Осветительное устройство
LIGHTING DEVICE

ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
Изобретение относится к области измерения пространственного распределения яркостных характеристик образцов, в частности дорожного асфальтобетонного покрытия прямоугольной формы, в лабораторных условиях на стационарной установке при малых расстояниях фотометрирования, освещаемых коллимированным световым пучком, падающим на исследуемый образец под определенными фиксированными углами, и при различных углах наблюдения.
Важными задачами обеспечения безопасности автомобильных дорог общего пользования в России является проектирование и контроль их искусственного освещения. Главной целью наружного освещения на автомобильных дорогах является создание безопасных и комфортных условий видения для водителей транспорта в темное время суток. Отражение дорожного покрытия носит ярко выраженный направленный характер, зависящий от направления освещения, типа и состояния отражающей поверхности.
Одним из важных критериев является яркость дорожного покрытия, исследование которой проводятся как в натурных, так и в лабораторных условиях с помощью стационарных установок. Переход на яркостную концепцию нормирования связан с необходимостью проведения полномасштабных исследований яркостных характеристик эксплуатируемых и разрабатываемых типов отечественных дорожных покрытий с последующей их стандартизацией.
Известно устройство растрового гониофотометра (патент RU 2006799, опубл. 30.01.1994), содержащего коллиматор с оптическим растром, выполненным в виде системы параллельных непрозрачных экранов, включающей входной и еыходной основные экраны и установленные между ними промежуточные экраны, в каждом из которых выполнены равномерно распределенные отверстия, соосные между собой, интегрирующий элемент, например в виде линзы, приемник излучения с блоком регистрации и поворотный узел гониофотометра. При этом блок фотоприемников состоит из набора фотоприемников, каждый из которых установлен по заданному направлению. Недостатком данного гониофотометра являются большое количество промежуточных экранов, необходимых для надежной экранировки лучей, отклоняющихся от заданного направления, и большие габаритные размеры.
Известен прибор для измерения возвратно-отражающей способности изделий (патент RU 2311631, опубл. 27.11.2007), имеющий светонепроницаемый корпус и содержащий источник света, устройство базирования испытуемого образца, фотоприемник и светоделительное устройство, включающее полупрозрачную зеркальную грань, центр которой образует с центром базирования главный оптический канал (или канал освещения-отражения), а с источником и фотоприемником - оптические каналы излучения и фотоприема соответственно, ось одного из которых является продолжением главной оси канала, а ось другого - продолжением зеркального изображения оси главного канала в зеркале светоделителя, и центр этот размещен на одинаковом расстоянии от выходного отверстия источника и входного отверстия фотоприемника. В качестве устройства базирования образца используется передняя часть корпуса в зоне главного светового отверстия прибора, через которое освещается возвратно-отражающий образец, при этом плоскость контура отверстия определяет угол освещения образца.
Блок источника света включает диафрагму с выходным отверстием диаметром меньше светящего тела, освещаемую лампой накаливания непосредственно или через линзу с диафрагмой для уменьшения паразитной засветки. Перед фотоприемником установлена диафрагма с отверстием приблизительно такого же диаметра, как и у источника света. Апертурные отверстия источника и приемника размещены по отношению к зеркалу так, что центр изображения отверстия приемника (создаваемого зеркалом) отстоит от центра отверстия источника на расстояние, при котором обеспечивается предусмотренное в паспорте прибора значение угла расхождения (наиболее вероятно α=20', т.е. α=0,0058 рад).
Недостатком указанного устройства является сложность точного позиционирования разнесенных за счет использования светоделительных устройств каналов источника и приемника излучения относительно друг друга в короткобазных схемах прибора.
