[lasers_INFERION]

Всем очередное "привет" . Сижу тут, служу потихоньку, страдаю ерундой и постоянно что-нибудь черчу, читаю, чтоб окончательно мозги не усохли. Так вот задумался я о недостатках светодиодных проекторов, подумал как можно сколлимировать пучок с нескольких светодиодов с минимальными потерями. Всё это закончилось тем, что хитрый фокон, вытянутой яйцеобразной формы (из стекла или акрила), можно спроектировать так, чтоб весь свет концентрировался на очень мелком участке, что позволит завести его в тонкий световод, или сколлимировать подобно лучу лазера. всё это только на бумаге, а хотелось бы погонять виртуальную модель в какой-нибудь софтине.
Кто мне может подсказать не сильно увесистый софт, в котором можно смоделировать законы преломления и отражения, в любой двумерной форме с постоянным коэффициентом преломления (фокон работает на переотражениях на границе раздела сред)?

И второй момент. Начал искать готовые решения. Ведь заводят же как-то излучение с линеек в волокно? Наткнулся на вот такой вот интересный завод: ОАО Завод "Оптик"
Боюсь врятли я там что-то смогу заказать, при своих то нестандартных требованиях и мизерном количестве. Оптика - это ведь такая же штука, как печатные платы. Её под каждое устройство нужно проектировать и изготавливать индивидуально. Но к сожалению, в отличии от ПП, дома её сделать гораздо сложнее, а ведь столько возможностей из-за этого нельзя реализовать ...
Кто уже имел опыт заказов изготовления оптических приборов на заводах? Какая там обычно политика, расценки? Вот например нужно мне выточить яйцеобразную деталь из акрила, или заказать стекло с просветлением, 18х1мм (защитное, на коллиматор). Естественно не в единичном количестве (хотя как тогда быть с прототипированием?)


P.S. предлагаю в этой теме обсуждать тонкости инженерного характера. Софт, заводы, конструктивные особенности узлов и вообще теорию. Если раздел (не только эта тема) наберёт хоть какую-нибудь популярность - разобьём темы на новые разделы.
Я смотрю тут много народу заблуждается, пытаясь понять как работает тот или иной оптический узел. Например попытки поднять качество луча дополнительной системой линз, свести без потери плотности и расходимости зеркалами, с опять же доп. линзами, да хотя бы даже обычный светодиод сколлимировать простой линзой или простым рефлектором, в надежде на то, что это максимально эффективное и компактное решение...
Я не претендую на человека, хорошо разбирающегося в оптике. Но мне эта тема интересна. Пару лет назад я и процессорную технику не понимал, а ещё лет 10 назад не знал толком как работает транзистор ...

[lasers_Technic47]

программа: zemax Думаю это наилучшее, что можно найти.
Могу подсказать по фокон. Их есть толк делать из световодов. Но это безумно дорого и неоправдано. Лучше ограничиться 2-мя линзами.
фокон не работает на переотражение. Он представляет собой спечёные оптоволокна. С одной стороны они спекаются и сжимаются в меньший диаметр. За счёт этого картинка передается без искажений на другой конец фокона в именьшеном масштабе.
На акриловом фоконе куча потерь. Если его делают из полимерных волокон, то они имеют сильные потери на всех длинах волн, кроме 650-660нм. Материал такой.

[lasers_INFERION]

Так фоконы разные бывают. И назначение у них разное. Оптоволоконные масштабируют изображение. И да, там проще оптику обычную применить. А мне же изображение передавать не требуется. Мне нужно просто направить как можно больше света с довольно крупной площадки на минимально возможную площадь, с минимальными потерями.

Спасибо за наводку на zemax .

[lasers_Technic47]

В любом случае можно обойтись просто линзой.)

[lasers_INFERION]

 Сообщение от Technic47 :

В любом случае можно обойтись просто линзой.)

Интересно, как ею из обычного светодиода (к примеру SST-90) сколлимировать излучение в тонкий малорасходящийся луч как у лазера?

