Усиление линзовой оптики

Для создания надежных и экономичных приборов световых сигналов в их конструкциях необходимо использовать оптические системы, концентрирующие часть светового потока, т.е. увеличение силы света в определенном направлении.

Способность увеличивать силу света оптическими приборами характеризует коэффициент усиления оптики:

(5)

где – сила света светового потока, вышедшего из оптической системы; – сила света, падающая от источника света на оптическую систему.

Рассмотрим физические процессы усиления линзовой оптики. Для лучшего понимания принципа действия линзы рассмотрим чертеж, приведенный на рис. 41.

Если перед линзой 1 поместить источник света 2, дающий среднюю силу света , то от него на линзу упадет световой поток:

(6)

где – телесный угол, соответствующий линейному углу , называемому углом охвата линзы.

Рис. 41. Чертеж к расчету усиления линзовой оптики

При прохождении светового потока через линзу лучи преломляются и выходят из линзы уже в виде более узкого пучка со средней силой
света в телесном углу , характеризуемом соответственно линейным углом рассеивания линзы . Световой поток, вышедший из линзы, будет определяться по формуле

(7)

Если потери светового потока в линзе выразить через
коэффициент , то соотношение между упавшим на линзу и выходящим из линзы световым потоком можно выразить равенством

(8)

С учетом формул (7) и (8) получим

(9)

откуда (10)

Подставив в уравнение (10) вместо телесных углов и их значения, определенные через линейные углы a и b, т.е., принимая

и ,

получим . (11)

Из уравнения (11) следует, что коэффициент усиления повышается с возрастанием угла охвата и уменьшением угла рассеяния линзы.

Коэффициент усиления линзы можно также выразить через геометрические параметры источника света и линзы:

, (12)

где – диаметр линзы; d – диаметр источника света.

Из уравнения (12) следует, что для получения бо́ льшего усиления линзы следует увеличивать диаметр оптики (линзы) и уменьшать размеры светящего тела источника света. Поэтому в светофорах применяют точечные лампы, у которых нить накала максимально укорочена и приближается к размерам точки (относительно диаметра линзы). Для увеличения угла охвата a необходимо применять линзы с малым фокусным расстоянием. Такие линзы имеют большую асферическую выпук­лость и массу.

Однако выпуклая линза может дать параллельный исходящий пучок света только в том случае, если источник света в виде геометрической точки помещен точно в ее фокусе. Кроме того, во всех частях такой линзы при её изготовлении должна быть соблюдена однородность материала и заданная асферическая форма, устраняющая асферическую аберрацию (от лат. aberration – отклоняться).

В действительности указанные условия в большей или меньшей мере не выполняются, поскольку из-за неправильного положения источника света относительно точки фокуса пучок света вместо параллельного получается расходящимся или отклоненным в ту или другую сторону от оптической оси, а необходимость шлифовки массивных линз по заданной форме значительно повышает их стоимость.