DE1929736A1 - Optische Konzentrationsvorrichtung - Google Patents

Description

PIERRE MALIFAUD, Paris (Frankreich

Optische Konzentrationsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine optische Konzentrationsvorrichtung bestehend aus einer eine Öffnung 1/N aufweisende Frontsammeioptik, die eine erste Konzentration des aufgenommenen Lichtflusses hervorruft und die in dem kleinsten Querschnitt des mit der optischen Achse einen Halbwinkel O₁ (sinö^ = 1/2N) bildenden konvergierenden Strahlenbündels ein Bild erzeugt, und einem kegelstumpff örmigen* Spiegel,dessen einen Durchmesser d..aufweisender Eintrittsquerschnitt mit dem von der Frontoptik gebildeten Bild zusammenfällt und dessen Endquerschnitt mit dem empfindlichen Element eines in einem Medium mit dem Brechungsindex n₂ befindlichen Empfänger gekoppelt ist.

■ 2-

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Es ist bereits eine optische Konzentrationsvorrichtung bekannt (siehe franz. Patentschrift 1 5^3 165)» mit welcher man unter Berücksichtigung ider Forderung nach Beibehaltung des gesamten aufgenommenen Lichtflusses eine größtmögliche Beleuchtungsstärke erhält. Hierbei stellt sich das ungelöste Problem, auf welche Weise der maximale Grenzwert der Beleuchtungsstärke erreicht werden kann, indem andererseits der kleinstmögliehe Lichtflußverlust, genauer gesagt ein Lichtflußverlust in einem festgelegten Mindestverhältnis, zugelassen wird.

Ziel der Erfindung ist es, eine derartige optische Konzentrationsvorrichtung zu schaffen, mit welcher dieses Problern auf optimale Weise gelöst werden kann.

Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemäße optische Konzentrationsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenhalbwinkel T und der Durchmesser d~ des Endquerschnittes des kegelstumpfförmigen Spiegels durch die Verhältnisse

d_{r =} sin (λ.-Γ). ₍₁₎.

d' sin (ß_Q- f)

(2)

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- 3 -gegeben sind, wobei '

sin B_Q = sinG^/n^;

ß der. Halbwinkel des in den kegelstumpff örmigen Spiegel ein-' tretenden Strahlenbündels nach Brechung am Eintrittsquerschnitt,

s in λ = ⁿ2/ⁿi»

λ der Totalreflexionswinkel des Mediums n^ in bezug auf das Medium n_o und

ψ ein festgelegter Wert des Verhältnisses zwischen dem in dem Endquerschnitt empfangenen lichtf luß und dem im Eintrittsquerschnitt des kegelstumpfförmigen Spiegels aufgenommenen Lichtfluß ist.

Bei einer entfernt angenommenen Strahlquelle mit einem gegebenen Durchmesser, bei einer Frontsammeioptik mit gegebenem Durchmesser und relativen Öffnung und bei einem festgelegten Verhältnis ^ können somit die Abmessungen des kegelstumpfförmigen Spiegels eindeutig bestimmt '""Hen, die unter Verlust nur eines festgelegten LichtflußanteiIs einen maximalen Grenzwert der Beleuchtungsstärke ergeben,

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer AusführungsbeispieIe, wobei auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird. Auf dieser Zeichnung zeigern

Fig. 1 ein optisches Schema der erfindungsgemäßen Konzentrationsvorrichtung.

Fig. 2 eine grafische Darstellung, welche die Änderung der Beleuchtungsstärke und des Eichtflusses in den verschiede-

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BAD

nen Querschnitten eines .konischen Spiegels zeigt, dessen Eintrittsquerschnitt und dessen Spitzenhalbwinkel erfindungsgemäß bestimmt ist.