[lasers_Technic47]

Это невозможно из физических соображений.
Лучшее, что можно получить это объективом из 2-х, 3-х асферических линз.
Или взять мениск положительный и отрицательный, чтоб дисперсию скомпенсировать

[lasers_INFERION]

С линзами это действительно физически невозможно, а вот с фоконом, виде вытянутой клизмы, я пока проблем не вижу. Пытаюсь нарисовать наглядную модель, чтоб показать механизм...
уже напрашиваются названия типа "ледайзер", "клизматор" )). Интересно было бы сфокусировать всю мощь SST-90 в такую же мелкую точку как у наших указок в перетяжке...

[lasers_Technic47]

что то не пойму о каком фоконе идёт речь...

[SviMik]

Ну вот, кто-то опять решил получить лазерный луч без лазера Дежавю...

[lasers_Technic47]

Что то я не представляю чем можно получить пятно меньше, чем асферической поверхностью.
Есть конечно вариант кварцевого волокна. У него 9мкм апертура. Угол апертурный около 15градусов. Но ввесть излучение в это волокно от такого светодиода, как sst-90 считаю невозможным. ну во всяком случае всё излучение.
Можно ещё сильнее выпендриться.
Сделать волоконнооптический элемент диаметром с первичную линзу светодиода. Сделать сферу близкую к сфере у светодиода и контактно её закрепить. в итоге получим полный сбор потока излучения. А волокна можно друг с другом сварить вплоть до 1 волокна 60-125мкм.
Но это пипец какой то.

[lasers_INFERION]

Не лазерное излучение без лазера. У лазера оно когерентное, а тут когерентности никто добиться не пытается.

Дык светодиод и будет контактно закреплён на оптике, чтоб не было переотражений где ненадо. По сути в среде с высоким коэффициентом преломления будет находится излучающая площадка, и задача этой среды - не выпускать излучение наружу до тех пор, пока оно не пройдёт через узкое сечение этой самой среды. А там уже обычной оптикой коллимировать как обычный близкий к точечному источник света...
На практике я подобные девайсы встречал. Я даже в руках помню такие фоконы держал. Напоминают простой стеклянный конус, немного выпуклый с широкой стороны и матовый с узкой. Но я не встречал практических конструкций с подобным уплотнением светового потока, несмотря на то, что это часто востребовано...

[lasers_Technic47]

Что то не понял про среды. Проще изобразить
Не встречали наверное потому что это либо не оправдано, либо дорого. Лучше скажи зачем тебе это нужно. Может есть более рациональное решение проблемы.
У фоконов много потерь на стенках. А полировать их я даже не представляю как. Если использовать полимерный, то потерь куча на материале. + дисперсия будет большая на нём.

[lasers_INFERION]

Да вроде как сферическое в вакууме полное внутренние отражение не имеет потерь. Если они и будут из-за неидеальной поверхности, то надеюсь незначительные. К примеру TIR рефлектор от фонаря имеет эффективность 87%, а там ведь ещё и две границы акрил-воздух, через которые проходит свет. Правда там только однократное отражение...

Зачем мне это нужно? Если с практической стороны - хочу собрать как можно больше рассеянного света в как можно более мелкую точку, с максимально острой диаграммой направленности. Т.е. приблизить характеристики луча к характеристикам лазерного излучателя. Нужно это конкретно для двух вещей - остронаправленного мощного фонаря и растрового проектора с достаточно мощным светодиодным источником света (вместо ксеноновой лампы, но у светика необходимой мощности получится неприемлемо огромная площадь излучения).
Если с теоретической стороны - мне интересен механизм полного внутреннего отражения, и особенно возможность его использования для подобного уплотнения. Но на практике это дело распространения не получило, значит изготовить такой оптический элемент если и возможно, то неоправданно дорого...

