МОДУЛЬНЫЙ ОСВЕТИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР, МОДУЛЬ ДЛЯ ДАННОГО ПРИБОРА, СИСТЕМА И ОСВЕТИТЕЛЬ ДЛЯ ДАННОГО МОДУЛЯ
MODULAR LIGHTING DEVICE, MODULE FOR THIS DEVICE, SYSTEM AND ILLUMINATOR FOR THIS MODULE

Область техники
Изобретение относится к освещению (иллюминации), преимущественно (но не исключительно) к осветительным модулям, к осветительному прибору на основе множества осветительных модулей, к осветителю, содержащему источник оптического излучения (далее - света), и к линзовой конструкции для использования в таком осветителе.
Уровень техники
Под освещением (иллюминацией) специалисты соответствующей отрасли обычно понимают использование света для получения функционального или декоративного эффекта.
Традиционно линзы для искусственных (т.е. специально изготовленных) источников света, таких как лампы накаливания, светодиодные источники и т.д., конструировались как простые, симметричные элементы из соответствующего материала, такого как пластики или стекло. На фиг. 1 показана, на различных видах, типичная линза для применения с точечным источником света, таким как светодиод (СД) 108. Пространственное изображение 102 и вид 104 сверху наглядно иллюстрируют однородность линзы известной конструкции. Как можно видеть из вида 106 сбоку, подобная плоская линза (представленная на фиг. 1), вогнутая или выпуклая линза имеет ровную поверхность. В крайнем случае, она может иметь постоянный оптически функциональный паттерн, например в виде микроканавок или решетки. Подобные решения были относительно простыми в разработке и в изготовлении, но при этом функционировавшие относительно хорошо в терминах пропускания света, преломления и защиты источника света. Однако в рамках возросших современных требований к освещению, в том числе в отношении энергетической эффективности, управляемости световым паттерном, размеров светильника и т.д., эти простые традиционные линзы, очевидно, стали субоптимальными, так что существует потребность в новых решениях. Представляется, что разработка оптики отстает от разработки современных источников света, таких как СД и их различные усовершенствования.
Кроме того, в течение последних десятилетий значительно увеличилась важность управляемости светом. Например, в контексте так называемого интеллектуального наружного освещения, в частности уличного освещения, уровень освещения может адаптивно регулироваться в зависимости от таких факторов, как уличное движение и даже состояние дорог. Светильники, которые автоматически активируются при наступлении темноты, применяются уже довольно давно. Кроме того, применялись также таймеры для включения/выключения освещения. С осветительным оборудованием могут быть функционально связаны камеры, фоторезисторы или другие датчики с целью обеспечить динамическое управление источниками света путем осуществления соответствующей регулировки. Аналогичные соображения применимы и ко многим различным сценариям внутреннего освещения, например на производстве, в офисах, домах, общественных зданиях и т.д. Не следует забывать также об особых ситуациях, таких как подводное освещение.
Посредством более эффективного управления источниками света может быть достигнуто множество преимуществ, например сокращение потребления энергии и уменьшение светового загрязнения окружающей среды.
Светильники для уличного освещения обычно устанавливаются на фонарных столбах, размещаемых по краю дороги. Традиционные лампы, например ртутные лампы высокого давления, которые были доступны в течение пятидесяти лет, недавно столкнулись с конкуренцией со стороны современных вариантов, например на основе СД. СД как таковые являются относительно долговечными и энергоэффективными, особенно в отношении их скотопической эффективности. Однако во многих случаях крупномасштабные решения на основе СД до настоящего времени были недостаточно отработанными и неадекватными в отношении суммарной световой энергии или светового потока, а также управляемости. Как следствие, предстоит еще многое сделать в контексте оптимизации освещения с учетом множества ситуаций, в которых освещение является в целом предпочтительным, если не абсолютно необходимым.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в том, чтобы по меньшей мере ослабить одну или более из рассмотренных проблем, свойственных уровню техники.
Решение этой задачи обеспечивается за счет признаков, включенных в независимые пункты прилагаемой формулы.
Согласно варианту изобретения предлагается осветительный прибор, содержащий множество осветительных модулей, каждый из которых содержит множество предпочтительно независимо управляемых источников света, например СД и/или лазерных ламп. С каждым источником света ассоциирована предпочтительно индивидуализированная применительно к нему линзовая конструкция (при этом источник света и ассоциированная линзовая конструкция могут составлять по меньшей мере часть осветителя согласно изобретению).
Модули предпочтительно являются индивидуально конфигурируемыми, а характеристики светового потока, излучаемого каждым из указанных модулей, являются индивидуально управляемыми для обеспечения целевого распределения света, испускаемого осветительным прибором.
Конфигурация может быть также динамически управляемой, так что она может адаптироваться (например, на основе данных от датчика), например, к преобладающим окружающим условиям или к принятым управляющим сигналам/командам, например, в режиме реального или почти реального времени. Динамическая управляемость может включать автоматизированное и/или ручное управление (предпочтительно дистанционное) выбранными частями и характеристиками осветительного прибора, например источниками света. Для этой цели осветительные приборы могут быть снабжены соответствующей электроникой.
Осветительный прибор может представлять собой уличный светильник (такой как фонарный столб) или иной светильник для наружного освещения или содержать такой светильник, или составлять его часть. Альтернативно, он может использоваться для внутреннего освещения. Осветительный прибор может быть принципиально неподвижным или жестко фиксируемым или портативным.
Может быть сформирована система, содержащая множество осветительных приборов. Осветительные приборы могут быть сконфигурированы с возможностью коммуникации друг с другом и/или с удаленной системой управления.
С учетом независимой конфигурируемости модулей по меньшей мере один первый модуль может быть сконфигурирован для освещения ближнего поля, а по меньшей мере один второй модуль - для освещения дальнего поля. В типичном случае для различных освещаемых сегментов могут использоваться различные модули и ассоциированные (включенные в модули) источники света, имеющие различные конфигурации (и, соответственно, различные характеристики излучения, настройки, управления и т.д.).
