Осветительная система

(51)5 Р ГОСУДАРСТВЕННЫИПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР МИТЕТТКРЫТИЯМ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТ(57) Изобретение относится к конструкции осветительной системы и может быть использовано в качестве прожектора, а также имитатора солнечного или планетного излучения, Цель изобретения - уменьшение неравномерности. или получение заданного распределения энергии выходящего из осветительной системы лучистого потока. Устройство содержит основное параболоидное зеркало, дополнительное зеркало 2 с профилем, образованным вращением кривой второго порядка вокруг ее оси, один из фокусов 3 которого совмещен с фокусом основного зеркала 1, и источник излучения 6 направленного действия, помещенный вдругой фо- Я20 19 1725768 й Еевич ю,г Составитель И.ЗайцеТехред М.Моргентал анко орректор М.Кучеряв едакт изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 аказ 1189 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Рауушская наб., 4/51725768 щ = агссоз 1 + 2 е соз (у 2 + а) + е кус дополнительного зеркала. При этом дополнительное зеркало совместно с источником излучения 6 по отношению к основному 1 установлено несоосно или с возможностью вращения вокруг общего с основным зеркалом 1 фокуса 3. Источник излучения 6 по отношению к дополнительному зеркалу 2 установлен несоосно или с возможностью вращения вокруг фокуса, в который он помещен. В качестве дополнительного 2 может быть использовано эллипсоидное или гиперболоидное зеркало. При любом положении дополнительного зеркала 2 лучистый поток из источника излучения 6 выходит в Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано в качестве прожектораа, имитатора солнечного или планетного излучения.Цель изобретения - уменьшение неравномерности или получение заданного распределения выходящего лучистого потока.На фиг,1 показана оптическая схема осветительной системы с параболиодным и эллипсоидным зеркалом; на фиг.2 - оптическая.схема осветительной системы с параболоидным и гиперболоидным зеркалами; на фиг.З - формирование распределения энергии отраженного от параболоидного зеркала лучистого потока; на фиг.4 - формирование распределения силы отраженного от эллипсоидного зеркала излучения; на фиг,5 - формирование распределения отраженного от гиперболоидного зеркала излучения; на фиг.б - осветительная система с параболоидным и эллипсоидным зеркалами, общий вид; на фиг.7 - осветительная система с параболоидными и гиперболоидным зеркалами, общий вид; на фиг.8 - зависимость неравномерности Л Е выходящего из осветительной системы лучистого потока от угла а между осями основного и дополнительного зеркал; на фиг.9 - зависимость минимальной неравномерности ГЕмин выходящего из осветительной системы лучистого потока от апертурного угла вк излучения источника,Осветительная система содержит основное зеркало 1 параболоидной формы и дополнительное зеркало с профилем, образованным вращением кривой второго порядка вокруг ее оси. В качестве дополнительного зеркала может быть исдиапазоне углов, отсчитываемых от оси дополнительного зеркала 2 от(1 +е )соз (у 2+а)+2 еа =агссоз1+2 е соз (у 2+а) +е 2 где е - эксцентриситетдополнительногозеркала; - а угол между осями основного и дополнительного зеркал; у 1 - у 2 - диапазон углов, отсчитываемых от оси основного зеркала, в котором на него падает излучение. 4 з,п. ф-лы, 9 ил. пользован гиперболоид 2 (фиг.1), совмещенный своим вторым фокусом 3 с фокусом основного зеркала 1, или эллипсоид 4 (фиг,2), также совмещенный вторым фоку сом 5 с фокусом основного зеркала 1. Впервом фокусе дополнительного зеркала (фиг.1) или 4 (фиг.2) установлен источник 6 излучения направленного действия. При этом дополнительное зеркало по отноше нию к основному зеркалу 1 и источник 6излучения по отношению к дополнительному зеркалу установлены несоосно,Дополнительное зеркало 2 (фиг.1) или 4(фиг.2) совместно с источником 6 излучения 15 может быть установлено с возможностьюповорота вокруг общего с основным зеркалом 1 фокуса (фиг.1) или 5 (фиг,2), при этом источник 6 излучения должен бь 1 ть установлен с возможностью поворота вокруг фоку са, в который он помещен.