ФОРМИРОВАТЕЛЬ СВЕТОВОГО ЛУЧА
LIGHT BEAM FORMER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к оптическому устройству для придания световому лучу требуемой формы, причем это устройство также называется “формирователем светового луча”. Это оптическое устройство особенно важно для освещаемых поверхностей, которые имеют большую длину по сравнению с их шириной, таких как дорога, улица или автомагистраль.
Предпосылки создания изобретения
На фиг.1 изображен схематичный перспективный вид секции 1 дороги, оснащенной тремя уличными светильниками 11a, 11b, 11c. Уличные светильники, или канделябры, содержат столб 111 светильника и головку 112 светильника. Каждый уличный светильник освещает соответствующую уличную зону 12a, 12b, 12c секции 1 дороги, причем каждая уличная зона имеет длину L. Эти освещенные уличные зоны могут слегка перекрываться в зонах 13a, 13ab, 13bc, 13c перекрытия. Обычно, как изображено на фиг.1, уличные светильники отстоят от границы 14 секции 1 дороги. Например, они возводятся на тротуаре, на границе 14 секции 1 дороги. Действительно, из-за потока транспорта невозможно установить уличные светильники прямо над зонами, которые должны быть освещены, так как это было бы очень опасно.
Известно использование отражателей, расположенных в головке светильника, поперек пути света, для направления светового луча под соответствующим углом в направлении улицы.
Более того, предпочтительно увеличить расстояние между двумя последовательными уличными светильниками 11a и 11b, или 11b и 11c для уменьшения стоимости установки и обслуживания. Различные системы отражателей были предложены для получения вытянутого луча. Такие системы отражателей являются довольно крупногабаритными.
Обычными источниками света для уличного освещения являются разрядные лампы высокой интенсивности, такие как натриевые паросветные лампы, флуоресцентные шары или флуоресцентные трубки. Однако эти типы источников являются довольно крупногабаритными и они требуют частого и длительного обслуживания. Последствием громоздкости является то, что головки светильника также являются крупногабаритными, что может быть недостатком в условиях ветра.
Краткое изложение сущности изобретения
Целью вариантов осуществления изобретения является разработка уличного светильника, который позволяет равномерно освещать уличную зону в продольном направлении без риска ослепления пользователя улицы.
Другой целью вариантов осуществления изобретения является разработка уличного светильника, который удовлетворяет правилам уличного освещения, в особенности, относительно однородности освещения, интенсивности освещения, блескости и загрязнения неба.
Другой целью вариантов осуществления изобретения является разработка уличного светильника с уменьшенной чувствительностью к ветру.
Еще одной целью вариантов осуществления изобретения является разработка уличного светильника, который редко требует обслуживания. Также целью вариантов осуществления изобретения является разработка уличного светильника, имеющего низкие эксплуатационные расходы.
Для этих целей в варианте осуществления изобретения предложено оптическое устройство для придания световому лучу  вытянутой формы, называемое также формирователем светового луча, причем упомянутое оптическое устройство содержит линзу, имеющую (i) входной диоптр и (ii) выходной диоптр, который содержит первую собирающую секцию, вторую собирающую секцию и рассеивающую секцию, соединяющую упомянутые первую и вторую собирающие секции.
Такое оптическое устройство может быть использовано для придания формы световому лучу, испускаемому источником света. Обычно такие световые лучи, по существу, круглые: они имеют круговую геометрию с максимальной интенсивностью света вокруг оси светового луча. Оптическое устройство согласно изобретению перераспределяет световой поток. Результатом этого перераспределения является вытянутый световой луч, который предпочтительно имеет симметричное распределение света в продольном направлении.
В другом варианте осуществления изобретения предложена головка светильника, применимая в особенности для уличного освещения, содержащая множество светоизлучающих диодов (LED), причем каждый светоизлучающий диод расположен вверх по потоку оптического устройства, причем упомянутые формирователи светового луча имеют, по существу, одинаковое направление.
