4 кластер (Раздаточные материалы)

Г л ез в а ХУУ ОПТИЧЕСКИЕ ОСВЕТИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 61. Назначение м виды осветительных систем Особый класс оптических систем составляют осветительные системы, предназначенные для освещения какого-либо предмета направленными пучкамй лучей. Оптические системы для освещения больших площадей, в том числе маячиая оптика, относятся к области светотехникй, и их не рассматривают в теории оптических систем. С помощью оптической осветительной системы решают задачи наиболее полного использования светового потока, попавшего в систему, и создания равномерной освещенности предмета. При освещении предметов конечных размеров возможны следующие три схемы; освещаемый предмет у находится в бесконечности, источник света 1 расположен в переднем фокусе оптической системы 2, которую в этом случае называют коплимао>ором, или лрозкектором (рис.

!40, а); г. оптииеская система 2 прае- >-- пирует источник света 1 непосредственно на освещаемый предмет у; в этом случае оптическая система называется кондексором (рис. !40, б); освещаемый предмет распо- г лагается в ходе лучей; проходящих через конденсор 2, который проецирует источник света > во входной зрачок диаметром х> последующей оп- м тической системы (рис. !40, в); предмет у обычно располагают вблизи конденсора, так как в этом случае диаметр конденсора будет наименьшим. Выбор одной из двух последних схем определяется в зависимости от распределения ЯРкОСтн Иа ИЗЛУЧаЮЩЕй ПОВеРХ Р !40 С в ве ения и у ности источника свет . Если его Опв;.',,пасв',в мо;щспомощье в яркость равномерна и нет опасе- ввве света !2» ни й, связанных с нагревом предмета, например диапозитива, то Применяют оптическую систему, изображающую световое тело'источника света н плоскости освещаемого предмета.

В этом случае каждой освещаемой точке предмета будет соответствовать сопряженная с ней точка излучающей поверхности. При неравномерной яркости излучателя рекомендуется применять оптическую систему, создающую его изображение во входном зрачке последующей системы, так как в этом случае каждая точка предмета освещается лучами, исходящими из всех точек излучающей поверхности. Осветительные системы могут бить линзовыми, зеркальными или зеркально-линзовыми. 62.

Оптическая схема прожектора дальнего действия Прожектором называется оптическая система, концентрирующая часть светового потока источника света в узкий пучок как для освещения удаленных предметов, так и для передачи сигналов на большие расстояния. В зависимости от диаметра выходного зрачка Р' прожекторы делят на приборы дальнего действия с Р' = 800 ...

2100 мм, ближнего действия с Р' 500 ... 650 мм, светосигнальные с Р' = = 105 ... 250 мм и коллиматоры, отличающиеся тем, чта освещаемый предмет располагается вблизи прибора. Основными оптическими характеристиками прожектора являются сила света, коэффициент усиления, дистанция оформления пучка, угол рассеяния и угол охвата. Освещенность изображения определяют по формуле (218): Е" = тп/.' з!и'аа °, где ч т,,,тэ„,; т,,, — коэффициент прапускания оптической системы; т„„— коэффициент пропускания атмосферы или другой среды на пути хода лучей после действия прожектора; /.' =- = (л'/л)Ч, — яркость изображения„определяемая по формуле (205); ь — яркость источника; л и л' — показатели преломления среды пространства, где помещен источник, и среды пространства изоб ажений соответственно.

Обычно л = л' = 1, Д ля определения значения оа обратимся к рис. !41. Источник света с прямоугольной излучающей площадкой размерам ехй помещен,в передней фокальной плоскости оптической системы, представленной в виде бесконечно тонкой линзы. Освещаемый предмет находится на больп1юм расстоянии р от оптической системы.

Поэтому з)п ох б/(2р), где Р— диаметр входного зрачка оптической системы, который во многих случаях можно принять равным диаметру Р' выходного зрачка. Таким образом, Е' = тл (л'/л)э 1.Рэ/(4рз). (295) Рнс. 141. Ход лунев н прожекторе (каллнмлторе) Сравним полученную формулу с равенством '(168) при в = О: Е' = 1пр~Рл, где 1„р — сила света пРожектоРа. В результате сравнения получим, что 1пр — — тп (а'/а) 1.О'/4 (296) илн пРи п = л' =! сила света 1,р = тЕЛ1;„где Я;р — площадь выходного зрачка (входного зрачка при О = О').

