Патент ссср 290580
Патент 290580
Классы МПК
Патент ссср 290580
Иллюстрации
Реферат
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕН ИЯ
К ПАТЕНТУ
290580
Союз Советскил
Социалнстическил
Респуолик
За вози:мый от патента №вЂ”
МПК G 02Ь 5!14
Заявлено 17Х1.1965 (¹ 1013644 18-10)
Приоритет—
Опубликовано 22.XII.1970. Бюллетень ¹ 2 за 1971
Дата опубликования описания 8.IV.1971
Номнтет по делам изооретений и открытий ори Совете Министров
СССР
УДК 535.874(OS8.8) Автор изобретения и заявитель
Иностранец
Пьер Малифо (Франция) КОНЦЕНТРАТОР ЛУЧИСТОИ ЭНЕРГИИ
Известны концентраторы лучиетой энергии, содержащие оптическую фокусирующую систему первичной концентрации и вторичный концентратор, выполненный,в виде усеченного конуса, за которым размещен приемник излучения.
В настоящее время для повышения эффектив ности приемника излучения необходимо концентрировать на его чувствительной поверхности возможно большую долю энергии этого излучения, в особенности, когда интенсивность излучения источника мала, например, в системах дистанционного обнаружения естественного инфракрасного излучения, исходящепо от предметов или людей, в си стемах ночного или сумереч ного видения или фотографии, в системах электро нных преобразователей изображений или усилителей яркости, используемых в военном деле, в конструкциях сол не нных печей и т. д.
Используемые для улавливания и концентрации потока излучения источника собирательные системы из ли на и зеркал накладывают ограничение на получаемую на приемнике величину концентрации, зависящее от относительной апертуры этих систем, их размеров. Кроме того, эти системы плохо поддаются оптическому погру>кению, являющемуся классическим средством для усиления эффекта сходихтоспи. Поэтому получаемые результаты остакп1ся намного, ниже тех максимальны . возможностей, на которые можно теоретически рассчитывать:на ocBQIBBBHH законов опт1тки и термодинамики.
Эти максимальные возможности зависят в конечном счете от соотношения Клаузиуса о сохранении геометрического фактора элементарного пучка излучения при любых оптических преобразованиях, требующего сохранение светимости. Исходя из этого соотношения, имея источник излучения со светностью R, находящийся в воздухе, освещенность Е, которую можно получить, концентрируя излучение источника на чувствительном элементе приемника, находящегося в среде с показателем преломления и, равна
Е тР R.
Интегрируя соотношение Клаузиуса в условиях, обеспечивающих максимальность фокусировки потока излучения, получают, что максимальная предельная облученность зависит от хорошо известного соотношения Абое, которое определяет апланатизм в оптике. ЭT0 объясняет, почему нестигматические системы
25 (в особенности конические «поглотители» излучения) дают неудовлетворительные результаты. Они увеличивают геометрический фактор уловленных пучков и вызывают таким образом систематическую потерю фокусировки, коЗо торая может быть значительной.
290580
Таким образом применение традиционных стигма тичесиих систем (с линзами, зеркалами) ограничивается их полезной апертурой, а нестигматичесюие, эмпирически применяемые системы (конуса, коллекторы излучений) дают неудовлетворительные, результаты.
Изучение проблемы фокусировки лучистой энергии показало, что можно получить новый тип оппического концентратора, овободного от подчинения условиям Гаусса с незначительным отклонением от условия си нусо в Аббе. Такой концентратор, хотя и неститматичный, может передать чувствительному элементу приемника облученность, приближающуюся к предельной максимальной облученности.
Оп исываемый концентратор отл ичается от известных тем, что в нем относительное опверстие 1/N фокусирующей системы, создающей сходящийся пучок с максимальным углом ь к ее оптической оси, синус которого Hмеет з начение порядка />N,,полуугол T при веруши не конуса, максимальная величина которого не превышает 0,1 рад, диаметр d большего основания конуса, совпадающего с наименьшим сечением пучка, сформированного фокусирующей системой, диаметр ах меньшего основания конуса, показатели преломления и, ореды внутри конуса и ng иммврси он ной среды, образующей оптический, контакт конуса и приемника, связаны соотношением
sin (+ (2p — 1) т)
sin () — т) где максимальное число р отражений внутри конуса, которое испытывает луч, падающий на его вход ной торец под углом к оптической оси концентратора, имеет величину, равную
n)
arc з1п — — )
2т
+1 где E — ближайшее наименьшее целое число относительно выражения в скобках, а
sin О
3 — arc яп +2т, ft) пр ичем и, n> sin О и tg y связаны соотношением 1/ 2 2
1+ tg и1/n — 1
> т,, (4)
1 1 ф з1 г 1 1 где ч — отношение требуемой минимальной интенсивности выходного потока концентратора к теоретической маиоимальной интенсив2
vîñòè, определяемой выражением ngsin О, представляющим собой отношение между площадью сечения входного потока конуса н площадью мnnnMàëüíîão сечения потока, концентр ируемого идеальным зеркалом, имеющим форму усеченного конуса, удовлетворяющим условию синусов.
