06 ноября 2003
Ю. Басов, А. Раквиашвили, В. Сысун. Инфракрасные прожекторы постоянного излучения.
Ю. Басов, А. Раквиашвили, В. Сысун
Оптический журнал т. 70, № 3, 2003
Рассмотрены конструктивные особенности инфракрасных (ИК) прожекторов, используемых для ночной подсветки объектов при наблюдении за территорией с помощью приборов ночного видения. Приведены оптические и температурные характеристики серийно выпускаемых ИК прожекторов.
ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕРИЙНЫХ ИНФРАКРАСНЫХ ПРОЖЕКТОРОВ
В настоящее время ИК прожекторы (или ИК излучатели) используются в технологических процессах для обогрева животных и для ночной подсветки территории, наблюдаемой с помощью приборов ночного видения [1, 2]. Наиболее широко ИК прожекторы применяются для подсветки целей в ночное время и прицеливания в машинах бронетанковой техники. На сегодняшний день отечественной промышленностью выпускаются четыре наиболее широко применяемых ИК прожектора типа ОУ-3, Л-2, ОУ-5 и Л-4, конструктивные особенности которых показаны на рис. 1, а основные технические характеристики приведены в табл. 1. Прожекторы ОУ-3 и ОУ-5 имеют многие варианты исполнения. Их характеристики даны в табл. 2 и табл. 3.
Рис. 1. Общий вид прожекторов типа ОУ-ЗГ (а), Л-2Г (б), ОУ-5 (в) и Л-4 (г).
1 - корпус, 2 - блок ИК фильтра, 3 -отражатель, 4 - источник света, 5 - патрон, 6 - задняя крышка, 7 - анодный узел лампы, 8 - токоведущая шина
Каждый из них содержит корпус из алюминиевого сплава (силумин), раму с ИК фильтром 2, оптические элементы, включающие отражатель 3 с нанесенным на него и защищенным зеркальным слоем алюминия, и лампу с патроном 5. В прожекторах ОУ-5 и Л-4 в задней крышке 6 размещены блоки зажигания ксеноновых короткодуговых разрядных ламп типа ДКсШ-180 и ДКсЭл-250 мощностью 180 и 250 Вт.
В изделиях типа ОУ-3 и Л-2Г в качестве источников света (ИС) использовались соответственно прожекторная лампа накаливания (ЛН) типа ПЖ-27-110 и галогенная ЛН типа КГ-27-200 мощностью 110 и 200 Вт.
Применяемые в прожекторах ИК фильтры являются абсорбционными, изготовленными из стекол системы SiO2-ZnO-Na2O и SiO2-CaO-Na2O, окрашенных в массе сульфидами, селенидами и сульфо-селенидами сурьмы марки ИКС-970, термообработанными по специальной технологии.
Экспериментальное исследование температурных полей серийных прожекторов проводилось с применением аппаратуры и методов, предусматривающих измерение максимальных температур на оптических элементах наряду с исследованием распределения температуры на них. На рис. 2 показано распределение температуры на ИК фильтре. Исследовалось также распределение плотности теплового потока в плоскости выходного отверстия прожекторов (рис. 2), в том числе на поверхности фильтров, перекрывающих указанное отверстие и поглощающих в той или иной степени формируемый отражателем поток.
Рис. 2. Радиальное распределение температуры по наружной поверхности ИК фильтра (в вертикальной плоскости) в прожекторах ОУ-5 (7) и ОУ-ЗГ (2), а также плотности потока излучения в плоскости выходного отверстия в прожекторах ОУ-ЗГ (3) и ОУ-5 (4).
Из полученных результатов видно, что при работе разрядных ламп типа ДКсШ-180 и ДКсЭл-250 соответственно в прожекторах ОУ-5 и Л-4 наблюдается превышение температуры в зоне анодного узла (позиция 7, рис. 1) на 30—40 °С по сравнению с максимально допустимой. Максимальные значения температуры на отражателях в этих прожекторах не превышают допустимых значений.
