Универсальный источник полихромного оптического излучения

Универсальный источник полихромного оптического излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.

Известен универсальный светодиодный фонарь, содержащий несколько источников света, рефлектор, оптическую систему, аккумуляторную батарею и коммутатор, причем источник света представляет собой плату со светодиодами в виде узкой полосы, изогнутой в форме параболы, а также имеется коллиматор и световод. При этом источник света со светодиодами располагается в сплошном пластмассовом корпусе, имеющем вид сектора, выпуклая сторона которого согнута по форме параболы или параболоида и снабжена светодиодами, а узкая полоса усечена и сочленена с коллиматором или линзой (патент РФ №2194212, F 12 L 17/00, F 21 Y 101:02, опубл. 2002.12.10).

Недостатком данного устройства является невозможность регулировать характеристики выходного излучения в широком диапазоне, в частности невозможно управлять пространственными характеристиками излучения.

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, F 21 V 1/00, F 21 V 21/00, F 21 V 29/00, B 60 Q 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 не велика.

В основу изобретения положена задача создания универсального источника полихромного оптического излучения с такой пространственной формой выходного распределения излучения, которая оставалась бы стабильной в широком спектральном диапазоне. Такое выходное излучение обеспечивает более эффективное освещение объекта. В основу изобретения также положена задача создания универсального источника полихромного оптического излучения, генерирующего излучение в виде линии, форма которой остается одинаковой в широком спектральном диапазоне, что обеспечивает эффективное освещение отражающих объектов.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в универсальном источнике полихромного оптического излучения, содержащем корпус, блок питания, линейку светоизлучающих элементов с электронными средствами, обеспечивающими возможность регулирования тока, текущего через них, и их управления, и оптические средства для управления геометрическими характеристиками пучка, дополнительно в корпусе установлены дифракционный элемент и средства позиционирования, имеющие, по крайней мере, 3 степени свободы и обеспечивающие установку светоизлучающих элементов относительно дифракционного элемента в соответствии с выражением d(sinα_i+sinβ_i)=mλ_i, где d - период дифракционного элемента, α_i - угол падения пучка между нормалью к элементу дифракционного элемента и направлением луча от i-того светоизлучающего элемента, β_i - угол дифракции, m - целое число, λ_i - длина волны соответствующего i-того светоизлучающего элемента.

Между светоизлучающими элементами и дифракционным элементом по ходу излучения может быть дополнительно установлено зеркало таким образом, что луч, отраженный от зеркала, падает на дифракционный элемент в соответствии с выражением, указанным в п.1.

Дифракционный элемент может быть установлен на корпусе через элементы крепления и одновременной юстировки.

Дифракционный элемент может быть выполнен в виде сферической дифракционной решетки.

Зеркало может быть выполнено сферическим.

Дифракционный элементом может быть выбрана акустооптическая ячейка Брэгга с управляющим элементом для возбуждения и контроля дифракционной решетки внутри указанной ячейки таким образом, что период Λ_i указанной решетки удовлетворяет уравнению Λ_i(sinα_i+sinβ)=±mλ_i, где α_i - угол между нормалью к указанной ячейке Брэгга и направлением распространения излучения от i-того светоизлучающего элемента, λ_i - длина волны излучения от i-того светоизлучающего элемента, β - угол дифракции, измеренный относительно нормали к дифракционному элементу, a m - целое число.

Дифракционный элемент может быть выполнен в виде последовательности дифракционной решетки и акустооптической ячейки Брэгга, размещенных таким образом, что часть вышеуказанных светоизлучающих элементов оптически связаны с вышеуказанной дифракционной решеткой, в то время как другая часть оптически связана с акустооптической ячейкой Брэгга, причем выполнено условие, что дифрагировавшие лучи и от дифракционной решетки, и от акустооптической ячейки Брэгга распространяются в одном направлении.

Дифракционный элемент может быть выполнен в виде последовательности, по крайней мере, двух акустооптических ячеек Брэгга.

Дифракционный элемент может быть выполнен в виде последовательности, по крайней мере, двух дифракционных решеток.

В качестве светоизлучающих элементов могут быть использованы светодиоды.

