СПОСОБ РЕЦИРКУЛЯЦИИ СВЕТА И СВЕТОДИОДНЫЙ МОДУЛЬ РЕЦИРКУЛЯЦИИ
LIGHT RECYCLING METHOD AND LED RECYCLING MODULE

Группа изобретений относится к осветительной технике, в частности к источникам света, в которых в качестве элементов, генерирующих свет, используются мощные светодиоды, а для формирования светового потока применяют рефлекторы с сочетанием различной кривизны, которые могут быть использованы для проектирования экономичных осветителей различного назначения.
Для получения высокоинтенсивного светового потока в настоящее время используются мощные светодиодные излучатели, изготавливаемые по технологии СОВ (chip on board, кристалл на плате). Конструкция СОВ излучателей состоит из нескольких кристаллов без корпусов, размещенных на общем основании и покрытых общим слоем люминофора. Реализованные СОВ-светодиоды имеют светоизлучающие площадки большого размера. Так, например, диаметр светоизлучающей поверхности СОВ-светодиодов XNOVA от Luminus Devices составляет от 6 до 27 мм (электронный ресурс: http://www.lightingmedia.ru/news/news_918.html. Дата обращения 10.08.2016). Индикатриса излучения таких СОВ-светодиодов составляет как правило 120 град.
Известны световые приборы, в которых для получения светового потока большой интенсивности используют мощные светодиодные излучатели, а для обеспечения эффективности излучения света от светодиодов в заданном направления широко используют рефлекторы различной конструкции.
Оптическая система для светодиода по патенту на изобретение RU №2587996, МПК F21V 7/00, опубл. 27.06.2016, содержит асферическую линзу, внешняя грань которой выполнена в виде части параболоида, а внутренняя - в виде собирающей линзы и отклоняющих граней. Собирающая линза находится на внутренних гранях асферической линзы. Отклоняющие грани асферической линзы рассчитаны так, что световой поток светодиода, проходя через них, отклоняется на внешние грани асферической линзы, которые отражают световой поток на основе эффекта полного внутреннего отражения.
Светильник по изобретению US 20140078730 А1, МПК F21V 7/06, опубл. 20.03.2014, содержит источник света в виде одного или нескольких светодиодов и параболический отражатель, расположенный вокруг источника света и имеющий выходное отверстие, через которое проходит центральная ось. Световые лучи, испускаемые источником света при малых углах относительно оси, проходят через выходное отверстие. Параболический отражатель обеспечивает рециркуляцию света и расположен таким образом, что при более высоких углах световые лучи отражаются дважды, от противоположных стенок обратно к месту их происхождения и затем излучаются через выходное отверстие.
Общим недостатком оптических систем по патентам RU №2587996 С2, 2016 г., и US 20140078730, 2014 г., является технологическая сложность изготовления асферических, в частности параболических, поверхностей по сравнению со сферическими. Кроме того, в светильнике по изобретению US 20140078730, 2014 г., двукратное отражение от поверхности параболического отражателя приводит к повышению оптических потерь.
Наиболее близким к заявляемым способу рециркуляции света и светодиодному модулю рециркуляции является способ рециркуляции света, реализованный в светодиодном модуле рециркуляции по патенту US 8858037 В2, МПК F21V 3/00, G03B 33/06, F21Y 101/02, G03B 33/12, F21V 7/04, F21V 5/00, F21V 7/00, F21K 99/00, G03B 21/20, опубл. 14.10.2014, который принят в качестве прототипа для заявляемых способа и модуля соответственно.
Светодиодный модуль рециркуляции содержит светодиодный излучатель, который расположен в нижней части усеченного отражателя с внутренней сферической поверхностью, причем оптическая ось выходного отверстия проходит через центр светоизлучающей площадки светодиодного излучателя. Выходной световой поток формируется путем суммирования светового потока светодиодного излучателя, излучаемого прямо через выходное отверстие, и светового потока светодиодного излучателя, отраженного от внутренней сферической поверхности назад к светоизлучающей площадке светодиодного излучателя и переизлученного от нее в сторону выходного отверстия.
