Светооптические системы осветительных приборов

Перераспределение светового потока источника света в осветительных приборах осуществляется светооптической системой, в состав которой могут входить отражатель, источник света и линзы или набор линз.

Отражающие (катапрические) светооптические системы состоят из вогнутых или плоских зеркальных отражателей, выполненных цельными или составными с гладкой, ломаной, волнистой или отфактуренной поверхностью. В основных видах отражателей используются оптические свойства параболических, эллиптических, сферических, гиперболических и плоских поверхностей, а также поверхностей, сочетающих эти свойства.

Наибольшее распространение получил параболоидный глубокий отражатель для источников света с концентрированным телом накаливания, в котором световые лучи источника, расположенного в фокусеf, отражаются параллельно в направлении оптической оси (Рис.1).

Рис. 1. Параболоидный отражатель

Это свойство позволяет получить наибольшую концентрацию светового потока в заданном направлении, что характерно для прожекторов. Параболоидный отражатель представляет собой тело, образованное вращением вокруг общей оси двух парабол, создающих лицевую (по отношению к источнику света) и тыльную поверхности. Ось вращения отражателя называется главной оптической осью прожектора. Если поместить точечный источник света на оптической оси в точку фокуса, то все лучи света, упавшие на лицевую поверхность параболоидного отражателя, отразятся от него и будут параллельны оси. Вершиной такого отражателя называется точка пересечения оптической оси с лицевой поверхностью отражателя, а фокусное расстояние (f)– это расстояние по оптической оси от фокуса до вершины отражателя.

Световым отверстием отражателя называется проекция его лицевой поверхности на плоскость, перпендикулярную оптической оси. Диаметр отражателя (D)соответствует диаметру светового отверстия. Еще один параметр – глубина отражателя (H) – это расстояние по оптической оси от центра светового отверстия до вершины отражателя.

Телесным углом охвата ωназывается пространственный угол, под которым из фокуса видна вся лицевая поверхность отражателя. Телесный угол охвата определяется плоским углом охвата 2β.Связь между телесным и плоским углом охвата выражается формулой:

ω=2π(1 – cosβ).

Плоский угол охвата 2β связан с основными параметрами отражателя соотношением:

tgβ=D/2(f – H).

Параболоидные отражатели, в зависимости от размеров и положения источника света подразделяются на три вида, характеризующихся углом охвата 2β:

· Неглубокий отражатель имеет угол охвата менее 120°

· Нормальный глубокий отражатель имеет угол охвата 180°

· Глубокий отражатель с углом охвата от 180° до 240°.

Угол охвата выражает степень использования светового потока источника света, поскольку он образован крайними лучами от светящегося тела лампы. С увеличением угла охвата отражателя возрастает полезная часть светового потока осветительного прибора, что достигается путем увеличения диаметра отражателя и уменьшением его фокусного расстояния. Увеличение диаметра отражателя ограничивается габаритами осветительного прибора, а уменьшение фокусного расстояния затрудняется по технологическим причинам при изготовлении формы глубокого отражателя. Практически угол охвата параболоидного отражателя ограничен 240°, что позволяет использовать до 75% светового потока лампы. Осевая сила света прибора с параболоидным отражателем определяется по закону Манжена:

I=ρkLπD²/4,

где: L – яркость светящегося тела лампы в кд/м², ρ – коэффициент отражения отражателя, k – коэффициент, учитывающий другие потери.

Осветительные приборы с параболоидными отражателями имеют относительно небольшие, практически не отличающиеся друг от друга углы рассеяния в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Среди характеристик катапрической светооптической системы используется коэффициент усиления, который прямо пропорционален коэффициенту отражения отражателя и квадрату отношения диаметра отражателя к диаметру светящегося тела. Чем меньше конечные размеры светящегося тела и больше коэффициент отражения, тем больше коэффициент усиления прожектора.

Если прожектор построить в виде катапрической светооптической системы, то она будет иметь следующие недостатки:

· Луч оформляется на значительном (равным пятнадцатикратному размеру диаметра выходного отверстия) рассто­янии от отражателя, а следовательно, прожектор должен распола­гаться далеко от освещаемого объекта.

· Если тело накала имеет большой диаметр, параболический зеркальный отражатель создает значительные искажения участков тела накала, удаленных от фокуса, что приводит к неравномерности светового пучка – появлению темных колец и светлых бликов.

· Угол полезного действия прожектора небольшой, следова­тельно площадь освещаемой поверхности мала.

· Зеркальные стеклянные отражатели, имеющие максималь­ный коэффициент отражения, от которого зависит величина силы света прожектора, при работе находятся в тяжелом температурном режиме. При источнике света большой мощности отражатель изготавливается из отдельных плоских зеркальных пластин, располагаемых на ме­таллической основе параболической формы. Равномерность пятна, при такой конструкции отражателя, улучшается за счет увеличе­ния рассеянной составляющей, когда отражатель выполнен из плос­ких пластин, расположенных по параболе. Угол полезного действия увеличивается, уменьшается дистанция формирования луча, но сни­жается максимальное значение силы света.