В качестве светоизлучающих элементов могут быть использованы светоизлучающие кристаллы.

В качестве светоизлучающих элементов может быть выбрана линейка светоизлучающих элементов, включающих несколько чипов, в которых последовательно на одной линии установлены малогабаритные бескорпусные светоилучающие элементы, при этом плоскость дифракции света перпендикулярна этой линии.

В линейку светоизлучающих элементов могут быть включены несколько чипов, в которых использованы светоизлучающие кристаллы, выстроенные в одну линию.

Дифракционный элемент обеспечивает выделение определенной части спектра от каждого светодиода и формирование выходного излучения с заданными характеристиками.

Наличие зеркала обеспечивает условие компактности всего устройства.

Электронное устройство управления необходимо для расчета нужного значения тока для каждого светодиода для получения выходного излучения с заданными характеристиками.

Для формирования направленного пучка света применяется комплект светодиодов, в котором излучаемая длина волны каждого из них, интенсивность излучения каждого светодиода, телесный угол, а также режим работы определяется конкретными условиями применения изделия в целом.

Для сведения n световых пучков с разными λ_i применяется дифракционный элемент, обеспечивающий формирование совокупного светового потока и распространение отклоненного излучения с заданными спектральными и пространственными характеристиками.

В качестве дифракционного элемента может быть использована акустооптическая ячейка Брэгга с управляющим элементом, которая обеспечивает не только формирование совокупного светового потока, но и управление интенсивностью излучения каждой из спектральных составляющих.

Последовательная установка на одной линии комплектов малогабаритных бескорпусных светодиодов позволяет решить задачу формирования световой строки с заданными геометрическими характеристиками в выходной плоскости устройства и создания оптических сканеров, причем такое использование светодиодов позволяет увеличить световой поток до величин, обеспечивающих получение считанных цветных изображений объектов с высоким отношением сигнал/шум, что позволяет увеличить надежность передачи изображения объекта и уменьшить вероятность нераспознавания (неразличения), сканируемых деталей, а также осуществить цветовой анализ сканируемого изображения более, чем по трем цветам, что существенно увеличивает объем информации, получаемой об объекте с помощью сканера, обеспечить компактность сканера и сократить энергопотребление.

В случае использования светоизлучающих кристаллов в качестве светоизлучающих элементов обеспечивается компактность устройства, создание на выходе устройства светового потока большой плотности, снижение энергопотребления и значительное увеличение времени эксплуатации за счет того, что излучающие кристаллы обладают малыми размерами, высокой силой света и высоким кпд.

Световые пучки от каждого комплекта светодиодов, пространственные координаты каждого из которых соответствуют углам, определяемым из расчета и соответствующим каждой конкретной λ_i, собираются в рабочей апертуре дифракционной решетки. Отклоненные пучки распространяются в одном направлении, образуя совокупный световой поток. На выходе устройства расположены оптические элементы, обеспечивающие необходимую коллимацию пучка.

При необходимости формирования однородной спектральной характеристики выходного излучения применяются дополнительные светодиоды, при юстировке которых используется явление дисперсии излучения на дифракционном элементе, при этом используется часть светового потока в стороне от основных длин волн излучения светодиодов.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг 1. показана схема источника полихромного оптического излучения со стабильной пространственной модой в широком спектральном диапазоне в выходном пучке.

На фиг.2 показана схема источника полихромного оптического излучения, в котором в качестве дифракционного элемента применена акустооптическая ячейка Брэгга вместо дифракционной решетки.

На фиг.3 показана схема источника полихромного оптического излучения, в котором применены оба дифракционных элемента - и акустооптическая ячейка Брэгга, и дифракционная решетка.

На фиг.4 показана схема источника полихромного оптического излучения, который генерирует пучок света, сечение которого сформировано в виде световой линии и характеризуется широким спектральным диапазоном.