Линзовые конструкции модуля осветительного прибора могут задавать линзовую матрицу, обслуживающую множество источников света, таких как СД. Как вариант, совокупность линзовых конструкций может задавать линзовую матрицу или несколько линзовых матриц. Линзовые конструкции одной матрицы могут иметь по меньшей мере один общий физический элемент, например общую подложку.
Индивидуальная линзовая конструкция и/или линзовая матрица могут использоваться совместно с источниками света каждого модуля. Таким образом, модули могут содержать взаимно различающиеся линзы/линзовые матрицы, ассоциированные с источниками света. Даже в пределах одного модуля источники света предпочтительно ассоциированы с адаптированными специально для них взаимно различающимися линзовыми конструкциями. Для получения асимметричного распределения света, например, при освещении ближнего поля и дальнего поля целесообразно разработать асимметричные линзовые конструкции. Применение различных комбинаций линз может позволить получить (если это желательно) практически предельные световые характеристики, например, в терминах распределения света и однородности освещения.
В осветительном приборе может быть предусмотрено индивидуальное управление длиной волны света, излучаемого модулем, т.е. цветом. Например, для достижения желательных суммарных цветовых характеристик в модуле могут использоваться независимо управляемые источники света, испускающие излучение различных цветов. Как вариант, в модуле (модулях) можно использовать источник (источники) света с возможностью настройки по длинам волн. В некоторых вариантах для получения излучения на заданных, по меньшей мере частично различающихся длинах волн в осветительном приборе можно использовать различные модули.
По меньшей мере один модуль может быть сконфигурирован для работы в первом угловом положении, отличном от углового положения по меньшей мере одного другого модуля. Рабочее угловое положение модуля влияет, например, на направление светового потока (симметричного или асимметричного), испускаемого ассоциированными источниками света (которые, как вариант, могут быть, по существу, одинаковыми по меньшей мере в пределах группы источников света), а также на распределение и однородность суммарного светового потока осветительного прибора, содержащего множество модулей. Дополнительно или альтернативно, источники света и/или сопряженная с ними оптика (например ассоциированные линзовые конструкции) в составе модуля могут быть позиционированы различным образом, например, относительно положения модуля в целом.
Характеристики светового потока, излучаемого модулем и/или индивидуальным источником света в составе модуля, являются индивидуально управляемыми в терминах по меньшей мере одного из их свойств, выбранных из группы, состоящей из подаваемого тока, подаваемого напряжения, подаваемой мощности, лучистого потока, светового потока, силы света, освещенности и яркости.
Индивидуальное электрическое управление каждым источником света и/или ассоциированным с ним модулем может осуществляться посредством многоканальной системы. Каждому модулю может быть приписан по меньшей мере один выделенный канал управления. Такое индивидуальное управление модулем позволяет, например, оптимизировать общую эффективность модуля дальнего поля и модуля ближнего поля и обеспечиваемые ими суммарную яркость, распределение и однородность с достижением предпочтительного уровня в соответствии, например, с требованиями стандартов на освещение.
Для обеспечения независимого управления каждый осветительный прибор и, как вариант, каждый модуль могут быть ассоциированы с индивидуальными ИД (идентификаторами), такими как адреса применительно к системе управления или сети, управляющей осветительными приборами.
Факторы или характеристики, обеспечивающие варьирование светового потока, применимы к каждому модулю и/или к используемому в нем источнику света.
С осветительным прибором предпочтительно связано регулируемое охлаждающее устройство. При этом целесообразно выполнить каждый модуль индивидуально управляемым в отношении охлаждения. Осветительный прибор и/или каждый его модуль могут использовать или содержать по меньшей мере одно, предпочтительно выделенное, охлаждающее средство, выбранное из группы, состоящей из средств конвекционного охлаждения, вентилятора, теплоотвода, ребра охлаждения, тепловой трубки и тепловой трубки с пористым капилляром. Могут использоваться, например, различные материалы основания и/или контактов, обладающие охлаждающими свойствами.
Для оптимизации конфигурации осветительного прибора могут применяться специализированные инструментальные программные средства, учитывающие для достижения целевых показателей, например, параметры конкретных включенных модулей (тип, природу, количество, позиционирование, токи питания и т.д.). Эти средства могут быть сконфигурированы так, чтобы поддерживать быстрое и точное моделирование и облегчить, тем самым, модульное и гибкое освещение, например, для различных классов дорог или для других ситуаций. Аналогичное решение может быть приемлемым и легко настраиваемым для большинства приложений. В результате может отпасть потребность в разработке огромного количества различных модулей и осветительных приборов, например, для более широких дорог или для более высоких столбов, так как появляется возможность динамического выбора и конфигурирования предлагаемых модулей в качестве одинаковых "строительных блоков" для их использования в каждом сценарии с оптимальными параметрами при решении современных задач освещения.
Таким образом, упомянутые программные средства для проектирования или моделирования (такие как компьютерный программный продукт, предпочтительно записанный в материальной, энергонезависимой среде-носителе, такой как оптический диск или карта памяти) могут быть использованы для оптимизации конфигурации осветительного прибора, входящих в него модулей и/или источников света в составе модулей, чтобы решить задачи освещения в целевом пространстве. При этом пользователем могут вводиться соответствующие целевые критерии, чтобы сделать программные средства способными определять и отображать предлагаемую конфигурацию, отвечающую введенным критериям. Альтернативно или дополнительно, посредством моделирования с помощью данных средств могут тестироваться различные конфигурации осветительных приборов. Такие средства предпочтительно используют графический пользовательский интерфейс для удобного ввода управляющих данных и для визуализации результатов, например посредством их графического представления.
В состав осветительного прибора может быть включен или по меньшей мере функционально связан с ним по меньшей мере один датчик. Датчик может содержать по меньшей мере один чувствительный элемент, выбранный из группы, состоящей из датчика присутствия или отсутствия света, датчика движения, датчика транспортных средств, датчика трафика, датчика пешеходов, датчика звука (микрофона), теплового датчика, инфракрасного датчика, датчика температуры, датчика влажности, датчика дождя, датчика льда или обледенения, датчика массы, датчика ветра, датчика вибрации, датчика тока, датчика напряжения и датчика мощности.