Такая головка светильника может быть довольно тонкой благодаря использованию светоизлучающих диодов в качестве миниатюрных источников света. Так как все формирователи светового луча имеют, по существу, одинаковое направление, то есть они ориентированы в одном и том же направлении, отсутствует необходимость предусмотрения отражателей для направления световых лучей с прямым углом относительно дороги. Это упрощает изготовление головок светильника.
Эти и другие особенности изобретения будут понятны из их разъяснения со ссылкой на варианты осуществления, описанные далее в настоящем документе.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет теперь описано более подробно в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет собой схематичный перспективный вид секции дороги, оснащенной уличными светильниками;
Фиг.2 представляет собой изображение в разных схематичных видах первого варианта осуществления оптического устройства согласно изобретению, а именно: прямой разрез (фиг.2А), продольный разрез (фиг.2В), перспективный вид сверху (фиг.2С) и вид в плане снизу (фиг.2D);
Фиг.3 представляет собой перспективный вид снизу части уличного светильника, оснащенного оптическими устройствами согласно изобретению;
Фиг.4 представляет собой разрез части фиг.3 по плоскости IV-IV;
Фиг.5 представляет собой изображение в разных схематичных видах второго варианта осуществления оптического устройства согласно изобретению, а именно: продольный разрез (фиг.5А) и вид в плане снизу (фиг.5В);
Фиг.6 представляет собой двухмерный путь, по которому следуют пучки света, испускаемые точечным источником света через оптическое устройство, как изображено на фиг.2.
Подробное описание изобретения
В этом описании приняты следующие определения. Слова “улица”, “дорога”, “автомагистраль” и тому подобное должны  истолковываться, как имеющие одинаковое значение.
Диоптр является оптической поверхностью, которая разделяет две среды распространения света, имеющие разные показатели преломления. Примерами сред распространения света являются, например, воздух, стекло, полиметакрилат или другие пластики.
Линза является устройством, которое заставляет свет либо сходиться, либо расходиться. Оно выполнено из куска профилированного материала, такого как стекло, полиметакрилат или другие пластики. Обычно линза имеет две поверхности или диоптра. Поверхность, или ее часть, может быть плоской (не изогнутой), выпуклой (выступающей наружу из линзы), или вогнутой (вдавленной в линзу).
Квадрика является поверхностью второго порядка. Например, сфера имеет квадрику.
Метаповерхность является поверхностью меташара.
i
i
Меташар определен, как изложено ниже. Каждый компонент C меташара может быть определен трехмерной математической функцией f(x,y,z), где x,y,z являются координатами точки в пространстве. Выбирается пороговая величина Т. Для каждой точки (x,y,z) сумма S(x,y,z) вклада каждого компонента меташара вычисляется и сравнивается с пороговой величиной Т:
i
Эта функция определяет скалярное поле. Если S(x,y,z) меньше, чем пороговая величина Т, то точка (x,y,z) находится внутри объема меташара; если S(x,y,z) равна пороговому значению Т, то точка (x,y,z) находится на поверхности меташара, то есть на метаповерхности. В противном случае, точка (x,y,z) находится снаружи меташара. Другими словами, следующее неравенство показывает объем, заключенный в меташаре, определяемом компонентами C:
0
0
0
Сфера может быть представлена следующим уравнением, где (x,y,z) являются координатами центра сферы, а r является радиусом сферы:
Более того, цилиндр с осью z может быть представлен следующим уравнением, где r является радиусом цилиндра:
Хорошо известно, что S(x,y,z) может быть аппроксимирована полиномиальной функцией для ускорения вычисления меташара и метаповерхности. Дополнительные разработки, относящиеся к меташарам и метаповерхностям, могут быть найдены в Интернете.