На фиг.1 показан источник полихромного оптического излучения, содержащий корпус (10), линейку светоизлучающих элементов (12₁, 12₂, ...12_n), микрооптическую сборку (13) для формирования пространственных характеристик пучка света, излучаемого каждым светоизлучающим диодом или светоизлучающим кристаллом, зеркало (15), дифракционный элемент (16), оптическую сборку для формирования выходного пучка света, регулировочный элемент (11) для регулировки светоизлучающих элементов, а также электронное устройство управления (14). Корпус (10) содержит небольшую платформу (11) для пространственного позиционирования и фиксирования светоизлучающих элементов (12). Эта платформа, установленная в корпусе (10), может быть изготовлена при помощи механической обработки или методом вакуумного литья. Угол между плоскостью платформы (11) и плоскостью дифракционного элемента (16) должен рассчитываться перед установкой в корпус (10) упомянутой небольшой платформы. Этот угол зависит от длины волны, испускаемой светоизлучающим элементом (12). Для обеспечения электрической изоляции светоизлучающих элементов (12) вся небольшая платформа может быть покрыта тонким слоем изолирующего материала (например, Al₂О₃). Микрооптическая сборка (13) монтируется в корпусе после светоизлучающих элементов (12) и фиксируется в корпусе (10), тем самым обеспечивается электрическая связь источников электропитания и светоизлучающих элементов (12).

Устройство, показанное на фиг.1, работает следующим образом. Элементы регулировки (11) обеспечивают фиксацию светоизлучающих элементов (12) к основанию корпуса (10) и обеспечивают условие, при котором угол падения (α_i) пучка света, излучаемого (i^-ым) светоизлучающим элементом (12_i) на дифракционную решетку (16), определяется в соответствии с выражением d(sinα_i+sinβ)=±mλ_i, где d - период дифракционного элемента, β - угол дифракции, m - целое число и λ_i -длина волны излучения, испускаемая (i^-ым) светоизлучающим элементом. Элементы регулировки (11) также обеспечивают ортогональность проекции оси падающего пучка света на плоскость дифракционной решетки (16) и штрихов дифракционной решетки. Более того, элементы регулировки (11) обеспечивают пространственное совмещение пучков света, испускаемых различными светоизлучающим и элементами (12), в плоскости дифракционной решетки (16).

Световой пучок из n^-ого светоизлучающего элемента (12₁...12_i) с известной заранее длиной волны λ_i(i∈1...n), полосой длин волн Δλ_i и телесным углом η, относительно дифракционной решетки (16), направленный в рабочую апертуру дифракционной решетки, падает под разными углами (α_i) для разных длин волн λ_i в соответствии с выражением d(sinα_i+sinβ)=±mλ_i. Для обеспечения компактности устройства на пути распространения вышеупомянутого пучка света может быть установлено зеркало (15). Угол дифракции β, одинаковый для всех длин волн n - числа световых пучков, отклоненных дифракционной решеткой (16), распространяется в одном направлении и формирует выходной световой пучок. Следовательно, общее излучение, выделенное в выходной пучок, содержит световые пучки, испущенные n - числом светоизлучающих элементов. Выходной пучок света характеризуется теперь произвольными комбинациями длин волн, испущенных n - числом светоизлучающих элементов, потому что эти различные элементы могут включаться и выключаться независимо друг от друга. Общее излучение потока, так же, как и различные спектральные компоненты, могут управляться при помощи управляющих токов светоизлучающих элементов (12). Заметим, что пространственное распределение интенсивности в выходном потоке остается одинаковым для всех спектральных компонент в излучаемом потоке. Телесный угол η_out излучения на выходе определяется параметрами оптической сборки и условиями формирования их на дифракционной решетке 16. Применение сферической дифракционной решетки (16) или сферического зеркала (15) изменяют пространственные характеристики выходного пучка. Заметим также, что возможно применение дифракционных решеток разных типов - и пропускающих, и отражающих, и, если дифракционная решетка работает в режиме пропускания, то конфигурация, показанная на фиг.1, будет отличаться, так как в нее тогда следует ввести дополнительное зеркало. Дополнительная особенность источника полихромного оптического излучения - это введение модуляции как общей интенсивности выходного излучения, так и модуляции различных спектральных компонент или их произвольных комбинаций. Это достигается путем модуляции управляющих токов светоизлучающих элементов (12).