Кроме того, конус вторичного концентратора может быть выполнен в виде конуса полного внутрен него отражения с максимальным числом q полных внутренних отражений вн.утри него, р.авным х 1
E 2 are sin „— З1 — ) < 27, 1 (5) где величины nn sin и 7 связаны соотношени ем (2
cos 2т + sin 2т /
n(— 1
r — ) ч, cos 2т + siп т), sin" H (6) 15
Конус вторичного концентратора может быть выполнен также в виде пучка конусов, у которых входные и выходные основания лежат соответственно в общих плоскостях, или в виде ряда . последовательно расположенных конусoiB, с о вокупность которых удовлетворяет соотношениям, заданным для од ного конуса.
Такие отличия позволяют получить заданное отношение и нтенсивностей выходного и теоретически максимального потоков.
На фиг. 1 — 3 показаны возможные геометричесиие схемы описываемого концентратора; на фиг. 4 — 9 — примеры использования концентратора,в реальных устройствах.
Концентратор на фиг. 1 содержит объектив 1, улавливающий поток излучения с кажущимся углом а от удаленного источника, находящегося в воздухе. Объектив I, имею1 щий относительную апертуру ., образует изображение источника в фокальной плоскости 2, при этом — максимальный наклон к
40 оптической о си лучей, строящих это изображение. У сеченный конус 8 или бидиоптр с полууглом т при вершине выполнен из прозрачного для уловленного потока материала с показателем преломления ni. Большой вход45 ной торец конуса с диаметром d со впадает с г.
Таким образом, все луч и, вышедшие из объектива: 1, проникают внутрь конуса 3 и за счет отражений от его внутренней поверхно50 сти направляются до малого выход ного торца 4 с диаметром d,, соединяющегося с чувствительной поверхностью 5 приемника, погруженного в оптическую,иммерсионную среду б с показателем преломления п .
55 Торец 4 с диаметром d,, определяемым нз выражения (1), есть наименьшее .из сечечий конуса, которое могут достигнуть все лучи уловлен ного пучка. Если усечь конус далее этого сечения, часть лучей вернется к вход60 ному торцу.
Целое число р из выражения (1), îïðåäåляемое из формулы (2), есть максимальное число внутренних отражений, которое может испытать, не возвращаясь, падающий под уг55 лом О к оптической оси мерид иональный луч
290580
Зеркало в форме усеченного конуса, т. е. нестигматическая оптическая система, не сохраняет геометрический фактор уловленны.;. пучков и, тем самым, создает систематические потери, которые могут быть вычислены при заданных",, !, и) и и>.
Действительная максимальная фокусиров1 9 ка С., ==- — ) . При тех же условиях пре-! дельная максимальная фокусировка
9 и)
С, = —,, Эта предельная фокусировка соответствует x»»II)ilaльному сечению идеаль)юго бидис птра с сечением d!)(d,-., т. е.
С,, С вЂ”., — ) . Отношение <, 1 характеризуО )
С, ет энергетический выход реального бидиоптра в форме усеченного конуса по отношению к теоретической предельной максимальной фокусировке. Если требуется, чтобы это отношение оыло больше или равно заданной величине и, необходимо использовать соотношение (4), позволяющее построить конус со значительным энергетическим выходом, а соотношения (1), (2) и (3) позволяют усечь этот конус по наиболее выгодному малому се.:ению.
Если бидиоптр является конусом полного внутреннего отражения, то необходимо учитывать граничный угол полного внутреннего отражения среды с показателем преломления
И), ЗНаЧЕниЕ кОтОРого, как известно, агсз)П вЂ” —. и
Тогда, ссди заменить максимальное число отражений р максимальным числом полных внутренних отражений q, выражение (4) принимает вид выражения (6). Показатель и иммсрсии чувствительного элемента приемника нe входит в выражения (5) и (6). Услов))е полного отр аже:.|«я требуе г м а кси мал ьпого значения для показателя |иммерсии, равного
9 +! — i . Если всс-таки необходимо погрузить чувствительный элемент в среду с поI;àçàòåëåM большим, чем указанная величин:.), требуется покрыть отражающим слоем крайнюю часть боковой поверхности конуса ме>кду наименьшим сечением, диаметр которого определяется выражением (5), и наименьшим сечением, диаметр которого определяется в зависимости от показателя и..|мерси« и из выражения (1) .