Известно устройство оптической системы для коллимации света (патент RU 2644082, опубл. 07.02.2018). Одной такой оптической системой, которую часто используют, является коллиматор, находящий применение в полном внутреннем отражении (ПВО). Оптическая система включает в себя тело и выемку, сформированную на первой стороне тела. Выемка имеет центральную и боковую поверхности ввода света и центральную поверхность выхода света, предусмотренную на второй стороне тела, противоположной первой стороне. Центральная поверхность ввода света расположена относительно центральной поверхности выхода света таким образом, что свет, падающий на центральную поверхность ввода света, направляется к центральной поверхности выхода света. На боковой поверхности тела предусмотрена поверхность полного внутреннего отражения, расположенная таким образом, что поступающий свет, падающий на боковую поверхность ввода света, принадлежащую выемке, направляется к поверхности полного внутреннего отражения и отражается ко второй стороне тела. Кроме того, оптическая система включает в себя зону подавления, окружающую центральную поверхность ввода света. Конфигурация зоны подавления обеспечивает предотвращение выхода попадающего в зону подавления света из тела через вторую сторону. В соответствии с вариантом осуществления, осветительное устройство может содержать отражающий кожух, который расположен вокруг боковой поверхности и первой стороны тела оптической системы, и свет может быть отражен кожухом обратно в тело и может также вносить вклад в свет, выдаваемый из оптической системы, по существу, без коллимации. Технический результат заключается в уменьшении неравномерности испускаемого света. Недостатком является сложность конструкции коллиматора.
Для измерения отражательных свойств, будь то индикатриса показателя яркости или коэффициента яркости, применяются специальные измерительные комплексы -гониорефлектометры, которые являются сложной фотометрической системой, состоящей из нескольких элементов. На основе измерений на таких приборах в Европе создана классификация и база данных дорожных покрытий.
-4
Известна лабораторная установка, разработанная в Германии (Peiner P. Die Erfassung der lichttechnischen Eigenschaften von Strabendecken - Ergebnisse einer Mebreihe. Maga2ine of Lichttechnik. 1973. No. 25) для измерения отражательных характеристик асфальтобетонных покрытий. Установка требует больших площадей (не менее двух строительных модулей -6x12 м). Освещение горизонтально расположенных образцов осуществляется системой, состоящей из источника света мощностью 0,95 кВт и пары зеркал, одно их которых вынесено на расстояние 12 м, а второе зеркало, наклонное, расположено между образцом и источником света и жестко связано с последним. Угловая апертура пучка равна 5,8⋅10 ср. Поворотные устройства позволяют устанавливать углы наблюдения в меридиональной (от 0 до 180°) и в экваториальной (от 0 до 360°) плоскостях. Недостатком рассматриваемой установки являются ее значительные размеры, рассчитанные на крупногабаритные образцы покрытия размером 300×400 мм, вырубленные на реальных дорогах.
Известна стационарная лабораторная установка для измерения отражательных характеристик асфальтобетонных покрытий (Frederiksen Е., Gudum L. The quality of street lighting installation under changing weather conditions. Lighting Research and Technology. 1972. No. 4), в которой источник освещения перемещается по прямой на постоянной высоте, выше выборки из образцов, стол, на котором установлен образец, вращается, а яркомер позволяет устанавливать различные углы наблюдения. Измерения на такой установке осложнены постоянным перемещением источника, что влечет за собой изменение расстояния между источником и образцом, сложную юстировку, наведение пучка света на образец, что является не только затратным с точки зрения времени, но и источником дополнительных погрешностей.
Задачей технического решения является разработка конструкции компактного осветительного устройства для использования, в частности, в стационарной лабораторной установке для исследования яркостных характеристик дорожных асфальтобетонных покрытий, обеспечивающего равномерную освещенность на всей поверхности прямоугольного образца при изменении положения осветителя относительно поверхности образца.
Технический результат состоит в возможности обеспечения равномерной освещенности по всей поверхности прямоугольного образца путем получения коллимированного светового пучка при минимизации боковой засветки и минимальной экранировке образца при изменении угла освещения и при увеличении компактности конструкции в целом.
Созданная оптическая система характеризуется минимальными размерами, что позволяет уменьшить габаритные размеры осветителя, повысить надежность и качество измерений.
Понятия и определения:
Лимб - кольцо с равномерно расположенными штрихами (делениями), важная часть угломерных инструментов.
Коллимированный пучок из света или другого электромагнитного излучения имеет параллельные лучи и, следовательно, будет распространяться, минимально расширяясь по мере распространения (ru.abcdef.wiki).
Лира - (поворотная дуга).
