СВЕТИЛЬНИК И ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ НЕГО
LAMP AND OPTICAL ELEMENT THEREFOR

Изобретение относится к области оптики, в частности к оптическим устройствам для формирования направленного пучка света из рассеянного света.
В светильниках существует проблема: как изменить кривую силы света таким образом, чтобы светильник удовлетворял критериям по максимальной яркости источника света при отклонении оси наблюдения от нормали светильника на угол больше 60°. В этом направлении светильник должен быть неярким.
Яркость источника света - это световой поток, посылаемый в данном направлении, деленный на малый (элементарный) телесный угол вблизи этого направления и на проекцию площади источника света на плоскость, перпендикулярную оси наблюдения. Иначе говоря - это отношение силы света, излучаемого поверхностью, к площади ее проекции на плоскость, перпендикулярную оси наблюдения.
Оптическая система человеческого глаза устроена так, что естественный свет не мешает нам рассматривать окружающие предметы. Мы привыкли видеть в отраженном свете. Яркое солнце находится прямо над головой человека и прямые солнечные лучи никогда не попадают в глаза (почти никогда). Наше зрение настроено на дневную яркость мира отраженного света или сумеречный свет вечеров, хотя яркость дневного и вечернего солнца отличается в сотни раз. Мы прекрасно видим при полуденном солнце, но стоит нам войти в темное помещение - и нам требуется время, чтобы глаза «привыкли» к темноте, и наоборот. Это объясняется адаптивностью зрения к общему фону освещения. Здоровое зрение не напрягается и не устает в дневном и вечернем свете, но яркость окружающих предметов должна быть равномерной.
В среде с искусственным освещением глаз человека испытывает дискомфорт. На фоне слабоосвещенных (по сравнению с солнечным освещением) предметов находятся яркие фары машин, фонари, рекламные огни, экраны мониторов и телевизоров. Раздражается глаз, раздражается сам человек.
Из Википедии: чувствительность глаза зависит от полноты адаптации, от интенсивности источника света, длины волны и угловых размеров источника, а также от времени действия раздражителя. Чувствительность глаза понижается с возрастом из-за ухудшения оптических свойств склеры и зрачка, а также рецепторного звена восприятия.
2
Для повышения комфорта жизни и работы в помещении с искусственным освещением Национальным стандартом Российской Федерации (ГОСТ Р54350-2011 «Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний»), а также другими, более ранними стандартами, определена яркость источников освещения: «6.1.7 Значения габаритной яркости подвесных и потолочных светильников общего освещения жилых помещений с разрядными лампами и светодиодами должны быть не более 5000 кд/м в зоне ограничения яркости 60°-90°…». На фиг.1 представлена иллюстрация, показывающая угол ограничения яркости согласно нормам ГОСТ Р54350-2011.
Требования не только к яркости источника освещения, но и к направлению отраженного света содержатся в западных стандартах, и доступно изложены, например, в статье «Lighting Ergonomics - Survey and Solutions)), выложенной на сайте «Canadian Centre for Occupational Health and Safety» в сети Интернет в режиме он-лайн доступа по адресу http://vmw.ccohs.ca/oshanswers/ergonomics/lighting_survey.html, где показано влияние различных источников света на зрение работающего человека (фиг.2). Стандарты устанавливают норму яркости, которая ограничивает ослепление человека в помещении, особенно в офисах, аудиториях, других больших помещениях, где много источников освещения: их свет не должен раздражать зрение человека, не должен отражаться («бликовать») от мониторов.
Производители корпусов светильников на люминесцентных трубках вынуждены ставить дополнительные перегородки в корпус лампы (фиг.3), чтобы ограничить яркость панели. Такое решение позволяет снизить общий уровень яркости и удовлетворить ГОСТу, но это чисто формальное решение. Яркость отдельных точек светильника все равно превышает допустимую норму.
Некоторые производители светильников демонстрируют в рекламных материалах кривую силы света, доказывая, что если сила света под углом более 60° убывает, то и яркость в этом направлении минимальная. Это спорное утверждение! Рассмотрим стандартную панель. Для того, чтобы добиться равномерности свечения, производитель встраивает в панель рассеиватель (диффузор). Такая панель излучает свет по закону Ламберта, то есть по стандартной КСС (Кривой Силы Света) с двойным углом по половине силы света светильника, равным 120° (фиг.4 - показано распространение излучения по закону Ламберта). Закон Ламберта - физический закон, согласно которому яркость L рассеивающей свет (диффузной) поверхности одинакова во всех направлениях. Например, закону Ламберта подчиняется излучение самого распространенного, лишенного линзы светодиода (фиг.5 - диаграмма излучения светодиода SAMSUNG LM561A, угол половины силы света от светодиода равен 60+60=120°) и абсолютного большинства других светодиодов с линзой или без линзы.
