СВЕТОДИОДНЫЙ ИСТОЧНИК УЗКОНАПРАВЛЕННОГО СВЕТОВОГО ПУЧКА

Настоящая полезная модель относится к осветительным устройствам с рефлектором, имеющим с параболическую кривизну, и предназначен для неподвижной установки, излучающей одинарный пучок лучей, например, например для освещения в условиях тумана. Данная полезная модель может быть использована для создания прожектора с узконаправленным световым пучком.
Известно осветительное устройство излучающее одинарный пучок лучей, которое описано в патенте №2406924 на изобретение "Осветительное устройство с органическими светодиодами", опубликованном 20.12.2010 г. Патент получен по заявке №2008141897/07 с приоритетом от 13.03.2007 г. Это осветительное устройство содержит излучатель света, в котором установлены концентрические кольца из органических светодиодов, излучающих, по меньшей мере, в двух различных цветовых диапазонах. За излучателем света установлена линза и сужающийся трубчатый отражатель, диаметр которого увеличивается от его узкого конца к его широкому концу. Техническим результатом этого изобретения является обеспечение улучшения однородности распределения цвета.
Данное осветительное устройство не позволяет получить узконаправленный пучок света, т.к. светодиоды установлены в нем в виде концентрических колец и/или секторов, т.е. каждый светодиод своей оптической осью расположен под таким углом к поверхности отражателя, который отличается от таких же углов всех других светодиодов. Это не позволяет излучению от всех светодиодов отражаться от поверхности отражателя в совпадающих друг с другом направлениях. При этом, в данном осветительном устройстве не предусмотрено охлаждения светодиодов. Это, во-первых приведет к снижению интенсивности испускаемого этими светодиодами светового излучения из-за их нагревания, которое будет происходить во время их работы, тем более, что количество установленных в отражателе светодиодов велико. Снижение же интенсивности испускаемого светодиодами светового излучения приведет к увеличению расхождения светового пучка, формируемого отражателем. Кроме того, это осветительное устройство имеет сложную конструкцию, которая не позволяет надежно и с большой точностью установить каждый светодиод в нужном месте отражателя.
Известно также осветительное устройство, излучающее одинарный пучок световых лучей и описанное в патенте Российской федерации №61 38 на полезную модель "Источник света со светоизлучающим диодом и осветительное устройство, использующее данный источник", опубликованном 27. 02. 2007 г. в бюллетене №7, заявка №2005141603/22 с приоритетом от 30.12.2005. Это осветительное устройство содержит рефлектор, который образован двумя последовательно соединенными друг с другом расширяющимися отражающими плоскостями, имеющими форму параболоида вращения, и многозонный светодиод с двумя разнесенными по высоте боковыми светоизлучающими зонами. Причем этот светодиод размещен на оптической оси рефлектора, а каждая расширяющаяся отражающая плоскость этого светодиода выполнена в виде поверхности параболоида вращения. При этом первая боковая светоизлучающая зона светодиода расположена в фокусе параболоида вращения первой отражающей плоскости, а вторая - в фокусе параболоида вращения второй отражающей плоскости.
Это осветительное устройство также не обеспечивает получение коллимированного светового пучка острой направленности, т.е. такого коллимированного пучка, который наряду с небольшой расходимостью имеет небольшой диаметр поперечного сечения. Это обусловлено тем, что, во-первых, выходящий после прохождения первой параболической поверхности пучок излучения имеет значительную расходимость за счет отражения на краях этой поверхности, т.к. первая параболическая поверхность является низкой. При прохождении же через вторую параболическую поверхность этот пучок будет не сжиматься, а только коллимироваться. Причем диаметр поперечного сечения пучка, выходящего после прохождения второй параболической поверхности будет больше, чем выходящего после прохождения первой параболической поверхности. Причем, совмещение друг с другом фокусов двух разных параболоидов, жестко закрепленных друг относительно друга - как это предусмотрено в данной конструкции осветителя, является довольно сложной технической задачей, кроме того, в данном осветителе также не предусмотрена возможность охлаждения установленного внутри параболической поверхности светодиода, что дополнительно снизит эффективность коллимирования идущего от светодиода излучения при его нагревании во время работы.
