося электрическим двигателем 5 для малогабаритного сумматора диаметром 40 мм с набором импульсных ксеноновых ламп размером 9×3 мм (Trim Хе 1.3 FTA фирмы PerkinElmer, http://www.optoelectronics.perkinelmer.com) и оптической системой 9 формирования выходного луча. Согласно техническим характеристикам, длительность импульса излучения такой лампы составляет около 0.0001 секунды. Предельная угловая скорость вращения зеркала 1 в такой системе, при условии размытия изображения источника не более 10%, составляет ω=75 рад/с, что соответствует частоте вращения двигателя 11.9 оборотов в секунду. Для ряда применений эта величина абсолютно приемлема.
Оценим величину излучаемой мощности данного сумматора, приведенного на Фиг. 4. При внешнем габаритном размере сумматора 40 мм количество источников излучения 4 (ламп), которые поместятся внутри при расположении ламп Trim Хе 1.3 FTA по окружности вдоль меньшей стороны, составит 32 шт.Предельная мощность этих ламп, согласно паспортным данным, указанным производителем на вышеуказанном сайте, составляет 2.05 Вт·с. Таким образом, общая энергия ламп сумматора составит 32×2.05 Дж=65.6 Дж. При периоде поворота зеркала T=0.1 с, суммарная мощность составит 656 Вт. Преобразование электрической мощности импульсной ксеноновой лампы в излучаемую оптическую мощность в спектральном диапазоне 200-1100 нм составляет около 50% (http://www.htds.fr/doc/optronique/sourcesLumineuses/LampesFlash.pdf). Таким образом, выходная мощность излучения сумматора составит более 300 Вт.
Данная конструкция проста, надежна в эксплуатации и позволяет создавать компактные и сверхмощные динамические сумматоры светового, а также широкополосного излучения.
Использование в группе излучателей источников излучения с различными спектральными и/или энергетическими характеристиками позволяет существенно расширить технические параметры сумматора и сконструировать новые оптические системы на его основе.