Die auf Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße optische Ko nzentrationsvorrichtung besteht aus einer Frontsammeioptik 1 mit der relativen Öffnung 1/N, welche von einer entfernten, in einem Medium mit dem Brechungsindex 1 angeordneten Strahlenquelle (nicht dargestellt) einen Lichtfluß empfängt und mittels eines konvergierenden Strahlenbündels 3 mi^ einem Offnungshalbwinke1 θ^ in der Ebene 2 (Brennebene) ein reelles Bild der Strahlenquelle erzeugt, und aus einem kegelstumpfförmigen Spiegel k, dessen den Durchmesser d.. aufweisender Eintrittsquerschnitt in der Bildehene 2 angeordnet ist und mit dem Bild der Strahlenquelle zusammenfällt. Dieser kegelstumpfförmige Spiegel besitzt einen Spitzenhalbwinkel^T ; der Brechungsindex des Mediums in seinem Inneren ist n.. (im Verhältnis zum Brechungsindex des die Strahlenquelle umgebenden Mediums) und sein Endquerschnitt hat einen erfindungsgemäß festgelegten Durchmesser d~. Der Spiegel ist eng mit dem empfindlichen Element 5 eines Empfängers gekoppelt, das von einem Medium mit dem Brechungsirtex ng umgeben ist.

Auf Fig* 1 ist der Offnungshalbwinke 1 θ> des. von dem kegelstumpff ö'rm ige η Spiegel aufgenommenen Strahlenbündels durch den Verlauf eines Rpndmeridians.trahls 6 und der Öffnungshalbwinkel ß des von dem Eintrittsquerschnitt d- des Spiegels gebrochenen Strahls 6' dargestellt.

Bei einem festgelegten Verhältnis 2' (Verhältnis zwischen dem in dem Endquerschnitt d^ empfangenen Lichtfluß und dem im Eintrittsquerschnitt d^ aufgenommenen LichtflußJ und bei ^: bekannten Charakteristiken der Frontsammeloptik 1'%©nnen die

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4 [ ζ

BAD

Abmessungen, die die Merkmale des kegelstumpff ö'rmigen Spiegels 4 gemäß der Erfindung eindeutig festlegen, mithilfe folgender Formeln bestimmt werden! .

s in (A -

sin (ß_o- f)

^l. sin θ.

- 1

(D

Das folgende Zahlenbeispiel zeigt, auf welche Weise der kegelstumpfförmige Spiegel in einem bestimmten Fall konstruiert werden kann.

Man nimmt eine Lichtquelle mit einem scheinbaren Durchmesser von 5 t die als ziemlich entfernt angenommen wird. Die Frontsammeioptik besteht beispielsweise aus einem Linsenobjektiv mit der relativen Öffnung 1/1,414. Dieses· Objektiv hat einen Durchmesser von 55 mm und eine Brennweite von 77,3 mm, Es liefert von der Strahlenquelle ein Bild, dessen Durchmesser i durch

gegehen ist. * ^{= 77}'⁸ ' ^ ⁵° ^{= 6}»^{8 mm}

Die Beleuchtungsstärke dieses Bildes ist bekanntlih im Verhältnis zum maximalen Grenzwert der Beleuchtungsstärke N^, d.h. im vorliegenden Fall 1/8.

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Es soll nun die maximale Beleuchtungsstärke- mit einer direkten Einbettung des empfindlichen Elements 5 in ein Flintglas mit dem Index n_? = n.. =· 1,73 erreicht werden (der kegelstumpfförmige Spiegel 4 besteht ebenfalls aus Flintglas). Diese Einbettung soll eine zusätzliche Konzentration mit dem

Faktor η .., d.h. im vorliegenden Fall um das 3-fache, gewährleisten. Das heißt also, es soll eine BäLeuchtungsstärke (irenzwert) erreicht werden, die 24-mal größer als die Beleuchtungsstärke ist, die man mit der Frontoptik mit der relativen Öffnung 1/1,4 erhält und zwar indem ein Lichtflußverlust von beispielsweise nur 25 $ des von dem Eintrittsquerschnitt d\j aufgenommenen Lichtflusses, d.h. # ' = 0,75, zugelassen wird.

Diese Aufgabe kann mit der erfindungsgemäßeη Konzentrationsvorrichtung gelöst werden. Zu diesem Zweck ist der Frontoptik mit einer relativen Öffnung von 1/1,4 lediglich ein kegelstumpf förmiger Brechungsspiegel beizugeben, dessen Abmessungen den oben angegebenen Formeln entsprechen.

Der Durchmesser d^ des großen-Jüintrittsquerschnitts wird dem Durchmesser i des von der Frontoptik gelieferten Bildes gleichgesetzt und beträgt somit im vorliegenden Fall d^ = 6,8 mm.