Ближайшим из известных является осветительное устройство, описанное в свидетельстве Российской федерации №34693 на полезную модель "Осветительное устройство". Данное устройство содержит индивидуальные отражатели. При этом каждый из индивидуальных отражателей содержит твердотельный корпус, внутри которого выполнена полость с зеркальной внутренней поверхностью стенок в виде параболоида вращения. При этом в стенке каждого из индивидуальных отражателей со стороны вершины параболоида вращения, в виде которого выполнена зеркальная поверхность отражателя, выполнено сквозное отверстие, расположенное таким образом, чтобы его ось, совпадала с осью указанного параболоида вращения. Через указанное сквозное отверстие в полость отражателя введен светодиод, который жестко закреплен внутри этой полости и таким образом, чтобы он находился в фокусе параболоида вращения, в виде которого выполнена внутренняя поверхность этой полости. Кроме того, внутри каждого индивидуального отражателя расположена линза, соосная со связкой светодиод - индивидуальный отражатель и с фокусом, совпадающим с фокусом этого индивидуального отражателя, а основание каждого индивидуального отражателя выполнено в форме шестигранника.
Данное осветительное устройство не позволяет получить сильно коллимированный пучок с малой расходимостью и с малым диаметром поперечного сечения этого пучка, т. к. в нем не определены соотношения размеров параболоида вращения, в виде которого выполнена полость, отражающая оптическое излучение, и размеров светодиода, устанавливаемого в эту полость. Так, если полость будет иметь в своем фокальном сечении диаметр, во много раз превышающий диаметр светового поля светодиода, а расстояние от его фокальной плоскости до его основания (широкого края) будет не достаточно большим, например, не будет превышать диаметра параболоида в его фокальном сечении, то значительная часть излучения, испускаемого светодиодом, будет уходить за свободные края параболоида и не попадет на его отражающую поверхность, что, естественно, приведет к размыванию светового пучка. При этом сам световой пучок будет широким, а не узконаправленным, поскольку диаметр поперечного сечения этого пучка будет определяться, прежде всего, диаметром поперечного сечения параболоида в месте установки светодиода, т.е в фокальной плоскости параболоида, а этот диаметр в прототипе является большим. Кроме того, чтобы получить хороший уровень коллимирования, необходимо, чтобы отношение расстояния от места установки светодиода до свободного края параболоида было тоже достаточно большим, что в прототипе не соблюдается. Т.е. осветительное устройство, описанное в прототипе, не позволяет получить остронаправленный световой пучок. При этом оно, кроме того, не содержит средства, обеспечивающего охлаждение светодиода во время его работы, что, в свою очередь, не позволяет получить световой пучок высокой мощности, поскольку для получения мощного светового пучка необходимо использовать мощный светодиод, который при отсутствии охлаждения будет разогреваться.
Задачей настоящей полезной модели "Светодиодный источник узконаправленного светового пучка" является определение таких соотношений размеров светодиода и размеров параболоида, в виде которого выполнена отражающая поверхность полости этого светодиодного источника, при которых этот светодиодный источник будет формировать в пространстве узконаправленный световой пучок с высокой мощностью светового потока, т.е. такой световой пучок, который обладает диаметром поперечного сечения не более 20 мм и угловой расходимостью не более 2-х градусов.
Поставленная задача решается тем, что так же как известный, заявляемый в качестве полезной модели светодиодный источник узконаправленного светового пучка содержит твердотельный корпус, внутри которого выполнена полость в виде параболоида вращения с зеркальной внутренней поверхностью стенок; при этом указанная полость со стороны основания параболоида вращения выполнена открытой, а в стенке указанного корпуса со стороны вершины параболоида вращения выполнено сквозное отверстие, расположенное таким образом, чтобы его ось совпадала с осью указанного параболоида вращения, и через это сквозное отверстие в полость отражателя введен светодиодный источник света, который жестко закреплен внутри этой полости и расположен в ней таким образом, чтобы он находился фокусе этого параболоида вращения.
