имитатор солнца

Формула изобретения

ИМИТАТОР СОЛНЦА, содержащий источник света, конденсор, светопровод и объектив, при этом светопровод длиной L выполнен в виде набора из m светопроводящих стержней, каждый из которых состоит из сердцевины диаметром d_с и показателем преломления n_с и оболочки толщиной t с показателем преломления n₀ < n, причем источник света установлен в переднем фокусе конденсора, входной торец светопровода установлен в заднем фокусе конденсора, фокус объектива совмещен с выходным торцом светопровода, отличающийся тем, что входные торцы стержней светопровода, касающиеся окружности радиуса r₁, где r₁ - радиус светового пятна в заднем фокусе конденсора, выполнены с одинаковыми максимальными диаметрами d_с сердцевины и упакованы вплотную друг к другу, выходные торцы стержней светопровода, касающихся окружности радиуса r₂ r₁, выполнены с одинаковыми максимальными диаметрами d_с сердцевины и равномерно распределены внутри окружности r₂ так, что количество стержней с максимальным диаметром d_с, касающихся окружности с радиусом r₂ на выходном торце светопровода, равнялось количеству стержней, касающихся окружности с радиусом r₁ на входном торце светопровода, а расположение центров торцов остальных стержней на выходном торце светопровода воспроизводит расположение центров торцов этих стержней на входном торце светопровода в масштабе r₂ / r₁ , r₂ = (f₁ / 2)tg , где - требуемая расходимость рабочего пучка света имитатора; f₁ - фокусное расстояние объектива, причем t/d_с 0,025, L/d_с 100, количество q вплотную упакованных в окружности радиуса r₁ торцов одинаковых стержней на входном торце светопровода с максимальным диаметром сердцевины d_с удовлетворяет условию q 20, при этом m q, апертурный угол любого стержня удовлетворяет соотношению

arcsin arctg (r₃/f₂)

или

arcsin arctg (r₄/f₁), ,

где r₃ - световой радиус конденсора;

f₂ - заднее фокусное расстояние конденсора;

r₄ - световой радиус объектива,

а сердцевина и оболочка стержней выполнены из кварца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптическому приборостроению, к средствам контроля приборов ориентации космических аппаратов.

Известен имитатор Солнца, содержащий ксеноновую лампу, конденсатор, объектив [1] . Недостатком этого имитатора является наличие относительных локальных пульсаций освещенности, равных приблизительно 3,5% , из-за нестабильности плазмы в ксеноновой лампе.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является имитатор Солнца [2] , содержащий ксеноновую лампу, конденсор, светопровод, объектив. Светопровод исполнен либо в виде полой стеклянной трубки с золотой пленкой, либо с частично диффузной поверхностью, причем трубка - прямая или изогнутая, а длина трубки в восемь раз больше ее диаметра.

Недостатки этого имитатора следующие. Во-первых, длина трубки только в восемь раз больше ее диаметра, и это не дает достаточно большого количества переотражений пучка света внутри трубки, необходимого для "перемешивания" пучка света.

Во-вторых, коэффициент отражения от золота и тем более от диффузной поверхности не является 1, и пропускание света трубкой становится небольшим уже после нескольких отражений пучка от стенки трубки.

В-третьих, при малом количестве отражений света в трубке резко проявляются кольцевые перераспределения потока в выходящем пучке света, что нарушает его однородность.

Таким образом, относительные локальные пульсации освещенности в этом имитаторе не уменьшены. Относительные локальные пульсации измеряются, например, двумя кремниевыми фотодиодами со светочувствительной поверхностью 1,5 мм, установленными в произвольных местах сечения выходного рабочего пучка света имитатора и включенными на входы дифференциального усилителя.

Целью изобретения является снижение относительных локальных пульсаций освещенности в выходном пучке света имитатора.