Катаприческая светооптическая система все же применяется в про­жекторах дальнего действия, где в качестве источника света используется угольная дуга высокой интенсивности, размеры светящегося тела которой максимально приближаются по к точечному источнику. Перспективной эта светооптическая система является и для прожекторов с металлогалогенными шаровыми лампами, мощностью шесть и более киловатт, для освещения объектов направленным световым лучом с больших расстояний.

В конструкции осветительных приборов с линейными трубчатыми лампами применяется параболо-цилиндрический отражатель, который можно получить перемещая параболу параллельно самой себе. Если на фокальной линии параболо-цилиндрического отражателя поместить такой источник света, то в вертикальной плоскости будет происходить концентрация светового потока так же, как в рассмотреном выше параболоидом отражателе. В горизонтальной плоскости концентрация светового потока не происходит. Осевую силу света прибора с параболо-цилиндрическим отражателем можно определить, используя закономерность Манжена:

I=ρkLlH,

где: l – длина светящегося тела в виде нити накаливания, Н – высота параболо-цилиндрического отражателя.

Преломляющие (диоптрические) светооптические системы применяются в прожекторах и состоят из сферических линз и источника света.

Рис.2. Преломляющая (диоптрическая) светооптическая система

Перераспределение светового потока происходит вследствие пре­ломления линзой светового потока источника света, расположенного в фокусе линзы (Рис.2). Прошедший че­рез линзу световой поток в этом идеальном случае будет иметь цилиндрическую форму с диаметром, рав­ным диаметру линзы и располагаться параллельно ее оптической оси. При расчете источник света (ИС) принимается за точечный, а 2β – угол оптического охвата линзы.

Но так как тело накала источника света имеет конечные размеры и прошед­шие световые лучи от крайних точек тела накала все же удалены от фокуса линзы, то реально прошедший световой пучок будет иметь форму конуса.

Сила света в диоптри­ческой светооптической системе определяется по той же формуле, что и при катапрической системе, т.е. максимальная осевая сила прожектора, согласно закону Манжена, пропорциональна квадрату диаметра линзы, яркости источни­ка света и коэффициенту пропускания линзы и определяется из выражения:

I=τkLπD²/4

где: τ – коэффициент пропускания линзы, πD²/4 – площадь проекции поверхности линзы на площадь, перпендикулярную оптической оси.

Коэффициент усиления диоптри­ческой светооптической системы прямо пропорционален коэффициенту пропускания линзы и квадрату отношения ее диаметра к диаметру источника света.

Реальные линзы имеют малые коэффициенты пропускания, так как увеличение их диаметра приводит к увеличению их веса и к еще большему снижению коэффициента пропускания τиз-за толщи­ны стекла.

Недостатками диоптрической светооптической системы явля­ются:

· Малая сила света, ограниченная коэффициентом пропус­кания.

· Неравномерность в световом пятне за счет неравномерности яркости спирального тела накала источника света, усиливаемой линзой.

Плоско-выпуклая стеклянная линза диаметром 1 метр при толщине в центральной части 0,3 метра будет иметь вес около 330 кг. Поэтому в осветительных приборах используются линзы Френеля. Чтобы снизить вес линзы большого диаметра, французский ученый Огюстен Френель предложил сферическую линзу со ступенчатыми кольцевыми преломляющими поверхностями. Профиль френелевской линзы показан на рис.3.

Рис.3. Разрез линзы Френеля

Основой такой линзы является несущий слой (прямолинейный или криволинейный) одинаковой толщины по всему диаметру. Непосредственно на несущем слое расположены рабочие элементы линзы. Переход к френелевым поверхностям является переходом к особого рода несферическим поверхностям, которые можно рассматривать и как коррекционные элементы. Линзы Френеля имеют значительно меньший вес и меньшую толщину, чем обычные линзы при минимальном уголе охвата 45° и коэффициенте пропускания τ=0,84. Кроме линз с прямолинейным несущим слоем в осветительных приборах используются также линзы Френеля с криволинейным несущим слоем (Рис. 4).

Рис.4. Линза Френеля с криволинейным несущим слоем в схеме преломляющей светооптической системы .

Для увеличения угла охвата до 120° применяются сдвоенные линзы Френеля с криволинейным несущим слоем на внешней стороне у внешней линзы и на внутренней стороне у внутренней линзы.

Характерной особенностью линз Френеля является нерабочий участок на каждом кольце профиля френелевой поверхности в месте перехода одного кольца в другое. Если профиль будет иметь скошенные от центра к краю линзы грани кольцевых рабочих элементов (профиль Аллара), то в такой линзе Френеля нерабочий участок устраняется и потери света значительно снижаются.

