Создание "холодного" источника света большой мощности.
Задача была поставлена так:
Необходимо спроектировать, изготовить и испытать мощный источник света в видимом спектральном диапазоне, для научных экспериментов, в частности для ультраскоростной съёмки биологических микро - объектов, в том числе микроорганизмов.
Т.З. было выдано фирмой Dedo Weigert Film /Dedolight GMbH.
Габариты прибора принципиального значения не имели.
Необходимо было достичь освещённости ~ до 2 000 000 люкс, - в плоскости объекта съёмки, на расстоянии 600 мм. до этого объекта.
Spot -пятно освещения должно было составлять ~ 90 -110мм, при очень высокой равномерности освещённости внутри этого пятна.
Часть оборудования, техническое задание и финансирование работ предоставила Фирма Dedo Weigert Film, поэтому результаты работы и изготовленный опытный образец прибора принадлежит этой фирме.
На рисунке 1 представлен макет спроектированного и изготовленного устройства.
3. Металлогалогенную лампу HMI 1200 W/SE фирмы OSRAM
4. Вентилятор диаметром 120 мм - 3шт.
5. Пуско-регулирующее устройство лампы.
На рисунке 2. Представлена оптическая схема изделия.
1. Параболический рефлектор.
2. Конденсорная линза.
3. 2-х линзовый объектив
5. Экран.
Расчёт выполнен в программе Kidger Optic, выходная поверхность конденсорной линзы имеет асферическую поверхность, что позволило получить компактное изображение светящейся дуги размером порядка 25 мм в её фокусе и значительно повысить как плотность выходного пучка света, так и равномерность интенсивности излучения по сечению пучка.
Зеркала(фильтры отсекающие инфракрасную область спектра лампы) не показаны, поскольку они не являются компонентами формирующими световой поток, а работают как элементы компоновки и, собственно, - главные светофильтры.
На рисунке 3. Представлен видимый спектральный диапазон света, который теоретически должен быть получен на выходе из осветительного прибора.
На рисунке 4.представлена спектральная характеристик лампы HMI 1200 фирмы OSRAM.
Из рисунка видно, что данный источник света перекрывает потребный согласно ТЗ, спектральный диапазон.
На рисунке 5.представлена спектральная характеристика пропускания "холодного" зеркала.
Необходимо отметить, что металлогалогнные лампы HMI является весьма сложным продуктом, сочетающим как специальные конструктивные решения, так и физические процессы происходящие во время пуска и работы этой лампы.
Металлогалогенные лампы (или HMI-лампы - Hydrargyrum medium Arc-length Iodide) - это газоразрядные лампы переменного тока, в которых световое излучение образуется в результате электрического разряда в плотной атмосфере смеси паров ртути и галогенидов редкоземельных элементов.
В отличие от ламп накаливания, являющихся тепловыми излучателями, свет в этих лампах генерируется горящей между двумя электродами дугой.
Это ртутные лампы высокого давления с добавками йодидов металлов или йодидов редкоземельных элементов: - диспрозий (Dy), гольмий (Ho) и тулий (Tm), а также комплексные соединения с цезием (Cs) и галогениды олова (Sn). Эти соединения распадаются в центре разрядной дуги и пары металла могут стимулировать эмиссию света, чьи интенсивность и спектральное распределение зависят от давления пара металлогалогенов.
Галогенный цикл: в баллоне лампы присутствуют пары йодидов металлов.
При инициации электрического разряда с разогретых электродов начинает испаряться вольфрам, и его пары вступают в соединение с йодидами, образуя газообразное соединение - йодид вольфрама. Этот газ не оседает на стенках колбы (баллон остается прозрачным в течение всего срока работы лампы). Непосредственно вблизи разогретых электродов газ разлагается на пары вольфрама и йод, т.е. электроды окутаны облаком паров металла, оберегающим электроды от разрушения, а стенки колбы от потемнения. При выключении лампы, вольфрам оседает (возвращается) на электроды. Таким образом, галогенный цикл обеспечивает длительную работу лампы без потускнения колбы.
Основными преимуществами этих ламп являются: увеличенная в три-четыре раза световая отдача.
