ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ОСВЕЩЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ
OPTICAL SYSTEM AND SURFACE LIGHTING METHOD

Предлагаемое изобретение относится к области светотехники и может быть использовано при освещении улиц, дворов, производственных площадей, мостов и туннелей.
Известна оптическая система, описанная в патенте US 8042968, опубликованном 25.10.2011 и включающая совокупность точечных источников света (светодиодов) и модульную систему отражателей. Геометрическая ориентация всех светодиодов одинаковая, то есть их оптические оси параллельны. Модульная система отражателей, используемая в известной оптической системе, предусматривает использование модулей, каждый из которых состоит из множества ячеек. В каждой ячейке расположен один светодиод, ячейка имеет четыре отражающие пластины. Конструктивно модуль отражателя выполнен из продольных и поперечных полосок алюминиевой фольги (например, марки «Аланода»). Фольга выгнута таким образом, чтобы образовались продольные отражающие стенки ячеек нужной геометрии, в вырезы продольных отражающих стен вставлены согнутые V-образные пластины фольги, которые образуют поперечные стены ячеек. То есть пластины пересекаются друг с другом таким образом, чтобы образовалось несколько ячеек / рядов ячеек модуля отражателя, в каждую из которых, при установке отражателя в оптическую систему светильника, размещается светодиод. Форма и размеры пластин, а также их углы наклона к оптической оси светодиода и расположение относительно светодиода рассчитаны таким образом, чтобы каждая ячейка со светодиодом создавала определенное пространственное распределение силы излучения света. Для увеличения жесткости отражатель может быть оборудован рамой с необходимым набором крепежных выступов и отверстий. Каждая ячейка совместно с расположенным в ней светодиодом создает вторичный источник света. Используя ячейки двух или более геометрических форм, можно создать два или более вторичных источников света с различными характеристиками распределения света. Распределение света светильника получается как композиция распределений света всех вторичных источников света.
К недостаткам известной из US 8042968 оптической системы можно отнести следующее:
- одинаковая пространственная ориентация оптических осей светодиодов сокращает вариативность создаваемых распределений света и тем самым уменьшает возможность получения с высокой точностью распределения света светильника в соответствии с требуемыми параметрами;
- способ крепления пластин отражателя друг с другом не обеспечивает достаточной жесткости конструкции и, как следствие, постоянство распределения света;
- операция гибки фольги, используемая при изготовлении модуля отражателя, не может обеспечить достаточно высокую точность геометрии пластин и, соответственно, ячеек, что ведет к несоответствию распределений света вторичных источников света расчетным требованиям.
Из-за недостатков в конструкции отражателей описанная в US 8042968 оптическая система не обеспечивает требуемое качество перераспределения и направление света, то есть не обеспечивает управление качеством освещения в конкретном месте, также известная оптическая система характеризуется излишней сложностью в конструкции.
В качестве ближайшего аналога предлагаемого изобретение может быть выбрана оптическая система, имеющая две группы светодиодов, расположенных в светильнике таким образом, что оптические оси светодиодов обеих групп не параллельны между собой. Имеется отражатель, разбитый на отдельные ячейки по принципу одна ячейка - один диод (US 2011075409, 31.03.2011).
Однако указанная система не содержит модульную систему отражателей, при которой различные группы ячеек модульной системы отражателей имеют разную форму, что не позволяет при наличии групп диодов с различным направлением оптических осей получать такую композицию световых потоков, чтобы получить суммарный световой поток с пространственным распределением света, обеспечивающий оптимальное освещение.
В свою очередь, предлагаемое изобретение позволит устранить указанные выше недостатки и позволит предложить оптическую систему, отличающуюся качеством освещения при сочетании с простотой конструкции.
Указанный выше технический результат достигается при использовании заявляемых оптической системы и способа освещения поверхности.
Предложенная оптическая система включает совокупность светодиодов (точечных источников света), а также совокупность вторичной оптики - модульную систему отражателей. Светодиоды разбиты на несколько групп, причем оптические оси у источников света, образующих отдельную группу, параллельны между собой, а оптические оси у источников света различных групп не параллельны.
Модульная система отражателей состоит из отдельных модулей. Каждый модуль состоит из множества ячеек, в которых расположен один светодиод при наличии от четырех до восьми плоских пластин светоотражающего материала, преимущественно фольги, причем в каждой из указанных пластин выполнены пазы длиной, равной части высоты пластины, причем каждая из пересекающихся пластин входит в паз другой пластины до упора. Также модуль состоит из продольных и поперечных плоских пластин светоотражающего материала, преимущественно фольги, пересекающихся друг с другом с образованием ячеек/рядов ячеек модуля отражателя. В каждой из указанных пластин модуля выполнены пазы длиной, равной части высоты пластины, причем каждая из пересекающихся пластин входит в паз другой пластины до упора (пересекающиеся пластины имеют соединение «паз в паз», то есть каждая из пересекающихся пластин своим пазом входит в паз другой пластины до упора). Ячейки могут быть одинаковы, а могут отличаться между собой количеством и геометрией пластин, углами наклона пластин между собой и оптической оси источника света, геометрией расположения источника света по отношению к пластинам. Одинаковые и различные ячейки могут находиться как в одном модуле модульной системы отражателей, так и в разных модулях модульной системы отражателей. Пластины модуля должны быть достаточно жесткими, чтобы уверенно поддерживать заданную форму ячеек, а используемый для них материал должен иметь максимально возможный коэффициент отражения (предполагается использовать светоотражающую алюминиевую фольгу «Аланод» толщиной 0,4 мм с коэффициентом отражения 98%).