В отличие от известного в данном светодиодном источнике узконаправленного светового пучка установлена плоская плата, которая выполнена в виде плоскопараллельной пластины и таким образом, чтобы она хорошо проводила тепло и являлась одновременно хорошим электроизолятором, и на этой плоской плате с одной ее стороны жестко закреплен светодиод, диаметр которого не превышает 1,0 мм, а с другой стороны этой же платы сформирована электрическая схема питания этого светодиода, причем, электрические входы указанной электрической схема питания оставлены свободными, а ее выхода электрически связаны со входами указанного светодиода; при этом указанный параболоид вращения выполнен таким, чтобы диаметр его поперечного сечения в его же фокальной плоскости превышал диаметр этого светового поля не более, чем в двадцать раз, а расстояние от фокальной плоскости указанного параболоида до его открытого края превышало диаметр его поперечного сечения в его же фокальной плоскости не менее, чем в пять раз; при этом, указанный светодиод жестко закреплен на плоской плате с той ее стороны, на которой отсутствует электрическая схема питания светодиода и этой же стороной плоская плата жестко прикреплена к торцам корпуса светодиодного источника узконаправленного светового пучка и таким образом, чтобы закрепленный на этой ее стороне светодиод входил в отверстие, выполненное в стенке этого корпуса со стороны вершины параболоида, а сама плата при этом приведена в плотный контакт с корпусом источника узконаправленного светового пучка и таким образом, чтобы обеспечивался хороший отвод тепла с этой платы на указанный корпус.
Для того, чтобы обеспечить высокую теплопроводность указанного корпуса, он может быть выполнен из металла, например, из алюминия или его сплава. С этой же целью этот корпус может быть заключен в оболочку из алюминия или его сплава.
Для того, чтобы повысить уровень коллимирования пучка, выходящего из указанного корпуса и свести до минимума потери светового излучения, у открытого края указанной отражающей полости может быть установлена и жестко закреплена двояковыпуклая линза, причем эта линза должна быть расположена таким образом, чтобы ее фокус совпадал с фокусом параболоида, в виде которого выполнена указанная отражающая полость.
Таким образом, для решения поставленной задачи в параболоидный отражатель помещают точечный источник светового излучения (светодиод) с такими размерами светового поля (диаметр не превышает 1,0 мм), при которых аберрации в получаемом световом пучке сводятся до минимума, а сам параболоидный отражатель выполнен таким образом, что излучение, идущее от светодиода, формируется в достаточно длинном световом канале, расходимость стенок которого не превышает одного градуса. Это обеспечивается тем, что расстояние от плоскости, в которой расположен светодиод, во много раз (не менее, чем в 10 раз) превышает расстояние от этого светодиода до стенок отражающей поверхности, причем расстояние от светодиода до стенок отражающей поверхности выбрано таким, чтобы попадающий на отражающую поверхность световой поток имел интенсивность достаточную. для формирования в пространстве светового пучка с хорошо выявляемыми границами.
На рисунке показан в разрезе заявляемый Светодиодный источник узконаправленного светового пучка. Разрез этого светодиодного источника выполнен вдоль оси параболоида вращения, в виде которой выполнена отражающая полость этого источника, и в плоскости, в которой лежит эта ось.
Светодиодный источник узконаправленного светового пучка содержит: твердотельный корпус 1, светод 2, плоскую плату 3.
При этом, твердотельный корпус 1 который выполнен, таким образом, чтобы его стенки хорошо проводили тепло и поэтому он может быть выполнен, например, из сплава алюминия. Этот корпус 1 может быть выполнен из полимера, но помещен при этом в металлическую оболочку.
