ИСТОЧНИК ПОЛИХРОМНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С УПРАВЛЯЕМЫМ СПЕКТРОМ
CONTROLLED SPECTRUM POLYCHROMATIC RADIATION SOURCE

Изобретение относится к устройствам формирования оптического излучения.
Изобретение предназначено для формирования направленного оптического излучения с заданными спектральными, энергетическими, пространственными, поляризационными и временными характеристиками и может быть использовано в разных областях народного хозяйства, таких, как, например: в медицине, в оптическом приборостроении, в системах оптической обработки информации, в светотехнических и осветительных устройствах.
Известна светодиодная сборка, включающая корпус, линзу для направления света от светодиодов вертикально и горизонтально, а также устройства для регулировки тока, текущего через светодиоды и источник питания (патент США №5765940, F21V 1/00, F21V 21/00, F21V 29/00, B60Q 1/00, опубл. 1998.06.16).
Недостатком данного устройства является невозможность регулировать характеристики выходного излучения в широком диапазоне, так как спектр излучателей достаточно узок и отсутствует возможность управления пространственными характеристиками излучателей.
Широкополосный источник света является ключевым устройством для проведения различных спектрографических анализов. Такие анализы обеспечивают измерение состава сельскохозяйственной продукции и свойств химических веществ. Приборы спектрографического анализа работают в видимом диапазоне, а также имеют важное применение в анализе цветных документов. Известен широкополосный источник света, раскрыт в патенте США №5477322 (опубликован 1995.12.09), включающий множество светоизлучающих диодов, в котором свет через входную щель освещает дифракционную решетку. Свет дифрагирует на решетке и поступает на выходную щель, которая передает узкую полосу света на объект. Так происходит сканирование длин волн выходного спектра от дифракционной решетки.
Главный недостаток этого источника света в том, что в нем содержатся подвижные части (особенно решетка), и поэтому он не обладает компактностью и портативностью. К тому же формирование пространственного распределения интенсивности в выходном излучении такого источника зависит от спектрального состава излучения, вследствие чего снижается эффективность освещения объекта.
Известен широкополосный источник излучения для спектрометра (патент США №6075595, опубликован 2000.06.13.). Этот источник содержит множество светоизлучающих элементов, которые расположены в заранее определенном порядке, и они использованы для освещения дисперсионного элемента. Светоизлучающие элементы расположены друг за другом. Линейная дисперсия длин волн такова, что для каждого излучающего элемента длина волны, выделенная из спектрального диапазона, будет попадать на выходную щель.
Недостатком этого устройства является то, что формирование пространственного распределения интенсивности излучения в пучке света не зависит от длины волны только в ограниченном спектральном диапазоне, в котором удовлетворяются необходимые условия. Результатом этого является уменьшение эффективности излучения, потому что должна быть использована оптическая система с большим значением апертуры для сбора отраженного или рассеянного света на фотоприемном устройстве для обеспечения приемлемого отношения сигнал/шум.
Известен широкополосный источник света, входящий в состав спектрометра, содержащий линейку светоизлучающих элементов. Каждый отдельный светоизлучающий элемент, входящий в состав линейки, излучает в узком волновом диапазоне, но комбинация этих излучений обеспечивает желаемый диапазон длин волн. Способы управления коммутацией, которые включают или выключают отдельный светоизлучающий элемент в заданное время, а также средства мультиплексирования для управления упомянутыми средствами коммутации производят разделение общего волнового диапазона (патент США №5475221, опубликован 1995.12.12).
Недостатком этого устройства является то, что выходное излучение от каждого светоизлучающего элемента в линейке распространяется в различных направлениях или в выделенных длинах волн, что создает в потоке излучения изменение пространственных характеристик в результате коммутирования или мультиплексирования. Специфическое расположение светоизлучающих элементов в этом устройстве не позволяет формировать поток излучения, в котором излучение от каждого отдельного светоизлучающего элемента является составляющей общего потока излучения. Как и вышеупомянутые устройства, эффективность освещения этим устройством объекта невелика.
i
i
i
Известен наиболее близкий к предлагаемому устройству универсальный источник полихромного оптического излучения, содержащий корпус, светоизлучающие элементы, микрооптическую сборку для формирования пространственных характеристик пучка света, дифракционный элемент, оптическую сборку для формирования выходного пучка света (линза), электронное устройство (блок) управления. Дифракционный элемент и светоизлучающие элементы расположены таким образом, что удовлетворяется соотношение d(sinα+sinβ)=mλ, где d - шаг дифракционного элемента, λ - длина волны света от i-го светоизлучающего элемента, β - угол дифракции, m - целое число. Соблюдение этого соотношения обеспечивает совпадение оптических осей пучков света от различных светоизлучающих элементов, направляемых в результате дифракции в первый порядок. Таким образом, формируется общий световой поток от пространственно и спектрально разделенных источников излучения (патент РФ №2287736, опубликован 20.11.2006).