Управляющие токи каждого светоизлучающего элемента регулируются при помощи блока управления (14). В качестве блока управления (14) может быть использован программируемый микрокомпьютер. Программируемый микрокомпьютер позволяет управлять временем излучения каждого светоизлучающего элемента, порядком включения/выключения каждого светоизлучающего элемента или их комбинацией, а также модулировать как общую интенсивность светового потока, так и интенсивность каждой спектральной компоненты выходного пучка.

В качестве светоизлучающих элементов (12) могут использоваться как светоизлучающие диоды, так и светоизлучающие кристаллы.

На фиг.2 показан источник, в котором в качестве дифракционного элемента 26 выбрана акустооптическая ячейка Брэгга. Ячейка Брэгга 26 снабжена электронными средствами 28 для возбуждения внутри ячейки акустической волны. Эта волна модулирует коэффициент преломления ячейки Брэгга, обеспечивая формирование бегущей дифракционной решетки, которая работает как дифракционный элемент 6. Период Λ бегущей дифракционной решетки определяется параметрами акустических волн и может быть изменен с помощью блока управления 4.

Источник с акустооптической ячейкой Брэгга работает следующим образом. Для создания выходного пучка с определенной длиной волны блок управления 14 активирует излучение от i-того светоизлучающего элемента 12_i путем подачи напряжения на этот элемент. Одновременно блок управления 14 активизирует электронные средства управления 28 с целью создания акустической волны с периодом Λ₁ в соответствии с выражением Λ_i(sinα_i+sinβ)=±mλ_i, где Λ_i - длина акустической волны в акустооптической ячейке Брэгга, α_i - угол между нормалью к ячейке Брэгга и направлением луча от i-того светоизлучающего элемента 2, β - угол дифракции от ячейки Брэгга, m - целое число, λ_i - длина волны света, излучаемого i-тым светоизлучающим элементом 2. Для выбора другого значения выходной длины волны (например, λ_n) устройство управления активизирует другой светоизлучающий элемент 12_n и одновременно создает возбуждение в другой движущейся решетке 26 с периодом Λ_n в соответствии с уравнением Λ_n(sinα_n+sinβ)=±mλ_n.

На фиг.3 показана альтернативная схема источника. Вследствие подобия дифракции на дифракционной решетке и на акустооптической ячейке Брэгга пучки, излучаемые частью светоизлучающих элементов 12₁-12_i, как показано на фиг.3, направляют на дифракционную решетку 16, тогда как другая часть элементов 12_i+1-12_n оптически связана с акустооптической ячейкой Брэгга 26. Дифракционная решетка и ячейка Брэгга установлены последовательно таким образом, что любой луч, дифрагировавший от дифракционной решетки 16, и любой луч, дифрагировавший от акустооптической ячейки Брэгга 26, распространяются в одном и том же направлении. Когда желательно, чтобы длина волны выходного излучения находилась в диапазоне λ₁-λ_i, ячейку Брэгга не возбуждают и одновременно активизируют несколько светоизлучающих элементов 12₁-12_i. Свет, излучаемый этими элементами, дифрагирует на дифракционной решетке 16 под одним и тем же углом β, и затем свободно распространяется через неработающую ячейку Брэгга 26. В свою очередь, когда желательно, чтобы длина волны выходного излучения находилась в диапазоне λ₁-λ_n, управляющее устройство 14 активизирует один из светоизлучающих элементов ряда 12_i+1-12_n, и одновременно контрольное устройство 14 воздействует на электронные управляющие средства 28 так, чтобы обеспечить возбуждение акустической волны с периодом Λ в соответствии с объяснением, приведенным ранее относительно схемы, показанной на фиг.2. Эта конфигурация позволяет минимизировать потери световой энергии, и, следовательно, увеличивает эффективность освещения объекта.

В соответствии с фиг.3, дифракционная решетка может быть заменена на любую другую ячейку Брэгга или несколько ячеек Брэгга при условии, что дифрагирующие на них лучи распространяются в одном и том же направлении. Синхронизация активации соответствующих светоизлучающих элементов и возбуждение акустической волны с соответствующим периодом обеспечивается управляющим устройством 14 и электронными управляющими средствами 28. В этом случае последовательность нескольких ячеек Брэгга рассматривается как дифракционный элемент.