В состав осветительного прибора или каждого его модуля (или некоторых его модулей) может быть включен или по меньшей мере функционально связан с ним по меньшей мере один контроллер или блок управления, содержащий по меньшей мере один процессорный блок, такой как микроконтроллер, микропроцессор или процессор сигналов (например цифровой процессор сигналов). У контроллера может иметься память, как вариант, интегрированная с процессорным блоком (процессорными блоками) и/или используемая в виде отдельных блоков памяти, в типичном варианте чипов.
Далее, в состав осветительного прибора может быть включен или функционально связан с ним по меньшей мере один коммуникационный блок или коммуникационный интерфейс, такой как приемник, передатчик и/или приемопередатчик (трансивер). Данный интерфейс может быть проводным или беспроводным. Он может использовать определенный стандарт беспроводных коммуникаций, такой как стандарт мобильной связи, например 3G, 4G, GSM (Глобальная система мобильной связи), UMTS (Универсальная система мобильной коммутации). Альтернативно или дополнительно, он может соответствовать стандартам ZigBee™, WLAN (Беспроводная локальная сеть) и/или Bluetooth™, Bluetooth LE™ или некоторым другим технологиям, например, поддерживающим беспроводную связь малого радиуса действия.
Коммуникационный интерфейс может быть сконфигурирован для коммуникации с удаленной системой (удаленным устройством) управления, которая (которое) может быть (центральной) центральным и управлять/осуществлять коммуникацию с множеством осветительных приборов.
Осветительный прибор может быть сбалансирован или оптимизирован иным способом в терминах распределения массы. В частности, более тяжелые элементы и/или элементы, которые не требуется размещать на расстоянии от земли или иной базовой платформы (в частности электроника), могут находиться ближе к уровню земли/платформы, предпочтительно, по существу, на этом уровне или по меньшей мере в пределах заданного небольшого расстояния (1-2 м) от нее. Электронику можно разместить в корпусе осветительного прибора или (по меньшей мере частично) в отдельном корпусе, функционально и/или физически (например механически) присоединенном к прибору.
Согласно одному варианту изобретения осветитель, пригодный для включения, например, в описанный модуль осветительного прибора, потенциально в значительных количествах, содержит единственный, предпочтительно точечный, источник света, особенно предпочтительно СД, и прозрачную линзовую конструкцию, оптически сопряженную с указанным источником света и формирующую множество взаимно различающихся оптически функциональных сегментов, предназначенных (исключительно) для управления светом, поступившим от указанного единственного источника.
Осветитель может составлять по меньшей мере часть осветительного блока, например блока СД. Источник света и линзовая конструкция могут быть интегрированы один с другой непосредственно и/или через промежуточные элементы (основание, корпус и т.д.) данного блока. Источник света может, например, содержать СД чип (СД матрицу). Линза может быть расположена на расстоянии от этого чипа. Альтернативно, она может по меньшей мере частично инкапсулировать СД матрицу и, возможно, другие элементы, такие как подложку, провода, монтажные площадки, управляющую/драйверную электронику и т.д. В некоторых вариантах материал линзы может, по существу, контактировать с СД чипом или быть отделенным от него зазором из промежуточного материала, который может представлять собой текучую среду (включая газ и жидкость), твердое вещество или быть гелеобразным/студенистым.
Линза может быть, по существу, планарной ("плоской"). Альтернативно, она может иметь заданную, более сложную трехмерную форму, в том числе асимметричную. Линза может содержать один или более материалов, например пластик, силикон или стекло. Она, в частности, может быть монолитной.
Сегменты могут отличаться друг от друга в терминах конструктивных признаков. Так, они могут различаться по характеристикам объема и/или поверхностных областей в терминах размера и/или формы и по соответствующим оптическим функциональным признакам, таким как паттерны, например паттерны поверхностного рельефа, заглубленные рельефы или иные элементы (например изолированные элементы/профили) и/или оптические полости. Сегменты могут различаться, в частности, по своим фактическим оптическим функциям. Различные сегменты могут иметь внутреннюю симметрию и/или располагаться симметрично относительно общего референтного объекта или являться асимметричными.
Линзовая конструкция может также содержать определенное количество сегментов, свободных от каких-либо форм поверхностного рельефа.
Паттерны у различных сегментов могут характеризоваться различными рельефными формами, различным расположением, различными размерами этих форм и/или различными плотностями или различными периодами этих форм.
Рельефные формы могут задавать единственные профили, взаимосвязанные профили, комбинированные, налагающиеся или гибридные профили, вложенные профили, канавки, выступы, наклонные профили, прямоугольные профили, профили с блеском, профили решетки с блеском, рефракционные френелевские профили, профили дифракционной решетки, симметричные профили, асимметричные профили и/или рефракционные профили.
Как уже было упомянуто, в дополнение к указанным поверхностным элементам или вместо них, в сегменты могут быть встроены и другие оптические элементы. Такие оптические элементы могут включать, например, частицы, паттерны и полости, например полости, заполненные воздухом или каким-либо другим газообразным, текучим, гелеобразным или твердым материалом/веществом, отличающимся от смежного с ним твердого материала линзы. Граница между материалом полости и смежным с ним (твердым) материалом линзы может задавать в линзовой конструкции внутренние рельефные формы.
Линзовая конструкция может образовывать одно- или многослойную линзу, состоящую из единственного или нескольких материальных элементов, которые могут быть соединены вместе. При этом различные слои могут быть сначала изготовлены и снабжены различными оптическими элементами, а затем присоединены друг к другу приемлемыми для этого способами, например ламинированием. Альтернативно, чтобы получить желательные слои, функционально многослойная структура может быть сформирована путем обработки, на различных глубинах, заранее интегрированного или даже монолитного куска материала.
Сегмент и/или связанная с ним структура, такая как поверхностный (рельефный) паттерн, поверхностная или заглубленная форма или структура, могут быть сконфигурированы с возможностью выполнять по меньшей мере одну функцию, выбранную из группы, состоящей из управления направленностью, коллимированием, дифракцией, окрашиванием (например в случае белого света) и рассеянием света.
