Световые приборы - Трембач В.В.
ISBN 5-06-001892-Х
Скачать (прямая ссылка):
Недостатки плосковыпуклых линз весьма эффективно устраняются в линзах, профиль которых (рис. 6.4) предложен французским ученым О. Френелем. Ступенчатая, или френелевская, линза состоит из центрального плосковыпуклого элемента и определенного
314
¦г
Рис. 6.3. Параметры плосковыпуклой линзы
Рис. 6.4. Профиль френе-левской линзы с прямым несущим слоем
числа кольцевых элементов. Число элементов может быть разным и зависит от параметров линзы, желаемой оптической точности и способа ее изготовления.
Первая или внутренняя, преломляющая поверхность линзы может быть плоской и сферической (криволинейной).
Вторая или внешняя, преломляющая поверхность имеет ступенчатую форму. Она в каждом элементе М2М/ фрепелевской линзы представляет собой тороидпуго поверхность, профиль которой образован дугой с определенным радиусом и центром кривизны. Последние в каждом элементе подбираются так, чтобы фокальные лучи, падающие па основание и вершину элемента, отклонялись параллельно оптической оси. Все другие фокальные лучи могут иметь сферическую аберрацию допустимого значения.
Конструктивные элементы линзы. Френелевские линзы имеют следующие конструктивные части. Слой элемента линзы между поверхностями MiM0I и М2Мо2 называется несущим слоем элемента, а для всей линзы — несущим слоем линзы. По форме несущий слой линзы может быть прямым и криволинейным (рис. 6.5). Криволинейный несущий слой применяется для того, чтобы увеличить угол охвата 2<pmax линзы. В линзе с прямым несущим слоем максимальный угол падения света равен углу охвата фохв = = Фтах, в связи с этим для ограничения френелевского отражения выбирают фгаах^45°. Если для фтах = 45° потери за счет френелевских отражений на двух поверхностях составляют (pi -Ь рг) = 16% при «=1,53, то при угле фтах = 60° потери вырастают до 42%. При криволинейной форме несущего слоя углы падения на первую преломляющую грань могут быть уменьшены, что позволяет увеличить углы охвата таких линз.
315
В зависимости от того, где находится ступенчатая поверхность френелевских линз, они делятся на линзы с внутренним (рис. 6.5) несущим слоем и наружным (рис. 6.6). У первых линз ступенчатой является наружная преломляющая поверхность, у вторых — внутренняя поверхность. Недостатками линз с внутренним несущим слоем является быстрое загрязнение и запыление оптических элементов. Очистка таких линз очень трудна, поэтому часто делается герметичное соединение двух линз с наружным и внутренним несущими слоями, что почти исключает загрязнение ступенчатых поверхностей.
Проекция первой соединительной грани на нормаль N\ —¦
толщина несущего слоя t\ (см. рис. 6.3). Проекция второй соединительной грани M0iM2' на ту же нормаль (рис. 6.6) Nx является общей толщиной элемента t. Разность t — t\ = t2— выступ элемента над несущим слоем.
Так как линза с френелевским профилем при прямом несущем слое имеет горизонтальные соединительные грани (см. рис. 6.4), то фокальный луч, упавший в точку Мои выйдет через вторую преломляющую грань в точке М2', поэтому часть элемента, профилем которой является треугольник MaiM2/M2, не содержит пи одного осевого луча и является нерабочей. В алларовской линзе эти нерабочие части удалены, чем, примерно, па 7% облегчается ее вес и па 3% уменьшаются потери светового потока. В предложенном им профиле соединительные грани идут по направлению преломленных осевых лучей, падающих на вершины предыдущих элементов линз (рис. 6.6).
Высотой элемента фрепелевской линзы называется расстояние между крайними точками его соединительных граней па внутренней преломляющей поверхности.
Френелевские линзы изготовляются двумя способами. Линзы большой оптической точности, у которых угловая производственная аберрация очень мала и не превышает нескольких минут, выполняются в виде отливок, из которых шлифуют оптические элементы с последующей их установкой и юстировкой в металлической обойме (см. рис. 6.2). Более дешевые линзы для прожекторных приборов массового применения изготовляются прессовкой стекла (см. рис. 6.1).
Для увеличения угла охвата в френелевских линзах применяют иногда катадиоптрические элементы, работающие на основе полного внутреннего отражения. С их помощью угол охвата линзы может быть увеличен до 180° (см. рис. 6.2). Однако, ввиду того что эти элементы должны изготовляться и устанавливаться отдельно друг от друга и обязательно быть шлифованными, их применение ограничено. Они используются только в дорогих линзах большой оптической точности.
Оптический расчет френелевской линзы с прямым внутренним несущим слоем. Основной задачей оптического расчета френелев-316
ской линзы является нахождение формы второй (наружной) преломляющей поверхности каждого ее элемента, удовлетворяющей условию отклонения элементом фокальных лучей, падающих на соединительные грани (точки Mi и М2) параллельно оптической оси OZ (рис. 6.7). Такому условию с определенной погрешностью удовлетворяет тороидная поверхность (безаберрацнонная поверхность должна быть поверхностью с переменным радиусом кривизны). Следовательно, оптический расчет предполагает нахождение центра и радиуса кривизны второй преломляющей грани, а также координат узловых точек профиля элемента.