[lasers_Technic47]

"Да вроде как сферическое в вакууме полное внутренние отражение не имеет потерь."
Что то я не понял, что ты тут имел ввиду?
Полное внутреннее отражение происходит до определённого угла. А если поверхность имеет шероховатость, отличную от Rz0,05 (полированная оптическая поверхность), то куча излучения не будет отражаться. Рассеяние сведён на нет этот эффект.
TIR оптика с 87% это уже с учётом 2-х сторон. Если 8% уходит в отражение от 2-х сторон, то оставшиеся 5% это в материале теряется.
Чем тебе не нравится асферическая линза достаточно большого диаметра для фонарика? Если её просветлить, то потерь будет совсем мало.
А с проектором можно поступить по проще. Если я правильно понимаю, то всё излучение направляется на матрицу, затем в объектив, затем не экран.
имея большую площадь излучателя можно его сфокусировать на матрицу, создав "промежуточное изображение", а после матрицы поставить такую же линзу для коллимации или объектив широкоугольный.
Насколько мелкие матрицы?
Чтобы избавиться от фокона с его непомерной дороговизной(или нереальностью), стоит использовать мениски. или параболические зеркала, как в телескопах. Это лучший вариант, на мой взгляд.

[lasers_INFERION]

Матрица имеет диагональ около полутора сантиметров. Большая линза - вариант некрасивый. Она не увеличивает плотность излучения, а требуется добиться именно увеличения плотности. Либо сфокусируешь и получишь огромную расходимость и, как следствие, огромные потери, либо придётся городить огромную оптику, что тоже некрасиво и дорого.

Меня пока что просто интересует теоретическая возможность направить до определённой степени беспорядочное излучение в одну сторону, используя не огромные рефлекторы, а более тонкие механизмы, такие как поверхностные волновые эффекты и т.п. К примеру что будет, если направить в торец цилиндра, с переменным коэффициентом преломления (чем ближе к центру, тем выше коэффициент), кое как направленное излучение обычного светика? Лучи будут стремится к наиболее плотному участку цилиндра - середине?
Или же может существуют какие-нибудь галаграфические технологии изготовления материалов со специфическими оптическими свойствами, позволяющие собрать излучение в тонкий пучок словно поток электронов в электромагнитном поле...

[lasers_Technic47]

Красота и эффективность не всегда совместимы Не увеличивает плотность излучения? Это как понять? Плотность энергии увеличивается с уменьшении сечения пучка. А чем больше линза, тем меньшее пятно рассеяния она даст. И расходимость будет меньше. контактные объективы микроскопов из кучи минисков делают намерено очень широкими, чтобы линзы поставить с большим световым диаметром и добиться большей точности.
Существуют фотоннокристаллические материалы. Это материал с переменным показателем преломления. Он может действовать, как диэлектрическое зеркало (так же множество слоёв с чередующимся n). На их основе сейчас японцы разрабатывают лазерные диоды с направленным излучением, которые не требуют коллимирующей оптики. Выращивая структуру определённым образом можно направлять даже одиночный фотон по необходимой траектории.
но это всё справедливо для монохроматического излучения.
Создать такой цилиндр не реально. а если теоретически, то будет как неравномерное зеркало. Чем ближе к центру, тем больше отражается.
Я знаю определённый оптический элемент, который может быть похож на то, что нужно. В оптоволоконной связи используются хитрые линзы из кварца. Они представляют собой кварцевый патрон от пулемёта (параболоид вращения). К плоской стороне приваривают кучу волокон, а к концу приваривают одно. Получается разветвитель\сумматор. Но эти линзы очень маленькие и очень дорогие. Для длинны волны в 1500нм они длинной в несколько см. Для видимого диапазона ещё длиннее нужно делать, чтоб было внутреннее отражение.

[lasers_INFERION]

 Сообщение от Technic47 :

Не увеличивает плотность излучения? Это как понять? Плотность энергии увеличивается с уменьшении сечения пучка. А чем больше линза, тем меньшее пятно рассеяния она даст. И расходимость будет меньше.