Размер рассмотренных структур или элементов может выбираться в субмикронном диапазоне или даже доходить, в зависимости от конкретного варианта, до нескольких микрометров.
Желательное минимальное пропускание линзы зависит от конкретного варианта и может составлять для целевой длины волны по меньшей мере около 50%, 60%, 70%, 80%, 85%, 90% или даже 95%. При этом линза может быть оптически прозрачной (с пропусканием, например, 90% или выше) или просвечивающей, при значительном уровне рассеяния света. Линза может быть цветной или обеспечивать окрашивание света. Источник света может испускать белый свет и/или свет, имеющий определенный цвет, или излучение с другими длинами волн, например соответствующими инфракрасному диапазону. Таким образом, может быть применен источник видимого и/или невидимого излучения.
Полезность изобретения определяется рядом факторов, определяемых в зависимости от каждого его конкретного варианта.
Предлагаемое решение может эффективно использоваться во многих различных ситуациях. Оно предпочтительно является (ре)конфигурируемым и модульным. Возможные сценарии его использования включают, например, различные варианты наружного освещения (например уличного), а также внутреннего освещения в общественных, личных, промышленных и других помещениях.
В терминах производства осветительного прибора предлагаемое решение обеспечивает очевидные преимущества перед уровнем техники. Одни и те же компоненты, такие как модули, могут изготавливаться и применяться в осветительных приборах независимо от конкретных сценариев их использования, соответствующих, например, различным классам дорог. Соответственно, из доступного набора модулей и, возможно, других элементов, например столбов, могут выбираться, в нужных количествах, наиболее подходящие варианты, которые затем оптимизируются применительно к фактическому сценарию использования. Действительно, решение предусматривает различные опции настройки, включая электрические (например выбор токов, подаваемых на источники света), оптические и механические настройки, чтобы достичь оптимальных показателей освещения, включая различные варианты распределения света без необходимости изготовления специальных компонентов для каждого варианта целевого пространства и применения. Например, как это будет описано далее, может настраиваться (механически или конструктивно) угловое положение модуля.
В контексте уличного освещения предлагаемое решение пригодно для достижения высокоэффективного, адаптивного и надежного функционирования практически для всех классов дорог, имеющих, в частности, различные оптические характеристики поверхности (например в отношении рассеяния), а также для других окружающих пространств.
Динамическая настраиваемость обеспечивает возможность активного освещения, предусматривающего модифицирование текущих параметров в реальном времени с целью учета изменяющихся условий (например сухого или мокрого дорожного покрытия) для достижения различных предпочтительных параметров освещения, например, в плане обеспечения наилучшей видимости и минимизации ослепляющего эффекта. Таким образом, динамическая конфигурируемость облегчает, например, стабилизацию характеристик освещения в изменяющихся условиях.
Другие преимущества изобретения включают получение легкой конструкции, а также оптимальное распределение массы и нагрузок, поскольку многие элементы, например электронные (включая контроллеры) и/или (другие) тяжелые компоненты, могут находиться на уровне земли/базовой поверхности, внутренней или внешней по отношению к осветительному прибору. Таким образом, собственно осветительная часть может быть намного более легкой, чем в других решениях, имеющихся на рынке. Ветровая нагрузка также может поддерживаться на низком уровне, что позволяет использовать более легкую конструкцию. Кроме того, предлагаемая конструкция осветительного прибора позволяет реализовать различные специальные эстетические/конструктивные и функциональные факторы.
Предлагаемое решение позволяет легко модифицировать и оптимизировать несколько конфигурируемых параметров/переменных применительно к конкретному использованию. Многие из этих факторов являются эффективно управляемыми с применением программ проектирования и/или управления, которые могут входить в состав поставки или предлагаться отдельно. Параметры/переменные, которые предпочтительно должны настраиваться пользователем, влияют на условия освещения (например, такие как распределение света, однородность, уровень рассеяния, ослепляющий эффект, эффективность, яркость/освещенность) с учетом, например, различной шероховатости дорожного покрытия, потребляемой мощности, цветовой температуры, индекса цветопередачи, температуры источника света, светового загрязнения.
Что касается внутренней структуры осветительного модуля, растущее значение в области освещения приобретает оптическая конструкция осветителей, входящих в эти модули и содержащих источник света, такой как СД. Изобретение предлагает новое решение для удовлетворения это глобальной потребности. Соответствующий вариант изобретения позволяет обеспечить точное и полное управление светом, выводимым из точечного источника, такого как СД. Линза новой конструкции может содержать большое количество различных сегментов, образующих дискретные области, имеющие различные оптические свойства для управления светом, включая, в числе других опций, задание направления светового пучка или усиление его направленности, коллимирование и рассеяние. Предлагаемое решение, основанное на использовании единственного источника света, позволяет формировать предпочтительное для целей освещения распределение света, например асимметричное. Можно управлять также однородностью распределенного света. Чтобы обеспечить желательное управление светом в пределах большого объема, может быть сформировано однородное распределение на большой площади за счет применения мультисветодиодного решения, использующего множество предлагаемых осветителей, каждый из которых снабжен индивидуальной (адаптированной именно для него, вплоть до уникальной) линзовой конструкцией. Совместное управление осветителями в мультисветодиодной схеме может осуществляться соответствующей управляющей электроникой.
Различные другие преимущества изобретения станут ясны специалисту в данной отрасли из его нижеследующего подробного описания.
Выражение "определенное количество" соответствует в данном описании любому целому числу, начиная с 1, например 1, 2 или 3.
Слово "множество" соответствует любому целому числу, начиная с 2, например 2, 3 или 4.
Термины "первый" и "второй" не определяют никакого порядка, количества или уровня, а используются только с целью отличить один элемент от другого.
Варианты изобретения, рассматриваемые в описании в качестве примеров, не должны интерпретироваться как вносящие какие-либо ограничения в объем прилагаемой формулы изобретения. Глагол "содержать" используется в данном описании как не исключающий присутствия и других, не названных признаков. Признаки, включенные в зависимые пункты формулы, можно свободно комбинировать друг с другом, если прямо не оговорено обратное.
