7.2. Осветительные оптические системы

Осветительные оптические системы позволяют улучшить качество освещения, задействовать большую часть светового потока источника и обеспечить более равномерное освещение объекта. Основными элементами осветительных систем являются простые линзы или зеркала (сферические или асферические), а также линзы или зеркала со сложным профилем (линзы Френеля). В качестве элементов осветительных систем могут использоваться растровые системы, световоды и оптическое волокно.

Линзовые осветительные системы содержат только линзы сферической или асферической формы. Степень сложности (число линз) конденсора определяется углом охвата , то есть двойным апертурным углом в пространстве предметов. Чем больше угол охвата, тем сложнее схема конденсора. Максимальный угол охвата для линзовых конденсоров 90°. Простейшая схема конденсора – одиночная линза с углом охвата не более 15 – 20°.

Зеркальные осветительные системы содержат только зеркальные элементы. Зеркальные осветительные системы отличаются от линзовых большим углом охвата (до 140°) и отсутствием хроматических аберраций. Кроме того, у зеркальных систем меньше масса, чем у линзовых, и больше коэффициент пропускания. Простейшая зеркальная система – вогнутое сферическое зеркало с предельным углом охвата до 110°. Источник света в такой системе помещается в фокус зеркала, и тогда его изображение получается на бесконечности.

Чтобы избежать повреждений или загрязнений отражающего слоя, в осветительных системах часто применяют стеклянные отражатели, внутреннюю поверхность которых покрывают отражающим слоем. Например, зеркало Манжена состоит из двух сферических поверхностей, одна из которых покрыта отражающим слоем (рис. 7.4). Такое зеркало имеет угол охвата около 140°.

 
Рис. 7.4. Зеркало Манжена.

Зеркально-линзовые осветительные системы содержат зеркальные и линзовые компоненты. Например, линзовая часть системы может располагаться после зеркального компонента. В качестве зеркального компонента могут применяться сферические или асферические зеркала, а в качестве линзовых компонентов – сферические и асферические линзы, или линзы Френеля (рис. 7.5).

 
Рис. 7.5. Зеркально-линзовая осветительная система.

Линзы Френеля – оптические детали со ступенчатой поверхностью сложного профиля (рис. 7.6). Ступеньки линзы Френеля обычно разграничены концентрическими канавками и представляют собой участки сферических или конических поверхностей. Каждый участок этих поверхностей направляет пучки лучей в требуемое место изображения. Чем меньше расстояние между соседними ступеньками (то есть больше их число), тем лучше исправляются в линзе аберрации.

 
Рис. 7.6. Линза Френеля.

Линзы Френеля отличаются большими углами охвата (до 100 – 120°) и небольшими аберрациями. Кроме того, они имеют малые габариты (толщины линз) и вес, благодаря чему линзы Френеля используются в некоторых светофорах, в фарах машин. Осветительные системы в простых проекторах часто состоят из одной линзы Френеля (если присмотреться, то можно заметить на экране проектора концентрические окружности).