Полноохватная твердотельная оптическая система светодиодных и других прожекторов узконаправленного или кругового излучения

Цюпак Ю.А., МГУ им. Н.П. Огарёва, г. Саранск

Предлагаемая твердотельная полноохватная оптическая система первоначально предназначалась для одиночного светодиодного узкоизлучающего прожектора. Её основой является прозрачное дискообразное тело (см. рис. 1), ограниченное с одной стороны отполированной плоскостью 1 с центральной гладкой или френелевской линзой 2, а с другой – параболоидным зеркальным отражателем 3, в вершине которого располагается светодиод (СД). Все эти элементы имеют общую оптическую ось. При этом фокус линзы совпадает со светодиодом, а фокус отражателя – с мнимым отражением светодиода в прозрачной плоскости за пределами критического угла полного внутреннего отражения для прозрачного тела.


Лучи светодиода выходят из системы, как показано на рис. 1, вдоль оптической оси, что и требовалось. Светосила центральной линзы ограничена критическим углом полного внутреннего отражения прозрачного тела. В такой оптической системе все геометрические параметры связаны между собой, например, через фокусное расстояние параболоидного отражателя.

Недостатком является плоский угол охвата светодиода, ограниченный φmax < 141°. Для его увеличения до φmax < 180° достаточно кольцевую область параболоидного отражателя в пределах угла 141 ° < φ < 180 °, через которую проходят лучи, не отражённые от лицевой плоскости (угол АОВ), охватить дополнительным кольцевым отражателем ВС с фокусом (см. рис. 2), совпадающим с вершиной основного (см. пунктир на рис. 2). На него падают лучи непосредственно от светодиода и собираются вдоль общей оптической оси. В этом случае оптическая система будет полноохватной.


Такая оптическая система может быть использована и для других, «объёмных» источников света, если изготовить для неё полусферическую выемку (см. рис. 3) с центром на вершине параболоидного отражателя, разместить в ней центр светящего тела источника, а за ним укрепить полусферический контротражатель, естественно, предусмотрев средства облегчения теплового режима.


Фактически, здесь представлен профиль оптической системы. Сама она образуется вращением профиля вокруг общей оптической оси.

На её основе может быть получена и оптическая система прожектора кругового излучения с «объёмным» источником, если привести указанный профиль во вращение вокруг оси – касательной к вершине отражателя (см. рис. 4).


Это делает предполагаемую оптическую систему универсальной. Помимо прочего, предлагаемая оптическая система отличается компактностью (при равенстве фокусных расстояний), жёсткостью (если учитывать долю твёрдого тела в объёме системы) и очевидной технологичностью (где основными операциями являются штамповка и алюминирование).