Таким образом, сила света прожектора растет пропорционально увеличению площади выходного (входного) зрачка прн одной и той же яркости источника света. Формулы (295), (296) справедливы прн удалении освещаемого предмета от прожектора на расстояние р ~~ р,. Расстояние р, определяет дистанцию оформления аулка (точка Мо — первая по ходу лучей, в образовании которой участвуют лучи, идущие в край входного зрачка диаметром О). Для точки М действующий диаметр входного (выходного) зрачка уменьшается до значений О» (О») Для прожектора (коллиматора) ро ж О1'1с.

Коэффициентом усиления прожектора называют отношение силы света прожектора к силе света источника по направлению нормали: А „= 1 11, = тШ,Ы(М„,) = т (О1с() ', где Π— диаметр входного зрачка оптической системы (О О'); д — диаметр источника. Коэффициент усиления прожектора достигает значения й „ = !б ООО. Угол рассеяния прожектора 2со' зависит как от размеров с н Ь светового тела источника света (рис. 141), так н от сферической аберрации оптической системы. 1В1 Из рис.

141 следует, что угол рассеяния в меридиональной плоскости, совпадающей с плоскостью рисунка, 2в,' = 2в, можно определить по формуле 1а ь' = с/(2Г), (297) а в другой меридиональной плоскости, перпендикулярной к плоскости рисунка, — по формуле 1в ы' = Ь1'(2~'). (298) Так как обычно фокусное расстояние 7' значительно превышаетси Ь,то 2в,' = с(Г и 2аь = ЬТ. (299) При использовании точечною излучателя угол рассеяния появляется за счет дифракции: 2в' ж ЦР, где А — длина волны света; Р— диаметр входного зрачка оптической системы прожектора, равный диаметру Р' выходного зрачка (система принята тонкой). Для Х = б 10-4 мм г 2а' ж (6 10-'/Р)р,„ж 120'1Р. (300) Так как оптическая система прожектора (коллиматора) обычно имеет сферическую аберрацию, то действительный угол рассеяния будет больше, чем вычисленный по приведенным выше формулам.

Диаметр освещаемой поверхности 2у' Р + 2в'р, где Р— диаметр входного зрачка, принятый равным диаметру выходного зрачка. Отметим важный момент, связанный с выбором фокусного расстояния объектива коллиматора. Из формул (297) — (299) следует, что, чем больше фокусное расстояние 1', тем меньше угол рассеяния, определяемый конечными размерами с и Ь источника излучения. Фокусное расстояние объектива определяют при заданном допустимом угле рассеяния и известных размерах излучающей площадки, учитывая влияние сферической аберрации и явление дифракции.

Углом охвата 2 па называется двойной апертурный угол в пространстве предметов, характеризующий полноту использования светового потока источника света (рис. 142). Оптические системы прожектора могут быть зеркальными, зеркально-линзовыми и линзовыми. Зеркальная система представляет собой сферическое илн параболоидное зеркало с наружным отражающим покрытием. На рис. 142 показано сферическое зеркало радиусом г; Р— диаметр входного (выходного) зрачка. В параксиальной области от точечного излучателя, помещенного в фокусе г" зеркала, выходит пучок лучей, параллельных оптической оси. С увеличением вы- 162 соты падения лучей возрастает выходной апертурный угол аа.

= = Ьа', т. е. отраженные лучи будут пересекаться с оптической осью на конечном расстоянии от зеркала, которое уменьшается с ц увеличением входного апертурного угла оа. Это изменение выходного апертурного угла является углоной сферической аберрацией зеркала, нарушающей равномерность освещенности объекта. По теореме синусов из рис. 142 ис. !42.

Сферическое зеркало следует, что г/(2 гйп е) = г/(з(паа), т. е. з(п е = з(п оа/2. Угловая сферическая аберрация зеркала /зо' = о — 2а. Ее значение ограничивает относительное отверстие сферического зеркала. Для параболоидного зеркала с точечным источником излучения, помещенным в фокусе зеркала, расходимость пучка лучей зависит только от дифракпии, опениваемой по формуле (300). Зеркально-линзовую систему прожектора в простейшем виде можно представить как систему с одной преломляющей поверхностью, используемой дважды, и с одной отражающей поверхностью.