Ersetzt man in der Formel (2) ί\' durch 0,75; n^ durch 1,73; n_n durch 1,73 (Einbettung in η_Λ ); SInQ₁ = 1/2N durch j=-

'*· . 2 y 2

so erhält man:

1 - ^,8 tgf =- / 0,75

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Hieraus ergibt sich:

tg ji =0,028
und Halbwinkel j = I/36 rad (Ί°36·) ·

Setzt man diesen Wert von/rmit sinß = δΐηθ-,/η., = ,35V »73, d.h. B₀ = 1
erhält man schließlich!

O,35V¹»73» d.h. ß = 11%8' in die Formel (1) ein, so

6,8 = '0,9996 ^c '
d₃ 0,1771

Daraus ergibt sieht

dq = 1,2 mm«

Die Länge L des kegelstumpfformigeη Spiegels beträgt (6,8 - 1,2)/2tg/., also;

L = 100,8 mm

Auf der grafischen Darstellung von Fig. 2 sind die bei diesem Zahlenbeispiel erreichten Ergebnisse der erfindungsgemäßen Konzentrationsvorrichtung zusammengefaßt. Auf der Abszisse ist die Länge L des kegel stumpf förmige η Spiegels mit dem Spitzenhalbwinkel<f = I/36 rad zwischen dem Eintrittsquerschnitt d₁ und einem beliebigen Querschnitt d aufgetragen; Bezeichnet man das Verhältnis des Durchmessers d-| zu dem Durchmesser d eines beliebigen Querschnittes mit k, so erhält man;

2 tg/ k

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. . - .8 ■'-.■■

Auf der Ordinate ist auf einer Seite die Änderung des Verhältnisses zwischen der,Beleuchtungsstärke in einem beliebigen Querschnitt und der Beleuchtungsstärke in dem Eintrittsquerschnitt d₁ (Kurve 7) und auf der anderen Seite die Änderung des Verhältnisses zwischen dem einen beliebigen Querschnitt d erreichenden Lichtfluß und dem von dem Eintrittsquerschnitt d.. aufgenommenen Lichtfluß J (Kurve 8) aufgetragen.

Diese beiden Kurven zeigen deutlich die beiden bei einem kegelstumpfförmigen Spiegel möglichen Optimierungen. Bei der ersten, die in dem Querschnitt;dg erreicht wird, erhält man die größte Beleuchtungsstärke (im vorliegenden Fall 70 % der maximalen Beleuchtungsstärke) ohne Lichtflußverlust. Diese Optimierung ergibt sich durch die entsprechende Dimensionierung eines kegelstumpfförmigen Spiegels gemäß der franz. Pater*-.' schrift 1 5^3 165 und ist somit nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Die zweite, erfindungsgemäße Optimierung wird an ; dem erfindungsgemäß bestimmten Querschnitt d~ erreicht. Mit ihr erhält man den maximalen Grenzwert der Beleuchtungsstärke unter dem kleinstniglichen Lichtflußverlust (im vorliegenden Fall 25 ^). Diese Optimierung ergibt sich durch die Wahl der Abmessungen gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die oben angegebenen DimensionierungsformeIn 1 und 2 gelten für alle Fälle die auftreten können und von denen im folgenden einige Sonderfälle betrachtet werden sollen.

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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn n^ nicht 1 ist und n_? seinerseits nicht n.. und nicht 1 ist, die Parameter «Γ und ß_Q so zu wählen, daß folgendes Verhältnis erfüllt wirds

- 2 Kv" . (3)

Hierbei ist K eine ganze Zahl.

Die maximale Anzahl innerer Reflexionen bei den Meridian

Γ - ß_n
strahlen, die durch ■ gegen ist, entspricht somit einer ganzen Zahl. Damit wird gewährleistet, daß sämtliche Strahlen zur Erzeugung der maximalen Beleuchtungsstärke beitragen.

In besonderen Fällen können sieh die allgemeinen Formeln 1 und 2 vereinfachen.