Для увеличения угла охвата до 180° необходимо применение линз с катадиоптрическим профилем элементов, работающих на принципе полного внутреннего отражения.

В отечественных разработках прожекторов используются стандартный ряд линз Френеля:

Маркировка линзы	Диаметр линзы, мм	Фокусное расстояние линзы, мм	Коэффициент Усиления
ЛФ 100-68	100±1,0	68–76	20–13
ЛФ 150-100	150±1,5	100–112	32–24
ЛФ 250-150	250±1,5	150–168	45–35
ЛФ 355-250	355±2,0	250–180	60–35
ЛФ 505-350	500,5–507	350–392	60–40
ЛФ 610-420	605,5–612	420–470	92–55

В зарубежных моделях используются линзы Френеля следующих диаметров: 50, 80, 112, 175, 250, 350, 420 и 625 мм.

Смешанные (катадиоптрические) светооптические системы содержат оптические элементы отражающих и преломляющих систем, которые нашли широкое применение в прожекторах. Они состоит из отражателя, источника света и линзы, фокусы которых и центр ИС находятся на одной оптической оси (рис. 5).

Рис.5. Схема смешанной светооптической системы.

Смешанная система лучше перераспределяет световой поток ИС за счет совместного действия отражателя и линзы. В таких сис­темах отражатель имеет как сферическую форму, так параболоидную или эллипсоидную (в зависимости от разработки) и отраженные лучи формируются из центра сферы. Линзовые прожекторы с зеркаль­ными отражателями, с высоким коэффициентом отражения (ρ=0,8-0,9) частично компенсируют неравномерность яркости спирального тела накала источника света создаваемую линзой, за счет некото­рой составляющей рассеивания отраженных лучей, всегда присут­ствующей в реальных условиях отражения. Линзовый прожектор с зеркальным отражателем создает яркое световое пятно с резко очерченными краями. Профиль линзы выбирается, исходя из учета абер­раций, минимальных потерь в оптике и возможно большего угла оптического охвата. Для получения безаберрационной линзы профиль ее должен быть ограничен прямой и кривой высшего порядка, которая вследствие трудности воспроизведения в большинстве случаев заменяет­ся сферой. Исключением является светооптическая система в классических моделях приборов Dedolight, где используется не одна, а сразу две асферические линзы, благодаря чему удалось снизить потери и 3-х кратно увеличить световой поток.

Обычные сферические линзы пригодны для небольших, в пределах 200 мм, выходных отверстий прожекто­ров. Углы охвата при этом будут равны 8°-10°, что приводит к снижению светового потока такого прожектора. Максимальная осевая сила света в этом случае ограничивается из-за низкого коэффициента пропускания и малого диаметра линзы. Но увеличение диаметра линзы приво­дит к увеличению аберраций и к дальнейшему снижению коэффициента пропус­кания вследствие увеличения толщины линзы (потери в оптике).

Увеличение диаметра линзы, снижение ее толщины и сниже­ние аберации в этой светооптической системе стало возможным при замене обычной сферической линзы линзой Френеля.

У прожектора с линзой Френеля существует дистанция формирования луча, так как в близлежащие от прожектора точки не попадают лучи, исходящие от всей поверхности линзы. Дистанция формиро­вания луча – это расстояние с которого вся поверхность линзы видна равномерно светящейся и она равна в среднем пятнадцатикратному разме­ру диаметра линзы.

Из-за ступенчатости профиля линзы угол рассеяния каждого элемента различен и изображение источника света, имеющего конечные размеры, сдви­гается. Световое пятно прожектора становится более равномерным. Сила света прожектора максимальна при положении источника света в фокусе линзы. При выведении источника света из фокуса, сила света снижается, но увеличивается угол полезного действия за счет увеличения теле­сного угла. Сила света прожектора меняется также при выведении источника света из фокуса отражателя.

Источник света в прожекторах с линзами Френеля устанавливается в фокусе отражателя стационарно и фокусировка (изменение осевой силы света и угла полезного действия) производится смещением вдоль оптической оси конструкции отражатель-источник света относи­тельно фокуса линзы. Отражатель должен иметь такой угол охвата, чтобы весь световой поток источника света, тело накала которого находится в его фокусе, отразился от поверхности отражателя и прошел через линзу. Отражатель и источник света представляют собой для линзы единый источник излучения.

Прожекторы при любой, рассмотренной выше светооптической системе являются круглосимметричными осветительными при­борами, которые характеризуются одной кривой силы света в вер­тикальной плоскости, и тогда на плоскости перпендику­лярной оптической оси получим световое пятно в виде круга. Максимальная сила света будет направлена по линии оптической оси прожектора:I_макс =I_ос.