Для обеспечения максимальной эффективности переизлучения отраженного светового потока необходимо, чтобы отраженное излучение возвращалось на излучающую площадку светодиодного излучателя в диапазоне углов его излучения, больших, чем углы излучения в направлении края выходного отверстия. Если этого не происходит, то часть излучения, которая не возвращается на светоизлучающую площадку, не переизлучается и, соответственно, теряется.
Светодиодный модуль рециркуляции по патенту US 8858037 В2, 2014 г., с внутренней сферической поверхностью с центром кривизны, лежащим в центре светоизлучающей площадки светодиодного излучателя, возвращает свет на площадку в ограниченном диапазоне углов излучения. При увеличении углов излучения, начиная с некоторого угла, отраженное излучение не попадает на светоизлучающую площадку и тем самым теряется.
При углах излучения, более высоких, чем углы излучения в направлении края выходного отверстия, начиная с некоторого угла, отраженное излучение также не попадает на светоизлучающую площадку и тоже теряется.
В основу настоящей группы изобретений положена задача создать способ рециркуляции света и светодиодный модуль рециркуляции для его осуществления, которые позволили бы увеличить выходной световой поток за счет увеличения диапазона углов, при которых излучение светодиодного излучателя возвращается на светоизлучающую площадку и затем переизлучается от нее в направлении выходного отверстия.
Применительно к способу задача решается тем, что в способе рециркуляции света, заключающемся в суммировании прямого светового потока, излучаемого светодиодным излучателем в направлении выходного отверстия усеченного отражателя с внутренней сферической поверхностью радиусом R1, и отраженного от нее светового потока светодиодного излучателя в направлении к светоизлучающей площадке светодиодного излучателя, затем переизлученного от нее в сторону выходного отверстия, причем светодиодный излучатель расположен в нижней части усеченного отражателя, а оптическая ось выходного отверстия проходит через центр светоизлучающей площадки светодиодного излучателя, согласно изобретению дополнительно суммируют световой поток светодиодного излучателя, который отражается от усеченной сферической поверхности радиусом R2 второго отражателя в направлении светоизлучающей площадки светодиодного излучателя и затем переизлучается от нее в сторону выходного отверстия, при этом нижняя часть усеченной сферической поверхности радиусом R2 сопряжена с верхней частью усеченной сферической поверхности радиусом R1, а смещение центров a1 и а2 первой и второй сферических поверхностей от плоскости, в которой расположен светодиодный излучатель, и радиус R2 второй сферической поверхности определяют из соотношений соответственно:
a1=rctgϕ1,
а2=rctgϕ2,
,
где ϕ1 - максимальный угол излучения светодиодного излучателя;
ϕ2 - минимальный угол излучения светодиодного излучателя, при котором луч, отраженный от первой отражающей поверхности, еще падает на светоизлучающую площадку светодиодного излучателя;
r - радиус светоизлучающей площадки светодиодного излучателя.
Применительно к устройству для осуществления заявляемого способа задача решается тем, что в светодиодный модуль рециркуляции, содержащий светодиодный излучатель, который расположен в нижней части первого усеченного отражателя с внутренней сферической поверхностью, причем оптическая ось выходной апертуры проходит через центр светоизлучающей площадки светодиодного излучателя, согласно изобретению дополнительно введен второй усеченный отражатель с внутренней сферической поверхностью, которая сопряжена в нижней части с верхней частью сферической поверхности первого усеченного отражателя, при этом смещение центров сферических поверхностей первого и второго отражателей от плоскости, в которой расположен светодиодный излучатель, и радиус сферической поверхности второго отражателя выбирают из условия попадания отраженных лучей на светоизлучающую площадку светодиодного излучателя во всех углах его излучения, больших, чем углы излучения в направлении края выходного отверстия.