Источник, показанный на фиг.4, работает подобно источнику, показанному на фиг.1. Массивы светоизлучающих элементов 42₁-42_n играют такую же роль, как и отдельные светоизлучающие элементы 12₁-12_n, показанные на фиг.1. Каждый массив 42 содержит ряд бескорпусных светоизлучающих элементов, выстроенных в линию. Все элементы в любом массиве 42 излучают свет с почти одинаковой длиной волны. Однако длина волны излучения линейки светодиодов 42_i может отличаться от длины волны, излучаемой другим массивом, например 42_n. Линейки 42 обычно расположены параллельно друг другу. Линейки 42 установлены на устройстве для регулирования 41, которое зафиксировано на корпусе 40. Свет, излучаемый линейками 42, передается через оптические средства 43, которые фокусируют свет на дифракционном элементе 44. Дифракционный элемент 43 установлен таким образом, что плоскость дифракции света ортогональна главному направлению линейки 42 светоизлучающих элементов. Свет, излучаемый каждым массивом 42_i, падает на дифракционный элемент 44 под углом α_i, который различен для разных массивов и может быть рассчитан из уравнения d(sinα_i+sinβ)=±mα_i, где d - период дифракционного элемента, β - угол дифракции, m - целое число и λ_i - длина волны излучения, испускаемая (i^-ой) линейкой светоизлучающих элементов. После дифракции от дифракционного элемента 44 излучение от разных массивов 42 распространяется в одном и том же направлении, формируя общий поток излучения. Оптические средства 45 формируют пространственную форму совокупного светового потока, в частности, фокусируя его в линию в выходной плоскости 46.

Предложенный вариант универсального источника полихромного оптического излучения, показанного на фиг.4, целесообразно использовать для комплектования оптических сканеров, предназначенных для спектральной идентификации объектов, содержащих цветную графическую информацию, или в качестве светотехнического осветительного устройства, заменив лампы накаливания, а также ксеноновые лампы.

1. Универсальный источник полихромного оптического излучения, содержащий корпус, блок питания, линейку светоизлучающих элементов с устройствами, обеспечивающими возможность регулирования тока, текущего через них, и их управления, и оптические элементы для управления геометрическими характеристиками пучка, отличающийся тем, что дополнительно в корпусе установлены дифракционный элемент и средства позиционирования, имеющие 3 степени свободы и обеспечивающие установку светоизлучающих элементов относительно дифракционного элемента в соответствии с выражением d(sinα_i+sinβ_i)=mλ_i, где d - шаг дифракционного элемента, α_i - угол падения пучка, представляющий собой угол между нормалью к дифракционному элементу и направлением луча от i-того светоизлучающего элемента, β_i - угол дифракции, m - целое число, λ_i - длина волны соответствующего i-того светоизлучающего элемента.

2. Универсальный источник полихромного оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что между светоизлучающими элементами и дифракционным элементом по ходу излучения установлено зеркало.

3. Универсальный источник полихромного оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что дифракционный элемент установлен на корпусе через элементы крепления и одновременной юстировки.

4. Универсальный источник полихромного оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что дифракционный элемент выполнен в виде сферической дифракционной решетки.

5. Универсальный источник полихромного оптического излучения по п.2, отличающийся тем, что зеркало выполнено сферическим.

6. Универсальный источник полихромного оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что дифракционный элемент выполнен в виде акустооптической ячейки Брэгга с управляющим элементом.

7. Универсальный источник полихромного оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что на пути светового пучка между светодиодами и дифракционным элементом размещено зеркало таким образом, что отраженное от него излучение падает на дифракционный элемент в соответствии с формулой, указанной в п.1.

8. Универсальный источник полихромного оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что в качестве светоизлучающих элементов использованы светодиоды.

9. Универсальный источник полихромного оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что в качестве светоизлучающих элементов использованы светоизлучающие кристаллы.

10. Универсальный источник полихромного оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что в качестве светоизлучающих элементов установлены последовательно на одной линии комплекты малогабаритных бескорпусных светодиодов.

11. Универсальный источник полихромного оптического излучения по п.7, отличающийся тем, что в качестве светоизлучающих элементов использованы комплекты светоизлучающих кристаллов.