Схожий со спектром дневного света спектр оптического излучения с цветовой температурой от 3000 до 6500 K, а также увеличенная яркость, благодаря чему эти лампы можно назвать почти идеальными источниками концентрированного пучка света.
Индекс цветопередачи металлогалогенных ламп составляет от до 95 (HMI), что соответствует максимально возможной "естественной" передаче цветов освещаемого объекта.
Важным является то, что все лампы серий HMI обладают возможностью повторного зажигания из горячего состояния в любой стадии охлаждения и регулирования светового потока лампы.
...
Для контроля температуры в области экрана, я применил зачернённую колбу из алюминия, заполненную силиконо-органической жидкостью с температурой закипания -260 градусов Цельсия. Измерителем температуры служил физико-технический термометр со шкалой до 200 градусов Цельсия.
Исследования нагрева в области светового пятна проводились как в схеме приведённой выше, так и с использованием тепловых фильтров работающих на пропускание светового потока.
Испытаны были два типа таких светофильтров: ODL SW710P B ODL CALFLEX 3000.
Они помещались в специальный карман, после диафрагмы, установленной в фокусе большой конденсорной линзы.
Должен сказать, что они очень сильно нагревались и значительно уменьшали ( на 30 процентов) выходной поток света.
При этом "холодные зеркала" ( пропускающие ИК диапазон света) вели себя очень хорошо.
Для схемы, работающей только с "холодными зеркалами" результаты температурных режимов выглядят так:
Освещённость 1 600 000 люкс.
Расстояние до объекта 600 мм,
Световое пятно ~100 мм.
Дело было летом!
1. Старт - 28 градусов Цельсия.
2. 5 минут - 62 градусов Цельсия.
3. 10 минут - 87 градусов Цельсия.
4. 15 минут - 106 градусов Цельсия.
5. 20 минут - 115 градусов Цельсия.
6. 25 минут - 119 градусов Цельсия.
7. 30 минут - 120 градусов Цельсия.
8. 35 минут - 122 градусов Цельсия.
9. 40 минут - 122 градусов Цельсия
10.45 минут - 122 градусов Цельсия
Как мы видим, максимальной температурой зачернённого тела в данном опыте,
является температура -122 градуса достигнутая на 35 минуте.
Из приведённых значений температуры от времени отчётливо виден асимптотический характер подъёма температуры нагреваемого объекта.
Так же ясно, что при такой освещённости обычных макро объектов на расстоянии 600 мм, работа должна быть ограничена временем порядка ~100 секунд, при этом
температура отдельных частей объекта (в зависимости от альбедо) может достигнуть ~50 градусов Цельсия.
Что касается ультра скоростной съёмки поведения микроорганизмов при воздействии на них новыми формами лекарственных препаратов, то при мне эти опыты не проводились, но очевидно, что при экспозиции измеряемой несколькими секундами, температура этих существ вряд ли будет значительно отличаться от ~ 36 градусов.
Во время создания описанного устройства и его испытаний, я работал в Останкино на ЦТ.
Там Dedo Weigert арендовал небольшие помещения для своих целей, в частности продвижения продукции Dedolight Film.
Соседи увидели большую световую пушку и попросили её в качестве специального холодного осветителя на аукцион по продаже художественных изделий.
Прибор установили на балконе, с помощью диафрагмы регулировали световое пятно в области экспозиции лотов (от 500 мм до 1200 мм.)
Расстояние от пушки до объектов было порядка 25-30 м.
В области пятна, прибор давал "холодный" свет с освещённостью, как в погожий солнечный день ~100.000 люкс.
![[]](/img/o/odinec_o/cold_light_source/coldlightsourse-2017-800-2.jpg)
![[]](/img/o/odinec_o/cold_light_source/opt-c1.jpg)
![[]](/img/o/odinec_o/cold_light_source/opt_r.jpg)
![[]](/img/o/odinec_o/cold_light_source/spectr_i1.gif)
![[]](/img/o/odinec_o/cold_light_source/specktr-cool-miror.jpg)
![[]](/img/o/odinec_o/cold_light_source/l_hmi-1200.jpg)