Недостатком этого устройства является то, что предложенная оптическая схема с дуговым расположением светоизлучающих элементов не позволяет сделать источник света достаточно компактным и существенно ограничивает долю собираемого света. У данного устройства эффективность выше, чем у предыдущих рассмотренных выше, но даже при такой схеме не удается собрать больше нескольких процентов световой энергии.
В основу изобретения положена задача создания источника полихромного излучения с управляемым спектром с увеличенной долей света, собираемого в выходной объединенный пучок. Кроме того, в основу изобретения положена задача уменьшения габаритных размеров источника света.
i,i-1
i
i-1
i,i-1
i
i-1
Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в полихромном источнике излучения с управляемым спектром, содержащем корпус, светоизлучающие элементы, микрооптическую сборку, блок управления светоизлучающими элементами, первый дифракционный элемент и линзу, и дополнительно в корпусе установлен второй дифракционный элемент, аналогичный первому и расположенный встречно и параллельно со смещением по отношению к первому дифракционному элементу, при этом светоизлучающие элементы располагаются таким образом, чтобы оптические оси пучков света, излучаемых светоизлучающими элементами, были бы параллельны друг другу, а расстояния между соседними светоизлучающими элементами определяются по формуле d=D(tgα-tgα), где d - расстояние между оптическими осями i-го и i-1-го светоизлучающих элементов, D - расстояние между плоскостями, в которых расположены первый и второй дифракционный элементы, α - угол дифракции i-го пучка от второго дифракционного элемента и падения его на первый дифракционный элемент, a α - угол дифракции i-1-го пучка от второго дифракционного элемента и падения его на первый дифракционный элемент.
В качестве светоизлучающих элементов могут быть установлены светодиоды.
В качестве дифракционных элементов могут быть использованы плоские дифракционные решетки.
Наличие второго дифракционного элемента, аналогичного первому и расположенного встречно и параллельно со смещением по отношению к первому дифракционному элементу позволяет уменьшить габаритные размеры источника света и позволяет параллельно располагать оптические оси пучков света, излучаемых светоизлучающими элементами. Величина смещения выбирается достаточной для того, чтобы пучки света от всех светоизлучающих элементов, дифрагировавшие на втором дифракционном элементе, попали бы на первый дифракционный элемент.
i,i-1
i
i-1
i,i-1
i
i-1
Расположение светоизлучающих элементов на расстоянии между соседними светоизлучающими элементами, определяемом по формуле d=D(tgα-tgα), где d - расстояние между оптическими осями i-го и i-1-го светоизлучающих элементов, D - расстояние между плоскостями, в которых расположены первый и второй дифракционные элементы, α - угол дифракции i-го пучка от второго дифракционного элемента и падения его на первый дифракционный элемент, а α - угол дифракции i-1-го пучка от второго дифракционного элемента и падения его на первый дифракционный элемент, позволяет точно свести пучки света от различных светодиодов на первом дифракционном элементе таким образом, что совпадение оптических осей от пучков света различных светоизлучающих элементов является наиболее полным, что обеспечивает существенное повышение световой мощности в выходном пучке света.
Расположение светоизлучающих элементов таким образом, чтобы оптические оси пучков света, излучаемых светоизлучающими элементами, были бы параллельны друг другу, также позволяет увеличить долю света, собираемую в выходной объединенный пучок благодаря улучшению условий коллимации света, испускаемого светоизлучающими элементами. Кроме того, в данной конфигурации светоизлучающие элементы располагаются в одной плоскости, что облегчает их точную установку по координате. Это, в свою очередь, дает возможность избежать потерь света из-за неточности сведения света от различных светоизлучающих элементов в один пучок.
Использование светодиодов в качестве светоизлучающих элементов позволяет сделать конструкцию источника света малогабаритной и обеспечить высокую мощность выходного объединенного пучка света.
Использование плоских дифракционных решеток в качестве дифракционных элементов способствует компактности устройства.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показана схема источника полихромного излучения с управляемым спектром, в котором используются два идентичных дифракционных элемента, установленные встречно друг другу и смещенные друг относительно друга на некоторое расстояние.