Результаты измерения распределения плотности потока излучения q(r) показывают, что выходящий из прожекторов поток оптического излучения распределен неравномерно в плоскости выходного отверстия. Регистрация слабого потока излучения в зоне "слепого" отверстия обусловлена прямым излучением колбы и рассеянным вторично отраженным излучением, а также погрешностями продольной и поперечной фокусировок оптической системы, аберрационными характеристиками отражателя и т. п. Вклад в общий тепловой поток конвективного и кондуктивного теплопереноса несколько уменьшает перепад температур на фильтре и тем больше, чем ниже интегральный коэффициент пропускания излучения для фильтра. Неравномерное радиальное распределение q(r) на фильтре обусловлено неравномерным пространственным распределением силы излучения прожекторов, исходящего от различных зон отражателей.
Высокие температуры и наличие градиента температур на фильтре наряду с воздействием ультрафиолетового излучения лампы объясняют причины ускоренного разрушения (растрескивания, отслаивания) и выхода из строя пленочных фильтров, применявшихся ранее в прожекторах типа ОУ-ЗГ и Л-2Г и замененных на окрашенные в массе стеклянные фильтры типа ИКС-970, которые, однако, как будет показано ниже, также имеют ряд существенных недостатков, устранить которые оказалось невозможным.
Таким образом, существует необходимость разработки способов и средств охлаждения серийных прожекторов для обеспечения нормальной работы основных оптических элементов, главным образом, фильтров, а также теплонагруженных зон применяемых в них разрядных короткодуговых ксеноновых ламп.
СТЕКЛЯННЫЕ И ПЛЕНОЧНЫЕ ФИЛЬТРЫ ИК ПРОЖЕКТОРОВ
Прожекторы с разрядными короткодуговыми ксеноновыми лампами, например Л-4 и ОУ-5, работающие без принудительного охлаждения, характеризуются высокой плотностью потока излучения на фильтр, достигающей 16 кВт/м2. Это вызывает при использовании в них пленочных фильтров ускоренное старение и разрушение последних, приводящее к сокращению срока службы в 2-3 раза, или необратимое изменение оптических свойств в условиях воздействия нагрева, ультрафиолетового излучения и озона, образующегося в замкнутом заполненном воздухом объеме прожектора. По этим причинам отказались от применения указанных фильтров органической природы, в том числе от фильтров из карбамидного пластика, окрашенного диазокрасителями [3], фильтров на основе черного целлофана [4].
Известные широкополосные многослойные диэлектрические интерференционные фильтры [3] ограничены в применении из-за недостатков, связанных с оптическими свойствами (частичное пропускание видимого излучения по направлениям, отличающимся от нормального) и с технологическими трудностями их производства (нанесение и контроль толщины большого количества слоев диэлектрического материала на подложки диаметром 0,2-0,4 м).
Более доступными оказались абсорбционные фильтры из стекол системы SiO2-ZnQ-Na2O и SiO2-CaO-Na2O, окрашенные в массе сульфидами, селенидами и сульфоселенидами некоторых металлов и сурьмы [3,4]. В последнем случае, например, удалось получить стекла с границей поглощения в диапазоне 0,74-0,99 мкм в зависимости от соотношения введенных количеств серы и селена. В результате вариации параметров повторной термообработки стекол удалось оптимизировать спектральные характеристики пропускания фильтров [5].
Удовлетворяя требованиям по механической прочности, теплорадиационной и химической стойкости, указанные фильтры типа ИКС-970 уступают между тем по оптическим характеристикам (максимальное пропускание в требуемой области спектра, крутизна спектральной кривой) как полупроводниковым, так и интерференционным фильтрам, сохраняя в значительной мере их недостатки: обратимое изменение границы пропускания от температуры [6] и высокую стоимость из-за сложной технологии производства. Стоимость стеклянных фильтров типа ИКС-970 для изделий Л-4 по сравнению с пленочными больше на порядок [7].
ДВОЙНОЙ ФИЛЬТР
В [8] была поставлена проблема поиска путей применения в прожекторах пленочных и комбинированных фильтров меньшей стоимости с защитой их от теплорадиационных потоков и других факторов воздействия.
