СВЕТОДИОДНАЯ ФАРА ГОЛОВНОГО СВЕТИЛЬНИКА

Светодиодная фара головного светильника относится к световой технике области и может быть использована в качестве индивидуального осветительного прибора для подземных выработок шахт и рудников, опасных по газу и пыли, и в местах, отличных от шахт, содержащих взрывоопасные газы, а также при проведении аварийно-спасательных операций, при тушении пожаров и для освещения в любых условиях, в том числе и там, где требуется повышенная герметичность фонаря, высокая сила света и ограниченный источник электроэнергии.
Известна светодиодная фара (см. патент US 6685336, МПК F21L 3/00, опубликован 03.02.2004), включающая по меньшей мере один светодиод (СИД), помещенный в полый конический отражатель так, что излучение СИД падает на внутреннюю коническую поверхность отражателя и затем отражается в противоположном направлении.
Использование СИД в известной фаре обеспечивает большую, чем у лампы накаливания светоотдачу, которая достигает величины ~100 лм/Вт, и имеет большой срок эксплуатации, превышающий 100000 час. Повышенная светоотдача позволяет уменьшить в ~6 раза энергопотребление фонаря по сравнению с лампой накаливания и, соответственно, при той же емкости аккумуляторной батареи в ~6 раза увеличить продолжительность работы светильника. Кроме того, СИД, в отличие от лампы накаливания, имеют свойство продолжать излучать видимый свет при очень малых значениях тока вплоть до значений 10-20 мА. Оценки показывают, что продолжительность горения светильника в аварийной ситуации в шахте за счет малого потребления энергии может быть увеличена до 10 дней. Несомненным достоинством применения СИД в качестве источника света является и тот факт, что их использование делает светильник абсолютно взрыво- и пожаробезопасным. В отличие от лампы накаливания, СИД не имеют разогретой до высокой температуры спирали, а в местах контактов электродов СИД с подводящими проводами невозможно возникновение искрения.
Недостатком известной светодиодной фары является то, что в этой конструкции существуют неоправданные потери света за счет рассеяния при отражении от поверхности отражателя. Это вызвано тем обстоятельством, что даже на хорошо полированных поверхностях трудно добиться величины коэффициента отражения света больше 0,7, в результате до 30% излучаемого СИД света бесполезно теряется. Кроме того, имеет место сильный ослепляющий эффект и неравномерность пятна засветки. К серьезным недостаткам можно отнести и невозможность создания диаграмм направленности излучения различного типа.
Известна светодиодная фара, которая содержит защитный корпус, в котором размещены источники света, рефлектор и оптическая система (патент RU 2194212, МПК A21L 17/00, опубликован 10.12.2002). Оптическая система фары содержит коллиматор, световод и линзу, в качестве источников света использованы СИД, расположенные на плате, изогнутой в виде параболоида так, что световой поток СИД сконцентрирован на коллиматоре. При этом СИД вместе с платой расположены в сплошном отражающем пластмассовом корпусе, представляющем собой подобие сектора, выпуклая сторона которого имеет вид параболы, а узкая сторона усечена и сочленена с коллиматором или линзой.
Несмотря на несомненные преимущества использования СИД в известной фаре, позволяющие снизить расход электроэнергии, повысить безопасность и надежность ее работы, известная конструкция фары головного светильника имеет и серьезные недостатки. Значительная часть излучения, испускаемого полупроводниковым кристаллом СИД, распространяется в боковом направлении, не попадает в апертуру фокусирующей линзы и бесполезно теряется. В результате не обеспечивается необходимая сила света светильника при использовании одного СИД. Чтобы компенсировать потери света и достичь требуемых светотехнических параметров, предъявляемых, например, к рудничному светильнику (сила света ~1200 кд), в конструкции фары известной необходимо использовать несколько СИД. Использование большого количества СИД для изготовления светильника приводит к увеличению площади излучающей поверхности и, как следствие этого, увеличение геометрических размеров, сложности и стоимости изготовления светильника. В известной конструкции также имеет место ослепляющий эффект, плохая равномерность пятна засветки и невозможность создания диаграмм направленности излучения разного типа.
Известна светодиодная фара головного светильника, которая состоит из герметичного корпуса внутри которого размещен металлический отражатель, выполненный в виде параболоида, который используется для сбора и фокусировки света, а светодиод размещен в фокальной плоскости отражателя. (пат. CN 203771056 U, МПК F21V-023/00 F21W-131/402 F21Y-101\02). Недостатками такой конструкции являются большие потри света при отражении от металлического рефлектора, сильный ослепляющий эффект и неравномерность пятна засветки. Оценки показывают, что такие потери в зависимости от качества рефлектора могут составлять более 30%. Кроме того, известная конструкция не позволяет получать фары головного светильника с различным видом диаграммы направленности излучения. Получение более широких углов излучения, а, тем более несимметричных диаграмм направленности в такой конструкции невозможно.
