ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ АСИММЕТРИЧНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВЕТА
OPTICAL ELEMENT FOR ASYMMETRIC LIGHT DISTRIBUTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к оптическому элементу для коллимирования световых пучков из источника света, каковой оптический элемент содержит впускную сторону, выполненную с возможностью приема световых пучков, выпускную сторону, выполненную с возможностью обеспечения излучения коллимированного света, и корпус элемента, продолжающийся от впускной стороны до выпускной стороны.
Настоящее изобретение также относится к системе освещения, содержащей такой оптический элемент.
Описание известного уровня техники
В последние годы достигнуты значительные успехи в увеличении яркости светоизлучающих диодов (СИД). В результате СИД стали достаточно яркими и недорогими для использования в качестве источника света, например, в системе освещения, такой как лампы с регулируемым цветом, жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи) прямого обзора и фронтпроекционные и рирпроекционные дисплеи. Посредством смешивания и регулирования интенсивности СИД разных цветов, например красных, зеленых и синих СИД, можно создавать любое количество цветов, например белый цвет.
Для того чтобы оказывать влияние на направление часто широко распределенного излучаемого света, вместе с СИД обычно устанавливают оптический элемент с коллимирующими характеристиками. Использование коллиматора позволяет, например, выравнивать направление света в конкретном направлении или уменьшать пространственное поперечное сечение света. Например, US 5555329 описывает оптическую структуру направления света для использования вместе с источником света, образующим систему освещения, которая связана с перенаправлением света в требуемом направлении. Данная структура обеспечивает управление распределением света как по интенсивности, так и по направлению вдоль двух перпендикулярных линий визирования с использованием призм. Однако раскрытая оптическая структура направления света обеспечивает только ограниченную разницу по ширине пучка в двух направлениях визирования.
Для того чтобы оказывать дополнительное влияние на оптический эффект, например на ширину пучка, на излучающую поверхность коллиматора обычно наносят матовую или линзовую структуру. Например, для того чтобы получить относительно узкий световой пучок (или луч), перпендикулярный одной оси визирования, и более широкий пучок вдоль перпендикулярной оси визирования, можно использовать цилиндрическую линзовую структуру. Однако цилиндрическая линзовая структура способна обеспечить пучок, ширина которого в первом направлении визирования всего лишь на 10° до 20° больше, чем во втором перпендикулярном направлении визирования. Дополнительная разница в угле пучка приводит к снижению эффективности системы освещения, использующей такую оптическую структуру.
Таким образом существует потребность в новом устройстве для обеспечения асимметричного распределения света с увеличенной разницей в ширине пучка в двух перпендикулярных направлениях визирования.
Сущность изобретения
Таким образом, целью настоящего изобретения является создание оптического элемента, конструкция которого, по меньшей мере, уменьшает, по меньшей мере, одну из проблем известного уровня техники.
В соответствии с изобретением упомянутая цель достигается посредством оптического элемента для коллимирования света из источника света, причем упомянутый элемент содержит впускную сторону, выполненную с возможностью приема упомянутого света, выпускную сторону, выполненную с возможностью обеспечения излучения коллимированного света, и тело элемента, продолжающееся от упомянутой впускной стороны до упомянутой выпускной стороны, причем тело элемента имеет профиль в поперечном сечении, перпендикулярный оптической оси (z), образованной посредством оси х и оси y, перпендикулярных друг другу, причем упомянутый оптический элемент имеет радиус кривизны х вдоль упомянутой оси х и y - кривизну вдоль упомянутой оси y, причем упомянутый радиус y кривизны больше, чем радиус х кривизны, тем самым обеспечивая распределение упомянутого коллимированного света, излучаемого из упомянутой выпускной стороны, с поперечным сечением, имеющим асимметричную форму, перпендикулярным упомянутой оптической оси (z).