Новые признаки, которые рассматриваются как характеризующие изобретение, сформулированы в пунктах прилагаемой формулы. При этом изобретение, в аспектах его конструкции и способа функционирования, а также решаемые им дополнительные задачи и достигаемые преимущества станут полностью понятными из нижеследующего описания его конкретных вариантов, которое следует анализировать совместно с прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 иллюстрирует вариант осветительного устройства согласно уровню техники.
На фиг. 2А иллюстрируется вариант осветителя согласно изобретению.
На фиг. 2В приведены различные варианты профиля поверхности, а также соответствующие им параметры и формы для варианта по фиг. 2А.
На фиг. 4 иллюстрируется другой вариант осветителя согласно изобретению.
На фиг. 3В приведены различные варианты профиля поверхности, а также соответствующие им параметры и формы для варианта по фиг. 3А.
На фиг. 4 показан вариант решения с источниками света типа СД, каждый из которых снабжен разработанной специально для него линзовой конструкцией.
На фиг. 5 иллюстрируются два варианта осветительного прибора согласно изобретению.
Фиг. 6 иллюстрирует вариант осветительного прибора с определенными внутренними или по меньшей мере функционально сопряженными компонентами.
На фиг. 7 иллюстрируются различные эффективные компоненты для варианта предлагаемой схемы освещения, использующей группу осветительных приборов и ассоциированные с ними модули, представленные на чертеже.
На фиг. 8 представлены диаграммы, иллюстрирующие силу света (в канделах) до и после проведения точной настройки ассоциированного осветительного прибора посредством управления, например токами, подаваемыми на источник света, угловым положением и асимметричной конструкцией линз в модулях прибора.
На фиг. 9 иллюстрируются две модели DIALux™ для уличного/дорожного освещения согласно варианту изобретения.
На фиг. 10А иллюстрируется освещение далекого поля, обеспечиваемое согласно варианту изобретения.
На фиг. 10В иллюстрируется освещение ближнего поля, обеспечиваемое согласно варианту изобретения.
На фиг. 10C иллюстрируется комбинированное освещение в далеком и близком полях, обеспечиваемое согласно варианту изобретения.
Осуществление изобретения
Фиг. 1 была уже рассмотрена выше.
Согласно изобретению предлагаемый оптически прозрачный элемент, например типа линзы, предназначенный для использования в вариантах предлагаемого осветителя и осветительного прибора, содержащих множество таких элементов, может быть, по существу, планарным, например иметь форму цилиндра с плоскими основаниями и малой высотой. Альтернативно, он может иметь иной криволинейный профиль или иметь криволинейные формы. Так, он может иметь, по существу, круглую поверхностную область на одной или на обеих своих противолежащих сторонах или по меньшей мере иметь круглое поперечное сечение. Как вариант, могут быть использованы другие формы, например многоугольные, в частности прямоугольные, треугольные, шестиугольные или иные многоугольные формы поперечного сечения и/или поверхности (поверхностей).
Участок (например сегмент) данного элемента может задавать на поверхности линзы дискретную (функционально, структурно и/или визуально различимую) полукруглую область (или область, имеющую полукруглую проекцию). Альтернативно, сегмент может задавать область в форме четверти круга или в какой-то иной форме, отделенную от смежного сегмента или окружающего пространства, например, прямой линией и/или кривой. Каждый сегмент является смежным по отношению по меньшей мере к одному другому сегменту линзы.
Линза рассчитана на использование с единственным точечным источником света, таким как СД. При этом для формирования более крупного осветителя может быть легко объединено большое количество комбинаций СД + линза (предпочтительно в общем корпусе). Предпочтительным является источник света с электрическим питанием.
На фиг. 2А иллюстрируется, на виде сверху, вариант осветителя 201 согласно варианту изобретения. Точнее, на фиг. 2А показан прозрачный компонент (предпочтительно линза) 202 этого осветителя. Сам источник света, в типичном варианте в виде только одного СД, на фиг. 2А не показан, поскольку он, сам по себе, в этом варианте не обладает существенными отличиями от известных источников. Однако схематичный вид 106 на фиг. 1, на котором показан СД 108, применим также и к рассматриваемому варианту в части примерного позиционирования источника света относительно линзы 202. Соответственно, линза 202 по меньшей мере оптически сопряжена с СД, так что испущенный им свет падает на линзу 202, проходит сквозь нее, а затем "выводится" из нее с желательными свойствами, например в отношении распределения, направленности, коллимирования, рассеяния, цвета, частоты и т.д. Таким образом, линза 202 сконфигурирована для управления светом, испущенным единственным источником (например распределением и направленностью света).
Следует также отметить, что линзовые конструкции в соответствии с вариантами изобретения могут, в качестве опции, иметь функциональное покрытие (функциональные покрытия) и/или пленку (пленки), функция которой (которых) может быть оптической, защитной (например в части защиты от царапин), влагоотталкивающей (придающей гидрофобность) и т.д.
Вариант по фиг. 2А содержит три сегмента 204, 206, 208 для управления светом. В этом примере каждый сегмент образует полукруглую область с решеткой в форме канавок, периоды и профили которых у разных областей различные. Поверхностные (рельефные) паттерны сегментов 204, 206, 208 могут рассматриваться как образующие на поверхности линзы суммарный (агрегированный) поверхностный паттерн.
Внутри области (сегмента) период и паттерн/профиль форм рельефа остаются неизменными. В частности, глубина сформированных канавок может составлять несколько микрометров, например около 9 мкм, причем они могут быть развернуты вокруг оси линзы в соответствии с общей формой сегмента. Диаметр компонента в целом может составлять, например, около 70 мм. Однако специалисту в данной области будет понятно, что, хотя в некоторых вариантах диаметр может составлять, например, несколько миллиметров, в некоторых других вариантах он может быть увеличен, например, до сотен миллиметров.