Формула яркости - B(θ)=dI(θ)/dσcosθ - показывает, что сила света убывает вместе с проекцией площади (что и видно по КСС). Таким образом, под углом к панели убывает сила света, но не яркость! То есть, для светильников, излучающих по закону Ламберта (а это - все светильники с диффузором), яркость в направлении 60° и дальше равна яркости в направлении нормали.
Произведем расчет для конкретного примера:
Стандартная панель 3200 лм = 3801 кандел в направлении нормали
Приняв площадь светильника 0,55 м × 0,55 м = 0,30 кв.м (размеры светового поля за вычетом рамки для светильника 0,6 м × 0,6 м), получаем яркость в направлении 60° (или в защитной зоне 60-90°):
2
3801/0,30=12670 кд/м, что в два с половиной раза нарушает требования ГОСТ Р54350-2011 на освещение.
Есть два решения для этой проблемы.
Первое решение - ограничить лучи света, выходящие из светильника под углами больше 60° к нормали светильника (перпендикуляра к его плоскости), и установить на поверхность светильника растровую решетку так, как это вынуждены делать производители светильников на флуоресцентных трубках. Данное решение применяется, но не устраивает дизайнеров помещений. Светильники занимают много места (по высоте) и выглядят устаревшими.
Второе решение - установить на светильник специальное стекло с микрооптикой, как это делает австрийская фирма Цумтобель, защитившая свое решение патентом US 6700716, G02B 5/04, опубл. 02.03.2004.
Известен оптический элемент в виде плоской панели, применяемой в светильниках и представляющей собой пластину из прозрачного материала, на одной стороне которой сформированы выступы в форме пирамид с острыми гранями и с неплоской вершиной, выступы расположены рядами по горизонтали и вертикали и разделены треугольной формы в сечении канавками, ширина которых в месте совпадения с вершиной каждой пирамиды равна 160 микрон при поперечном размере вершины пирамиды в 540 микрон. Таким образом, можно считать, что в таком оптическом элементе пирамиды компоновочно уплотнены до состояния, когда зазор между ними сводится практически к нулю. При этом в зонах примыкания друг к другу смежных двух пирамид образуется треугольное в сечении углубление с острой вершиной и с углом в вершине 15°. В данном оптическом элементе используется преломление световых лучей, проходящих через не наклонные стенки пирамид и выходящих на другой стороне пластины.
Принято в качестве прототипа для заявленных объектов.
Из сведений, доступных из этого патента, а также из рекламных материалов фирмы Цумтобель становится ясно, что для линз оптики выбраны выступы или углубления в прозрачном материале (стекле, полимерном материале) в форме пирамид с острыми гранями. Также из патента понятно, что вершина каждой пирамиды всегда будет острой, выпуклой или вогнутой формы, но никогда не плоской (на это указано в формуле патента). Исходя из требуемых параметров таких линз - сжимать луч света - вершина пирамиды делается выпуклой, то есть производитель использует простые неусеченные пирамиды, без зазора между их основаниями. То есть пирамидальные выступы (или углубления) расположены плотно друг к другу.
Выступы в стекле в форме пирамид, заявленных в патенте, очень трудно сделать ввиду узкого зазора между гранями пирамид и отсутствия зазора между их основаниями. В патенте предлагается использовать для нарезки пирамид, например, лазер, что увеличит стоимость продукции.
Выемки в стекле в форме простых неусеченных пирамид, особенно требуемого размера - 1,5 на 1,5 мм - тоже достаточно трудно сделать, так как углубление в размягченном стекле, или разогретом полимерном стекле делается пуансоном той же формы, что и углубление, которое нужно получить. Пуансонов с острой вершиной, размером 1,5×1,5×0,75 мм, по существующей технологии изготовления такого микролинзового стекла - прокаткой листа стекла цилиндром с выполненными на нем пуансонами - требуется порядка 500…600 тысяч. Мало того, что каждую грань каждого пуансона нужно тщательно, до оптического качества, отполировать, так еще требуется сохранить острую вершину и острые грани пирамиды. При этом острая, как иголка, вершина быстро тупится и искажает оптические свойства получаемого массива линз. Пуансон приходится переделывать или, по крайней мере, ремонтировать, что увеличивает себестоимость продукции.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции оптического элемента и технологичности его изготовления и повышении оптических свойств при использовании в светильниках.
