Что такое коллиматорная линза

Построение компактных коллиматоров для мощных светодиодов

Введение

Характеристики мощных светодиодов

Мощные светодиоды имеют большой угол обзора. Популярные светодиоды компании CREE не являются исключением. Вот, например, характеристики светодиода XP-E2 [5].

• Размер 3,45 х 3,45 x 2.08 мм
• Цвет Белый
• Максимальный ток 1 A
• Максимальная мощность 3 Вт
• Максимальный световой поток 283 лм
• Номинальное прямое напряжение 2.9 V Белый @ 350 мА
• Максимальное обратное напряжение 5 В
• Угол обзора 110°

Коллиматоры

Существует множество вариантов коллиматоров, собирающих расходящееся излучение в зоне наблюдения. Среди них можно выделить линзы (преломляющие свет), отражатели и составные коллиматоры, состоящие из линз, преломляющих поверхностей и отражателей (Рис. 1, Рис. 2).

Требуемое равномерное освещение объекта или другое распределение освещенности достигается применением специальных материалов, рассеивающих поверхностей и корректировкой форм элементов коллиматора и их расположения.

Рис. 1. Примеры структур коллиматоров светодиодов [1,2,3,4].

Рис. 2. Геометрия демонстрационных моделей среды проектирования оптических устройств LightTools.

Распределения лучей отражателя

Профиль отражателей вычисляется с учетом угла обзора и диаграммы направленности светодиода, размера объекта и расстояния до него, а также и требуемого распределения освещенности объекта.

Некоторые варианты распределения лучей светодиода на поверхности объекта показаны на Рис. 3.

Рис. 3. Варианты распределения лучей в зоне объекта. A — фокусировка в центральной точке; B, D — слабые лучи (см. диаграмму направленности) собираются на периферии зоны объекта, сильные — в центре (для усиления интенсивности центральной зоны); варианты С и E собирают слабые лучи в центе, а сильные — на периферии (для выравнивание интенсивности засветки).

Расчет профилей отражателя

Расчет профиля отражателя, фокусирующего лучи точечного источника (Рис. 3, вариант А), можно выполнить без использования специальных сред для разработки оптических систем.

Рис. 4. Распределение прямых и фокусируемых лучей (на этом рисунке слева, Рис. 3, вариант А) и диаграмма расчета профиля отражателя точечного источника (справа).

Далее, приведена программа расчета и построения профиля отражателя (Рис. 5) в среде МАТЛАБ с использованием построений Рис. 4.

Рис. 5. Профили отражателей излучения точечных источников с углом обзора 180, 120, 60 и 20 град для освещения 50 мм объекта, расположенного на расстоянии 300 мм от источника.

Диаграмма расчета профиля отражателя В (Рис. 3) показана на Рис. 6.

Рис. 6. Диаграмма расчета профиля отражателя лучей точечного источника: «Слабые» — периферийные лучи (диаграммы направленности светодиода) идут к границам объекта, «Сильные» центральные лучи собираются в центре объекта (Рис. 3, вариант В).

Сравнительные профили отражателей вариантов A,B,C,D,E (Рис. 3) показаны на Рис. 7. Максимальный диаметр отражателей ограничен 6 мм.

Сравнение профилей (Рис. 7) и распределение лучей (Рис. 3) показывает, что длина коллиматоров и диапазон собираемых лучей максимальны для вариантов D и E. Коллиматор Е обеспечивает лучшую равномерность освещения объекта, чем коллиматор D. Коллиматор В имеет наибольшую зону для размещения линзы, которая соберёт лучи не коснувшиеся отражателя. Угол расхождения прямых лучей прошедших внутри отражателя В составляет 60 градусов (как 90-60*2).

Составной компактный коллиматор

Составной коллиматор включает отражатель, ограниченного размера, и линзу, которая фокусирует лучи не собранные отражателем. Пакеты программ LightTools или TracePro используются для расчета коллиматоров с отражателями и линзами. Расчет линзы может быть выполнен отдельно, например, в среде Zemax или Code V.

Рис. 8. Структуры компактного коллиматора из органического стекла ПММА (вверху) и коллиматора со вставной линзой из стекла BK7 (внизу) для освещения 50 мм объектов с расстояния 300 мм. Расчёт отражающей поверхности выполнен в МАТЛАБ, для расчёта линзы использовалась среда Zemax.