При любом положении дополнительного зеркала источник б излучения ориентирован таким образом, чтобы выполнялись следующие соотношения25(1 + е ) соз (у 1 + а) + 2 е р 1 = агссоз1 + 2 е соз (у 1 + а) + е 2 и где р 1 - угол между осью дополнительного зеркала и наименее отклоненным от нее лучом выходящего из источника 6 излучения лучистого потока, отсчитываемой от оси дополнительного зеркала по часовой стрелке;2 расстояние от раболоидного 3 угол между ось и падающим на щадьдЯ может б фокуса до текущеиеркала 1; ю параболоидного него лучом. ыть определена где г -точки и У зеркала Плод - .угол между осью дополнительного зеркала и наиболее отклоненным от нее лучом выходящего из источника 6 излучения лучистого потока, отсчитываемый от оси дополнительного зеркала по часовой стрелке;е - эксцентриситет дополнительного зеркала;а - угол между осями основного 1 и дополнительного зеркал, отсчитываемый от оси основного зеркала 1 против часовой стрелки;у 1 - угол между осью основного зеркала 1 и наименее отклоненным от нее лучом падающего на основное зеркало лучистого потока, отсчитываемый от оси основного зеркала 1 по часовой стрелке;у 2 - угол между осью основного зеркала 1 и наиболее отклоненным от нее лучом падающего на основное зеркало 1 лучистого потока, отсчитываемый от основного зеркала 1 по часовой стрелке.Осветительная система работает следующим образом.Лучистый поток генерируется и формируется в заданном телесном угле источником 6 излучения, От источника 6 излучения лучистый поток направляется на допонительное зеркало (фиг.1) или 4 (фиг,2), отражается от него, проходит через общий фокус 3 (фиг.1) или 5 (фиг.2) основного 1 и дополнительного зеркал, падает на основное зеркало 1 и, отражаясь от него, выходит из осветительной системы в виде параллельного пучка лучей.При отражении лучистого потока от основного 1 и дополнительного зеркал распределения энергии в потоке меняется следующим образом.Если лучистый поток направлен на параболоидное зеркало (фиг,З) из его фокуса, то облученность Е элементарной площадки б Я, перпендикулярной оси параболоидного зеркала, составит Е= Х, дИ(1) где 4 И- опирающийся на площадкудЗ элементарный телесный угол с вершиной в фокусе 3 параболоидного зеркала 1; 1 - сила излучения в направлениидИ. Если параболоидное зеркало 1 осесимметрично и источник излучения лежит в его фокусе, то из определения телесного угла ы (ЩГ.ЗЮ. - Ж - 2 ыа(2140 45 ного зеркала 50 55 гласно закону сохранения энергииМ 4 И= у, АИ, (6)где ф, р - силы излучения до и после отражения от эллипсоидного 2 (фиг,4) или гиперболоидного 4 (фиг.5) зеркала;д И,МИд - элементарные телесные углыизлучения до и после отражения от эллипсоидного 2 (фиг.4) или гиперболоидного 4(фиг.5) зеркала.Телесные углы Й ЩАМ определяютсяаналогично И Ив выражении (2), т.е.7 Ид=2 изи у др,д Иу=2 зп 3 4 ф, (7)где р,ф - углы между лучом и осью эллип 10 соидного 2 (фиг,4) или гиперболоидного 4(фиг,5) зеркала до и после отражения от него,Из (6) и (7) следует, что. зиф зи ДсозПри преобразовании выражений для эл 20 25 30(3) Уравнение параболы2 11+сову (4)При подстановке в(1) выражений (2)-(4) может быть определена облученность плоскости, перпендикулярной оси параболоидЕ = - - (1+сову)2412(5)Если источник 6 излучения помещен в один из фокусов 6 (фиг,4) эллипсоидного зеркала 2 или в действительный фокус 6(фиг.5) гиперболоидного зеркала 4, то солипсоида (фиг.4) г созр - г созф=2 а е,для гиперболоида (фиг,5)ор созе+г созф=2 а е,где а - большая полуось эллипсоида 2 или гиперболоида 4;у, г - расстояние от фокуса, в котором расположен источник 6, и от противоположного фокуса до точки зеркала, в которую падает посланный из источника луч;может быть найдена связь между углами р ир, Она одинакова для эллипсоидного 2 и гиперболоидного 4 зеркал и составляет сов р - 2 (9)1+2 е созф+еТак как в устройстве использованы внеосевые зеркала, что эллипсоидное 2 или гиперболоидное 4 зеркало может быть установлено по отношению к параболоидному зеркалу 1 несоосно (т,е, ось эллипсоидного 2 или гиперболоидного 4 зеркала направлена под фиксированным углом по отношению к оси параболоидного зеркала 1) или с возможностью поворота вокруг общего с параболоидным зеркалом 1 фокуса. В этом случае угол между осями параболоидного 1 и эллипсоидного 2 или гиперболоид ного 4 зеркал не фиксирован, а может регулироваться, При этом для формирования лучистого потока используются различ-.