Таким образом, если ось х и перпендикулярная ей ось y оптического элемента имеют разные радиусы кривизны и при этом, предпочтительно, удовлетворяют условиям полного внутреннего отражения (ПВО), настоящее изобретение обеспечивает излучение коллимированного света с асимметричным профилем в поперечном сечении. То есть коллимированный свет, излучаемый из выпускной стороны, может образовать распределение света, для которого профиль в поперечном сечении на произвольном, но необязательно любом расстоянии от оптического элемента, перпендикулярном оси z, имеет асимметричную форму, предпочтительно, эллиптическую. Применительно к настоящей заявке понятие "эллиптическая форма" необходимо понимать в широком смысле, также включающую в себя по существу эллиптические формы, которые воспринимаются как эллиптические. Кроме того, необходимо отметить, что понятия "свет", "световые пучки" и "световые лучи" имеют эквивалентное значение.
Необходимо отметить, что применительно к данному изобретению понятие "асимметричный" определяет форму, которая является асимметричной относительно осей х и y, например эллиптическую форму. Асимметричная или для некоторых вариантов осуществления эллиптическая форма может быть желательной в применениях, в которых более эффективно не симметричное, а асимметричное распределение света. Например, для эффективного освещения конструкции для цветоводства, содержащей растения в длинных рядах, желательно распределение света, имеющее узкую ширину пучка в одном направлении визирования и более широкую ширину пучка в перпендикулярном направлении визирования. Посредством размещения одного или, предпочтительно, множества оптических элементов в матричной системе освещения конструкция для цветоводства может освещаться с высокой эффективностью за счет высокой равномерности. Предпочтительно, оптический элемент настоящего изобретения может быть включен в состав системы освещения, которая также содержит источник света. В такой системе освещения впускная сторона оптического элемента выполнена с возможностью приема света, излучаемого источником света, которым может быть СИД.
Форма оптического элемента, например радиусы х и y кривизны, выбираются как зависимые параметры и, предпочтительно, в зависимости от обеспечения оптической эффективности. Например, радиусы х и y кривизны могут определяться в зависимости друг от друга, так что максимальный угол отклонения света вдоль оси х, по меньшей мере, на 15° и, предпочтительно, по меньшей мере, на 30° больше, чем соответствующий максимальный угол отклонения вдоль оси y. Таким образом, при возможности таких больших разностей в ширине пучка в двух перпендикулярных направлениях визирования настоящее изобретение обеспечивает более эффективное распределение света для применений, требующих такой функциональной характеристики.
Предпочтительно, оптический элемент выполнен таким образом, что он позволяет форме поперечного сечения распределения света, излучаемого из выпускной стороны, иметь большую ширину вдоль оси х, чем вдоль оси y. Таким образом, пропорции радиусов х и y кривизны вдоль осей х и y, определяющие, предпочтительно, эллиптическую форму распределения излучаемого коллимированного света, являются обратными по сравнению с радиусами кривизны, образующими оптический элемент. Другими словами, если для освещения используется оптический элемент с радиусом y кривизны, большим, чем радиус х кривизны, то радиус х кривизны эллипса распределения излучаемого коллимированного света будет больше, чем соответствующий радиус y кривизны. То есть, если оптический элемент шире в направлении y, то эллиптическая форма распределения коллимированного света будет шире в направлении x. Оптический элемент, выполненный таким образом, что радиусы кривизны излученного света являются обратными, имеет относительно несложную конструкцию.
Выпускная сторона оптического элемента может быть выполнена разными способами. Ее поверхность может быть плоской, например гладкой и ровной, что делает оптический элемент относительно простым, или при желании она может представлять собой матовую поверхность, которая таким образом обеспечивает регулировку ширины пучка. Для еще большего влияния на оптический эффект выпускная сторона может содержать линзовую структуру. Создание оптического элемента с цилиндрической линзовой структурой может обеспечить дополнительное отклонение света в направлении, перпендикулярном оси цилиндра, т.е. оси в цилиндрической линзе. Таким образом, цилиндрическая линза может быть использована для регулировки коллимированного света, излучаемого из выпускной стороны, до требуемой ширины пучка.