Известен светильник шахтный головной (см. патент RU 152318, МПК F21L 4/02, опубликован 20.05.2015), состоящий из закрепляемого на каске осветительного блока, в герметичном корпусе которого размещен как минимум один светодиод, снабженный светоотражающим рефлектором, при этом передняя часть герметичного корпуса осветительного блока, к которой примыкает раструб светоотражающего рефлектора, выполнена светопрозрачной. К недостаткам известной конструкции фары можно отнести большие потери света, ослепляющий эффект, неравномерность пятна засветки и невозможность получения различных типов диаграммы направленности.
ср
ср
Известна светодиодная фара головного светильника (см. патент RU 51169, МПК A21L 4/00, опубликован 27.01.2006), совпадающая с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип. Светодиодная фара головного светильника-прототип включает защитный корпус снабженный светопрозрачным окном, размещенный в защитном корпусе источник света, выполненный на основе светоизлучающего диода, включающего полупроводниковый светоизлучающий кристалл, помещенный в сплошной прозрачный отражающий корпус, выполненный в форме эллиптического параболоида с плоской световыводящей поверхностью, при этом полупроводниковый светоизлучающий кристалл расположен в центре его фокальной плоскости, а прозрачный отражающий корпус выполнен из материала с показателем преломления n≥n, где п - показатель преломления окружающей среды.
Такая конструкция светодиодной фары головного светильника позволяет изготовить осветитель, без использования внешних оптических фокусирующих систем и позволяет устранить важный недостаток описанных выше конструкций, связанный с большими потерями света, излучаемого светодиодом. Выполнение прозрачного отражающего корпуса в форме сплошного эллиптического параболоида с плоской световыводящей поверхностью и расположение светодиода в центре фокальной плоскости параболоида обеспечивает полное отражение света (исключая всякое преломление и, тем самым, какие-либо потери), излучаемого полупроводниковым кристаллом света, от боковой, не выводящей излучение, поверхности отражающего корпуса. Такая конструкция светодиодного излучателя обеспечивает эффективное без потерь, использование всего излучаемого светодиодом светового потока. Кроме того, размещение светодиода в центре фокальной плоскости обеспечивает получение узконаправленных источников света с углами излучения ~3 град, что недостижимо при использовании оптических систем с приставной вторичной оптикой.
Однако, обладая существенными преимуществами, светодиодная фара-прототип не обеспечивает равномерного распределения света в пятне засветки и вызывает ослепляющий эффект, который снижает не только комфортность работы шахтерского персонала, но может приводить и к травмам персонала за счет кратковременного ослепления при попадании луча света в глаза. Кроме того, светодиодная фара-прототип имеет довольно узкое круглое пятно засветки, что в определенных условиях работы не всегда удобно. В выработках часто возникают условия, при которых необходимо иметь не только более широкое пятно засветки, но и несимметричное.
Задачей настоящего технического решения являлась разработка такой конструкции светодиодной фары головного светильника, которая позволяет устранить недостатки использующихся в настоящее время фар, связанные с ослепляющим эффектом, неравномерностью пятна засветки и невозможностью получения требуемых типов диаграмм направленности излучения.
ср
ср
Поставленная задача решается тем, что в светодиодной фаре головного светильника, включающей защитный корпус с прозрачным окном, размещенный в защитном корпусе источник света, выполненный на основе светодиодного излучателя, включающего светодиод, помещенный в центр фокальной плоскости светопрозрачного отражающего корпуса, выполненного из материала с показателем преломления n≥n, (где п - показатель преломления окружающей среды) в форме сплошного эллиптического параболоида с плоской световыводящей поверхностью, новым является снабжение внутренней поверхности прозрачного окна микрорельефом в виде дифракционного оптического элемента.
Дифракционный оптический элемент может быть выполнен в виде микрорельефа внутренней поверхности светопрозрачного окна или в виде пленки, нанесенной на внутреннюю поверхность светопрозрачного окна.