Рис. 9. Результаты расчета линзы коллиматора Рис. 8. в Zemax.

Построение отражателя в LightTools

Пакет программ LightTools позволяет выполнить расчет коллиматоров и оптимизировать их параметры в автоматическом режиме.

Результаты расчета в среде LightTools профиля оптимального отражателя без ограничения его размеров для освещения 50 мм объекта, удаленного от светодиода XP-E2 на 300 мм, показаны на Рис. 10. Профиль отражателя описан кривой Безье (Bezier) [6]. Модель светодиода XP-E2 взята из библиотеки LightTools. Оптимальные выходной диаметр и длина модели коллиматора составили 12.9 и 18.9 мм соответственно.

Рис. 10. Размеры и эффективность отражателя Ø12.9 x 18.9 мм. Эффективность 17.5% определяется отношением количества лучей достигших объекта к количеству лучей испускаемых источником.

Ограничение диаметра отражателя 6.2 мм привело к снижению его эффективности с 17.5% до 5,6% (Рис. 11). Это связано, в основном, с тем, что с уменьшением площади отражения возросло количество прямых лучей светодиода не попадающих в зону объекта.

Рис. 11. Характеристики освещенности и параметры оптимального отражателя, собирающего лучи светодиода XP-E2 в диапазоне 69… 103 град. Максимальный диаметр отражателя ограничен 6.2 мм. Эффективность коллиматора

Уточненная модель светодиода отличается от точечного источника тем, что излучение формируется множеством точечных источников, распределенных по всей поверхности диода, например, в зоне 1 х 1 мм для XP-E2. Углы обзора и диаграммами направленности всех источников равны.

Профиль отражателя излучения распределенного источника (Рис. 12) отличается от профиля отражателя для сосредоточенного источника (Рис. 11), однако их эффективности (

Рис. 12. Оптимальные параметры LightTools отражателя излучения распределенного источника XP-E2. Максимальный диаметр отражателя ограничен 6.2 мм. Эффективность коллиматора

Сравнение профилей отражателей, расcчитанных в МАТЛАБ и LightTools

Профили отражателей, показанные Рис. 13, рассчитаны в МАТЛАБ (профили: A,B,C,D,E) и LightTools (профили: LT point, LT dist, LT unlim). В МАТЛАБ выполнен ручной расчет для точечных источников. В LightTools оптимизация профилей выполнена в автоматическом режиме для точечного и распределенного источников с ограничением (6.2 мм) и без ограничения диаметра отражателя для равномерного освещения 50 мм объекта, удалённого от источника на 310 мм.

Рис. 13. Профили отражателей: A, B, C, D, E — ограниченного диаметра (6 мм), рассчитаны в МАТЛАБ для точечного источника; LT point — ограниченного диаметра (6.2 мм), рассчитан в LightTools для точечного источника; LT dist — ограниченного диаметра (6.2 мм), раcсчитан в LightTools для распределенного источника; LT unlim — свободного размера, расcчитан в LightTools для точечного источника.

Алгоритмы оптимизации параметров в LightTools скрыты от пользователя. Для понимания алгоритма оптимизации LightTools, который использовался при расчете профиля «LT dist» (Рис. 13) построено распределение лучей в МАТЛАБ (Рис. 14).

Рис. 14. Ход лучей распределенного источника отражаемых в зону 50 мм с расстояния 310 мм, общая диаграмма (слева), увеличенный фрагмент (справа). Рассматривается излучение от краёв (голубые и зеленые линии) и центра (красные линии) распределенного источника. Разделение краевых и центрального пучков 1х1 мм источника достигается смещениями отражателя на ±0.5 мм.

Распределение лучей (Рис. 14) показывает, что оптимизация LightTools нашла профиль отражателя для центрального точечного источника с освещением 1/3 зоны объекта и использовала этот профиль для освещения всей зоны объекта источниками излучения, распределенными на площади светодиода 1х1 мм.

Код МАТЛАБ для вычисления массива точек оптимального профиля отражателя — кривой Безье (‘Besier_profile_dist_source.mat’), заданной параметрами LightTools Bezier_WX Bezier_Relative_UX и Bezier_VX:

Ручной расчет коллиматора

Для выполнения ручных расчетов отражателя распределенного источника необходимо:

1. Найти координаты точки отражателя, ближайшей к источнику.
2. Рассчитать профиль отражателя (см. алгоритм раздела Расчет профилей отражателя) для уменьшенной зоны объекта, например, 1/3.