На фиг. 2В приведены возможные варианты поверхностной структуры, относящиеся к параметрам и формам для областей 1, 2 и 3 соответствующих сегментов 204, 206, 208 в варианте по фиг. 2А. Периоды канавок лежат в интервале от около 8 мкм до около 20 мкм. Решетки во всех областях являются непрерывными.
Область 1 сегмента 204 начинается от исходного пункта (например от центра поверхности линзы), тогда как области 2 и 3 сегментов 206 и 208 начинаются не от этого центра, а на расстоянии от него. У линзы 202 между сегментами 208 и 206, 204 может иметься пустая область 210, свободная от оптически функциональных элементов. Альтернативно, обозначение 210 может относиться к углублению, полости или даже сквозному отверстию в линзе 202.
На фиг. 3А иллюстрируется, на виде сверху, другой вариант осветителя 301 согласно изобретению. Точнее, на фиг. 3А показан прозрачный элемент (линза) 302.
Данный вариант содержит три сегмента 304, 306, 308 для управления светом. Поверхностные (рельефные) паттерны сегментов 304, 306, 308 могут рассматриваться как образующие на поверхности линзы суммарный (агрегированный) поверхностный паттерн. При этом канавки могут быть аналогичны канавкам по фиг. 2А.
На фиг. 3В приведены возможные варианты поверхностной структуры, относящиеся к параметрам и формам для областей 1, 2 и 3 соответствующих сегментов 304, 306, 308 в варианте по фиг. 3А. Периоды канавок лежат в интервале от около 29 мкм до около 67 мкм. Решетки во всех областях являются непрерывными.
Область 1 сегмента 304 начинается от исходного пункта (центра поверхности линзы), тогда как области 2 и 3 сегментов 306 и 308 начинаются не от этого центра, а на расстоянии от него. У линзы 302 между сегментами 308 и 306, 304 может иметься пустая область 310, свободная от оптически функциональных элементов. Альтернативно, обозначение 310 может относиться к углублению, полости или даже сквозному отверстию в линзе 302.
На фиг. 4 показан мультисветодиодный вариант 402, т.е. вариант с группой осветителей, описанных выше, которые могут быть размещены в общем корпусе. Каждый осветитель содержит свой источник света, снабженный адаптированной для него линзовой конструкцией 404, 406 или 408. Линзы в совокупности могут формировать линзовую матрицу. Две или более линз 404, 406, 408 матрицы могут иметь схожую конструкцию (как в представленном варианте), или их конструкции могут быть различными. Мультисветодиодное решение может соответствовать по меньшей мере части модуля в составе осветительного прибора согласно изобретению.
На фиг. 5 иллюстрируются два варианта 502, 520 осветительного прибора согласно изобретению.
Варианты 502 (плоская конструкция) и 520 (конструкция "птичка", или "чайка") содержат несколько осветительных модулей 504-510 и 522-528 соответственно, но имеют индивидуальную конфигурацию, характеризующуюся, например, позиционированием, согласованием взаимного положения, количеством и параметрами используемых источников света и параметрами управления (например подаваемым током).
Для формирования готового осветительного прибора модули 504-510, 522-528 предпочтительно прикреплены, с возможностью отсоединения, друг к другу или к общему корпусу или кожуху (например винтами, болтами или зажимами). Однако в некоторых вариантах по меньшей мере один из модулей может быть, по существу, неразъемно зафиксирован в осветительном приборе, например посредством формования или адгезива.
Как это проиллюстрировано на фиг. 5 криволинейными двунаправленными стрелками, угловые положения модулей 522-528 в варианте 520, так называемые "углы крыльев", являются предпочтительно регулируемыми относительно фиксированного корпуса, столба, перекладины или другой части осветительного прибора, что позволяет задавать желаемое угловое положение модулей относительно освещаемого пространства.
Для регулировки или согласования углового положения модулей может быть предусмотрено средство, регулирующее положение по углу или взаимное согласование модулей, такое, например, как петля или шарнир, в сочетании с соответствующим стопорным средством (например клином или штифтом). Данные средства могут быть чисто механическими и/или электрическими (например сервоуправляемыми, т.е. обеспечивающими автоматическое и/или дистанционное управление). Соответственно, распределение света, испускаемого в окружающее пространство осветительным прибором/модулем, может быть удобным образом адаптировано путем реализации конкретного сценария использования, например, учитывающего класс соответствующей дороги, ассоциированный с определенным количеством полос, использованием столбов определенной высоты и т.д.
В типичном варианте модули 504-510, 522-528 могут содержать внутренние и/или интегрированные средства регулировки/согласования (например петли); альтернативно, корпус может содержать настраиваемый элемент подвески, чтобы обеспечить удобное регулирование (или реконфигурирование) положения или взаимное согласование модулей. Для осуществления настраиваемого соединения могут применяться подходящие элементы, такие как упоминавшиеся винты, болты, зажимы, защелки и т.д.
Осветительные приборы 502, 520 могут иметь, по существу, планарную форму 502 или форму, в большей степени соответствующую трехмерному варианту 520, имеющему, например, по существу, криволинейную, в частности u-образную ("птичью") конфигурацию, поперечное сечение которой содержит, по существу, линейные сегменты. Конкретная форма должна выбираться, например, на основе анализа требований к освещению и экологических требований. Ветровая нагрузка может быть минимизирована, например, за счет использования поверхностей, имеющих оптимальное расположение, конфигурацию (например криволинейную) и/или размеры. Так, могут быть минимизированы размеры поверхностей соответствующих областей, и/или более крупные поверхности могут быть ориентированы предпочтительно параллельно типичному направлению ветра.
Осветительные приборы 502, 520 могут содержать корпус, например, из металла и/или пластика. Может проверяться также качество необходимой изоляции в отношении влаги, грязи и т.д. Части, излучающие свет (изображенные на фиг. 5 в форме прямоугольников), которые могут перекрывать всю или по меньшей мере часть наружной поверхности модулей, должны быть снабжены покрытием или оболочкой из оптически достаточно прозрачного или просвечивающего материала, например из стекла или пластика. Приемлемые значения минимального пропускания уже были рассмотрены ранее. Более конкретно, в некоторых вариантах по меньшей мере один из модулей 504-510, 522-528 имеет отдельную защитную покрывную деталь, установленную над одним или более нижележащими осветителями, содержащими (как это описано выше) свои собственные оптические элементы, такие как линзовые конструкции или матрицы, сопряженные с источниками света. В некоторых других вариантах покрывной слой может быть интегрирован с оптикой осветителя (источника).