Наименьшее значение и, равно единице (чувствительная поверхность приемника находится в воздухе). Наибольшее значение и, равно и) (чувствительная поверхность приеми!Ика расположена контактно к малому торцу конуса с диаметром d2). Тогда выражения (1), (2) и (4) приооретают вид:
d sin (3-,- (2р — 1) т)
d, siI) () — () Е(2) ) (8) 1 (9)
)1 —,:g, j nl, siп- "|-.) — 1 г
l2 1 IE
cos — 1 1 — —..; г.«
7 ! и и, (10) SiI) (3 — I) dl I где и)1,. — приближенный диаме.": —:апменьшего сечения бпдпоптра.
Для конуса полного внутренне; о отражеипя число д принимается равным::еполному значению выражения (5)
9з (1 1)
cos (i Ä) — 2y1 й) 3 1 и ()> — ", ) где г и, — угол полного внутрен);его отражения среды с показателем и,, 1
d — приближенное значение —;;»Iменьшеro сечения конуса.
Когда чувствительная .поверхность погружена в сам бпдиоптр, число р мож«о прини35 v.3òü равным неполной вели.!)!)!; выражения (8) Й сов т (12) г|,, в|п (3 — V)
40 где d, — прпблпже)нное значе;-:и .ап»e))1шего сечения.
Прибли>кс нные выражения 110} — (12)
2 даlот относительную ошибку менее — так
4 ITo при полуугле при вершине ко>зуса, р3в:)ым О,! радиана, эта ошиокя составляет
1/200.
Второе приближение может оыть сделано для случаев, когда значение пол. угла при вершине ко)|уса стремится к нхлю.
d и,,1 sin 8 .С иl — 1 (14) З)П 9
Si1) 0 (15) где d, А, d соответственно и иблпженные значения минимального сечения бидиоптра в общем случае, в случае полного внутреннего отражения и в случае полного погружения.
Выражения (1) — (8) можно за.,:е .1!ть прполижен«ъ!х!и Выражениями, таl как значе10
H ия и достигя Iот Величин, Огpe « I) ч)113;leмы х значениями сотых долей единицы.
Для случяя, когдя максима,)I:)- )e чпс10 знутренних отражений велико (пол; угол прп вершине конуса мал), 290580
Эти выражения соответствуют бесконечно длинным бидиоптрам, на пример, коническим вол оин ам.
Во всех случаях длина L бидиоптра в форме усеченного конуса с полууглом r при вершине, ограниченного прямьгми сечениями, с — 4 х диаметрами d,è d,-, равна
2т
По отношению к обычной собирающей ollтике с апертурой, например F/2,8, рассчитанная облученность, получаемая при помощи описываемого концентратора, в 25 — 30 раз больше (концентратор в воздухе), примерно в 100 раз больше для стекла:и в 400 — 500 ра; для германия в инфракрасной части спектра.
Уменьшить дли ну устройства можно за счет использования пучков конусов или пучков конических оптических волокон. Кроме того, уменьшить длину бидиоптров, IB особенНОСТИ КОГДа OHiH ИЗГOTBBJIIHiBBIOTCH ИЗ ДОРОГОстоящего или поглощающего материала, можно за счет последовательной установки конусов, выполненных из различных материалов, из которых лишь,посл едкий короткий выполняется из указанного дорогого материала.
На фиг. 2 показана схема концентратора с фронтальным сферическим зеркалом. Фронтальная система может быть заменена афокальной системой, не образующей действительного изображения на выходе.
Для любой фронтальной системы первичной концентрации MBiKoHìàëüíBH теоретическая фокусировка Со —— 4N n2, (16), где М— относительная апертура фронтальной собирающей л инзовой или зеркальной системы, или лействительная апертура системы, представляющей собой д иоптр, или относительное отверст ие собирающей системы, эквивалентной афокальной, т. е. лающей то же сокращение зрачков.
Отношение между действительной фокуси2 ровкой С; =, .и предельной фокусировкой
Со равно энергетическому выходу q Лейст1виС, тельного бидиоптра
C„„
Если — поле концентратора, т. е. угол наибольшего пучка, который может передать описываемая система, фронтальная оптика— бидиоптр, а а — в1идимый угол HlcToBH HKB, излучение которого требуется сфокусировать, то для того, чтобы фокусировка была максимальной, необходимо 1и достаточно соблюде,ние условия = c а.
Если -(u не улавливают максимального потока, то полученная облученность действительно максимальна. Если )a улавливают самый, большой поток, то полученная облученность не максимальна, Ее теоретическая величина равна значению максимальной об2 лученности, деленной на — . Отноп1епис сигнал/шум понижено.
Наилучший результат получают при =u.
Соблюдение этого условия обеспечивает улавливание,наибольшего количества потока и сохранение наилучшего отно1шения сигнал/1шум.