Через начальную точку отражателя, ближайшую к источнику, должны проходить лучи, испускаемые всеми точками плоскости светодиода. Прямые лучи, проходящие через начальную точку, должны освещать зону соразмерную с объектом, находящимся на требуемом расстоянии от источника.

Рис. 15. Построение лучей для поиска начальной точки отражателя. Зоны располагаются на окружности радиусом 310 мм (правый рисунок) равном расстоянию до объекта. На левом рисунке показано увеличенное изображение с поверхностью светодиода радиусом 1,5 мм.

Положению начальной точки отражателя соответствует точка 1 на поверхности светодиода радиусом 1.5 мм (Рис. 15) через которую проходят крайние (L и R) и центральный © лучи распределенного излучателя в зону

50 мм, отстоящую от источника на 310 мм.
Угол обзора рассчитанного коллиматора с отражателем можно уменьшить, включив в структуру коллиматора линзу, как показано на Рис. 8.

Источник

Коллиматорные прицелы: Принцип работы, история и перспективы

Впервые про коллиматорные прицелы я в 1995г. узнал из журнала Soldier of Fortune. Это был прицел Holodot от фирмы BoNaSo Trading Ltd. Жутко любопытно было и очень хотелось попробовать. Но все, кого спрашивал о нем, лишь пожимали плечами.

Фото из журнала Soldier of Fortune

Позже, обучаясь на спецфакультете, нам показали коллиматорный прицел в симбиозе с ПП-90 — что-то похожее на то, что изображено на фото ниже)

Фото из журнала Soldier of Fortune

Не помню как он назывался, возможно это был ПСК-8 или ПОТ

ПСК-8 (Прицел стереоскопический коллиматорный) ПОТ(Прицел оптический точечный)

Итак, что же такое коллиматор?

Коллиматор (от collimo, искажение правильного лат. collineo — направляю по прямой линии) — устройство для получения параллельных пучков лучей света или частиц.

Коллиматорные прицельные системы — это системы, использующие коллиматор для построения изображения прицельной метки, спроецированного в бесконечность. В действительности в прицеле лучи света от источника отражаются линзой коллиматора в глаз стрелка параллельным потоком. В результате этого глаз стрелка не обязательно должен находиться на оптической оси прицела, главное, чтобы он находился в пределах проекции линзы прицела вдоль этой оси. При поперечных перемещениях глаза прицельная метка с точки зрения наблюдателя перемещается по линзе прицела, оставаясь на точке прицеливания вне зависимости от положения глаза наблюдателя относительно прицела.

Коллиматорный прицел позволяет вести стрельбу, держа оба глаза открытыми, при этом поле зрения не уменьшается и у стрелка есть возможность своевременно реагировать на изменение окружающей обстановки.

Вот он же с другим прицелом, для военных «Вьюга-45-2»

Коллиматорный прицел обеспечивает более высокую скорость прицеливания, чем традиционные прицельные приспособления (мушка/целик) т.к. при прицеливании нужно совмещать всего лишь — красную светящуюся метку, видимую в окуляре и саму цель, при этом глаз аккомодируется на расстоянии до цели (в механических прицелах — обычно на мушку, целик и цель видны не в фокусе).

Коллиматорные прицелы бывают открытые и закрытые. Существует/существовала нечеткость терминологии на этот счет. Изначально закрытыми прицелами именовались прицелы, которые не имели прозрачной линзы, а только проецировали в глаз стрелка прицельную метку. Цель в окуляре не отображалась, прицеливание осуществлялось бинокулярно при наблюдении одним глазом прицельной метки, а другим — цели, в мозгу стрелка происходило характерное для бинокулярного зрения совмещение изображений от обоих глаз.

Примерно это выглядело так.

В настоящее время такие прицелы практически вышли из употребления.

Современные коллиматорные прицелы имеют оптическую схему, сквозь которую стрелок наблюдает цель, и при этом она же отражает в его глаз изображение прицельной метки, по старой классификации все такие прицелы назывались открытыми.

Сейчас закрытым коллиматорным прицелом именуется прицел, у которого источник освещения, формирующий метку, находится в закрытом (обычно цилиндрическом, герметичном) корпусе, при этом, кроме передней линзы коллиматора, имеется закрывающая корпус сзади линза окуляра.

