Прожекторы

Виды осветительных систем и их характеристики

Осветительные и проекционные системы

Осветительная система предназначена для создания необходимой освещенности предмета, рассматриваемого или проецируемого оптическим прибором. Она должна собрать максимально возможную часть общего светового потока, даваемого источником света, обеспечить ему требуемое направление. В данном курсе мы рассмотрим лишь основные аспекты, более подробно осветительные системы и методы их расчёта будут рассмотрены в курсе «Осветительных установок».

Для освещения предметов конечных размеров используются следующие три схемы:

- освещаемый предмет находится в бесконечности; источник света расположен в передней фокальной плоскости осветительной оптической системы, которую в этом случае называют коллиматором или прожектором;

- оптическая система проецирует источник света непосредственно на освещаемый предмет- конденсоры;

- осветительная система образует изображение источника в плоскости входного зрачка последующей оптической системы- проекционные системы.

Для освещения удаленных предметов, а также для оптической сигнализации служат прожекторы. Прожектор состоит из источника света, лучи от которого с помощью оптической системы собираются к направляются в пределах сравнительно небольшого телесного угла (рис.75).

Основными оптическими характеристиками прожектора являются:

• сила света,

• коэффициент усиления,

• угол рассеяния и

• дистанция оформления пучка.

Оптические системы прожекторов могут быть зеркальными, зеркально-линзовыми и линзовыми. Зеркальная система представляет собой сферическое или параболоидное зеркало с наружным отражающим покрытием. Примером зеркально-линзового прожектора является зеркало Манжена (рис 75, а), для которого r1 = f' и r2 = 1,5f' при п = 1,5.

Рисунок 75. Оптические системы прожекторов

а) зеркало Манжена б) линза Френеля.

Сечение кольцевой линзы Френеля (рис 75, б). В центре линзы кольца, наружные поверхности которых являются частями тороидальных поверхностей. По краям линзы - кольца, где помимо преломления происходит полное внутреннее отражение.

Линза Френеля - сложная составная линза, применяемая в маячных и сигнальных фонарях. Предложена О.Ж.Френелем. Состоит не из цельного шлифованного куска стекла со сферическими или иными поверхностями, как обычные линзы, а из отдельных примыкающих друг к другу концентрических колод небольшой толщины, которые в сечении имеют форму призм специального профиля. Эта конструкция обеспечивает малость толщины (а следовательно, и веса) линзы Френеля даже при большом угле охвата. Сечения колец таковы, что сферическая аберрация линзы Френеля невелика, и лучи света от точечного источника S, помещенного в фокусе F линзы Френеля, после преломления в кольцах выходят практически параллельным пучком (в кольцевых линзах Френеля).

Линзы Френеля бывают кольцевыми и поясными. Кольцевые линзы Френеля представляют собой систему, получаемую вращением изображенного на профиля вокруг оптической оси SO, они направляют световой поток в каком-либо одном направлении. Поясные линзы Френеля получают вращением этого же профиля вокруг оси АSА', перпендикулярной SO; они посылают свет от источника по всем горизонтальным направлениям. Диаметр линзы Френеля от 10-20 см до нескольких метров.

4.2.1.2 Конденсоры.

Осветительная оптическая система, создающая действительное изображение источника света на конечном расстоянии от нее, называется конденсором. Конструкция конденсора определяется его основными оптическими характеристиками:

- линейное увеличение β и

- угол охвата 2σА.

Эти характеристики для каждой конструкции конденсора имеют свои предельные значения.

Рисунок 76. Оптические схемы конденсоров

Простейший сферический однолинзовый конденсор (рис.76, а) представляет собой двояковыпуклую линзу. Его угол охвата и наиболее предпочтительное увеличение равно -1. Двухлинзовый конденсор обеспечивает угол охвата до 50°. Наибольшее применение имеет конденсор из двух одинаковых плоско-выпуклых линз (рис. 76,б). Линейное увеличение такого конденсора составляет - (1 - 3)х. Для обеспечения больших линейных увеличений порядка - (10 - 15)х используют Двухлинзовый конденсор, у которого первая линза - апланатический мениск, а вторая - двояковыпуклая (рис. 76, в). Трехлинзовый конденсор (рис. 76, г) имеет угол охвата 60 – 70о, его линейное увеличение составляет - (1,5 - 6)х. Угол охвата у четырехлинзового конденсора (рис. 76, д) свыше 80 - 90°, линейное увеличение не превышает - 6х. Дальнейшее увеличение угла охвата конденсора до 110^о и более достигается за счет применения линз с асферическими поверхностями.

Угол охвата до 180^о и более имеют зеркальные конденсоры. В зеркальных системах отсутствуют хроматические аберрации. Они имеют меньшую массу по сравнению с линзовыми системами при равных относительных отверстиях и больший коэффициент пропускания. Простейший конденсор - вогнутое сферическое зеркало с углом охвата до 110^о и линейным увеличением до - 5х

- применяется редко вследствие большой сферической аберрации, приводящей к значительным потерям светового потока. Чаще всего используется эллипсоидное зеркало. В эллипсоидных конденсорах наиболее полно используется световой поток, а угол охвата достигает 140о

(рис. 76, е). В кинопроекторах применяют сфероэллипсоидные конденсоры, представляющие собой стеклянные детали с преломляющей сферической поверхностью и эллипсоидной отражающей поверхностью (2 σ_A ≤ 140 ^o, β до -8 х).

Растровые осветители. Для освещения удаленных объектов в дальномерах и локаторах используются лазеры с афокальной насадкой. Лучшие результаты в отношении равномерности освещенности могут быть получены в осветительных системах, содержащих линзовые растры. Растровые осветители широко используются в микроэлектронном производстве для установок контактной печати, фотоповторителей, фотонаборных машин и установок неконтактного размножения фотошаблонов.