Оно,легко дост1игается для случае)в, когда положение;и диаметр источника излучения известны, например, при лабораторных исследованиях (элементы, болометры и т.,п.), для концентраторов солвечной энергIHH (в этом случае достаточно снабдить концентратор системой слежения); во в|сех случаях «активного» детектировании, когда используют излуч ающи и маяк, ко1нтр ол и рующи и некоторое пространство фокусированным пучком излучения (обычно в инфракрасном или в очень коротких волнах Герца). Тогда достаточно дать концентратору угол поля, равный углу контролирующего пучка, и дать этому концентратору дв1ижение самой;раз вертки, чтобы его оптическая о1сь оставалась параллельной оси излучателя.
Чаще всего излучаю1цие истонн ик и множественны, р азлич1ны по направлению и ви25 димому углу, и поле .концентратора должно быть меньше, чем общее поле Г, в котором работает приемник.
Если требуется .сохранить отношение сигнал/шум, то выбирают концентратор с малым полем я, оснащают его приспособлением меха н ической или оптической развертки («пассивного типа»), позволяющим осуществить иссл едован ие полкого:поля Г приемника. В таком случае полученная максимальная облученность в самом маленьком сеч ении бидиоптра в форме усеченлого конуса изменяется во,времени в завHiclHMocTH от светност1и области — элементарного объекта слежения, и можно получить изображение на экране, мо4О дулируя яркость точек этого экрана в зависимости от изменений облученности, полученных бидиоптром.
Это может быть осуществлено средствами, применяемыми в телевидени|и, в особенности
45 при помощи единственного фотоэлемента (без кинескопа) как камера Нипкова или при помощи устройств с вращающимися призмами.
Кроме того, можно использовать пучок бид иоптро в. Полное поле тогда увеличивает50 ся без нарушения отношения сигиал/шум для каждого элементарного бидиоптра, с условием, что поле я каждого из них было бы меньше или равным наименьшему видимому углу детектир емых источников. Таким обра55 зом, получают постоянное изображение или постоянную локализацию излучающих источников в полном поле Г приемника. Пучок бидиоптров может представлять собой пучок оптических конических волокон (фиг. 3), ко6О нусность и длина, которых определяются з
cooTBQTcTBHlH с приведенными выше соотношениями, что позволяет icoipBTить длину волокон и уменьшить поглощение.
Объектив 8 с полем Г праизводит первич55 ную концентрацию потока в плоскости 9 вход290580
10 ного торца с диаметром е пучка 10 коничесиих волокон с элементар(ным большим диаметром о и элементарным полем я.
Й
Тогда
1 е
Если а — наблюдаемый диаметр источника, то, приняв я . а, можно рассчитать концентратор с разрешающей способностью я, полное поле которого равно Г, дающий наилучшее соотношение сигнал/шум и максимальную облученность в сечении с диаметром е,-.
Очевидно, что чувствительная площадь приемника долж н а,совпадать с площадью минимального сечения бидиоптра в форме усеченного конуса, в которой получают максимальную фокусировку ло форме, кривизне и размераи. 11огда чувствительная поверхность является плоским кругом, его диаметр равен диаметру 11„на именьшего сечения бидиоптра. Если чувствительная поверхность не круглая или даже не плоская, минимальное сечение бидиоптра должно быть разделено так, чтобы эго совпадение было как можно более полным. Чувствительная поверхность может непосредственно примыкать к минимальному сечению бидиоптра ил!и к тонкому слою промежуточного вещества, что иногда необходим о, н а п р и и ер, в случае бол о м етр а термистором, погруженным в германий, который должен быть электрически изолирован от термистора тонким слоем селена, а также может быть отделен от указанного сечения возможно более тонким воздушным промежутком.
При расчете концентратора необходимо учитывать тип чувствительной поверх11ол и приемника.
Приемники первого типа (Л) реагируют на облученность в каждой нз их точек, как будто они являются независимыми (имею предел р азрешения, связанный с их прерывистой структурой), например, зрачок глаза. фотопластинки, фосфоресцентные и флюоресц ирующие экраны, фотокатоды, мозаичные фотоэлементы и т. д.
Приемники второго типа (В) реагирук,т
Ia сумму получаемых облучений, а не íà оолучения каждой нз их точек отдельно, например, фотоэлементы, металлические ленты и термисторы болометров. Поэтому, в частности, пучок бидиоптрюв может быть правильно соединен только с чувствительной по верхностью первого типа. Иначе отношение сигнал/шум будет снижено.
Таким образом, чтобы фокусировать поток излучения от источника Ic наблюдаемым углом а, охватывая полное поле 1, соединяют фронтальную оптическую систему поля Г с
1 относительной апертурой — и фокусным
N расстоянием f по край и ей,мере с одним бидиоптром или одним зеркалом в форме усеченного конуса поля я с углом, меньшим или равным а. Во всех случаях, является ли этот бидиоптр в форме усеченного конуса частью одного лучка или он является одиночным и используется с разверткой, диаметр d его
5 входной поверхности всегда равен:
d =f
Обозначая 6р и Lp соответственно минимальный диаметр элементарного идеального
10 бидиоптра, соответствующего предельной фокусировке Со, и дл и ну этого теоретического бидиоптра Ic диаметрами торцов d и dp, составляют таблицы, по которым, установив минимальное значение, можно выбирать
15 величину т в зависимости от отверстия фронтальной оптической системы.