Закрытый коллиматорный прицел

Открытый коллиматорный прицел имеет только переднюю линзу в оправе, источник света находится открыто на основании прицела.

Открытый коллиматорный прицел

История развития коллиматорных прицелов

Говард Грабб был главой семейной фирмы Grubb Telescope Company, основанной его отцом, которая делала большие телескопы, средства управления телескопами и другие оптические приборы. Он также известен своей работой по совершенствованию перископов и изобретением коллиматорного прицела.

Говард Грабб (28 июля 1844 — 16 сентября 1931), Дублин, Ирландия, конструктор оптических приборов.

Коллиматорный прицел Грабба стал применяться на охотничьем оружии и завоевал популярность. также в 1901г.

Типы колиматорных прицелов

Изначально коллиматорные прицелы стали использовать в авиации, применяя их на истребителях.

Впервые их применили в 1918 году на истребителях Albatros D.V и Fokker Dr.1. Прицелы были производства фирмы Optische Anstalt Oigee, изготовленные по патенту Грабба, в качестве подcветки прицельной сетки использовался электрический свет.

Аналогичный прицел был сделан английской фирмой Vickers

В дальнейшие годы авиационные коллиматорные прицелы совершенствовались, принцип их остался тот же.

Авиационные прицелы используют тот же принцип действия, что и обычные коллиматоры Пример действия авиационного коллиматорного прицела.

Коллиматорные прицелы широко применялись в авиации, в зенитных установках, противотанковой артиллерии, минометах.

Зенитный коллиматорный прицел Зенитный коллиматорный прицел

Вскоре после Второй мировой войны появились коллиматорные прицелы для винтовок и дробовиков, Nydar shotgun sight (1945), который использует изогнутое полупрозрачное зеркало, чтобы отражать свет для освещения прицельной марки, и Giese electric gunsight (1947), который был оснащен батарейным питанием освещения марки.

Позднее появились прицелы Weaver Qwik-Point (1970) и Thompson Insta-Sight. Оба прицела использовали окружающий свет для освещения прицельной марки при помощи устройства разделения луча — зеленый крестик в Insta-Sight, и красный пластиковый стержень «световод», который создавал красную точку прицеливания визира в Qwik-Point.

Были и другой тип коллиматорного прицела, так называемый «слепой» или закрытого типа, который (в зависимости от используемой прицельной марки) называют RED DOT, он пришел из артиллерии.

Прицел М4 миномета М4 Прицел М4 миномета М4

Для освещения прицельной марки использовалась электрическая лампочка или световоды.

В качестве примера прицелов использующих для освещения световоды можно привести SinglPoint и Armson OEG.
В качестве прицельной марки у обоих использовалась красная точка, источником светя являлся окружающий свет. Но, у Armson OEG для подсветки в ночное время использовался тритий — радиоактивное в-во, что расширяло возможности его использования.

Коллиматорный прицел Armson OEG SinglPoint SinglPoint Прицел SinglPoint использовали «Зеленые береты» в рейде на Сон Тай в операции Ivory Coast 20.11.1970

Основным недостатком этой системы является то, что мозг плохо адаптировался для объединения разнородных изображений от каждого глаза, в результате чего прицельная марка смещается по отношению к изображению цели. Из-за этого смещения — и большого размера точки (8 или 16 МОА), эффективность прицелов была значительно ограничена. Военные США прекратили разработки коллиматорных прицелов для стрелкового оружия

Следующий шаг вперед в технологии красной точки сделала компания Aimpoint, в прицелах которой стал использоваться светоизлучающий диод (LED) для проецирования красной точки на изображении цели, это произошло в 1974 году. Однако, не смотря на преимущества, коллиматоры особого успеха среди охотников и спортсменов не имели.

Коллиматорный прицел Aimpoint Electronic

Комитет Палаты представителей США по делам вооруженных сил отметил еще в 1975 году о пригодности использования коллиматорных прицелов для М16, однако, прошло еще довольно много времени прежде чем коллиматорные прицелы начали использоваться на оружии.

Прицелы Aimpoint ограниченно применялись во время операции Буря в пустыне.

Но только в 2000 году произошел прорыв. Aimpoint заключило контракт на поставку армии США 565783 прицелов M68 Close Combat Optic Rifle Sights (Aimpoint Comp2).

За последующие годы популярность коллиматорных прицелов значительно выросла, появилось множество разнообразных моделей, но все они обязаны своим появлением Говарду Граббу.

Источник