1
2
i
n
1
2
i
n
1
2
i
n
1
2
i
n
i,i-1
i
i-1
i,i-1
i
i-1
На фиг.1 показан источник полихромного оптического излучения с управляемым спектром, содержащий корпус (10), линейку светоизлучающих элементов (11, 11, …, 11, …, 11), излучающих пучки света с центральными длинами волн (λ, λ, …, λ, …, λ,) соответственно. Перед светоизлучающими элементами располагается микрооптическая сборка (12, 12, …, 12, 12). На пути распространения света располагается второй дифракционный элемент (13), расположенный параллельно плоскости расположения светоизлучающих элементов. Первый дифракционный элемент (14) располагается параллельно первому и при этом встречно ему. Смещение второго дифракционного элемента (13) относительно первого достаточно для того, чтобы пучки света от всех светоизлучающих элементов, дифрагировавшие на втором дифракционном элементе, попали бы на первый дифракционный элемент. Линза (15) расположена на пути следования выходного объединенного пучка света. Светоизлучающие элементы (11) установлены в корпусе (10) устройства таким образом, что оптические оси излучаемых ими пучков света параллельны друг другу и перпендикулярны плоскости расположения дифракционного элемента (13). Светоизлучающие элементы устанавливаются таким образом, что центральная длина волны излучаемого ими света уменьшается в направлении удаления светоизлучающих элементов в линейке от первого дифракционного элемента. Расстояние между соседними светоизлучающими элементами зависит от длин волн излучаемого ими света и от расстояния между плоскостями расположения двух дифракционных элементов (13) и (14). Расстояния между соседними светоизлучающими элементами (11) выбираются таким образом, чтобы оптические оси первых дифракционных порядков, направляемых дифракционным элементом (13) под углами α, α, …, α, …, α, сходились бы в одну точку в плоскости второго дифракционного элемента (14). Для этого расстояния определяются по формуле d=D(tgα-tgα), где d -расстояние между оптическими осями i-го и i-1-го светоизлучающих элементов, D - расстояние между плоскостями, в которых расположены первый и второй дифракционный элементы, α - угол дифракции i-го пучка от второго дифракционного элемента и падения его на первый дифракционный элемент (14), а α - угол дифракции i-1-го пучка от второго дифракционного элемента (13) и падения его на первый дифракционный элемент (14). Линейка светоизлучающих элементов соединена с блоком управления (16) светоизлучающими элементами.
Устройство, показанное на фиг.1, работает следующим образом. Пучки света от светоизлучающих элементов (11) проходят через микрооптическую сборку (12) и попадают на второй дифракционный элемент (14) нормально к его поверхности. Микрооптическая сборка (12), расположенная перед светоизлучающими элементами (11), обеспечивает уменьшение угла расходимости световых пучков и способствует тем самым уменьшению световых потерь. Далее свет от светоизлучающих элементов (11) направляется в первые дифракционные порядки, которые попадают на второй дифракционный элемент (13). Как следует из соображений симметрии, в результате дифракции на первом дифракционном элементе (14), расположенном параллельно и встречно второму дифракционному элементу (13), свет, исходящий от всех светоизлучающих элементов, будет направлен в общий дифракционный порядок, нормальный по отношению к поверхности дифракционного элемента (14). Таким образом, возникает единый выходной пучок света, содержащий в общем случае свет от всех светоизлучающих элементов, которые перекрывают весь требуемый спектральный диапазон. Линза (15) окончательно формирует выходной пучок света. Управление формой спектра может быть осуществлено либо включением и выключением соответствующих светоизлучающих элементов, либо регулировкой тока питания соответствующих светодиодов, что реализуется с помощью блока управления светоизлучающими элементами (16).
В качестве светоизлучающих элементов (11) могут быть использованы светодиоды.
В качестве дифракционных элементов (13) и (14) могут использоваться плоские дифракционные решетки.
Предложенный вариант источника полихромного оптического излучения с управляемым спектром, показанный на фиг.1, целесообразно использовать для спектрофотометров различного назначения, в том числе для устройств производства скоростных анализов состава биохимических сред.
Таким образом, с помощью предложенного решения достигнут технический результат увеличения доли света, собираемого в выходной объединенный пучок в источнике полихромного излучения с управляемым спектром. Кроме того, решена задача уменьшения габаритных размеров устройства.