Табл. рассчитана для 1гг=1 (чувствительная поверхность прием ника находится в воздухе) и для nI —— 1,5 (конус выполнен из обык20 новенного стекла).
На фиг. 4 показан пример применения концентратора в болометре с погруженным термистором. Этот болометр имеет два входных сферических диоптра 11 и 12, оптические
25 оси 18 m 14 которых направлены на инфракрасный источник, находящийся на расстояHHIH, предполагаемом известным. Показатель этих диолтров равен 1,8. Их входные поверхности 15 .и 1б, покрытые антиотражающим
З0 слоем, имеют диаметр отверст;,я, равный
12 мл1, и радиус кривизны, равный 19,2 л1м.
Отражающие плоскости 17 и 18 наклонены к оптической оси 19,на угол, близкий 45 . Эти фронтальные диоптры создают изображени"
З5 источника в плоскостях 20 и 21, Присоединенные передние бидиоптры 22 и 28 имеют большой входной диаметр 2,4 л111, 1,.1èíó 1000 л1м и малый диаметр (24 и 25) 0,43 мм.
Выходные бидиоптры 2б и 27 нз кремния (заштр ихованные черным на чертеже) имеют длину 3,04 мм и малый выходной торец 28 и 29 с диаметром, равным 0,23 мм.
Малые выходные торцы соединены соответственно с двумя сторонами полупроводниковой чувствительной ленты (термистор) 80 и изолированы от нее тонкими пленками 81 и >2 (например из селена, мышьяка). Пропорции этих конечных элемен109 на чертеже увеличены, в действительности торцы 28 ll 29 приближены к чувспвительной ленте 80, Последняя соединена с электрической частью и.а фиг, 4 не представлена) болометра.
Расчеты показывают, что в болометре с оптической системой .концентратора. выполненного по найденным соотношениям, имеет место энергетическая концентрация входног потока, на несколько порядков превосходящая концентраци1о в болометрах:со входом в
60 виде сферического диоптра или простого окна с параллельными гранями.
На фиг. 5 показан второй пример выпол.1ения концентратора, применяемого,в активном детекторе сантиметрового диапазона (например. детектор противовоздушной обороны с радаром нли мазером).
290580
Табл iii a
2,8
1,4
F
5,6
64
128
16 с, 0,22»
0,15, 0,32, О 66» О 54» О 43»
"!
1 (— Е) аа
1О а!
-ав
23
15
5 9
0,50, 0,40, 0,30 !
0,62, 0,80, 0,71, 10 18
20Е)оа
30 46 70 104
») - o - P
0,62, 0,86„.
0,71„
0,52, 0,42, 0,79, 1 зое а л)
-.»
45 70
156
105
0,»», ) 0,82, 0,74!
75 I 116
0,91, 0,87, 0,56
5ое аа,.p -»
25
175
258
0,95.I 0,92,l 0,89, ? * »
0,85, 0,80
0,73„ ( — 100õ гд
50
О!
350
516
92 150
0,99, 0,98, ?
0,97, 0,96, 0,99, 0,99, (1000Е> ад, ») - 0 i. p
500 9140 1500 2328
3500 5160
От??осительнь?е отверстия фронтального концентратора
Здесь чувствительный элемент — антеннадиполь 33. минимальный ?полезный диаметр
?;оторой порядка 0,5 слт. Диполь установлен в воздухе 0-==1. Фронтальная собирающа.. система — параболическое зеркало 84 с от верст??еи F, 1Л. Зеркало 85!в .виде полого ycenit?toto ко?? .."а (и,=1), ??апрели:?ер, пз алюми?? ия.
Болыпсе сече?ние d !iieI aг?г? и1?ес?(ого зеркала 35 в ф,рме усеченного конуса располагается в фокactüíoé плоскости парабо Iilaåñê
Такой етскто р:имеет эффективность прпб IH34?Teльно в семь раз больше, чем при использовании только одного парабол и IEct(o, о зеркала.
Третий ;.ример относится к примененик) концентратора в пусковых устройствах инфракрасных головок са монаведения. Как показывают расчеты, в этих у?стро .гстсвах для со. крагцения продольных размеров концентратора, неоохо -с?? мо использовать чувствительный
65 элеменг типа А, соединенный с пучком бидиоптров, как показано на фиг. 6, где концентратор состоит из фронтального объектива 87
I: пучка 88 конических волокон.