Есть вполне конкретная задача - сделать луч прямоугольного сечения где-то 10х15мм, с как можно меньшей расходимостью, максимальной равномерностью и минимальными потерями. На всё это конечно же можно допустить расходимость в десяток градусов, овальную или даже круглую форму пятна и т.п. Но всё это ведёт к потере эффективности. Если я поставлю крупную оптику - я смогу лишь более качественно сфокусировать в так называемой перетяжке при равных расстояниях, но луч от этого качественнее не станет (при равных сечениях). Разве не так? А мне ведь надо его отразить матрицей и с минимальным рассеянием уловить объективом разумных размеров. С большим рассеянием придётся юзать и соответствующих габаритов оптику...
На практике так же допустимы и аберрации. Источник света всё равно состоит из трёх или более цветных светодиодов. Ореол по краям роли не играет - он не попадает на матрицу. Качество луча вообще может быть говёным, тут интересует только эффективность. Суммарная площадь кристаллов равна или больше площади матрицы, а расстояние там как минимум с десяток сантиметров по воздуху (особенности конструкции DLP проекторов).
Крупная оптика как вариант, но хотелось бы сначала подумать на тему уплотнения светового потока. Именно не фокусировкой, а чтоб без ухудшения диаграммы направленности можно было "уменьшить" площадь излучения. При этом расходимость на выходе с фокона роли не играет, врятли она больше чем у светодиода (120...180 градусов).

Такая вот задача у меня. И никак не получится придумать хитрую форму асферики, чтоб с крупной площадки собирала лучи в мелкую точку, или какой-нибудь призмообразный прибор, поглощающий лучи с жадностью, но удерживающий их внутри за счёт изменения угла при прохождении через границу и преодоление критического угла полного внутреннего отражения?.. Вроде как и вариантов множество вижу, но на практике то их не используют.. Входит дохлый номер...

[lasers_Technic47]

Чем больше линза, тем меньше на пучке сказываются аберации. Пучок не обязательно должен быть во всю линзу.
Чем меньше перетяжка, тем качественней собрано излучение. Качество луча - его дисперсионная расходимость в нашем случае. То есть различие f` от длинны волны. (Вообще качество луча это чисто лазерный термин. И он применим только к лазерам.) Расходимость луча - тоже чисто лазерный термин. (Существует дифракционная и реальная.) Как я понимаю ты имеешь ввиду угол распространения излучения (он же апертурный). Буду называть геометрической расходимостью.
Чтобы уменьшить дисперсию необходимо "собирать" оптику из нескольких линз разных марок. Правильно подобранная пара полностью уберёт дисперсию. Это первый шаг.
Далее берётся оптика размером больше, чем желаемая апертура (диаметр пучка) хотя бы в 1,5 раза. Использую асферику можно уменьшить геометрическое расхождение луча. вообще при бОльших диаметрах сферических линз можно получить аналогичные показатели с асферикой. Это шаг 2.
Под эфективностью я понимаю общее пропускание всей оптической системы. оно зависит лишь от наличия просветления и грамотной юстировки всей системы.
После фокона ты получишь ещё большую геом. расходимость, чем на его входе. И что ты будешь делать с пучком дальше? Опять собирать в параллельный луч? Зачем?
Излучение со светодиодов коллимируешь (делаешь параллельный луч) и обычной телескопической системой уменьшаешь его диаметр. Получить что то лучше можно только волоконно-оптическим фоконом. Но на нём потери прилично.
Сферический волновой фронт после коллимации будет линейным. С ним можно делать всё, что угодно. Но по диаграмме направленности надо будет посмотреть где будет наибольшая интенсивность излучения. Всё равно не получить оптикой равномерной освещённости. Только матовым экраном. А он чёрт знает что сделает с пучком излучения.
Есть вариант поступить, как в телескопах. Использовать только зеркала. они дают наивысшие показатели по геом. расходимости и в них отсутствует дисперсия. Но на каждом зеркале будет чуток теряться мощность.
К примеру сколлимировать излучение и направить в тот же самый телескоп. только меньше. На выходе получим очень хороший луч. Отражённый от матрицы сразу попадает в объектив.
(P.S. Мне показалось, что мы под одними и теми же понятиями подразумеваем разные вещи)

[lasers_INFERION]