Как указано выше, варианты осуществления изобретений относятся к оптическому устройству для придания световому лучу  вытянутой формы. Упомянутое оптическое устройство содержит линзу, имеющую входной диоптр и выходной диоптр. Выходной диоптр содержит первую собирающую секцию, вторую собирающую секцию и рассеивающую секцию, соединяющую упомянутые первую и вторую собирающие секции. В предпочтительном варианте осуществления изобретения упомянутая рассеивающая секция гладко соединяет упомянутые первую и вторую собирающие секции выходного диоптра.
Предпочтительно, линза выполнена с возможностью формирования круглого светового луча в вытянутый световой луч, имеющий, по существу, однородную интенсивность света в продольном направлении. Это позволяет использовать такие источники света, как светоизлучающие диоды (LEDs), которые обычно испускают круглые световые лучи. Могут быть подходящими другие источники света. Однако преимущество светоизлучающих диодов заключается в том, что они являются миниатюрными источниками света. Таким образом, становится возможным создание тонких головок светильника, которые объединяют в себе множество светоизлучающих диодов, причем каждый светоизлучающий диод оснащен оптическим устройством согласно изобретению для формирования круглого светового луча в вытянутый световой луч. Например, светоизлучающие диоды и их соответствующие оптические устройства расположены во множестве линий и рядов. Посредством придания световому лучу подходящего направления, возможно направлять вытянутый световой луч к дороге и освещать ее, вместо того, чтобы светить прямо вниз под головку светильника. Более того, возможно помещать радиаторы за светоизлучающими диодами (то есть противоположно оптическому устройству относительно светоизлучающего диода), между линиями светоизлучающих диодов, как будет описано ниже, с минимальным влиянием на тонкость головки светильника. Более того, из-за высокой стоимости энергии высокоэффективные светоизлучающие диоды являются выгодными.
На фиг.2 изображены разные виды первого варианта осуществления оптического устройства согласно изобретению. В этом первом варианте осуществления линза 2 имеет входной диоптр 3, являющийся вогнутым. Он может быть выполнен, как гнездо 31 для источника света. Общая форма входного диоптра не является существенным признаком линзы 2. Тем не менее, предпочтительно, если общая форма входного диоптра 3 является сферической или, по меньшей мере, является квадрикой. Действительно, такая форма имеет минимальное влияние на распределение пучков света. Это означает, что при прохождении через такой входной диоптр, особенно, через сферический диоптр, распределение пучков света остается, по существу, неизмененным.
Как изображено на фиг.2, базовая поверхность 5 расположена у основания линзы 2, между входным диоптром 3 и выходным диоптром 4. Собственно говоря, базовая поверхность 5 также должна рассматриваться, как  дополнительный диоптр, как таковой. Однако источник света предпочтительно должен быть расположен относительно входного диоптра 3, например, в гнезде 31, таким образом, чтобы свет от источника света не проходил через базовую поверхность 5. Это не означает, что совсем никакой свет не проходит через базовую поверхность 5, а просто то, что, по существу, весь свет, испускаемый источником света, направлен в сторону входного диоптра 3. Предпочтительно, если базовая поверхность 5, по существу, вписана в базовую плоскость. Это облегчает изготовление оптических устройств согласно изобретению, а так же сборку упомянутых оптических устройств в более крупных осветительных устройствах. Однако базовая поверхность может образовывать угол с плоскостью IIA (фиг.2В). Например, базовая поверхность может содержать две симметричные части, которые образуют угол с плоскостью IIA.
Предпочтительно, как изображено на фиг.2, если оптическое устройство согласно изобретению имеет две перпендикулярные плоскости симметрии IIA, IIB, которые также перпендикулярны к базовой плоскости, в которую вписана базовая поверхность 5. Плоскости IIA и IIB пересекаются по оси 22 линзы 2. Предпочтительно, если источник света расположен на оси 22 линзы 2. Предпочтительно, если упомянутое гнездо 31 имеет ось симметрии, которая проходит через упомянутый источник света.