Цель изобретения достигается тем, что в известном имитаторе Солнца, содержащем источник света, конденсор, светопровод длиной L, выполненный в виде набора из m светопроводящих стержней, каждый из которых состоит из сердцевины с диаметром d_c и показателем преломления n_c и оболочки толщиной t с показателем преломления no, n_c > n_o, объектив, причем источник света установлен в переднем фокусе конденсора, входной торец светопровода установлен в заднем фокусе конденсатора, фокус объектива совмещен с выходным торцом светопровода, входные торцы одинаковых стержней с максимальным диаметром сердцевины d_c упакованы вплотную друг к другу и вписаны в окружность с радиусом r₁, где r₁ - радиус светового пятна в заднем фокусе конденсора, выходные торцы стержней равномерно распределены внутри круга с радиусом r₂, r₂ r₁, таким образом, чтобы количество стержней с максимальным диаметром d_c, касающихся окружности с радиусом r₂, на выходном торце светопровода равнялось количеству стержней, касающихся окружности с радиусом r₁ на входном торце светопровода, с приблизительно одинаковыми зазорами между этими стержнями, а расположение центров торцов остальных стержней на выходном торце светопровода воспроизводит расположение центров торцов стержней на входном торце светопровода в масштабе (r₂/r₁),

r₂ = (f₁/2) tg , где - требуемая расходимость рабочего пучка света имитатора;

f₁ - фокусное расстояние объектива, причем (t/d_c) 0,025 (L/d > 100, количество q вплотную упакованных в круге радиуса r₁ торцов одинаковых стержней на входном торце светопровода с максимальным диаметром сердцевины d_c должны быть q 20, m q, апертурный угол любого стержня должен удовлетворять условиям

arcsin arctg (r₃/f₂) или

arcsin arctg (r₄/f₁), где r₃ - световой радиус конденсора;

f₂ - заднее фокусное расстояние конденсора;

r₄ - световой радиус объектива, а сердцевины и оболочки стержней кварцевые.

Таким образом, предлагаемое техническое решение представляет собой совокупность существенных признаков, которые в сравнении с прототипом обладают новизной.

Использование (волоконных) светопроводов (жгутов) для передачи и преобразования оптических сигналов известно. Однако использование в имитаторе Солнца с ксеноновой лампой набора кварцевых стержней, имеющих кварцевую сердцевину и кварцевую оболочку, для перемешивания пучка света, поступающего от конденсора через стержни на объектив, причем с количеством одинаковых стержней с максимальным диаметром сердцевины не менее 20, не известно. Таким образом, заявленное техническое решение обладает существенными отличиями.

Устранение относительных локальных пульсаций освещенности в рабочем пучке света имитатора происходит при перемешивании локальных световых пучков, поступающих в стержни от конденсора, во-первых, в самих стержнях, во-вторых, при наложении выходящих из множества стержней конических пучков света на объективе имитатора.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить новый положительный эффект.

На фиг. 1 изображена блок-схема имитатора Солнца; на фиг. 2 изображен входной торец светопровода; на фиг. 3 изображен выходной торец светопровода.

Имитатор содержит ксеноновую лампу 1, конденсор 2, светопровод 3 с входным 4 и выходным 5 торцами, объектив 6. Ксеноновая лампа 1 (а точнее, ее прикатодная область, где находится сгусток светящейся плазмы) установлена в переднем фокусе конденсора 2. Световой радиус конденсора равен r₃. Входной торец 4 светопровода 3 установлен в заднем фокусе конденсора 2. Заднее фокусное расстояние конденсатора равно f₂. Выходной торец 5 светопровода 3 установлен в фокусе объектива 6. Фокусное расстояние объектива равно f₁. Световой радиус объектива 6 равен r₄. Радиус входного торца 4 светопровода 3 равен r₁. Радиус выходного торца 5 светопровода 3 равен r₂. светопровод 3 состоит из стержней с сердцевиной (диаметр d_c, показатель преломления n_c) и оболочкой (толщиной t, показатель преломления n_o). Сердцевины и оболочки - кварцевые.

На входном торце 4 светопровода 3 содержится количество q вплотную упакованных в круге радиуса r₁ одинаковых стержней с диаметром dc (например, d_c = 0,8-1,5 мм). В зазорах между ними могут быть уложены стержни меньшего диаметра, так что общее количество стержней равно m, m q. Длина светопровода 3 равна L. На выходном торце 5 светопровода 3 стержни равномерно распределены в круге радиуса r₂, r₂ r₁. Равномерное распределение произведено, например, таким образом, что количество стержней, касающихся на входном тоpце окружности с радиусом r₁, на выходном торце касается окружности с радиусом r₂, с одинаковым зазором между этими стержнями, а расположение центров торцов остальных стержней на выходном торце 5 воспроизводит расположение центров торцов стержней на входном торце 4 в масштабе (r₂/r₁).