Модуль может быть оборудован рамой, обеспечивающей жесткость конструкции и образованной пластинами, причем для компоновки пластин рамы друг с другом и со светоотражающими пластинами в каждой из пластин рамы выполняется паз длиной, равной части высоты пластины, причем каждая из пересекающихся пластин входит в паз другой пластины до упора. Пластины рамы выполняют из того же материала, что и светоотражающие пластины либо из более жесткого материала, например из стали. Для необходимого позиционирования отражателя относительно светодиодов на раме или отражающих пластинах выполняют выступы, которые при установке отражателя в светильник входят в отверстия в светодиодных платах. Пластины изготовлены из листа фольги лазерной резкой и собраны в модуль, как 3D пазл. Такая конструкция, с одной стороны, позволяет добиться высокой точности (погрешность лазерной резки составляет 0,1 мм) геометрии ячеек модульной системы отражателей и тем самым обеспечить высокую точность соответствия реального пространственного распределения силы излучения света расчетному, а также обеспечить простоту изготовления модульной системы отражателей.
Предложенный способ освещения поверхности предусматривает использование оптической системы, включающей совокупность светодиодов (точечных источников света), а также совокупность вторичной оптики - модульной системы отражателей. В отличие от аналога используют описанную выше оптическую систему, при этом пространственные ориентации светодиодов, форму и/или размеры пластин модульной системы отражателей, а также расположение, в том числе углы наклона пластин модульной системы отражателей, относительно светодиода выбирают так, что каждая ячейка со светодиодом обеспечивает определенное пространственное распределение света. Распределение света светильника получают как композицию распределений света, образованную ячейкой и расположенным в ней светодиодом. При этом разные ячейки и расположенные в них светодиоды формируют различные пространственные распределения света, определяемые пространственной ориентацией светодиодов, геометрией вырезанных пластин, взаиморасположением пластин, позиционированием ячеек светодиодов и формой вырезанных пластин. Геометрические характеристики ячеек отражателя, размещение светодиодов с точки зрения их пространственной ориентации рассчитываются таким образом, чтобы распределение света светильника максимально точно соответствовало требуемым световым параметрам.
Работа предложенной оптической системы / практическое осуществление предложенного способа освещения поверхности может быть проиллюстрировано на примере светодиодного светильника.
Светильник состоит (фиг. 1) из центральной (три ряда светодиодов, I группа светодиодов) и двух боковых (по два ряда светодиодов, II и III, а также IV и V группы светодиодов) частей корпуса. Оптические оси всех светодиодов центрального корпуса параллельны между собой, и образуют I группу светодиодов. Оптические оси II группы светодиодов боковой части корпуса наклонены к оптическим осям светодиодов I группы центрального корпуса на угол 41° (соответственно угол наклона оптических осей светодиодов II и IV группы составляет 82°). Оптические оси III группы светодиодов бокового корпуса наклонены к оптическим осям светодиодов I группы центрального корпуса на угол 50° (соответственно угол наклона оптических осей светодиодов III и V группы составляет 100°).
Модульная система отражателей состоит из пяти модулей: один модуль отражателя в центральной части корпуса и по два модуля отражателя в каждой боковой части:
1-й модуль формирует одинаковые ячейки для светодиодов I группы, ячейки 1-го модуля имеют по 4 пластины и образуют 1-й вид ячеек (фиг. 2, фиг. 5);
2-й модуль формирует ячейки для светодиодов II и III группы, 2-й модуль содержит ячейки 2-го и 3-го вида, которые имеют по 4 пластины (фиг. 3, фиг. 5);
3-й модуль формирует ячейки для светодиодов II и III группы, 3-й модуль содержит ячейки 4-го и 5-го вида, которые имеют по 4 пластины (фиг. 4, фиг. 5);
2-й и 3-й модули зеркально симметричны 4-му и 5-му модулям, соответственно, в итоге получаем 2 вида ячеек 4-го модуля (6-го и 7-го вида) и 2 вида ячеек 5-го модуля (8-го и 9-го вида) (фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5).
В результате:
светодиоды I группы совместно с ячейками 1-го вида образуют пространственное распределение света 1-го типа;
светодиоды II группы совместно с ячейками 2-го вида образуют пространственное распределение света 2-го типа;
светодиоды III группы совместно с ячейками 3-го вида образуют пространственное распределение света 3-го типа;
светодиоды II группы совместно с ячейками 4-го вида образуют пространственное распределение света 4-го типа;
светодиоды III группы совместно с ячейками 5-го вида образуют пространственное распределение света 5-го типа;
светодиоды IV группы совместно с ячейками 6-го вида образуют пространственное распределение света 6-го типа;
светодиоды V группы совместно с ячейками 7-го вида образуют пространственное распределение света 7-го типа;
светодиоды IV группы совместно с ячейками 8-го вида образуют пространственное распределение света 8-го типа;
светодиоды V группы совместно с ячейками 9-го вида образуют пространственное распределение света 9-го типа.
Итогом композиции пространственных распределений света всех перечисленных выше типов пространственного распределения света становится формирование нового пространственного распределения света всего светильника, отличающееся от 1-го - 9-го типов пространственного распределения света. Такое распределение света имеет параметры, позволяющие при определенных способах расположения светильников по отношению к дороге обеспечить эффективное, с точки зрения выполнения норм освещения и энергопотребления, освещение улиц и автомагистралей.
Предложенный подход к управлению освещением сможет быть использован в самых различных отраслях науки и техники. Описанное выше изобретение позволяет специалистам сделать и использовать то, что считается в настоящее время лучшим, эти специалисты поймут и оценят наличие вариаций, сочетаний, эквивалентов конкретного воплощения, метода, и примеров описанных выше. Изобретение поэтому должно быть ограничено не только вышеописанными вариантами, методами и примерами, а также всеми вариантами и методами в рамках и духе изобретения.