Кроме того, оптический элемент, который может представлять собой коллиматор, предпочтительно, выполнен из единого куска материала и является прозрачным. Он может быть выполнен из поликарбоната (PC), или полиметилметакрилата (РММА), или их комбинации. Однако для специалиста очевидно, что оптический элемент также может быть полупрозрачным или даже окрашенным и может быть выполнен с использованием других пригодных материалов.
Таким образом, как описано выше, оптический элемент настоящего изобретения обеспечивает асимметричное распределение света при увеличенной разности по ширине пучка в двух перпендикулярных направлениях визирования. Однако необходимо отметить, что коллимированный свет, излучаемый из выпускной стороны оптического элемента, может иметь другие формы, отличающиеся от описанных асимметричных форм. Например, если для отклонения света используется больше радиусов кривизны по сравнению с упомянутыми радиусами х и y кривизны, то можно получать более сложные профили в поперечном сечении распределения света, перпендикулярные оптической оси коллимированного света, излучаемого из выпускной стороны.
Краткое описание чертежей
Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут более подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, показывающие предпочтительные на данный момент варианты осуществления изобретения, в которых:
Фиг.1 представляет собой схему, иллюстрирующую систему освещения в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2а представляет собой подробный вид коллиматора в соответствии с вариантом осуществления, показанным на фиг.1;
Фиг.2b изображает коллиматор, показанный на фиг.2а, с альтернативной впускной стороной, содержащей линзовую структуру;
Фиг.3 иллюстрирует углы отклонения света, перемещающегося в плоскостях xz и yz, в примерной системе освещения в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления;
Фиг.4а-4d изображают графики полярного распределения, распределения в Декартовой системе координат, контурное изображение в полярной системе координат и контурное изображение в Декартовой системе координат, показывающие обычное распределение света, излучаемого из системы освещения в соответствии с вариантом осуществления, показанным на фиг.1; и
Фиг.5 изображает примерную реализацию предпочтительного варианта осуществления при использовании в матричном освещении конструкции для цветоводства.
Подробное описание предпочтительных на данный момент вариантов осуществления
Настоящее изобретение будет более подробно описано ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых показаны предпочтительные на данный момент варианты осуществления изобретения. Однако данное изобретение может быть осуществлено во множестве других видов и не должно рассматриваться как ограниченное описанными в данном документе вариантами осуществления; вернее, данные варианты осуществления представлены для полноты и законченности и в полной мере передают специалисту объем изобретения. На чертежах одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым элементам.
Фиг.1 представляет собой трехмерное изображение системы 1 освещения в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Система 1 содержит монтажный корпус 4, к которому прикреплен источник 3 света, закрытый оптическим элементом 2. В показанном варианте осуществления источником 1 света является СИД, однако изобретение не ограничено им. В данном примере оптическим элементом 2 является коллиматор, хотя объем изобретения также охватывает другие применимые альтернативы. Коллиматор 2, показанный на фиг.1, является, предпочтительно, хотя и необязательно, твердым и прозрачным. Здесь коллиматор 2 выполнен из поликарбоната (РС) с коэффициентом преломления, равным 1,58. Возможны также другие пригодные материалы, такие как полиметилметакрилат (РММА) с коэффициентом преломления, равным 1,49, или комбинация РС и РММА. Таким образом, при коэффициенте преломления коллиматора 2 выше, чем у окружающей его среды, предпочтительно воздуха с коэффициентом преломления, равным 1,0, коллиматор 2 обеспечивает широко известный оптический эффект полного внутреннего отражения (ПВО) света, принимаемого из СИД 3.