Указанный технический результат достигается тем, что в оптическом элементе, применяемом в светильниках и представляющем собой лист или пластину из прозрачного материала, на одной стороне сформированы пирамидальной формы углубления с числом граней не менее трех, каждое пирамидальной формы углубление выполнено с плоским дном, расположенным на глубине от поверхности листа или пластины со стороны этих углублений, равной от 60 до 90 процентов от высоты мнимой неусеченной пирамиды, грани которой совпадают с гранями указанного углубления.
Указанный технический результат достигается тем, что в светильнике, содержащем источник света, направляющий излучение в сторону оптического элемента, оптический элемент выполнен в виде листа или пластины из прозрачного материала, на стороне листа или пластины, противоположной источнику света, сформированы пирамидальной формы углубления с числом граней не менее трех, каждое пирамидальной формы углубление выполнено с плоским дном, расположенным на глубине от поверхности листа или пластины со стороны этих углублений, равной от 60 до 90 процентов от высоты мнимой неусеченной пирамиды, грани которой совпадают с гранями указанного углубления.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенными совокупностями признаков требуемого технического результата.
На фиг.1 представлена иллюстрация, показывающая угол ограничения яркости согласно нормам ГОСТ Р54350-2011;
фиг.2 - показано влияние различных источников света на зрение работающего человека;
фиг.3 - продемонстрирована растровая решетка на светильнике;
фиг.4 - показано распространение излучения по закону Ламберта;
фиг.5 - диаграмма излучения светодиода SAMSUNG LM561 А, угол половины силы света от светодиода равен 60°+60°=120°;
фиг.6 - схема размещения пирамид при оптической симуляции, показана часть массива;
фиг.7 - схема взаимного размещения стекла и источников света;
фиг.8 - показано влияние угла при вершине пирамиды на относительное количество проходящего через массив света;
фиг.9 - представлена зависимость прохождения света через массив от высоты пирамиды;
фиг.10 - представлена зависимость прохождения света и ширины КСС от высоты пирамид;
фиг.11 - продемонстрирована ширина КСС в зависимости от плотности размещения пирамид. Также приведена сила света, проходящего через массив при разной плотности пирамид. 100% соответствуют полному смыканию пирамид (вероятный случай светильника фирмы Цумтобель);
фиг.12 - представлена диаграмма направленности светильника со стеклом, выполненным в соответствии с результатами симуляции. Основание пирамид - 1,23 мм, зазор между пирамидами - 0,28 мм, изначальная высота неусеченных пирамид - 0,615 мм, вершины пирамид срезаны на 18 процентов от изначальной высоты (на 0,11 мм), то есть высота усеченной пирамиды составляет 82 процента от высоты воображаемой неусеченной;
фиг.13 - представлено стекло с четырехгранными углублениями, выполненное согласно настоящему изобретению, видны плоские вершины (днища) пирамидальных углублений и поля между пирамидальными углублениями.
Согласно настоящему изобретению рассматривается конструкция светильника (фиг.7), состоящего из источника света 1, направляющего световое излучение в сторону оптического элемента 2, на котором со стороны, противоположной источнику света, сформированы пирамидальной формы углубления. Оптический элемент, используемый в этом светильнике, выполнен в виде прозрачного листа для пропускания светового излучения листа или пластины с пирамидальными углублениями с различным числом боковых граней (тремя, четырьмя и более), предпочтительно четырьмя. Пирамидальной формы углубления выполнены с плоским дном, расположенным на глубине от поверхности листа или пластины со стороны этих углублений, равной от 60 до 90 процентов от высоты мнимой неусеченной пирамиды, грани которой совпадают с гранями указанного углубления.
Под мнимой вершиной пирамидального углубления (вершиной мнимой пирамиды, грани которой совпадают с гранями пирамидального углубления) понимается точка схождения треугольников, в виде которых выполнены боковые грани, если бы речь шла о неусеченной пирамиде. Терминология использована из применяемой в геометрии для усеченных конусов (см. Статью «Архитектурное определение пирамиды», авторы Е.А. Павлова, Н.А. Еремина, опубликованную в ж. «Глобальный научный потенциал», №6 за 2009 г. и выложенную 07.09.2012 г. на сайте «Строительство» в сети Интернет по адресу: http://i-postroika.ru/?p=2889) (Пирамида - это в первую очередь … сооружение из природного или искусственного каменного материала. Пирамида имеет строго геометрическую форму. Вершина пирамиды находится на прямой, перпендикулярной центру плоскости основания. Не все пирамиды имеют четко выраженную вершину, или вершину как таковую (усеченные пирамиды). В таком случае можно дать определение точнее: мнимая вершина находится на прямой, перпендикулярной центру плоскости основания).