Наиболее важна форма выходного диоптра 4 линзы 2. Действительно, в основном, форма выходного диоптра обуславливает распределение пучков света на выходе формирователя светового луча, и, таким образом, интенсивность выходного светового луча. При использовании круглого светового луча необходимо расширить его для придания ему вытянутой формы. Поэтому выходной диоптр 4 содержит первую собирающую секцию 41, вторую собирающую секцию 42 и рассеивающую секцию 43, соединяющую упомянутые первую и вторую собирающие секции 41, 42. Это позволяет диспергировать в направлении отдаленных собирающих секций 41, 42 круглый световой луч, который изначально сконцентрирован в направлении рассеивающей секции. Чем ближе собирающие секции 41, 42, тем более суженным будет выходной световой луч. Другими словами, рассеивающая секция 43 способствует расширению выходного светового луча, тогда как собирающие секции 41, 42 способствуют сужению выходного светового луча. Правильный баланс между ними обеспечивает удовлетворительную однородность света вдоль выходного светового луча.
Лучшая однородность выходного светового луча может быть достигнута посредством симметрии линзы 2. Следовательно, предпочтительно, если выходной диоптр 41 содержит осесимметричную поверхность.
Например, как изображено на фиг.2, ось вращения 23 перпендикулярна оси 22 линзы 2 и вписана в плоскость симметрии IIB. При повороте кривой, содержащейся между точками C и D, вокруг оси 23 может быть получен весь выходной диоптр 4. Соответственно, это так же относится к входному диоптру 3, когда он имеет поверхность второго порядка, такую как сферическая поверхность.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения упомянутые собирающие секции 41, 42 выходного диоптра 4 содержат поверхности второго порядка, такие как сферическая поверхность. В варианте осуществления, изображенном на фиг.2, собирающие секции 41, 42 являются выпуклыми и содержат сферические поверхности. Они вносят вклад в метаповерхность, которая также содержит цилиндрический вклад в разделяющей рассеивающей секции 43 так, что вся поверхность остается непрерывной, без разрыва уклона. Рассеивающая секция 43 получена из цилиндра, ось которого проходит по центру двух сфер, из которых получены собирающие секции 41, 42. В зависимости от желаемого применения высота этого цилиндра может быть равна или меньше, чем отдаленность двух упомянутых сфер. Для получения рассеивающей секции 43 радиус цилиндра должен быть меньше, чем радиусы сфер. В собирающих секциях наиболее важен вклад сфер в метаповерхность, тогда как в рассеивающей секции наиболее важен вклад цилиндра.
Обычно требуется, чтобы выходной световой луч был симметричным в продольном направлении, так как это касается интенсивности света. Следовательно, собирающие секции 41, 42 выходного диоптра 4 должны быть симметричными относительно друг друга, как изображено, например, на фиг.2В. Такое свойство также упрощает изготовление осветительного устройства, так как не существует вопроса правильной ориентации (влево или вправо) линзы.
На фиг.6 в двух измерениях изображен путь, по которому следуют пучки света, испускаемые точечным источником света через оптическое устройство, как изображено на фиг.2. Такой источник света, как правило, приводит к круглому световому лучу. Светоизлучающий диод 7 может быть приблизительно принят за точечный источник света.
На фиг.6 изображено действие линзы 2 на круглый световой луч, испускаемый светоизлучающим диодом 7, и сравнение результирующего вытянутого светового луча с круглым лучом света, который был бы получен без линзы 2. Обособлены две группы пучков света: пучки света, находящиеся у центра испущенного светового луча (то есть вблизи к оси 22 линзы 2), и пучки света, находящиеся у периферии светового луча. В иллюстративных целях, если ширина круглого светового луча измеряется согласно способу полной ширины и половинного максимума (full-width half-maximum method), который хорошо известен в данной области техники, то пучками света “у центра” светового луча могут быть те, которые имеют направление под углом к оси 22 меньшим, чем половина ширины круглого светового луча, тогда как пучками света “у периферии” светового луча могут быть те, которые имеют направление под углом к оси 22 большим, чем половина ширины круглого светового луча.