ные части эллипсоидного 2 или гиперболоидного 4 зеркала. 10Связь между углами 3 и уопределяется на основании законов векторной алгебры:созе = соз а соз у - з 1 п а зп у соз д,(10) 15где а - угол между осями параболоидного 1 и эллипсоидного 2 или гиперболоидного 4 зеркал;д - угол между плоскостью симметрииосветительной системы (главной меридио нальной плоскостью) и плоскостью, в которой лежит падающий на параболоидное зеркало 1 луч (фиг,6, 7).Путем подстановки (9) и (10) в (8) и (8) в (5) может быть получено выражение для об л учен ности плоскости, п ерпенди куля р ной оси параболоидного зеркала 11(1+соз 1 - е)241 1+2 е(соза созу - зоа зоу созо)+е Выходящий из осветительной системы 30 лучистый поток в силу своей параллельности может быть закоординирован углами между осью параболоидного зеркала 1 и минимально отклоненным от нее лучом падающего на параболоидное зеркало лучи стого потока- у 1(фиг.1,2,6,7) и между осью параболоидного зеркала 1 и максимально отклоненным от нее лучом падающего на параболоидное зеркало лучистого потокаУ 2, 40Из фиг.1,2 и выражений(9) и(10) видно,что для того, чтобы при любом положении эллипсоидного 2 или гиперболоидного 4 зеркал выходящий из осветительной системы лучистый поток имел постоянные грани цы, необходимо, чтобы лучистый поток выходил из источника 6 излучения в диапазоне углов, отсчитываемых от оси гиперболоидного 4 и эллипсоидного 2 зеркала;(12)Если положение эллипсоидного 2 и гиперболоидного 4 зеркала фиксировано (т.е.а = сопи), то р 1, щ= сопзс, При этом источник 6 излучения установлен по отношению к эллипсоидному 2 и гиперболоидному 4 зеркалу несоосно в фиксированном положении.Если эллипсоидное 2 или гиперболоидное 4 зеркало установлено с возможностью поворота вокруг общего с параболоидным зеркалом 1 фокуса (т.е, а = чаг), то р 1, у 2 =чаг. При этом источник 6 излучения должен быть установлен с возможностью поворота вокруг фокуса эллипсоидного 2 или гиперболоидного 4 зеркала, в который он установлен, или таким образом, чтобы он облучал избыточную по сравнению с участвующей в формировании выходящего из системы лучистого потока площадь эллипсоидного 2 или гиперболоидного 4 зеркала. И в том и в другом случае основным условием сохранения границ выходящего из системы лучистого потока является выполнение равенства (12).На основании выражения (11) была рассчитана зависимость неравномерности выходящего из оптической системы лучистого потока Ь Е ( Л Е = (Емакс - Емин)/Еср, где Емакс, Емин, Еср - наибольшая, наименьшая и средняя облученности в поперечном сечении выходящего из осветительной системы параллельного лучистого потока) от угла а при различных эксцентриситетах е дополнительного зеркала, углах у 1, при угле 2 = 109,5 и изотропном в пределах апертуры источнике излучения. Анализ полученных результатов (фиг.8) позволяет сделать следующие выводы:При любых е(кроме е = О) выходящий из осветительной системы лучистый поток имеет минимальную неравномерность при аО, Таким образом оптимальной с точки зрения уменьшения неравномерности выходящего лучистого потока является осветительная система с несоосными основным и дополнительным зеркалами, При этом в не- соосной системе по сравнению с соосной неравномерность выходящего лучистого потока может быть уменьшена в несколько десятков раз. Например, при е = 0,5 и у 1 =90 (крайняя правая кривая на фиг;8) при соосном расположении зеркал ( а= О) неравномерности облученности Л Е составляют 0,15, а при а=5 ГЕ =0,03.Кроме того, при расчете установлено, что с помощью эллипсоидного и гиперболоидного зеркал достигаются одинаковые параметры выходящего из осветительной системы лучистого потока, если выполняется равенство еэл=египгде еэл, еи - эксцентриситеты эллипсоид- ного и гиперболоидного зеркал.