Светодиод 2 выполнен в виде монокристалла и может иметь диаметр не более 1,0 мм, что снижает уровень аберраций до минимума.
Плоская плата 3 выполнена в виде плоскопараллельной пластинки из материала, хорошо проводящего тепло и являющегося в то же время электроизолятором, например, из материала "препрег". При этом на одной стороне плоской платы 3 сформирована электрическая схема питания светодиодного источника света 2, а на другой ее стороне жестко закреплен светодиод 2, причем входы указанной электрической схемы питания оставлены свободными, а ее выходы ко входам светодиода 2.
Указанная плоская плата 3 той своей стороной, на которой установлен светодиод 2, прикреплена к торцам твердотельного корпуса 1 и таким образом, чтобы обеспечивался плотный контакт с корпусом 1.
Внутри корпуса 1 выполнена отражающая полость 2. Эта отражающая полость 2имеет форму параболоида вращения и внутренняя поверхность ее стенок выполнена зеркально-отражающей. В стенке указанной отражающей полости 2 со стороны вершины параболоида, в виде которого эта полость 2 выполнена, сделано отверстие 3, диаметр которого должен превышать диаметр светодиодного источника света, который будет установлен в эту полость 2. Через отверстие 3 в отражающую полость 2 введен светодиод 4, который установлен таким образом, чтобы он был расположен в том месте, где находится фокус параболоида вращения, в виде которого выполнена отражающая полость 2, и чтобы он был жестко закреплен в этом месте. При этом диаметр светодиода 4 не превышает 1,0 мм.
Отражающая полость 2 выполнена открытой со стороны основания параболоида, в виде которого она выполнена, и, кроме того, выполнена она таким образом, чтобы диаметр ее поперечного сечения в фокальной плоскости параболоида вращения превышал диаметр светодиод 4 не более, чем в двадцать раз, а расстояние от этого поперечного сечения до открытого края отражающей полости 2 превышало диаметр указанного светового поля светодиодного источника света 4 также не более, чем в пять раз.
Данный Светодиодный источник узконаправленного светового пучка работает следующим образом. От бытовой электрической сети электрический ток подают на входы схемы питания светодиода 4, которая сформирована на одной из поверхностей плоской платы 3. С выходов этой схемы питания электрический ток попадает на входы светодиода 4, который после этого начинает испускать световое излучение во все стороны. Так как светодиодный источник света 4 расположен внутри отражающей полости 2, то световое излучение от светодиодного источника света 4 попадает на зеркально-отражающую поверхность стенок этой полости 2 и отражается от них. В то же время, поскольку отражающая полость 2 выполнена в виде параболоида, а светодиод 4 расположен в фокусе этого параболоида, то световое излучение от стенок отражающей полости 2 отражается вдоль осевой линии параболоида и выходит наружу через открытую сторону. Но поскольку диаметр сечения отражающей полости 2 в фокальной плоскости параболоида превышает диаметр светодиода 4 не более, чем двадцать раз, а расстояние от этого сечения до открытого края отражающей полости превышает этот диаметр не менее, чем двадцать раз, то на выходе из отражающей полости 2 световое излучение будет идти в направлении, практически, параллельном осевой линии отражающей полости 2. на расстоянии до выхода из отражающей полости 2 меньшем, чем указано выше, световое излучение будет попадать на стенки этой полости 2 и отразится также вдоль осевой линии этой полости, поэтому на выходе из нее световое излучение будет сильно коллимированым. Если же при этом учесть, что диаметр сечения отражающей полости 2 в плоскости, где расположен светодиодный источник света 4 тоже небольшой (при диаметре светового поля (0,3-1.0) мм он не превысит 20 см, то на выходе из отражающей полости 2 будет формироваться остронаправленный сильно коллимированый световой пучок. При этом тепло, выделяющееся светодиодом при его работе, будет через плоскую плату 3 переходить на твердотельный корпус 1 и т.к. этот корпус 1 выполнен теплопроводящим, то тепло будет рассеиваться в окружающую атмосферу.