Если представленные осветительные приборы 502, 520 не являются непосредственно прикрепленными в зоне их использования своими частями (показанными на фиг.5) к несущим поверхностям, таким как потолок здания или аналогичная поверхность, эти приборы могут и во многих применениях будут содержать несущие конструкции (не изображенные по соображениям наглядности), такие как мачта, столб, стойка, или по меньшей мере будут подсоединены к ним. Кроме того, могут быть предусмотрены средства, позволяющие легко конфигурировать соединение между изображенными частями и несущей конструкцией, такие как регулируемый шаровой шарнир или сильфонное соединение.
На фиг. 6 иллюстрируется вариант осветительного прибора 602 с небольшим количеством показанных на чертеже внутренних или по меньшей мере функционально сопряженных компонентов. Осветительный прибор 602 в этом примере предназначен для наружного, например уличного, освещения.
Осветительный прибор 602 типа "фонарного столба" содержит столб 604 или прикреплен к нему. У прибора 602 имеются также установленные на столб светоизлучающие части 608 с модулями 610, 612, имеющими независимую конфигурацию или по меньшей мере обладающими конфигурируемостью (проиллюстрированной на фиг. 5 испускаемыми под различными углами световыми пучками, изображенными штрихпунктирными линиями). Эти пучки могут соответствовать, например, ближнему полю (например, непосредственно под осветительным прибором/источником света) и дальнему полю (удаленному от столба и ориентированному, например, параллельно дороге).
Осветительный прибор 602 дополнительно содержит другие элементы, такие как электроника и, например, интерфейс электропитания. Питание осветительного прибора 602 может осуществляться, например, по электрическому кабелю от внешнего источника питания. Альтернативно или дополнительно, прибор может содержать собственный источник питания, например аккумулятор и/или фотовольтаическую (солнечную) ячейку. Дополнительные элементы могут находиться на столбе 604, на верхней части 608 и/или в отдельном корпусе 606 (который может быть прикреплен к осветительному прибору 602) и/или могут быть локализованы, например, на уровне поверхности 607 земли или под ним.
Приведенная на фиг. 6 блок-схема 620 иллюстрирует некоторые компоненты, которые могут селективно использоваться во многих вариантах осветительного прибора согласно изобретению.
Некоторые из представленных компонентов могут использоваться всеми или по меньшей мере несколькими осветительными модулями 610, 612 осветительного прибора и его частью, управляющей осветительным прибором 602 в целом, тогда как модули могут альтернативно или дополнительно содержать аналогичные специализированные компоненты для локальной оптимизации ассоциированных источников света на основе, например, внутренних и/или внешних сигналов/данных, таких как программные команды или сигналы/данные от датчика. По меньшей мере некоторые из подобных компонентов могут находиться рядом с модулями или, как вариант, внутри них. Таким образом, показанный на фиг. 6 блок 624 выполняет двойную функцию: он может быть связан с управляемыми излучающими модулями 610, 612 или с управляемым (управляемыми) источником (источниками) света в модулях 610, 612. Каждый источник света (такой как СД) в модулях 610, 612 может дополнительно содержать, например, собственную управляющую электронику (так называемый драйвер и др.).
Для управления функционированием осветительным прибором в соответствии с инструкциями, записанными в памяти 622b и/или принятыми от внешних систем (или устройств) 634 управления, могут быть предусмотрены процессорные блоки 622 с интегрированной или внешней памятью 622b.
Для формирования динамического входного сигнала об окружающем пространстве и/или состоянии самого осветительного прибора 602 с целью обеспечения активного освещения и динамического адаптивного управления настраиваемыми параметрами осветительного прибора 602 могут использоваться один или более датчиков 628. Например, движущийся объект, попавший в рабочую зону детектора движения (которым может быть оптическая, например инфракрасная, камера, использующая принцип детектирования изображения/паттерна), может запускать динамическое управление источниками света, например, в терминах их позиционирования (для слежения за целевым объектом) и/или светового потока (т.е. его увеличения), тогда как отсутствие движущихся объектов в детектируемой зоне может приводить к противоположным управленческим мерам, например к ослаблению излучаемого света.
Может иметься и охлаждающая система 630, содержащая, помимо пассивных элементов (типа теплоотводов), также активные компоненты, такие как электрический вентилятор (электрические вентиляторы), с управлением, например, в зависимости от температуры или другого сигнала, поступающего, например, от ассоциированного датчика, связанного с источником (источниками) света.
Для обмена данными (включая прием управляющих данных, передачу статусных данных или данных от датчика и т.д.) с внешними компонентами, такими как другие осветительные приборы и/или внешняя система 634управления, которая может быть, например, локальной, региональной или национальной, может использоваться передатчик, приемник и/или трансивер 626, образующие коммуникационный интерфейс. При этом может быть обеспечена возможность беспроводной и/или проводной передачи данных. Система 634 может быть сконфигурирована для управления множеством осветительных приборов 602. Управляющие воздействия или команды могут быть специфичными для конкретного осветительного прибора и/или относиться к множеству осветительных приборов 602. Передаваемые сигналы/данные, такие как команды управления, могут адресоваться посредством ИД (как это было отмечено выше). Передача команд/данных может быть связана с электрическим сигналом, используемым, например, для питания осветительного прибора 602 и источников света, связанных с этим прибором или используемых отдельно от него.
Для обеспечения физических настроек, осуществляемых автоматически или под дистанционным управлением, таких как (ре)позиционирование модулей и/или ассоциированных источников света, линзовых конструкций и/или других элементов, могут иметься актуаторы 632, приводимые в действие, например, посредством серводвигателей.