В оптическом элементе пирамидальной формы углубления могут быть расположены с зазором относительно друг друга с плотностью не менее 60 процентов от площади листа или пластины или пирамидальной формы углубления могут быть расположены без зазора относительно друг друга (то есть с плотностью 100 процентов от площади листа или пластины).
Особенностью настоящего изобретения является то, что предлагается выполнять вершину пирамиды микрооптики не с острой, а с плоской вершиной, а также раздвинуть пирамиды на некоторое расстояние, что облегчает технологию изготовления пуансона и делает готовую продукцию более дешевой, но не менее качественной.
Рассмотрим причины, по которым это можно и даже нужно сделать. Для этого была произведена оптическая симуляция массива микропирамид, а также по полученным размерам и форме было изготовлено реальное стекло с микрооптикой. Для симуляции был создан массив микропирамид с основанием 1,5×1,5 мм, количество пирамид - 9000 (пластина из стекла выполнена в форме квадрата с расположением углублений 300×300 штук по взаимно перпендикулярным направлениям, размер массива 450×450 мм). Толщина стекла - 2,8 мм (фиг.6). Далее, под массивом микропирамид (под стеклом) был помещен источник света 1 с распределением силы света (КСС) по закону Ламберта (в реальной жизни это будет светодиод без линзы (см. выше диаграмму для светодиода фирмы Самсунг), и под источником света 1 была помещена отражающая плоскость 3, имитирующая дно светильника (фиг.7).
Затем менялись некоторые параметры микропирамид, и рассчитывалось прохождение лучей света через симулируемый массив. Коэффициент преломления света для материала массива был выбран как у оптического поликарбоната - 1,49.
В первую очередь, при изменении угла при вершине пирамиды был обнаружен максимум при значении угла, равном 90°, причем максимум достаточно острый. В дальнейших расчетах мы зафиксировали угол при вершине на 90° (фиг.8 - показано влияние угла при вершине пирамиды на относительное количество проходящего через массив света). Дальше, можно укорачивать пирамиду, отрезая ей вершину плоскостью. Полученные результаты можно видеть на фиг.9, где показана зависимость прохождения света через массив от высоты пирамиды. Из графиков по фиг.8 и 9 видно, что максимум прохождения света наблюдается при срезании вершины пирамиды на 1/6, то есть на 17 процентов высоты. Технологически это вполне возможно, и, конечно - проще, чем делать вершины пирамид на пуансоне совершенно острыми. Также при подрезании пирамид на указанную величину КСС массива становится максимально острой, что и требуется (фиг.10 - показана зависимость прохождения света и ширины КСС от высоты пирамид). Чтобы расширить диаграмму направленности (КСС), нужно раздвинуть пирамиды, и часть света пойдет мимо них, что повлияет на КСС в сторону ее расширения (см. фиг.11, на которой показана ширина КСС в зависимости от плотности размещения пирамид, также приведена сила света, проходящего через массив при разной плотности пирамид, 100% соответствуют полному смыканию пирамид (вероятный случай фирмы Цумтобель).
Поскольку нам нужна ширина диаграммы КСС примерно 85°, то оптимальной плотностью размещения пирамид в массиве для нас будут примерно 82 процента. Опытные данные показывают, что оптические качества сохраняются в оптическом элементе, если пирамидальной формы углубления расположены с зазором относительно друг друга с плотностью не менее 60 процентов от площади листа или пластины, или пирамидальной формы углубления расположены без зазора относительно друг друга.
По результатам симуляции было изготовлено стекло из полиметилметакрилата (оптического поликарбоната с коэффициентом преломления света примерно равным 1,49), и результаты измерения КСС светодиодного светильника со стеклом в виде массива микропирамид указанного размера достаточно точно подтвердили полученные при симуляции результаты (фиг.12 - приведена диаграмма направленности светильника со стеклом, выполненным в соответствии с результатами симуляции. Основание пирамид - 1,23 мм. Зазор между пирамидами - 0,28 мм. Изначальная высота неусеченных пирамид - 0,615 мм, вершины пирамид срезаны на 18 процентов от изначальной высоты (на 0,12 мм). На фиг.13 продемонстрировано стекло с четырехгранными углублениями, выполненное согласно настоящему изобретению. Видны плоские вершины пирамидальных углублений и поля между пирамидальными углублениями.
Таким образом, настоящее изобретение технически применимо и позволяет добиться заявленных результатов.