In dem Fall, daß n₂ = n* nicht 1 ist (bei direkter Einbettung des empfindlichen Elementes in einen kegeistumpfförmigen Brechungsspiegel) erhalten die Formeln unter Berücksichtigung, daß in diesem Fall

sin Λ = ' ⁿ2 · = 1■ ;

A. = ^ und
2

sin ( ^-g— ~f> = cos γ folgende Form!/

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1929738 - ίο -

sin

\2

\
χ

Im Falle eines kegelstumpfförmigen Hohlspiegels, wobei η., gleich 1 und n₂ ebenfalls gleich 1 ist, werden die Formeln unter der Berücksichtigung, daß

	somit	sinßQ =	s in©-j	— S	InQ1;
	ßo = 9I	n1		n1
und	I; und

= 1;

^dt - ^{cos Γ} (β)

^d3

,n

V sini,

Ferner ist es möglich, eine Frontsammeloptik mit mehreren kegeIstumpfförmigen Spiegelelementen zu koppeln, die bündeiförmig angeordnet sind und parallel arbeiten. Ein derartiges

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Bündel kann aus kegelstumpfförmigen optischen Fasern bestehen, die erfindungsgemäß optimiert sind« Hieraus ergibt sich der Vorteil, daß auf dem empfindlichen Element ein mosaikartiges Bild der Lichtquelle wMergegeben werden kann. Ferner ist die Länge des Bündels derartiger kegelstumpff or m ige r Spiegelelemente im Verhältnis der Quadratwurzel der Anzahl der Spiegelelemente in einem durch die Achse gelegten Schnitt kurzer als die eines einzigen gleichwertigen kegelstumpff örmigen Spiegels.

Die erfindungsgemäße Konzentrationsvorrichtung besitzt ein großes Anwendungsgebiet. Insbesondere läßt sie sich für die Feststellung von Strahlen in allen Wellenlängen, insbesondere Infrarotstrahlen, zur Beobachtung, zur optischen Fernmeldung, Überwach-ung von heißen Behältern und Flammen, Fotosteuerung und Thermosteuerung, als Lichtkondensor, fotografischer Konzentrator, Sonnenenergiekonzentrator, zur Speisung von Lasern und dergleichen verwenden.

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   (1 *^Optische Konzentrationsvorrichtung, bestehend aus einer Vine Öffnung 1/N aufweisende Frontsammeioptik, die eine erste Konzentration des aufgenommenen Lichtflusses hervorruft und die in dem kleinsten Querschnitt des mit der optischen Achse einen Halbwinkel Q^ (sinG., = 1/2N) bildenden konvergierenden Strahlenbündels ein Bild erzeugt, und einem kegelstumpff Örmigen Spiegel, dessen einen Durchmesser d*j aufweisender Eintrittsquerschnitt mit dem von der Frontoptik gebildeten Bild zusammenfällt und dessen Endquerschnitt ~~~ mit dem empfindlichen Element eines in einem Medium mit dam Brechungsindex n₂ befindlichen Empfänger gekoppelt ist, dadurch ge k e η η ζ e ic h η e t, daß der Spitzenhalbwinkel (J'¹) und der Durchmesser (do) des Endquerschnittes des kegelstumpfförmigen Spiegels (4) durch die Verhältnisse:

   (1)

   1 sin (A, r) ^d3 sin(ß_Q- / s ίη^ώθ λ " t
   - 1 I
   _ * 1 — te; K , f~l2~
   ~*.ι 1 '^₂

   gegeben sind» wobei

   sinß_o * sine^/n^;

   ß der Halbwinkel des in den kegelstumpfförmigen Spiegel eintretenden Strahlenbündels nach Brechung am Eintritts-

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   - 13 querschnitt;

   2\
   λ der Totalreflexionswinkel des Mediums η- in Bezug auf das Medium n₂;

   und>l'ein festgelegter Wert des Verhältnisses zwischen dem in dem Endquerschnitt empfangenen Lichtflusses und dem im Eintrittsquerschnitt des kegelstumpffirmigen Spiegels aufgenommenen Lichtfluß ist.
2. 2. Optische Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnetj daß die Parameter Ά. und ß so gewählt sind, daß das Verhältnis

   A-S₀- 2K^ (3)

   erfüllt ist, wobei K eine ganze Zahl ist.

   3» Optische Konzentrationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß der kegelstumpftfrmige Spiegel aus einem Bündel parallel arbeitender, ,kegeistumpfförmiger Spiegelelemente besteht,

   H-, Optische Konzentrationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze ichnet, daß jedes kegelstumpfförmige Spiegelelement aus einer kegeistumpfförmigen optischen Faser besteht, deren Abmessungen auf dieselbe Weise wie die eines einzigen kegelst umpf förmige η Spiegels gewählt sind.

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