Технический результат обеспечивается введением второго отражателя, размещением центров сферических поверхностей первого и второго отражателей и выбором радиуса сферической поверхности второго отражателя по предложенным формулам, обеспечивающим возвращение световых лучей на светоизлучающую площадку светодиодного излучателя, а затем переизлучение в направлении выходного отверстия во всех углах излучения светодиодного излучателя, больших, чем углы излучения в направлении края выходного отверстия, тем самым повышая яркость выходного светового потока.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
на фиг. 1 - разрез по вертикали светодиодного модуля рециркуляции;
на фиг. 2 - схема, поясняющая принцип функционирования заявляемых способа и модуля;
На фиг. 1 и фиг. 2 введены обозначения:
1 - светодиодный модуль рециркуляции;
2 - светодиодный излучатель;
3 - светоизлучающая площадка;
4 - теплоотвод;
5 - первый отражатель;
6 - сферическая поверхность первого отражателя;
7 - второй отражатель;
8 - сферическая поверхность второго отражателя;
9 - выходное отверстие;
10 - оптическая ось;
11 - центр кривизны сферической поверхности первого отражателя;
12 - центр кривизны сферической поверхности второго отражателя;
13 - точка падения отраженного луча;
14 - точка сопряжения сферических поверхностей отражателей.
Описание способа рециркуляции света совместимо с описанием светодиодного модуля рециркуляции 1, который содержит первый 5 и второй 7 усеченные отражатели со сферическими поверхностями с разными радиусами кривизны и с разнесенными по оси Y центрами кривизны. Оба отражателя объединены в единую неразрывную конструкцию, симметричную относительно оптической оси 10. Центр 11 кривизны сферической поверхности 6 первого отражателя 5 расположен со смещением, равным a1=rctgϕ1, относительно плоскости, в которой расположен светодиодный излучатель 2, снабженный теплоотводом 4. Величина смещения выбирается таким образом, чтобы луч, излучаемый светоизлучающей площадкой 3 под максимально возможным, согласно индикатрисе излучения данного светодиодного излучателя, углом ϕ1, после отражения возвращался в точку, из которой он был излучен. При уменьшении угла излучения ϕ смещение Δх точки падения 13 отраженного луча на плоскость, в которой расположен светодиодный излучатель 2, от центра светоизлучающей площадки 3, будет увеличиваться и при некотором угле ϕ2 станет равным r - радиусу светоизлучающей площадки 3. При достижении этого угла в точке 14 сферическая поверхность 6 первого отражателя 5 переходит в сферическую поверхность 8 второго отражателя 7 с центром 12 кривизны, расположенным от плоскости, в которой расположена светоизлучающая площадка 3, на расстоянии а2=rctgϕ2. Величина смещения выбирается таким образом, чтобы луч, излучаемый светоизлучающей площадкой под углом ϕ2, после отражения возвращался в точку, из которой он был излучен. Радиус кривизны сферической поверхности 8 второго отражателя 7 при этом определяется, как следует из треугольника с вершинами 12, 11 и 14, по формуле:
Таким образом, световой поток после отражения возвращается на светоизлучающую площадку светодиодного излучателя, а затем переизлучается в направлении выходного отверстия во всех углах излучения светодиодного излучателя, больших, чем углы излучения в направлении края выходного отверстия, тем самым повышая эффективность работы светодиодного модуля рециркуляции.
Расчеты показывают, что в зависимости от величины светоизлучающей площадки г и радиуса отражающей поверхности первого отражателя R1 предлагаемая конфигурация отражателя дает увеличение эффективности рециркуляции света до 20% относительно отражателя с одной сферической поверхностью.
Наибольшее применение заявленная группа изобретений может найти при создании высокоэффективных источников направленного излучения, таких как фары, поисковые и осветительные прожекторы, осветители для проекционных систем.