Оптическая схема прожектора.
Для подсветки различных предметов применяются оптические осветительные системы совместно с источниками света. Назначение осветительных систем - создать подсветку предмета направленными лучами света. Такой прибор будет условно называться прожектором. Перед оптической системой ставится задача наиболее полного использования светового потока , попадающего в систему и направленного в сторону объекта.
При освещении, как правило, объект находится на практической бесконечности. Для его освещения источник света располагается в фокусе осветительной оптической системы, которая называется коллиматором, или прожектором. Для получения больших освещенностей на больших дистанциях поле освещения должно быть малым. Идеальным прожектором был бы прожектор с бесконечно малым , абсолютно точечным. источником света, помещенным в переднем фокусебезаберрационной (без искажений) системы. Расхождение пучка определялось бы дифракцией света.
Основные оптические характеристики прожектора:
· сила света;
· коэффициент усиления;
· угол рассеяния;
· дистанция оформления луча;
· угол охвата.
Сила света прожектора, определяемая максимальной осевой силой света, описывается законом Манжена: I пр = h пр·В·Апр = h пр · В ( p D2 пр/4), где D пр - диаметр отверстия объектива прожектора; Апр - площадь светового отверстия прожектора; h пр - световой к.п.д. оптики прожектора; В - габаритная яркость светового тела. При этом световой к.п.д. прожектора зависит от коэффициента пропускания оптики t пр, коэффициента использования оптики h 0 , а также коэффициента использования светового потока h F, т.е. h пр = t пр · h 0 ·h F > 0,4-0,6. Коэффициенты h 0 и h F определяются как h 0 = Fw/F 0, a h F = F/F w, где Fw - полный световой поток в пределах угла охвата; F - полезно использованный световой поток; F 0 - полный световой поток излучателя прожектора.
Коэффициент усиления прожектора - это отношение освещенностей объекта с наличием оптики прожектора E пр и без нее E: e = E пр /E = I пр /I = h пр (D пр /d ), где d - приведенный диаметр светового тела источника света; I - сила света источника.
Угол рассеяния прожектора 2w образован крайними световыми лучами. Этот угол (см. рис.1) зависит от размеров светового источника a и b и от величины сферической аберрации оптики. Чтобы освещенность, создаваемая прожектором, была наибольшей, угол рассеяния стремятся сделать наименьшим. Величина угла рассеяния определяется следующим выражением: tg w a= a/2f ' . При использовании точечного излучателя угол рассеяния появляется за счет дифракции:
. В расчетах учитывают полезный угол рассеяния, в пределах которого сила света должна быть не менее определенной величины, задаваемой в зависимости от назначения прибора. Для прожекторов дальнего действия эта величина принимается не менее 90% от максимального значения силы света вдоль оси. Полезный угол рассеяния определяется по диаграмме светораспределения, получаемой экспериментальным путем.
Дистанцией оформления луча называют такое расстояние от оптической оси до освещаемого предмета, начиная с которого объект освещается лучами от каждой точки излучающей поверхности (см. рис.1). Начиная с этой дистанции, освещенность объекта определяется следующим выражением:
Углом охвата 2 j называется двойной апертурный угол в пространстве предметов, показывающий использование светового потока источника света. Этот угол для зеркального отражателя определяется выражением:
где Н - глубина отражателя.
В качестве оптики прожектора применяют сферические или параболические зеркала, а также зеркала Манжена. С ростом угла охвата увеличивается сферическая аберрация. Для ее снижения в прожекторах применяют зеркала Френеля, в которых сферическая аберрация уменьшена.
Отражатели изготавливают из стекла, металла, пластмассы. Для выделения рабочей области спектра в оптическую систему вводятся необходимые светофильтры.
Оптическая схема проектора.
Назначение проектора – создавать на экране увеличенные изображения прозрачных рисунков, фотографий, или видеоинформации зафиксированных на кадре диапозитива, кинопленки или видеоматрицы. С помощью объектива на удаленном экране формируется увеличенное действительное изображение.
Заметим, что если проектор увеличивает изображение кадра на экране в N раз, то его освещенность уменьшается в N*N раз. А это значит, что проецируемый кадр следует очень сильно осветить. Для этого в проекторе, кроме стандартной имеется мощная осветительная лампа большой яркости, а такжеконденсор – система из двух плосковыпуклых линз, - который концентрирует световой пучок на проецируемом кадре.(см.рис 2)
Для получения изображения объекта необходим как минимум сам объект и линза (или объектив, состоящий из нескольких линз, но работающий, как одна). Основное свойство линзы заключается в следующем: все лучи, попадающие в линзу параллельно ее оптической оси, пройдя через линзу, сходятся в одну точку на оптической оси. Эта точка называется фокусом, а расстояние от центра линзы до этой точки -- фокусным расстоянием. Верно и обратное: любой луч, проходящий через фокус линзы и попадающий в линзу, покидает ее параллельно оптической оси. Кроме того, любой луч, проходящий через центр линзы, сохраняет свое направление.