Имитатор работает следующим образом. В светопроводах с малым отношением длины к диаметру сердцевины (L/d_c) в выходящем пучке света образуется картина из темных и светлых колец. Каждое кольцо соответствует определенному числу отражений лучей от цилиндрической поверхности волокна. При этом играет роль не только отношение (L/d_c), но и абсолютное значение диаметра d_c. При уменьшении d_c контрастность кольцевой структуры пучка света снижается. Кроме того, длина светопровода 3 должна быть не более примерно 1 м, чтобы конструкция имитатора в целом удобно размещалась в лаборатории.

Стержни с диаметром d_c = 1 мм длиной 50 мм дают удовлетворительную картину несимметричного распределения потока в выходном коническом пучке света с кольцеобразным изменением 3,5% интенсивности только в центральной области пучка света.

Для стержней с малой апертурой выходящий конический пучок света занимает весь двойной апертурный угол стержня даже при малом растворе входного пучка света.

Таким образом, выходящие пучки света из всех стержней светопровода 3 - одинаковые, конические. Они поступают на объектив 6, смешиваясь друг с другом.

Радиус r₁ светового пятна в заднем фокусе конденсора равен в промышленных имитаторах Солнца (например, типа СЮ-11-69) r₁ 3 мм. Торцы стержней на входе 4 светопровода 3 должны вплотную вписываться внутрь круга с радиусом r₁, чтобы максимально захватить поток. На фиг. 2 в качестве примера изображен вход 4 светопровода 3, содержащего 21 стержень диаметром d_c = 1 мм и 12 стержней диаметром d_c 0,33 мм. Большая часть площади круга с радиусом r₁ занята одинаковыми стержнями с наибольшим диаметром d_c; в данном примере d_c = 1 мм.

Для увеличения светопропускания светопровода 3 необходимо, чтобы толщина t оболочки стержней была небольшой: (t/d_c) 0,025.

Например, t = 5 мкм, d_c = 1 мм.

Площадь круга по суммарной площади сердцевины стержней лучше заполняется стержнями большого диаметра, чем малого диаметра. Например, в круге радиусом r₁ = = 3 мм (площадь 28,274 мм²) помещается вплотную упакованных:

либо 27 стержней с d_c = 0,99 мм, t = = 5 мкм с общей площадью 54-х зазоров между стержнями 2,177 мм²;

либо 736 стержней с _dc = 0,19 мм, t = = 5 мкм с общей площадью 1472-х зазоров 2,374 мм².

Отношение площади сердцевины стержня к площади круга по оболочке для этих двух типов стержней составляет:

= 0,9801 и = 0,9025.

С учетом площадей зазоров между стержнями площади сердцевин составят долю от площади круга диаметром 6 мм:

для d_c = 0,99 мм это

0,9801 = 0,98010,923 = 0,9046;

для d_c = 0,19 мм это

0,9025 = 0,90250,916 = 0,827.

Каждый из стержней на торце 4 забирает световой поток из небольшого участка с диаметром d_c поверхности светового пятна с радиусом r₁ в заднем фокусе конденсора 2 и распределяет этот поток в конический пучок, выходящий из торца 5 на объектив 6. Таким образом, на объективе 6 происходит сложение m конических пучков света от m локальных участков в световом пятне в заднем фокусе конденсора 2. То есть локальные пульсации (во времени) освещенности в заднем фокусе конденсора перераспределяются на всю площадь объектива 6 и превращаются из локальных пульсаций в пульсацию всего потока во всем рабочем пучке света 7. Способы устранения этой пульсации потока во всем сечении пучка света 7 здесь не обсуждаются. (Это может быть осуществлено, например, с помощью сигнала обратной связи на блок питания ксеноновой лампы от фотоприемника, установленного в пучке света 7).

Однако выходящий из каждого стержня конический пучок света имеет стабильную (в пространстве и во времени) кольцеобразную неравномерность 3,5% . Стержней с d_c = 1 мм в круге с радиусом r₂ выходного торца 5 светопровода 3 много (q 20, m q). Торцы стержней в круге выходного торца 5 светопровода 3 пространственно смещены по площади своего круга. То есть пространственно смещены относительно друг друга и световые пучки от каждого стержня на объективе 5. Это и приводит к практически полному устранению кольцевой структуры освещенности в пучке света 7 за объективом 6.

