62. Оптическая схема прожектора дальнего действия

Прожектором называется оптическая система, концентрирующая часть светового потока источника света в узкий пучок как для освещения удаленных предметов, так и для передачи сигналов на большие расстояния.

В зависимости от диаметра выходного зрачка прожекторы делят на приборы дальнего действия с ближнего действия с светосигнальные с и коллиматоры, отличающиеся тем, что освещаемый предмет располагается вблизи прибора.

Основными оптическими характеристиками прожектора являются сила света, коэффициент усиления, дистанция оформления пучка, угол рассеяния и угол охвата.

Освещенность изображения определяют по формуле (218):

где схатм; коэффициент пропускания оптической системы; хатм — коэффициент пропускания атмосферы или другой среды на пути хода лучей после действия прожектора; яркость изображения, определяемая по формуле (205); яркость источника; показатели преломления среды пространства, где помещен источник, и среды пространства изображений соответственно. Обычно

Для определения значения обратимся к рис. 141. Источник света с прямоугольной излучающей площадкой размером помещен в передней фокальной плоскости оптической системы, представленной в виде бесконечно тонкой линзы. Освещаемый предмет находится на большом расстоянии от оптической системы. Поэтому где диаметр входного эрачка оптической системы, который во многих случаях можно принять равным диаметру выходного врачка.

Таким образом,

Рис. 141. Ход лучей в прожекторе (коллиматоре)

Сравним полученную формулу с равенством (168) при где сила света прожектора.

В результате сравнения получим, что

или при сила света где площадь выходного зрачка (входного зрачка при

Таким образом, сила света прожектора растет пропорционально увеличению площади выходного (входного) зрачка при одной и той же яркости источника света.

Формулы (295), (296) справедливы при удалении освещаемого предмета от прожектора на расстояние Расстояние определяет дистанцию оформления пучка (точка первая по ходу лучей, в образовании которой участвуют лучи, идущие в край входного зрачка диаметром Для точки действующий диаметр входного (выходного) зрачка уменьшается до значений

Для прожектора (коллиматора)

Коэффициентом усиления прожектора называют отношение силы света прожектора к силе света источника по направлению нормали:

где — диаметр входного зрачка оптической системы диаметр источника.

Коэффициент усиления прожектора достигает значения

Угол рассеяния прожектора 2? зависит как от размеров светового тела источника света (рис. 141), так и от сферической аберрации оптической системы.

Из рис. 141 следует, что угол рассеяния в меридиональной плоскости, совпадающей с плоскостью рисунка, можно определить по формуле

а в другой меридиональной плоскости, перпендикулярной к плоскости рисунка, — по формуле

Так как обычно фокусное расстояние значительно превышает то

При использовании точечного излучателя угол рассеяния появляется за счет дифракции: где длина волны света; диаметр входного зрачка оптической системы прожектора, равный диаметру выходного зрачка (система принята тонкой).

Так как оптическая система прожектора (коллиматора) обычно имеет сферическую аберрацию, то действительный угол рассеяния будет больше, чем вычисленный по приведенным выше формулам.

Диаметр освещаемой поверхности

где диаметр входного зрачка, принятый равным диаметру выходного зрачка.

Отметим важный момент, связанный с выбором фокусного расстояния объектива коллиматора. Из формул следует, что, чем больше фокусное расстояние тем меньше угол рассеяния, определяемый конечными размерами источника излучения. Фокусное расстояние объектива определяют при заданном допустимом угле рассеяния и известных размерах излучающей площадки, учитывая влияние сферической аберрации и явление дифракции.

Углом охвата называется двойной апертурный угол в пространстве предметов, характеризующий полноту использования светового потока источника света (рис. 142).

Оптические системы прожектора могут быть зеркальными, зеркально-линзовыми и линзовыми.

Зеркальная система представляет собой сферическое или параболоидное зеркало с наружным отражающим покрытием. На рис. 142 показано сферическое зеркало радиусом диаметр входного (выходного) зрачка. В параксиальной области от точечного излучателя, помещенного в фокусе зеркала, выходит пучок лучей, параллельных оптической оси. С увеличением

Рис. 142. Сферическое зеркало

высоты падения лучей возрастает выходной апертурный угол т. е. отраженные лучи будут пересекаться с оптической осью на конечном расстоянии от эеркала, которое уменьшается с увеличением входного апертурного угла Это изменение выходного апертурного угла является угловой сферической аберрацией зеркала, нарушающей равномерность освещенности объекта.

По теореме синусов из рис. 142 следует, что т. е.

Угловая сферическая аберрация зеркала Ее значение ограничивает относительное отверстие сферического зеркала.

Для параболоидного зеркала с точечным источником излучения, помещенным в фокусе зеркала, расходимость пучка лучей зависит только от дифракции, оцениваемой по формуле (300).

Зеркально-линзовую систему прожектора в простейшем виде можно представить как систему с одной преломляющей поверхностью, используемой дважды, и с одной отражающей поверхностью.

Примером такой оптической системы прожектора со сферическими поверхностями при наименьших значениях угловой сферической аберрации и больших углах охвата является зеркало Манжена (рис. 143) с при

На рис. 144 показаны оптические системы прожекторов, состоящих из вогнутых эллипсоидов, в первом фокусе которых

Рис. 143. Зеркало Манжена

Рис. 144. Оптические системы прожекторов

помещен точечный источник света; диафрагм, находящихся во второй фокальной плоскости эллипсоидов; линзы с минимальной сферической аберрацией (рис. 144, а) или линзы Френеля (рис. 144, б). Передние фокусы линз совмещены со вторыми фокусами эллипсоидов.