См.рис. 3
Объект O, находится за фокусом линзы (F). Чтобы понять ход лучей, достаточно рассмотреть две крайние точки объекта (все остальные точки будут подчиняться той же схеме). Кроме того, при геометрическом построении достаточно рассмотреть всего по два луча для каждой точки (пунктирные линии): один проходящий через центр линзы, другой -- параллельно оптической оси. Каждая пара лучей, проходящие от объекта через линзу, пересекаются с другой стороны на расстоянии, большем удвоенного фокусного расстояния линзы. При этом все остальные лучи (сплошные линии), исходящие от объекта, пересекутся там же. В месте пересечения лучей и будет сформировано изображение объекта O', причем изображение будет перевернуто и увеличено. Для того, чтобы его увидеть, нужно в эту точку поместить экран.
Для нашего проектора схема с учетом пропорций компонентов будет иметь примерно следующий вид (пунктирные линии -- не реальные лучи, а используются только для геометрического построения) :
Для того, чтобы получить яркое изображение, объект должен излучать свет.В обычном прожекторе мы можем сфокусировать луч так, чтобы увидеть на экране изображение источника света. В варианте проектора диапозитив излучать свет не может, зато в наших силах его подсветить, установив за диапозитивом источник света. В устаревших обычных проекторах лампа освещает кинопленку или неподвижный слайд. В современной проекционной технике проецируемым объектом является матрица видеопроектора или гобо колорчьенджера, профильного прожектора или движущийся головы. Для простоты далее будем развивать первую схему, уменьшив размер линзы. Саму линзу будем именовать объективом.
Если просто установить за объектом лампу, получим следующую картину: См.рис. 4
См.рис. 5
Выходит, что в объектив попадает только часть лучей от лампы, проходящих сквозь панель. В итоге на экране мы получим лишь часть изображения. Чтобы этого избежать, используется вторая линза. Размер этой линзы должен быть не меньше размера панели.
Изготовить стеклянную выпуклую линзу такого размера практически нереально, а ее вес исчислялся бы десятками килограмм. Поэтому в проекторе используется плоская линза Френеля(«френель») . Линза Френеля плоская, тонкая, но ведет себя, как обычная выпуклая линза. Установив «френель» между лампой и панелью, получаем следующую схему.
См.рис. 6
Если рассматривать в качестве источника света лампу (любой конструкции), приходится принимать во внимание, что свет излучается ей во все стороны практически равномерно. Наша задача -- собрать максимум светового потока на френели. Для этого используются два дополнительных элемента -- сферический отражатель и конденсорная линза.
Сферический отражатель устанавливается за лампой и отражает все лучи от лампы обратно. Строго говоря, он формирует зеркальное изображение лампы на самой лампе. Лампа при этом располагается в центре кривизны зеркала, т.е. на расстоянии от поверхности, равном радиусу кривизны сферы. Это расстояние, в свою очередь, равно удвоенному фокусному расстоянию сферического зеркала. При использовании галогенной лампы, где свет излучается непрозрачной нитью, это зеркальное отражение нити частично затеняется самой нитью. При использовании металлогалогеновой лампы, в которой свет излучается электрической дугой, эффективность отражателя наиболее высока -- лучи проходят от отражателя сквозь дугу, фактически удваивая эффективный световой поток.
См.рис. 7
Конденсорная линза -- это выпукло-вогнутая линза, устанавливаемая между лампой и френелью. Ее форма позволяет захватить более широкий пучок света от лампы (другими словами, увеличить телесный угол светового пучка), увеличивая таким образом яркость. Длина системы при этом также уменьшается.
Все рассматриваемые выше схемы являются, так сказать, линейными, т.е. все компоненты лежат на одной оси. Это наиболее простой, но наименее компактный вариант. Чтобы создать более компактный аппарат, можно использовать зеркала. Причем необходимы зеркала с внешним отражающим слоем(поверхностным напылением), чтобы изображение не двоилось. Вот некоторые варианты использования зеркал: См.рис. 8
Использованная литература:
1.Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М. Наука, 1979
2.Горелик Г.С. Колебания и волны. М. Физматлит, 1959,
3.Дитчберн Р. Физическая оптика. М. Наука, 1965
4.Ландсберг Г.С. Оптика. М. Наука, 1976
5.Калитиевский Н.И. Волновая оптика. М. Наука, 1971
6.Сивухин Д.В. Общий курс физики.т.4 М. Наука, 1980.
7.Савельев И.В. Курс общей физики. т.4 М. Наука, 1998.
8. Матвеев А.Н. Оптика. М. Высшая школа, 1985.