Для определения конкретных значений оптимальных углов а необходимо в каждом случае задавать конкретные значения параметров у 1, у 2, е, вк = (р 2 - у 1)/2,Оптимальной с точки зрения уменьшения неравномерности выходящего лучистого потока является осветительная система, в которой оси параболоидного, эллипсоид- ного или гиперболоидного зеркал и источника излучения лежат в одной плоскости.При круговой форме выходящего из оптической системы лучистого потока выходящий из источника излучения лучистый поток должен иметь форму, близкую к круговому ,конусу.При заданных углах у 1 и у минимальная неравномерность излучения, которую можно достигнуть с помощью несоосной системы из параболоидного и эллипсоидного или гиперболоидного зеркал, зависит от апертурного угла (вк = (щ - гр 1)/2)выходящего из источника излучения лучистого потока (фиг.9),Таким образом, несоосность основного и дополнительного зеркал обеспечивает возможность уменьшения неравномерности или получения заданного распределения энергии, выходящего из системы излучения лучистого потока.За счет вращения дополнительного зеркала вокруг общего с основным зеркалом фокуса возможно регулирование распределения энергии выходящего из системы лучистого потока,Целесообразность использования в качестве дополнительного эллипсоидного или гиперболоидного зеркал определяется конструкцией осветительной системы. Напри- мер, дополнительное эллипсоидное зеркало не затянет параболоидное, а дополнительное гиперболоидное зеркало обеспечивает минимальный поперечный габаритосветительной системы.Формула изобретения 1, Осветительная система, содержащая основное зеркало параболоидной формы, дополнительное зеркало с профилем, образованным вращением кривой второго порядка вокруг ее оси, один из фокусов которого совпадает с фокусом основного зеркала, и источник излучения, размещенный в другом фокусе дополнительного зеркала, отл и ч а ю ща я с я тем, что, с целью уменьшения неравномерности или получе" ния заданного распределения энергии выходящего лучистого потока, в качестве источника излучения используется источ р 1 =агссоз1 + 2 е сов у + а) + еи30 1+е сов у 2+а +2 еЪ = агссоз1+2 есоз(уй+а)+егде у - угол между осью дополнительного зеркала и наименее отклоненным от нее лучом выходящего из источника излучения лучистого потока, отсчитываемый от оси дополнительного зеркала по часовой стрелке;щ - угол между осью дополнительногозеркала и наиболее отклоненным от нее лучом выходящего из источника излучения лучистого потока, отсчитываемый от оси дополнительного зеркала по часовой стрелке;е - эксцентриситет дополнительногозеркала;а - угол между осями основного и дополнительного зеркал, отсчитываемый от оси основного зеркала против часовой стрелки;у - угол между осью основного зеркалаи наименее отклоненным от нее лучом падающего на основное зеркало лучистого потока, отсчитываемый от оси основного зеркала по часовой стрелке;у - угол между осью основного зеркалаи наиболее отклоненным от нее лучом пада-.ющего на основное зеркало лучистого потока, отсчитываемый от оси основного зеркала по часовой стрелке. 5 10 15 20 25 ник излучения параллельного действия, а дополнительное зеркало по отношению к основному и источник излучения по отношению к дополнительному зеркалу установлены несоосно,2, Система по п,1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что дополнительное зеркало совместно с источником излучения установлено с возможностью поворота вокруг фокуса основного зеркала, а источник излучения установлен с возможностью поворота вокруг фокуса дополнительного зеркала, в который он помещен.3. Система по п.1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что дополнительное зеркало выполнено эллипсоидным.4. Система по п.1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что дополнительное зеркало выполнено гиперболоидным.5. Система по п.1, отл и ч а ю ща я с я тем, что при любом положении дополнительного зеркала источник излучения ориентирован относительно оси последнего таким образом, чтобы выполнялись следующие соотношения