Центр светового луча, который был бы получен без оптического устройства 2, то есть через прямое распространение пучков 71 света, определен штрихпунктирными линиями 72. Штриховыми линиями 73 изображен световой луч, который получен после распространения таких же пучков света через линзу 2. Как может быть видно, центр светового луча расширен. Это значит, что центральный световой луч пересечет больше дорожной поверхности. Таким образом, ближайшая к источнику света дорожная поверхность получит меньше световой энергии на единицу поверхности, чем если это было бы достигнуто без линзы 2.
Сравним с периферическим световым лучом: штрихпунктирными линиями 74 показан световой луч, полученный после прямого распространения; штриховыми линиями 75 показан световой луч, который получен после распространения таких же периферических пучков света через линзу 2. В случае периферических пучков света, световой луч, полученный после распространения через линзу 2, имеет меньшую ширину, чем без линзы 2. Более того, периферический световой луч находится ближе к оси 22 линзы 2. Это значит, что периферический световой луч будет пересекать меньше дорожной поверхности. Дорожная поверхность, которая освещена периферическим лучом света, то есть наиболее отдаленная от источника света, будет получать больше световой энергии на единицу поверхности.
Это перераспределение светового луча обеспечивает лучшее освещение участка дороги вытянутым световым лучом.
Выходной световой луч является настолько длинным, насколько возможно. Максимальное расстояние между двумя последующими уличными светильниками ограничено обязательными уровнями однородности освещения (для предотвращения ослепления пользователя дороги между яркими зонами и темными зонами) и интенсивности освещения (для обеспечения достаточного освещения) в направлении дороги. Ширина выходного светового луча также ограничена блескостью при больших углах и загрязнением неба.
Тем не менее может требоваться предусмотрение выходного светового луча, который на одной стороне более интенсивен или менее вытянут, чем на противоположной стороне. В этом случае собирающая секция выходного диоптра может быть меньше, чем противоположная собирающая секция. Плоскость IIA больше не будет рассматриваться, как плоскость симметрии. Чем крупнее собирающая секция, тем более диспергированными будут пучки света, результатом чего будет менее интенсивный световой луч и более вытянутый световой луч. Другим решением может быть расположение источника света не на оси 22 линзы, а, например, на линии, параллельной оси 22 вдоль оси вращения 23. Конечно же оба решения могут быть объединены вместе.
На фиг.5 изображен еще один другой вариант осуществления оптического устройства согласно изобретению. В этом варианте осуществления линза 200 содержит два входных диоптра 301, 302, которые, например, симметричны относительно друг друга. Каждый входной диоптр может быть выполнен в качестве гнезда 311, 312 для источника света, такого как светоизлучающий диод. Как изображено, входные диоптры имеют сферическую поверхность, но это не является обязательным, как описано выше. Источники света предпочтительно расположены вдоль осей 221, 222 входных диоптров 301, 302. Выходной диоптр 400 содержит три собирающие секции 401, 402, 403 и две рассеивающие секции 404, 405. Рассеивающая секция 404 соединяет собирающие секции 401 и 402. Рассеивающая секция 405 соединяет собирающие секции 402 и 403. Выходной диоптр 400 осесимметричен вокруг оси вращения 230. Он содержит метаповерхность, которая получена из комбинаций сфер (собирающих секций) и цилиндров (рассеивающих секций).
Такая линза 200 может быть использована, например, для смешивания цветов. В этом случае выбираются источники света с разными цветами. С использованием варианта осуществления, изображенного на фиг.5, цвет выходного светового луча будет постоянно меняться в продольном направлении выходного светового луча по существу от цвета источника света, расположенного в гнезде 311, до цвета источника света, расположенного в гнезде 312.
Линза 200, изображенная на фиг.5, также может быть использована для упрощения изготовления: только одна линза необходима для формирования светового луча, испускаемого двумя источниками света.