Фотометрирование - процесс измерения коэффициента отражения света от поверхности образца (http://www.complexdoc.ru/lib/TOCT Р 51108-2016).
Фотометрия - измерение величин, характеризующих излучение в соответствии с принятой функцией относительной спектральной световой эффективности Р 58814-2020.
Индикатриса - (франц. indicatrice, букв. - указывающий) в оптике: графическое изображение зависимости характеристик светового поля (яркости, поляризации света) или оптических характеристик среды (показателей преломления, отражательной способности) от направления. Большой энциклопедический словарь.
Индикатриса фотометрической величины - угловое распределение фотометрической величины в пространстве или в плоскости (ГОСТ 26148-84).
Поставленная задача решается следующим образом.
Осветительное устройство стационарной установки для измерения яркостных характеристик прямоугольных образцов содержит источник света и стеклянный зеркальный отражатель, закрепленные с возможностью регулирования положения на поворотной дуге, выполненной с возможностью независимого вращения, один из концов которой подвижно связан с лимбом, при этом в качестве стеклянного зеркального отражателя использован прямоугольный фрагмент стеклянного параболоидного зеркального отражателя. Источник света закреплен в корпусе. Взаимное расположение источника света и стеклянного зеркального отражателя для достижения равномерного освещения образца корректируется регулировочными элементами. Осветительное устройство характеризуется тем, что в корпусе источника света выполнено прямоугольное отверстие, смещенное относительно центра светодиода, ограничивающее размер светового пучка по размеру фрагмента стеклянного параболоидного зеркального отражателя.
Конструкция устройства представлена на следующих фигурах графических изображений:
Фиг. 1 - осветительное устройство в работе.
Фиг. 2 - источник света с фрагментом стеклянного параболоидного зеркального отражателя.
Фиг. 3 - фото источника с фрагментом стеклянного параболоидного зеркального отражателя.
Фиг. 4 - стеклянный параболоидный зеркальный отражатель ОПС 495.192 ТУ 5927-001-96129164-201. Где:
1 - источник света (стандартный светодиод);
2 - корпус источника света;
3 - стеклянный зеркальный отражатель (фрагмент стеклянного параболоидного зеркального отражателя);
4 - поворотная лира (поворотная дуга);
5 - регулировочный элемент источника света;
6 - регулировочный элемент стеклянного зеркального отражателя;
7 - лимб;
8 - прямоугольный образец дорожного покрытия;
9 - прямоугольное отверстие в корпусе осветлителя.
Предлагаемое осветительное устройство (фиг. 1) включает в себя источник света, в качестве которого использован стандартный светодиод (1), размещенный в компактном корпусе (2), закрепленном с возможностью регулирования его положения с помощью элемента регулирования (5) на поворотной дуге - лире (4), фрагмент стеклянного параболоидного зеркального отражателя (3) размером 180×180 мм, закрепленный в шарнирном регулировочном элементе (6), установленном на поворотной дуге - лире (4).
Поворотная дуга - лира (4) выполнена с возможностью независимого вращения относительно горизонтальной оси YY', что позволяет изменять положение осветителя относительно исследуемого образца, т.е. изменять угол освещения. Отсчет фиксируемых углов осуществляется с помощью лимба (7), подвижно связанного с поворотной лирой (4).
Устройство работает следующим образом.
Осветительное устройство, включающее источник света (1) в корпусе (2) и фрагмент стеклянного параболоидного зеркального отражателя (3), закрепленные на поворотной лире (4), подвижно связанной с лимбом (7), размещают на стационарной установке для измерения яркостных характеристик прямоугольных образцов асфальтобетонного дорожного покрытия (на Фиг. 1 изображен фрагмент горизонтального поверхности установки для размещения образца, остальные элементы установки не показаны), в центре которой находится исследуемый образец дорожного покрытия прямоугольной формы размером 180x180 мм.