Задача решалась с применением защиты пленочного фильтра вспомогательным фильтром или стеклом с образованием герметичной полости между фильтрами, собранными в отдельном блоке. Разработанные блоки фильтров подробно исследовались и рекомендованы для внедрения в серийные и вновь создаваемые прожекторы малой и средней мощности.
В экспериментах использовались прожекторы ОУ-ЗГ, ОУ-5, Л-2Г, Л-4, на которых вместо штатных фильтров устанавливались съемные блоки фильтров, конструктивные параметры и свойства которых применительно к изделиям Л-4 приведены в табл. 4. Каждый из них собран в рамке из алюминиевого сплава через промежуточные уплотнения. В блоках двойных фильтров ширина зазора между основным и вспомогательным фильтрами изменялась от 2 до 20 мм.
Осевая сила света прожектора Л-4 (без фильтра) при угле рассеивания 2α0,1 ≈ 1° на уровне 0,1 составляла 21×106 кд. Мощность выходящего из открытого прожектора (без защитного стекла) потока оптического излучения в полосе пропускания материала колбы лампы составляла примерно 70 Вт и рассчитывалась по формуле
 | (1) |
где P - мощность лампы, η - КПД оптического излучения лампы, ρ - интегральный коэффициент отражения (принят равным 0,84 и мало зависит от λ в указанном выше спектральном интервале при использовании в качестве отражающего слоя электрополированного алюминия), uφ - коэффициент использования излучения лампы, рассчитанный с учетом угла охвата 2φ отражателя и пространственного распределения силы излучения лампы.
Исследованию распределения температуры предшествовало измерение радиального распределения плотности потока оптического излучения в выходном отверстии прожектора без фильтра, а также на поверхности установленного на нем фильтра или силикатного защитного стекла (0 ≤ r ≥ R), перекрывающих указанное отверстие и поглощающих в той или иной степени излучение сформированного отражателем пучка.
При условии независимости от ориентации плоскости измерения выходящий из прожектора поток излучения может быть представлен в виде
 | (2) |
В этом случае интегральный коэффициент поглощения (я), характеризующий радиационные потери на фильтре или защитном стекле, может быть вычислен из соотношения
 | (3) |
где q0(r) - радиальное распределение плотности потока излучения в открытом выходном отверстии прожектора, qF (r) - то же для случая, когда это отверстие перекрывает фильтр или защитное стекло.
Графическим интегрированием зависимости из рис. 3 с использованием соотношения (3) получены значения α для прожектора Л-4. На примере этого прожектора видно, что коэффициент α, характеризующий радиационные потери в интервале -0,18-4,5 мкм, соответствующем спектральному пропусканию кварцевой колбы, минимален для стеклянного абсорбционного фильтра (0,51), несколько больше для пленочного (0,61) и составляет 0,69-0,71 для двойных фильтров, несмотря на то что коэффициенты пропускания т на длине волны λ = 1 мкм для блоков фильтров Б, В и Г (табл. 4) близки по величине.
Рис. 3. Радиальные распределения плотности потока излучения в плоскости выходного отверстия прожекторов Л-2Г (а) и Л-4 (б):
1 - для открытого прожектора, 2- c блоком фильтра А, 3 - с блоком фильтра В.
Это можно объяснить тем, что наряду с влиянием френелевских потерь существует различие длинноволновых границ пропускания фильтров (для целлофана она соответствует примерно 2,5 мкм, тогда как для абсорбционного фильтра, окрашенного в массе сульфоселенидами сурьмы, превышает 3 мкм [9]).
В блоках двойных фильтров В и Г удается ощутимо снизить Tmax за счет поглощения части потока излучения с более короткими длинами волн и в длинноволновой части спектра на дополнительном фильтре или на стекле, спектр пропускания которых отличается от спектра генерируемого лампой потока излучения. Одновременно создается тепловой барьер в образованной пластинами полости, изолированной от нагретых вблизи лампы конвективных потоков воздуха. Эти обстоятельства наряду с ранее упоминавшейся возможностью защиты органической пленки от разрушающего действия УФ излучения и озона, а также значительно более низкая стоимость определяют преимущества двойных фильтров.