Коллиматор 2 в соответствии с примерным вариантом осуществления содержит впускную сторону 5, закрывающую СИД 3, поэтому коллиматор 2 выполнен с возможностью приема света, излучаемого из СИД 3. На противоположном конце коллиматор 2 содержит выпускную сторону 6, выполненную с возможностью обеспечения излучения коллимированного света. Как упомянуто выше, необходимо отметить, что понятия "свет", "световые пучки" и "световые лучи" имеют эквивалентное значение.
y
x
z
y
x
На фиг.2а изображен более подробный вид коллиматора, показанного на фиг.1. Как показано, коллиматор 2 имеет форму, отличающуюся от общеизвестных коллиматоров тем, что, по меньшей мере, один профиль в произвольном поперечном сечении, перпендикулярный оптической оси z показанного коллиматора 2, не является круглым. В соответствии с настоящим изобретением кривизна вдоль такого поперечного сечения является по существу непостоянной, а точнее асимметричной. В любом месте поперечное сечение, перпендикулярное оси z, образовано посредством осей х и y, которые перпендикулярны друг другу. В примерном варианте осуществления радиус кривизны коллиматора 2 вдоль оси y, называемый радиусом y кривизны, больше чем радиус кривизны вдоль оси х, называемый радиусом х кривизны. Таким образом, при этом получаются поперечные сечения с овальными формами, перпендикулярные оси z, причем ширины W вдоль оси y больше, чем ширины W вдоль оси х. В показанном примере высота H коллиматора 2 равна 5,5 мм, а размеры ширин W, W на выпускной стороне 6 равны соответственно 14 мм и 10 мм. Однако отмечается, что, конечно, возможны и другие размеры. Размеры, такие как радиусы х и y кривизны, являются зависимыми параметрами и, предпочтительно, выбираются в соответствии с условиями ПВО, при этом обеспечивая требуемое асимметричное распределение света при увеличенной разности в ширине пучка в двух перпендикулярных направлениях визирования.
В примерном варианте осуществления выпускная сторона 6 коллиматора 2 является плоской с гладкой поверхностью и, предпочтительно, перпендикулярной оси z. Однако, при желании, выпускная сторона может содержать матовую поверхность, дополнительно влияющую на оптические характеристики коллиматора 2. Другая альтернатива, как показано на фиг.2b, заключается в том, чтобы позволить выпускной стороне коллиматора 2 содержать линзовую структуру 7. Линзовая структура, показанная на фиг.2b, является цилиндрической, таким образом обеспечивая дополнительное отклонение излучаемого через нее света вдоль оси х, т.е. в направлении, перпендикулярном оси цилиндра (оси y).
х
y
Е
Е
Е
Е
При использовании коллиматор 2 в соответствии с примерным вариантом осуществления принимает свет из СИД 3. Фиг.3 изображает, как примерный световой луч_х1, луч_х2, луч_y1, луч_y2 проходят из СИД 3 через коллиматор 2 к впускной стороне 5 коллиматора 2 и проходят через выпускную сторону 6 в виде коллимированного света. Например, луч_х1 проходит из СИД 3 через впускную сторону 5 в плоскости xz, и когда он достигает границы коллиматора 2, в результате ПВО отражается по направлению к выпускной стороне 6, причем он проходит через нее. В результате общеизвестного закона преломления, т.е. поскольку среда с другой стороны границы выпускной стороны 6 имеет другой коэффициент преломления, скорость луча_х1 светового пучка (т.е. скорость света) изменяется и луч_х1 светового пучка выходит из выпускной стороны 6 под углом θ к оси z. Таким же образом луч_y1 проходит в плоскости yz и проходит через выпускную сторону 6 под углом θ. Множество лучей коллимированного света, излучаемых из выпускной стороны 6, из которых показаны луч_х1, луч_х2, луч_y1, луч_y2, образуют распределение света, для которого поперечное сечение на произвольном расстоянии от коллиматора 2, перпендикулярное оси z, имеет эллиптическую форму С. Отмечается, что эллиптической формой может быть также по существу эллиптическая форма, которая воспринимается как эллиптическая. В примере, проиллюстрированном на фиг.3, эллиптическая форма С распределения коллимированного света имеет большую ширину вдоль оси х, чем вдоль оси y. Таким образом, пропорции радиусов х и y кривизны вдоль осей х и y, образующие эллиптическую форму С распределения коллимированного света, являются обратными по сравнению с радиусами кривизны, образующими оптический элемент 2. То есть, если коллиматор 2 более широкий в направлении y, то эллиптическая форма С распределения коллимированного света более широкая в направлении х.