Исследование именно прямоугольного фрагмента оптимальных размеров обусловлено простотой его получения в отличие, например, образцов круглой формы требуемых размеров, обеспечивающих получение достоверных результатов освещенности дорожного покрытия. Светодиодный источник света (1), закрепленный на лире (4), располагают в фокусе F стеклянного зеркального отражателя (3) (Фиг. 2). Регулировочные элементы (5), (6) конструкции на поворотной лире (4) позволяют осуществить юстировку источника света относительно стеклянного зеркального отражателя (3), так чтобы световой пучок полностью попадал на отражатель, и позволяют обеспечить юстировку отражателя относительно исследуемого образца (8) прямоугольной формы, так чтобы коллимированный световой пучок полностью попал и совпал с исследуемым образцом (8) дорожного покрытия. Все это обеспечивается возможностью независимого вращения источника света (1) и фрагмента стеклянного параболоидного зеркального отражателя (3) для изменения положения осветителя с отражателем относительно исследуемого образца (8).
Световой пучок, отражаясь от стеклянного зеркального отражателя (3), выполненного из прямоугольного фрагмента параболоидного зеркального отражателя (Фиг. 4), преобразуется в коллимированный световой пучок квадратного сечения и поступает на поверхность исследуемого квадратного образца (8). В силу того, что коллимированный пучок света имеет форму квадрата, соответствующего форме исследуемого образца, обеспечивается равномерная освещенность по всей поверхности прямоугольного образца и ограничиваются боковые засветки. Благодаря компактной конструкции осветительного устройства, позволившей исключить применение традиционной громоздкой линзовой системы, исключаются физические помехи, экранировка при изменении положения осветителя относительно поверхности образца становится минимальной, что позволяет повысить качество и достоверность проводимых исследований.
Поворотная лира (4) имеет возможность независимого вращения относительно оси YY', что позволяет изменять положение осветителя, включающего источник света (1) и фрагмент стеклянного параболоидного зеркального отражателя (3), относительно исследуемого образца (8), неподвижно закрепленного на предметном столе установки (Фиг. 1), т.е. изменять угол освещения, производить отсчет фиксируемых углов с помощью лимба (7). Перед проведением измерения котировочным устройством (устройством регулирования положения светодиодного источника света (1) и квадратного фрагмента стеклянного параболоидного зеркального отражателя (3)) выставляется положение отражателя, обеспечивающего полное освещение исследуемого объекта и совпадение светового пятна с исследуемым образцом (8). Несовпадение светового пятна с исследуемым образцом (8) ведет к снижению точности измерения.
Светодиодный источник света (1) располагают в фокусе F отражателя (3) (Фиг. 2), обеспечивающего равномерное освещение по всей поверхности прямоугольного образца дорожного покрытия (8). Для устранения боковых засветок в корпусе осветителя на расстоянии 10 мм от светодиода выполнено прямоугольное отверстие (9), смещенное вверх относительно центра светодиода по направлению к фрагменту стеклянного параболоидного зеркального отражателя (3), ограничивающее размер светового пучка по размеру фрагмента отражателя.
Регулировочные элементы (5) и (6) позволяют проводить юстировку положения источника света (1) и фрагмента стеклянного параболоидного зеркального отражателя (3) для корректировки светового пучка, падающего на поверхность образца (8).
Фотометрический центр установки О находится в точке пересечения осей XX' и YY' и располагается в центре исследуемого образца на его внешней поверхности.
Для получения стеклянного зеркального отражателя, позволяющего получить коллимированный пучок световых лучей, был выбран стеклянный параболоидный зеркальный отражатель ОПС 495.192 ТУ 5927-001-96129164-2014 (Фиг. 4), из которого на предприятии-изготовителе были вырезаны квадратные фрагменты (Фиг. 4).
Представленное осветительное устройство обеспечивает возможность проведения измерения яркостных характеристик прямоугольных образцов асфальтобетонного дорожного покрытия на стационарной лабораторной установке, созданной на базе гониометра, при малых расстояниях фотометрирования, освещаемых коллимированным световым пучком, падающим на исследуемый образец (8) под определенными фиксированными углами, и при различных углах наблюдения. Таким образом, данная конструкция устройства дает возможность получения в результате исследований достоверной информации о пространственном распределении яркостных характеристик прямоугольных образцов асфальтобетонного дорожного покрытия при малых расстояниях фотометрирования.
Устройство может быть реализовано в условиях массового производства с использованием стандартных составлающих.