Несмотря на то что интегральные радиационные потери в блоках фильтров, как это следует из табл. 4, несколько выше, чем аналогичные потери в незащищенных фильтрах, преимущества первых очевидны не только в сравнении с пленочными, но также по сравнению с фильтром блока Б. Наряду с более низкой стоимостью они обусловлены высокой температурной стабильностью спектральной характеристики двойных фильтров и более крутым фронтом кривой пропускания в ближней ИК области спектра по сравнению с фильтром блока Б. Это видно из рис. 4, где показана зависимость силы излучения в полосе чувствительности приемника (0,8-1,1 мкм) для блока Б (кривая 7) от времени выхода прожектора на установившийся тепловой режим, характеризующийся постоянной t нагрева фильтра до максимальной температуры при Tокр = 25 °С (кривая 2). При этом значение Jl прожектора регистрировалось приемником на основе многощелочного фотокатода со спектральной характеристикой чувствительности, близкой фотокатоду, описанному в работе [10]. Здесь же показаны зависимости максимальной температуры на наружной поверхности блоков А и Б от времени выхода прожектора на установившийся тепловой режим работы при окружающей температуре 50 °С (кривые 2 и 3 соответственно).
Рис. 4. Зависимости спектрального распределения чувствительности ηλ (1,2) многощелочного (7) и кислородно-серебряно-цезиевого (2) фотокатодов, силы излучения дуговой ксеноновой лампы типа ДКсЭл-450 (3) и влияние температуры нагрева на степень пропускания (τλ) излучения фильтром типа ИКС-970 (4).
t = 20 (I), 50 II), 100 (III), 150 (IV), 200 (V), 250 (VI), 300 °С (VII).
Из рис. 4 видно, что по мере нагревания фильтра Б спустя 20-60 мин после включения прожектора, когда температура на фильтре достигает 110-120 °С (при Токр = 25°С), наблюдается почти 4-кратное снижение Jl. Для этого же прожектора с блоком фильтра В этот параметр остается неизменным, т. е. Jl не зависит от температуры в процессе эксплуатации, превышая при этом начальное значение, регистрируемое для блока Б, в 1,4 раза, а установившееся - в 5,6 раз.
Это может быть объяснено только температурной нестабильностью спектральной характеристики окрашенных в массе стеклянных фильтров и связанным с ней "запиранием" части ближнего ИК излучения.
ЛИТЕРАТУРА
- Williams O.M. Infrared projector effective blackbody temperature // Opt. Engin. 1994. V. 33. № 1. P. 231-236.
- Williams O.M. Infrared projector optical design considerations // Opt. Engin. 1994. V. 33. № 1. P. 237-241.
- ТеленА. Конструирование многослойных интерференционных фильтров // Физика тонких пленок / Под ред. Хасса А., Туна Р.Э. М.: Мир, 1972. Т. 5. С. 46. Infrared projector// Patent № 1537914, France. Cl. F 31. Publ. 30.08.1968.
- Вейнберг Т.Н., Воронцова И.А., Гребенщикова Н.И. Светофильтры для ближней инфракрасной области спектра с границей поглощения до 1 мкм // ОМП. 1969. №6. С. 30-32.
- Гребенщикова Н.И. Оптические и спектральные свойства стекол // Тез. докл. IV Всесоюзн. симп. Рига, 1997. С. 82-83.
- Борисевич И.А., Верещагин В.Г., Бадидов М.А. Инфракрасные фильтры. Минск: Наука и техника, 1971. 121 с.
- РаквиашвилиА.Г., СысунВ.В. Исследование теплового режима светофильтров // Светотехника. 1988. № 1. С. 18-21.
- Вечкасов И.А., Кручинин Н.А., Поляков А.Н., Резинкин В.Ф. Приборы и методы анализа в ближней инфракрасной области. М.: Химия, 1977. 357 с.
- Кондратов В.Е. Оптика фотокатодов. М.: Наука, 1976. 68с.
Об авторах:
Ю. Г. Басов, доктор техн. наук; А. Г. Раквиашвили, канд. техн. наук, ЗАО "НЭПЦ Всероссийского электротехнического института", Москва ;
В. В. Сысун, канд. техн. наук, СКБТ световых и светосигнальных приборов, Москва.
Источник: Оптический журнал