Е
х
y
x
y
Е
х
y
Степень, в которой коллиматор 2 является изогнутым в направлении осей х и y перпендикулярно оси z, естественно, влияет на степень, в которой изогнуто в направлении осей х и y поперечное сечение С распределения коллимированного света, перпендикулярное оси z. В показанном варианте осуществления радиусы х и y кривизны коллиматора 2 имеют такое соотношение, что максимальный угол θ отклонения светового луча_х1, луча_х2 в плоскости xz приблизительно на 30-35° больше, чем максимальный угол θ отклонения светового луча_y1, луча_y2 в плоскости yz. Другими словами, распределение излучаемого света имеет разности по ширине пучка в двух перпендикулярных направлениях визирования, т.е. соответственно вдоль осей х и y, соответствующие максимальной разности в углах отклонения, равной приблизительно 30-35°. При определении радиусов х и y кривизны коллиматора 2 относительно друг друга, т.е. ширин W и W, впоследствии могут быть определены соответствующие требуемые радиусы х и y кривизны, образующие эллиптическую форму С распределения излучаемого коллимированного света. Хотя в примерном варианте осуществления максимальный угол θ отклонения на 30-35° больше, чем максимальный угол θ отклонения, настоящее изобретение этим не ограничено. Для некоторых применений может быть желательна максимальная разность углов отклонения, равная 15° или, возможно, 25°. Отмечается, что наличие матовой поверхности или линзовой структуры 7 на выпускной стороне 6 коллиматора 2 может, как упомянуто выше, обеспечить дополнительную регулировку пучков по ширине.
На фиг.4а-4d показаны графики распределения излучаемого коллимированного света в соответствии с примерным вариантом осуществления. На фиг.4а показано полярное распределение света, распределение_х, распределение_y в соответствующих направлениях х и y визирования с интенсивностью, зависящей от угла, а на фиг.4b также показано распределение света в Декартовой системе координат. Соответствующие контурные изображения распределения излученного коллимированного света в полярной и Декартовой системе координат показаны на фиг.4с и 4d соответственно.
Для того чтобы проиллюстрировать возможное применение для примерного варианта осуществления, показанного на фиг.1-4, на фиг.5 изображено множество систем 1 освещения, образующих матричную систему 9 освещения. Матричная система 9 освещения выполнена с возможностью освещения конструкции 8 для цветоводства, которая продолжается в продольном направлении, при этом имеет относительно узкую ширину. Для освещения такой конструкции 8 целесообразно наличие большой разности в ширине пучка в двух перпендикулярных направлениях визирования. Показано множество систем 1 освещения, каждая из которых содержит коллиматор 2 в соответствии с настоящим изобретением. Таким образом можно обеспечить оптимальное распределение света в том смысле, что конструкция 8 для цветоводства может освещаться с высокой эффективностью благодаря высокой равномерности.
В вышеописанном примерном варианте осуществления настоящего изобретения источником света является СИД. Однако в пределах объема настоящего изобретения можно использовать другие типы источников света, например разные типы твердотельных источников света, известные в данной области техники. Можно также использовать множество источников света.
Кроме того, для специалиста понятно, что настоящее изобретение ни в коей мере не ограничено вышеописанными предпочтительными вариантами осуществления. Напротив, для специалиста очевидно, что возможно множество модификаций и изменений в пределах объема прилагаемой формулы изобретения. Например, распределение коллимированного света, излучаемого из выпускной стороны оптического элемента, может иметь другие формы, отличающиеся от эллиптической. Например, если для отклонения используется больше радиусов кривизны, чем упомянутые радиусы х и y кривизны, то возможны более сложные поперечные сечения распределения света, перпендикулярные оси z, коллимированного света, излучаемого из выпускной стороны.