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光加熱のための反射光学系についての概要

ハロゲンランプ

ハロゲンランプによる光加熱は、レンズやミラーなどを使いハロゲンランプのフィラメント(約2800℃)の光源像を作って、それにより加熱するものです。

なお、光源像を作るという方法は最高温度を得たい場合であり、比較的広い面の照射の場合などは(単一の)光源像は作りません。

1枚のレンズでランプの光源像を作る場合はレンズ口径に対して焦点距離が比較的長いので、きれいな光源像を結びますし、配光分布がどのようになるか、パワー密度はどうか、なども比較的簡単に計算可能です。

しかしレンズのみによる光学系は光源から出た光の20~30%しか利用出来ないため、加熱用にしても照明用にしても経済的ではありません。

そこで反射光学系にして、光源を覆ってしまうような深いミラーにすると70%程度の光を利用できるようになりますので、多くは反射光学系が利用されます。

しかしこのような深い反射鏡には問題もあります。光源が点であれば話しは簡単なのですが、現実の光源には必ず面積があります。光源を覆い尽くすような深いミラーの場合、レンズの様にきれいな光源像はできません。収差が大きすぎてレンズによる光学設計方法では全く実用になりません。

以下で御紹介するのは正確な配光分布を計算により予測したり、目的の配光分布になるようなミラーを設計する方法です。尚、この方法はもしかすると光学設計のスタンダードではないかもしれませんが、基本理論が極めて単純明快なので理論的妥当性に疑問の余地がほとんどありません。また実績的にもこの設計方法で全く問題なく設計できております。

計算を単純化するには、光源を球形として扱うのが最も簡単です。そして加熱用としてミラーに組み合わせる光源は多くの場合、球形に近づけるよう縦横比を1:1に近くしますので球形光源として設計しても十分正確で実用的な配光分布が計算できます。

球形と見なせない光源については多数の球光源の集合として近似することにより、正確な配光分布が計算できます。照明用のミラーではこの手法が必要な場合もあります。多数の球光源として扱う場合は重なり部分の排除処理が必要なので、少し面倒な処理が必要です。

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