Головке самонаведения придают движение развертки, которое позволяет ей исследовать все поле. На фиг, 6 показана спираль 89, описанная оптической осью концентратора, гричем эта оптическая ось должна вращаться вокруг ??е)подвиж??ой точки, находящейся в непосредственной близости к ч), âñòitèтельHoæ. элементу — фотокатоду 40. Развертка ?)суще ствляется любым известным способом. !1O»(но также применить оптическу?о развертку изображения, Фотокатод 40 вделан в QOTnsi»Ice!to?tahiti детектор 41 (вакуумныи фотоэлемент со с inем серебро — цезий, газовый элемент ??ли динодный фотоумножитель), которь и ускоряет и ф n?(у си p ) cT э л е?(тр о н ь!, и с!? у с к;i i» м hl (и у в clвительным элементом.
Автоматическое приспособление может удерживать изображение найденного исто?ника в центре чувствительной поверхности контролировать развертку, чт<>оы поддерживать конце??трато р направленным к источнику.
Такие головки самонаве;?ения, намного оплее чувствительные и точные, чем ны?? е известные детекторы, должнь? позволить опрелелять на большом расстоя? ин люоую ракету и руководить ее перехватом.
Четвертый пример относится к применеiHio ко?нпентратора в фосфоресцентных трубках (по схеме, аналогичной фнг 6), )1аг?ь?с сечения волокон, вь???олне??н?.?х из стекл i, пропускающего инфракрасныс лучи, в этом случае сопр?и касаются со слоем фосфорографического порошка (фосфорсс??е??т??ого вещества, предварительно возбужденного ул?ьт1)афиолетовыми лучами и люминесцирую?цего при освещении инфракрасными лучами)
PaocHHTattttbIH BaPHatIT Koi1ttei{TPaToPa Itoaволяет получить трубку с интенсивностью свечения, .в 70 раз превышаюшу?о свечение фосфоресцентной трубки обычного типа с фро??тал?,ным объект)ивом с относительным отверстием, например F/2,8.
Пятый пр имер относится к применения) концентратора в метаскопе (фиг. 7), предназначенном для об?наружения на расстоянии малых источников инфракрасного излучения, ле»(ащего;в узкой определенной,полосе частот, например,,с длиной волны 10 лкя?, которая представляет особый интерес потому, что
olla соответствует температуре абсолютно черного тела (приблизительно 310 К) и, следовательно, соответствует естественному излучению, характеризующему человеческое
-ело и слабо нагретые об.ьекты (310 К=
37 С) .
Да?нный метаcKoll (пред назначен для определения естественного инфракрасного излучения источников, имеющих наблюдаемый диа13
290580
1 метр больше — — рад.
Линзовый ооъектив 42 с относительным отверстием Fi 1,4 соединен с пучком 48 конических волокон из прозрачного стекла для избранной длины волны. Для 10 лкм используется стекло, содержащее селен и мышьяк и имеюшее показатель преломления,47. чувствительная поверхность ооразована. как и для фосфоресцентной трубы, тонким слоем фосфорографического порошка, нанесенного на плоскость 44 миним альных сечений волокон.
Минимальное сечение каждого конического волокна имеет диаметр порядка 30 мкл.
N= — 1,4; n =-,47; и:=-6; Cо — — 48;
d, =- 30 мкм; d = 210 мк.и.
Откуда, для характеристик фронтальной опти.ки:
f =- 210 мм так как ° =1000)
2P, —. 150 мм, Волокна, составляющие пучок, име)от следующие характеристики:
1 — 100 рад, -г,:.— 0,88, 1., ==. 300, d;=- 7,5 лл.
Пучок имеет 10 волокон на миллиметр, т. е. всего вриблиBIITeльно 78 волокон. Большое сечение входа потока в пучке имеет диаметр с=!,47 лл, а малое выходное сечение— диаметр е; порядка 0,5 лл.
Элементарное поле =- пучка, соединенного с фронтальной оптикой, в десять раз больше, чем псле од;юго волокна:
1 — 100
Окуляр 45, с линейным увеличением в пятнадцать раз, дает возможность наблюдать за элемента р и ы м световым cèãíàëîì, появля огцимся ня Toðöå 44 пучка волокон.
Полное поле аппарата 20 (то есть приблизительно 0,35 рад); так как элементарное псле сос l ив.1яет 0,01 ))ad, аппарат снясжен устройсзвом механической развертки, позволяюгцим исследовать все поле его действия.
Используя волGêíà из стекла с селеHoì и с мышьяком. можно, устанавливая тонкий фильтр из сурьмянистого индия (покрытого противоотряжающим слоем с Р1)С12), довольно точHo ОграHIIHIIT» полосу прону кания и нтсрвалсм <)- 12, На фиг. 8 изображен шестой пример использования l oHIIBHT pBTopB в конструкции солнечной печи.