Рассмотрим пример. Пусть диаметр пучка света 7 равен 50 мм, то есть световой радиус объектива r₄ = 25 мм. В центральной области конических пучков от каждого стержня содержатся 1-2 кольца с шириной примерно 1 мм с освещенностью меньше окружающего фона примерно на 7% . Световые пятна диаметром 50 мм от каждого стержня на объективе 6, имеющем диаметр 50 мм, смещены от 1 до 6 мм, в зависимости от взаимного расположения торцов стержней на выходном торце 5 светопровода 3. Даже если заведомо уменьшить число перекрывающихся со смещением (на объективе 6) пучков света от стержней до семи, то кольцевой "провал" на 7% уровня освещенности будет "поднят" практически до 100% -ного уровня окружающего фона:

= 99%

Диаметр (2r₂) выходного торца светопровода 3 и фокусное расстояние f₁ объектива 6 должны обеспечить требуемую угловую расходимость рабочего пучка 7 света в соответствии с формулой

tg = 2 r₂/f₁, где f₁ - фокусное расстояние объектива.

Если r₂ = r₁, то расположение вплотную стержней в круге выходного торца 5 такое же, как и на фиг. 2 для входного торца 4.

Если для обеспечения величины угла требуется сделать r₂ > r₁, то торцы стержней должны заполнить выходной торец 5 с радиусом r₂следующим образом.

Количество стержней, касающихся на входном торце окружности с радиусом r₁, приблизительно равно количеству стержней на выходном торце 5, касающихся окружности с радиусом r₂, с приблизительно одинаковым зазором между этими стержнями. Расположение центров остальных стержней на выходном торце 5 воспроизводит расположение центров торцов стержней на входном торце 4 в масштабе (r₂/r₁).

Апертурный угол любого стержня должен удовлетворять условиям

arcsin arctg (r₃/f₂) или

arcsin arctg (r₄/f₁), где r₃ - радиус конденсора;

f₂ - заднее фокусное расстояние конденсора;

r₄ - радиус объектива.

Эти условия означают, что апертурные потери светового потока при проходе пучка света от конденсора 2 через светопровод 3 к объективу 6 должны быть минимальными. При этом необходимо обеспечить освещение объектива 6 полностью по всей его площади.

Световой поток, поступающий от ксеноновой лампы 1 через конденсор 2 на входной торец 4 светопровода 3 (с небольшим диаметром, например, r₁ = 3 мм), имеет большую величину, более 10 Вт. Поэтому стержни в светопроводе 3 должны быть кварцевыми: и сердцевина, и оболочка. Склейка стержней на торце 4 эпоксидным клеем не допускается, так как эпоксидная прослойка поглощает свет, произойдет разогрев торца 4, а эпоксидный клей не выдерживает высоких температур. Поэтому стержни надо или спекать, или стянуть снаружи кварцевым кольцом (не показанным на фиг. 2). На выходном торце разогрева не происходит, поэтому так можно пользоваться эпоксидным клеем.

Кварц выдерживает температуру свыше 1000^оС. Пропускание света у кварца очень высокое. Поэтому размещение торца 4 светопровода 3 в заднем фокусе конденсора 2 безопасно для светопровода 3.

Пусть в стержнях кварц - кварц n_c = = 1,456, n_o = 1,453. Апертурный угол равен

arcsin = arcsin= (5,36)

Если r₄ = 25 мм, f₁ = 600 мм, то

arctg(r₄/f₁) = arctg(25/600) = 2,38^о, то есть получилось 5,36^о > 2,38^о, что и требуется.

Выполнение вышеуказанного неравенства

arcsin arctg (r₃/f₂) не является строго обязательным. Если это неравенство не выполняется, то часть пучка света (и потока) на входе 4 светопровода будет потеряна. Но работоспособность имитатора сохранится.

Расходимость рабочего пучка 7 света имитатора равна arctg(2r₂/f₁). При r₂ = 3 мм, f₁ = 600 мм получается arctg(6/600) = 34", практически совпадающий в данном примере с расходимостью солнечного пучка на расстоянии Земли от Солнца.

Одинаковые стержни с наибольшим диаметром d_c в светопроводе 3 могут использоваться с, например, d_c = 0,8-1,5 мм. Длина L светопровода должна быть экспериментально подобрана из условия (L/d_c) 100, но не быть слишком большой, чтобы габариты имитатора Солнца не увеличились.

В светопроводе 3 можно использовать и стержни некруглого сечения: квадратные, шестиугольные.

Кварцевый светопровод 3 имеет высокое пропускание света в широкой спектральной области, с запасом перекрывая области спектральной чувствительности фотоприемников приборов (0,4-1,1 мкм), испытываемых в пучке света имитатора Солнца.