В последние годы, для более эффективного распределения светового потока был разработан новый класс оптических приборов - дифракционные оптические элементы (ДОЭ). Их применение в светодиодных излучателях обеспечивает получение диаграммы направленности светового потока заданное сложной формы (ассиметричной, узкой, широкой) с минимальными потерями света и с равномерной областью засветки. Принцип действия ДОЭ, в отличие от традиционных линз, основан на использовании явления дифракции света. Отдельный ДОЭ представляет собой дифракционную решетку, которая меняет направление света и формирует требуемый вид диаграммы направленности излучения. Потери света них составляют не более 8% и не зависят от углов излучения. Внешне такой оптический элемент представляет собой пропускающую пластину с тонким фазовым микрорельефом (на уровне микрон), рассчитанным в рамках теории дифракции. ДОЭ обладают уникальными характеристиками, недостижимыми в рамках традиционной оптики, на основе законов которой рассчитывают обычные линзовые оптические системы.
Однако необходимо заметить, что дифракционный оптический элемент эффективно может работать только в случае, если на его границу падает свет под углом близким к 90°. При отклонении падающих лучей от нормали происходит и отклонение исходящих из дифракционного оптического элемента лучей от расчетных направлений и, как следствие, нарушается эффективная работа дифракционного оптического элемента. Поэтому, для получения диаграммы направленности излучения наиболее приближающейся к расчетной, обязательным условием является интеграция дифракционного оптического элемента с узконаправленным светодиодным излучателем. Именно монолитно интегрированные излучатели, использующиеся в фаре головного светильника, обеспечивают получение минимальных значений углов излучения. Сочетание узконаправленных монолитно интегрированных источников света с ДОЭ является единственной оптической системой, позволяющей в полной мере реализовать преимущества дифракционной оптики.
Таким образом, применение ДОЭ в фаре головного светильника позволяет достичь нового качества: с минимальными потерями света получать требуемый закон распределения светового потока, что обеспечивает получение нужных типов диаграммы направленности излучения в фаре головного светильника.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, на котором показана в продольном разрезе светодиодная фара головного светильника.
ср
ср
Светодиодная фара головного светильника включает защитный корпус 1, снабженный светопрозрачным окном 2, размещенный в защитном корпусе 1 светодиод 3, помещенный в светопрозрачный отражающий корпус 4, выполненный в форме сплошного эллиптического параболоида с плоской световыводящей поверхностью. Отражающий корпус 4 выполнен, например, из полимера, прозрачного для излучения светодиода 3, расположенного в центре его фокальной плоскости. Отражающий корпус 4 выполнен из материала с показателем преломления n≥n, где п - показатель преломления окружающей среды. Светопрозрачное окно 2 выполнено в виде съемной крышки защитного корпуса 1, состоящей из навинчиваемой на защитный корпус 1 гайки 5 внутренняя полость которой перекрыта стеклом 6, прозрачным для излучения светодиода 3. Стекло 6 выполняют, например, из прозрачного поликарбоната. Защитный корпус 1 может быть выполнен герметичным, для чего гайка 5 снабжается кольцевым уплотнением 7. Защитный корпус 1 может быть изготовлен из полимерного материала, например, из поликарбоната. На внешней поверхности защитного корпуса 1 винтом 8 закреплена скоба 9, предназначенная для присоединения фары к защитной каске. Напряжение к светодиоду 3 подают через контакты 11 и 12, соединенные соответственно с отрицательной клеммой 13 и положительной клеммой 14. Теплоотводящий элемент 10 светодиода 3 прикреплен посредством винта 15 к металлической пластине 16, которая, в свою очередь, закреплена в корпусе 1 винтом 8 и положительной клеммой 14. На внутреннюю сторону прозрачного стекла 6 нанесен дифракционный оптический элемент 17.
Светодиодная фара головного светильника действует следующим образом. При подаче напряжения от источника электропитания, например, аккумулятора, через отрицательную клемму 13 и контакт 11, положительную клемму 14 и контакт 12 на светодиод 3, он начинает излучать свет, который распространяется в сплошной среде отражающего корпуса 4 и не испытывает никакого преломления до достижения границы корпуса с воздухом. При этом свет, распространяющийся в боковом направлении, отражается от боковой поверхности отражающего корпуса 4 и, так как светодиод 3 расположен в центре фокальной плоскости корпуса 4, выходит сфокусированным узконаправленным пучком, близким к параллельному, через плоскую световыводящую поверхность отражающего корпуса 4 и падает на ДОЭ 17. Затем, преобразованный с помощью ДОЭ 17 в заданную диаграмму направленности, свет выходит наружу через светопрозрачное стекло 6.
Все вышеприведенные преимущества настоящей конструкции светодиодной фары при изготовлении горно-рудничного светильника в полной мере обеспечивают, без серьезных изменений в конструкции корпуса фары, получение требуемых в настоящее время повышенных светотехнических параметров, не достижимых в известных конструкциях головных светильников.