Два,параболических зеркала 46 и 47, каждое из которых имеет диаметр отверстия 2 м и фокус нос расстояние 2,83 л (относительное отверстие: F/1,4), улавливают солнечное излучение и дают два действительных изображения солнца в плоскостях 48 и 49 с помощью двух плоских отклоняющих зеркал 50 и 51, установленных под углом 45 к оптическим осям параболических зеркал.
25 — рад
ОО т, — 0,874
L, =-= 40
d,— -46 см
Точное вычисление дает:
d=-2,83
d 3= — -1,07 (обозначение d„, так ка» речь идет об установке в воздухе )
L. = 41, 5.
Во избежание плавки стекла íà краях Отверстия солнечной печи каждый из бидиоптров 52 и 58 усекяется до минимального сечения d3 и оказывается таким Образом сокращенным.
Его действительная длина 1, например;
7 — 40 ся»
Выходная часть каждого из бидиоптров заменяется коротким зеркалом 54 и 55 в форме
45 усеченного конуса из металла, могущего выносить высокую температуру и обладающего г,о возможности большои отражательной споcoI)HGcTbIo. 1хромс того чтобы изолировать стекло, устанавлива)от на концах бидиоптров
50 52 и 58 тонкие усеченные конусы 59 и 60 из периклаза МОО, вещества,,прозрачного для длин волн от 0,25 до 8 лкл и имеющего точку плавления 2800 С.
Таким образом, каждый бидиоптр состоит
55 из стеклянного бидиоптра длиной 3!),5 сл, соединенного с коротким бпдиоптром из периклаза длиной 0.5 сл, и короткого металлического зеркала в форме усеченного конуса длиной 1,25 см.
50 Значение 1,07, полученное для минимального диямегра d. — это значение диаметра малого основания конечного зеркала в форме усеченного конува.
Для каждого из дву., бидиоптров, связан55 Hhlx с параболическими зеркалами, фокуси;30,."1ва бидиоптра 52 и 53 в форме усеченного конуса из стекла расположены так, что их максимальные сечения совпадают соответственно с каждым изображением солнца.
Продолжением этих бидиоптров являются металлические конические полые зеркала 54 и 55, минимальные сечения 56 и 5/ которых совпадают с плоскостями входных отверстий печи 58. Имеем:
I0 1
100 PQO (HBO11OQBPXlbiH У!O,1 CO1HITB) и,.— 1
Л =-1,4
f— -== 283 см
2R=--200 см .2,83 см
C,-=-4Х1Х(1,4) - 8
d„- 1 см.
Бидиоптры из стекла из боросиликатного
20 крона с показателем 1,50 (для =1.6 лкл) и прозрачного от 0,3 до 3 лил.
Из таблицы выбиря)от возможные значения Т,, и ЕО.
290580
30
65 ровка в воздухе (и =1) равна, максимальной фокусировке собирательной системы с относительным отверстием F/0,5, умноженной на энергетический выход и, присущий бидиоптру.
Для солнца 46140Х0,874=40326.
Так как описанная оптическая аистема обладает фокуснрующим устройством, общий эффект фокусировки достигает теоретической величины порядка 80000, в то время как в самых лучших сол неч ных печах, созданных до сих пар, фокусировка доспигает порядка величи ны в 20000.
На фиг. 9 изображен пр|имер применения конценграто|ра в качестве з ажигалки, Солнеч ные лучи улавливаются сферическим д иоптром б1, диаметр отвер стия которого 35 мм, фокусное расстояние f =105 мм, показатель преломлен ия 1,5, эквиваленгное фокусное расстояние f =105/1,5=70 мм, относительное отверстие диоптра F/!2. Этот диоптр создает в фокальной плоскости б2 действительное изоб ражен ие сол|нца.
Бидиоптр бЗ в форме усеченного конуса расположен на оптической оси сферического диоптра. Предмет, который требуется поджечь, например папироса, вводится внутрь гильзы б4.
Концентратор лучистой энергии, удовлетворяющий указ анным соотношениям, может применятыся в любом из успройств, в которых необходимо на чувствительной поверхноcm приемника иметь максимальную фокусировку уловленного потока. К таиим устройствам могут опноситыся приборы, IIolGTpoBHIHbIC по схеме фиг. 4: термические детекторы, болометры с металлической лентой, с термистоpolM, с cBBpxIIðloâoäílHêîâoé лентой нитрида ниобия, термоэлектрические элементы типа
Го рнинга .или Роесса и Дакуса ил и Шварца (с полупроводником), пневматические детекторы, детекторы с фотосолроти вление м, фотодиоды с германцем, точечные фотодиоды, детекторы с фотоэлементом, фотом агн итоэлектр ическ ие детекторы, фотоэмиссионные детекторы, ди нодные фотоум нож ители, люксм егры с элементам и, спектрографы (в особенност|и диффуз ион ные, использующие эффект Рамана),,сцинтилляционные счетчик и, детекторы частиц и т. д.