На фиг. 7 иллюстрируются различные полезные составные части 700 вариантов предлагаемого решения проблемы освещения с использованием рассмотренных выше осветительных приборов и ассоциированных с ними модулей.
Предлагаемое решение 702 может быть физически и функционально реализовано как модульное благодаря наличию различных предпочтительных признаков, которые могут селективно использоваться в каждом варианте осветительного прибора или в системе с большим количеством осветительных приборов согласно изобретению. Соответственно, решение может быть оптимизировано, без избыточных затрат, для большинства (если не для всех) типов освещения, например для уличного освещения.
Блок 704 относится к конфигурируемости, обусловленной самой сущностью осветительных модулей. Отдельные, возможно, отличающиеся друг от друга, предпочтительно независимо управляемые модули могут совместно использоваться в одном осветительном приборе для достижения конкретных целей, таких как освещение ближнего поля и освещение дальнего поля. Это позволяет получить улучшенные результаты по сравнению с использованием идентичных модулей с множеством СД одинаковым образом для всех возможных целей.
Блок 706 относится к варьированию углового положения модулей, которое может осуществляться, например, путем придания реальным модулям различных размеров, различного позиционирования внутри модулей входящих в их состав осветителей (содержащих источники света и ассоциированную оптику) и/или (конструктивно) придания модулям различных положений в несущей конструкции или в корпусе ассоциированного осветительного прибора (описанного выше).
В некоторых вариантах позиционирование или настройка положения модулей и/или входящих в их состав осветителей может изменяться динамически, как вариант, автоматически, например, на основе данных от локального датчика или как отклик на дистанционную управляющую команду, которая в принципе может выдаваться в ручном режиме. Для осуществления настройки можно, например, использовать определенное количество сервоуправляемых элементов настройки или платформ.
Блок 708 относится к предпочтительно независимому управлению питанием модулей. Каждый модуль может быть снабжен по меньшей мере одним выделенным каналом управления, по которому передаются управляющие сигналы, такие как сигналы, управляемые питанием, или специальные сигналы, например, от центрального контроллера, связанного только с одним осветительным прибором. Единственный или каждый такой канал может быть выделенным физически (с использованием отдельных проводов/кабеля) и/или функционально (например посредством использования целевых сигналов на базе определенного протокола с передачей через совместно используемую среду (обычно воздух) или по общим проводам).
Желательно также (как это отмечено в блоке 710) обеспечить возможность индивидуального управления каждым источником света (таким как СД) в составе модуля.
Каждый модуль может содержать разработанные специально для него линзовые конструкции и/или линзовую матрицу (линзовые матрицы) с заданными оптическими характеристиками (см. блок 712).
Далее, линзы могут быть сконфигурированы (как это было описано выше) для достижения асимметричного освещения, причем независимо для каждого СД или иного источника света (см. блок 714).
Все эти различные аспекты конфигурируемости направлены на динамическую реализацию функциональной конструкции (на уровне модуля, источника света (например СД), линзы и т.д.), оптимальной предпочтительно для конкретных или общих задач освещения, которые в контексте уличного освещения могут быть, например, специфичными для дорог различного класса (см. блок 716).
Кроме того, применительно к уличному (и вообще наружному) освещению могут быть оптимизированы несущие конструкции, такие как столбы, с учетом таких релевантных конструктивных факторов, как высота (установки осветителей), расстояние между соседними столбами, наклон или вынос, а также длина поперечной части (например перекладины) (см. блок 718).
На фиг. 8 представлены (в полярных координатах) диаграммы 802, 804 распределения освещения в единицах силы света (канделах) до и после тонкой настройки ассоциированного осветительного прибора (конкретно, уличного светильника) согласно варианту изобретения путем управления, например, токами, подаваемыми на источник света, угловым положением модуля и использованием в модулях прибора линз асимметричной конструкции.
На верхней диаграмме 802 кривая, характеризующая распределение освещения в направлении вдоль улицы, является нечетко определенной или недостаточно структурированной, что приводит к световому загрязнению неба и к эффекту ослепляющего света для водителей в ближнем поле. На нижней диаграмме 804 иллюстрируется ситуация после оптимизации, включавшей оптимизацию токов, подаваемых на источники света, угловое положение и асимметричность конструкции линзы. Видно, что кривая распределения минимизирует световое загрязнение (петли в пределах ±90°) и уменьшает угол, соответствующий пику освещения ближнего поля, т.е. минимизирует ослепляющий свет.
На фиг. 10А, 10В и 10С представлены другие примеры обеспечиваемых распределений освещения в виде графиков, соответствующих дальнему полю, ближнему полю и их комбинации соответственно.
За счет использования различных вариантов изобретения могут быть решены различные проблемы и задачи освещения, включая освещение целевых областей или поверхностей в зоне установки осветительного прибора, который предпочтительно содержит индивидуально и эффективно динамически конфигурируемые модули источников света. Например, путем соответствующего управления ассоциированными модулями может быть достигнуто, например, равномерное освещение путем формирования асимметричного распределения света, излучаемого осветительным прибором.
На фиг. 9 иллюстрируются две модели DIALux™ для освещения улицы/дороги при варьируемых параметрах освещения, относящихся к варианту осветительного прибора согласно изобретению.
Согласно проиллюстрированному верхнему сценарию 902 измеренные значения яркости (верхний ряд) отвечают требованиям, тогда как нижний сценарий 904 отображает ситуацию до оптимизации настраиваемых параметров осветительного прибора (с использованием возможностей электрических, оптических и, например, механических настроек, описанных ранее), когда первое и третье значения не достигали приемлемых пороговых уровней.
Субоптимальное решение 904 может быть преобразовано в оптимизированное решение 902, например, использованием осветительного прибора, имеющего описанную выше конструкцию, реализуемую, например, согласно соответствующей программе и/или использованием средства моделирования, в которое могут быть введены известные параметры, относящиеся к целевому окружающему пространству или конкретному применению (например к классу дороги и другим потенциально важным параметрам). При этом данное средство способно предложить оптимальные значения настраиваемых/измеряемых параметров известного осветительного прибора.