Если требуется получить смешивание цветов, однородное в продольном направлении выходного светового луча, тогда может быть спроектировано более сложное оптическое устройство с тремя входными диоптрами: в центральном входном диоптре будет расположен источник света, имеющий первый цвет, и в каждом из двух боковых входных диоптров будет расположен источник света, имеющий второй цвет.
В дополнительном варианте осуществления вместо того, чтобы быть установленными на одной прямой, собирающие секции выходных диоптров линзы расположены у углов квадрата с рассеивающими секциями, соединяющими последовательные углы или противоположные углы, или как последовательные, так и противоположные углы. Такая линза будет придавать лучу света вытянутую крестообразную форму.
Обычно линзы 2, 200 изготавливаются посредством формования под давлением или инжекционного формования согласно хорошо известным способам. Они предпочтительно изготавливаются с использованием прозрачного материала. Этот материал может быть цветным или бесцветным в зависимости от требуемого применения. Например, подходящим материалом является полиметакрилат, в особенности, поли(метилметакрилат). Могут быть использованы другие прозрачные пластики, такие как поликарбонаты.
На фиг.3 и 4 изображен в различных видах уличный светильник 11, оснащенный оптическими устройствами согласно варианту осуществления изобретения. Как может быть видно на фиг.3, головка 112 светильника, видимая снизу, предусмотрена на вершине столба 111 светильника (частичный вид). Головка 112 светильника содержит суппорт 113 для множества осветительных устройств 6. Упомянутые осветительные устройства 6 расположены под суппортом 113 головки 112 светильника и направлены в сторону земли, а именно, в сторону улицы. Осветительные устройства могут быть расположены, как изображено на фиг.3, в линиях и рядах.
Каждое осветительное устройство 6 содержит светоизлучающий диод 7, расположенный вверх по потоку оптического устройства 2 относительно распространения света. Оптическое устройство было подробно описано выше в описании. Например, используются такие оптические устройства, как в варианте осуществления, изображенном на фиг.2. Светоизлучающие диоды 7 имеют источник энергии, который не изображен.
Светоизлучающие диоды являются хорошей альтернативой стандартным источникам света, используемым для уличного освещения. Большое количество светоизлучающих диодов может быть установлено на каждой головке светильника для обеспечения достаточного освещения. Для обеспечения привлекательности продукта размеры головки светильника должны оставаться достаточно малыми.
Одним из преимуществ светоизлучающих диодов является миниатюризация. При применениях на открытом пространстве это обеспечивает уменьшенную толщину головки светильника с миниатюризированной оптикой. Изобретение предлагает оптику для светоизлучающих диодов, простую для проектирования и для выполнения с возможностью использования в большом диапазоне конфигураций, и обеспечивает вытянутый луч для уличного освещения с высокой эффективностью, которая сравнима с эффективностью классической ротационной оптики, используемой для большой площади, с меньшими размерами и возможностью обеспечения пониженного загрязнения неба.
Для правильного освещения зоны улицы все осветительные устройства имеют одинаковое направление, то есть, направление света LD образует угол «тета» с вертикальным направлением V. Таким образом, возможно определить углубление 114 в суппорте 113 между двумя последовательными рядами осветительных устройств. Это углубление 114 выполнено с возможностью вмещения множества радиаторов (не изображены), которые являются полезными для отвода и рассеивания тепла, которое выделяется во время работы светоизлучающих диодов. Поскольку радиаторы вмещены в углубление 114, головки светильника остаются тонкими, что является желательным.
Никакая ссылка в последующих пунктах формулы изобретения не должна пониматься, как ограничивающая формулу изобретения. Будет очевидно, что применение глагола “содержать” и его спряжений не исключает наличия любых других элементов, кроме тех, которые определены в любом пункте формулы изобретения. Форма единственного числа элемента не исключает наличия множества таких элементов.