Фронтальная оптическая с и стема может быть cîáèð!àòåëüHûlì объективом (H3 линз и зеркал) или афокальной системой. Устройство может содержать два параллельных концентратора или один, Можно также отнести к этой категории применение конце|нтратора для непрерывного возбуждения лазера (через одно из его прямых сечен|ий).
Ко второму примеру (детекто р радар или мазе1р) от носятся все аппа раты активной детекции: детекторы, соедияен ные с прожекторо м, излучающим в и инфракрасном диапазоне, детекторы, соединенные с лазерами.
Сюда же отно!сятся также несколько других видов у стройств: телевизионные камеры с одним элементом (например, камеры с диском
Нипкова), мед ицинокие аппараты, исследующие IIplH помощи рентгеновских лучей.
К третьему примеру относятся все виды головок са м онаведения, какая бы ни была используем ая дл ион а вол ны. Можно та кже отнести к этому же примеру устройства, исследующие малое поле: на пр и мер, астрономическую грубу ил и специальный телескоп для пои|сков звез д IHJIи небесных тел.
К четвертому п!ри меру (фосфоресцентная трубка) относятся: метаскопы, грубы. преобразующие изобр ажение, IcHJIители яркостями, электронные телескопы, фотоаппараты и камеры для видимого или инфракрасного излучения, телевизионные камеры с передающей телевизионной трубкой, рентгеновские аппараты лучей (для медицинского наблюдения).
К этой группе принадлежат вообще все приборы, дающие изображения отдаленных предметов без механической,или оптической развертки, К пятому пр имеру относятся все узкоселекгивные пр иемн ики излучений и некоторые спектр ографичесиие устройства.
Шестой и седьмой примеры касаются всех у ст ройопв, концентр и рующих солнечную э нергию.
Предмет,и зоб р етени я
1. Концентратор лучистой энергии, содержа щ ий оптическую фокуоирующую систему первичной концентрации, вторичный концентрагор, выполненный в в иде усеченного конуса, за которым размещен приемник излучения, отличающийся тем, что, с целью получения задаяного отношения IHHTOHcHBностей выходного и теоретичйоии;макоималыного потоков, в 1нем относительное отверстие 1/Ж фокусирующей системы, создающей сходящийся пучок с максимальным углом о- к ее оптической оси, синус которого имеет значение порядка 1/2N, полуугол т при вершине конуса, максимальная величина которого не превышает 0,1 рад, авиа метр d большего основания конуса, совпадающего с наименьшим сечением пучка, сформированного фокусирующей системой, диамет р d, м еньшего основа ния ко|нуса, показатели преломления пз среды внутри конуса и п2, иммерсионной среды, образующей оптический контакт конуса H приемника, связаны соотношением
d sin (Р— (2p — 1) т1 г siH (7) где максимальное число р отражений внутри конуса, которое испытывает луч, падающий на его входной торец под углом О к о пт ической оси концентратора, имеет величину, равную
)1,l
are sin — — 3
Е 1 где Š— ближайшее наименьшее целое число относительно выражения в скобках, а
290580
17 яп6
) = are sin — — 2
1О
Фиг ) причем n, n>, яп H u tg ", связаны соотношением
1 +1 l п )й — 1
1 + 1д. Д и,(зт 6 — 1 где ц — отношение требуемой минимальной интенсивности выходного потока концентратора к теоретической максимальной интенсивности, определяемой выражением п /sin О, ение между представляющи м собой отношение площадью сечения входного потока конуса площадью ми нимального сечения потока, ко нцентрируемого идеалвным зеркалом, имеющим форму усеченного конуса, удовлетворяющим условию синусов.
2. Концентратор по п. 1, отличающийся тем, что .конус вторичного концентратора выполнен в виде конуса полного внутреннего отражения с макоомальным числом д полных внутренних отражений внутри него, равным
"с
E — агсsin — —, Зy — ) )21
2 а, где величины пв з1пО и ", связаны соотношением
cos 2 + sin 2 )j
n — 1
) ( сов 2т+ з1п г1 1
sin 8
3. Концентратор по lIII. 1 и 2, отличающийся тем, что конус вторичного концентратора
15 выполнен в виде пучка конусов, у которых входные и выходные основания лежат соответственно в общих плоскостях.
4. Концентратор по пп. 1 — 3, отличающий20 ся тем, что конус вторичного концентратора выполнен .в виде ряда последовательно расположенных конусов, совокупность которых удовлетворяет соотношениям, заданным для одного конуса.
290580
50 иб
Фиг.Ю
Составитель Г. 3. Литвин
Техред Л. Я. Левина Корректор А. П. Васильева
Редактор С. И. Хейфиц
Тип. Харьк. фил. пред. «Г!атенг»
Заказ 43/288 Тираж 473 Подписное
ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР
Москва, Ж 33, Раушская наб., д. 4 3