Да, похоже действительно разные вещи мы подразумеваем. Попробую ещё раз .
И так, задача следующая:
Я хочу, к примеру, собрать проектор на основе DLP проектора CASIO A240. Выкинуть с него лазеры, колесо, кучу оптики, и оставить только часть электронной начинки (БП, гнёзда...), корпус, объектив и матрицу. Соответственно мне нужно организовать относительно мало расходящийся пучок промодулированного света, при этом заюзав сверхяркие мощные светодиоды, с минимальной площадью излучающей поверхности, минимальной апературой и без всяких линз в довесок к корпусу. Такие светики существуют, но одного будет мало. Если сколлимировать излучение одного светика ещё реально обычной оптикой (имеется виду рефлекторы, обычные линзы и т.п.), то собрать излучение с большей поверхности, при этом не ухудшив параметры пучка, уже задача по-интереснее. Вот о ней я и говорю. Ну вот как мне обычная оптика сможет дать лазерный луч с обычной лампочки (утрирую для наглядности)? А мне ведь необходимо что-то подобное. Есть источник излучения с огромной площадью, нужно собрать это излучение в мелкую точку и направить его на матрицу. В случае с лазерами то всё понятно, там хоть площадь и огромная, но луч параллельный (с практически нулевой геометрической расходимостью), и его трансформировать не проблема, как ты и описал, простой телескопической системой. Светодиоды же так светить не умеют. Единственно возможный вариант, насколько мне известно, собрать их излучение в мелкую точку, пусть и с адским геометрическим углом, главное что потом его можно достаточно качественно собрать уже обычной оптикой. Вопрос только в том, как можно сконцентрировать световую энергию, чтоб получить требуемый мне результат? Подобные системы существуют, но почему-то мало кто о них что-либо слышал, и мало кто их использует...

Если прибегнуть к теории, то конус из стекла, при достаточно остром угле, до определённого момента спокойно может уменьшать сечение пучка, пока угол полного внутреннего отражения не достигнет критического. Правда потом он выходит с вершины под "хз" какими углами, и его ещё потом собери попробуй...
Быть может существует ещё какая-нибудь экзотическая оптика, кроме оптоволоконной. К примеру хитрая асферическая линза, у которой фокусное расстояние зависит от угла падения на её поверхность излучения в одной и той же точке (за счёт внутреннего отражения от стенок толстой линзы) таким образом, что свет собирается в мелкую точку, даже если источник излучения говёного качества...

[lasers_Technic47]

есть вариант сколлимировать отдельно каждый светодиод линзой и свести излучение в одну большую линзу.
Либо брать одну большую линзу и коллимировать сразу все светодиоды.
Вот самые мощные диоды, что я нашёл:
http://www.dealextreme.com/...
http://www.luminus.com/prod...
Тебе таких мало будет? Их вполне возможно собрать в качественный пучок одной линзой.

Врятли получится что то хитрое с полным внутренним отражением.
"К примеру хитрая асферическая линза, у которой фокусное расстояние зависит от угла падения на её поверхность излучения в одной и той же точке" - такого я не знаю.
Есть телескопические линзы. Они длинные и компактнее целой системы.
"Подобные системы существуют, но почему-то мало кто о них что-либо слышал, и мало кто их использует..." - приведи пример.
"В случае с лазерами то всё понятно, там хоть площадь и огромная, но луч параллельный" - в случае диодного лазера излучающая площадка микроскопическая. А луч коллимируется в сотни раз больше по площади. Если мы будет использовать чудомикронанооптику и сделаем луч 100х100мкм, то качество луча будет отвратное. То же и со светодиодами. Нужно использовать большие линзы, чтобы уменьшить расходимость из-за дисперсии. Мелкий пучок с большой поверхности скорее всего нереально получить с хорошими показателями.

Есть ещё идея располагать диоды не по центру линзы, а ближе к краю. Тогда пучок от светодиода будет отклоняться ближе к центру, где их можно будет собрать ещё одной линзой в параллельный пучок. Но это очень сложно.

Не надо придумывать что то сверх хитрое и невероятное. В том же проекторе A240 Есть достаточно оптики, чтобы собрать излучение в матрицу с 3-х разных светодиодов. За место лазеров поставить мощный синий диода, красный не трогать, а в тракт с диском установить зелёный.