ОСВЕТИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР С СИД И УЛУЧШЕННЫМ ОТРАЖАЮЩИМ КОЛЛИМАТОРОМ
ILLUMINATOR WITH LED AND IMPROVED REFLECTIVE COLLIMATOR

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к осветительному прибору, содержащему корпус с соединителем для источника света, выполненный с возможностью содержать по меньшей мере один СИД (светоизлучающий диод) для излучения света в главном направлении, и отражающий коллиматор, соединенный с корпусом. Изобретение также относится к способу изготовления такого осветительного прибора.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Осветительный прибор, относящийся к типу, упомянутому во вступительном параграфе, как таковой известен. Например, патентная публикация US 7891842-B2 раскрывает осветительный прибор с СИД, расположенным в корпусе, и отражателем, прикрепленным к этому корпусу. Отражатель обычно выполнен как усеченное коническое тело, которое может по существу коллимировать свет, излучаемый СИД. В отражающей поверхности тела отражателя сформировано множество вентиляционных отверстий. Эти вентиляционные отверстия позволяют рассеивать теплоту, генерируемую СИД во время работы осветительного прибора. Для улучшения рассеивания теплоты на большем конце конического тела отражателя сформирован кольцевой фланец с дополнительными отверстиями.
Известный осветительный прибор унаследовал разные недостатки. Как показано на чертежах упомянутой патентной публикации, выбранная конструкция отражателя для коллимации света, вырабатываемого СИД, требует "глубокого" или "длинного" отражателя. Поэтому соотношение сторон (длина/диаметр) известного отражателя довольно высоко. Более того, вентиляционные отверстия в отражателе могут портить качество отражения отражателя. Этот недостаток является особенно проблематичным, когда отражатель сконструирован как отражающий коллиматор для испускания света, вырабатываемого СИД в форме по существо параллельного пучка света. Наконец, рассеяние теплоты, генерируемой СИД внутри отражателя, не является оптимальным.
ЗАДАЧА И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является преодоление или по меньшей мере уменьшение этих и возможных других недостатков. Более подробно, настоящее изобретение направлено на предоставление осветительного прибора, который объединяет компактную конструкцию с оптимальными свойствами коллимации. Изобретенный осветительный прибор должен, кроме того, показать улучшенное рассеяние теплоты.
Эти и возможные другие задачи достигаются с помощью осветительного прибора, содержащего корпус с соединителем для источника света, выполненный с возможностью содержать по меньшей мере один СИД для излучения света в главном направлении, и отражающий коллиматор, соединенный с корпусом, причем упомянутый коллиматор содержит множество отражающих сегментов, которые разнесены друг с другом посредством воздушных щелей, подходящих для тепловой вентиляции, при этом сегменты выполнены с возможностью отражать латерально излучаемый свет, генерируемый источником света, в направлении, которое по существу параллельно упомянутому главному направлению, и осветительный прибор содержит преломляющий коллиматор, выполненный с возможностью коллимировать центрально излучаемый свет, генерируемый источником света, в направлении, которое по существу параллельно упомянутому главному направлению.
Изобретение основано на понимании изобретателями того факта, что компактность и тепловое рассеяние известного осветительного прибора могут быть сильно улучшены, используя конструкцию, в которой коллиматор составлен из некоторого количества взаимно отделенных отражающих сегментов. Эти сегменты по существу являются деталями, имеющими параболический отражающий контур с разным фокусным расстоянием (расстояние между фокальной точкой и вершиной параболы). Эти сегменты последовательно расположены так, чтобы между соседними сегментами присутствовала воздушная щель. Воздушная щель такого типа также может присутствовать между корпусом и сегментом, ближним к корпусу. Однако последний из типов воздушной щели не является необходимым для работы настоящего изобретения. Корпус может быть выполнен как подложка, на которой смонтирован источник света. Однако он может быть представлять собой контейнер в форме чаши, или короба, в котором или на котором расположен источник света, если необходимо вместе с электронными компонентами и проводами. Преломляющий коллиматор предпочтительно выполнен как оптическая линза. В частности с помощью преломляющего коллиматора достигается то, что центральная часть светового пучка также выпускается в форме лучей, параллельных главному направлению, в отличие от, например, коллиматора, который выпускает свет во всем окне светового излучения и содержит только отражающие сегменты. Кроме того, в коллиматоре, содержащем только отражающие сегменты, центральные сегменты (т.е., расположенные близко к оптической оси или оптической плоскости) продолжаются почти параллельно главному направлению, таким образом, упомянутый коллиматор исполнен относительно длинным и поэтому имеющим неблагоприятно высокое соотношение сторон. Линза Френеля является более предпочтительной, поскольку сохраняет компактность прибора. Поэтому, соотношение сторон этого прибора едва изменится или не изменится, когда на центральной части отражающего коллиматора или внутри нее будет расположена такая линза Френеля.
Предпочтительно, отражающие сегменты имеют форму колец, линейную, круглую или многоугольную форму, т.е., наиболее часто используемую форму отражателей. Не считая внешнего отражающего сегмента, и по отношению к центральному отражающему сегменту все (другие, промежуточные) отражающие сегменты могут быть двухсторонними отражающими сегментами. Под двухсторонними отражающими сегментами следует понимать интегральные сегменты, которые выполнены как одна деталь и являются отражающими на обеих сторонах, т.е., имеют отражающую первую главную поверхность и отражающую вторую главную поверхность по существу с взаимно отличающимися контурами. Альтернативно, двухсторонние сегменты, как следует понимать, содержат расположение и комбинацию двух или более односторонних отражающих сегментов с неотражающими сторонами, повернутыми друг к другу, и чьи односторонние отражающие сегменты вместе фактически формируют интегральный, неразъемный двухсторонний отражающий сегмент. Эти отражающие сегменты удерживаются на месте держателем. В целом отражающий коллиматор работает следующим образом:
- первый отражающий сегмент отражает своей первой отражающей главной поверхностью свет, приходящий от источника света, как однократно отраженный свет на второй отражающий сегмент, который в радиальном направлении находится дальше от центральной оси или плоскости светового пучка, выпущенного осветительным прибором в целевом направлении, т.е., в случае круглых отражающих сегментов отражающий сегмент большего общего диаметра;
- соответствующий второй сегмент отражает своей второй отражающей главной поверхностью однократно отраженный свет как дважды отраженный свет в направлении, по существу параллельном целевому направлению в целевую область, при этом целевое направление по существу соответствует оптической оси осветительного прибора. Углы наклона и протяженность/размер первого и второго отражающих сегментов (но вообще это применимо ко всем отражающим сегментам) выбраны так, что по существу не происходит никакой блокировки (затенения) путей прямых или отраженных лучей света и что по существу весь свет, т.е., более 90% или более 95% или даже 98% света от источника света, захватывается и коллимируется.
Эта оптическая модель собирает и коллимирует весь свет от ламбертовского источника света, которым, например, может быть СИД, т.е., эффективность коллимации приближается к 100% (без учета относительно небольших потерь при отражении). Эта оптическая модель также работает с компактной короткодуговой газоразрядной лампой высокого давления или галогеновой лампой накаливания, и может быть спроектирована для покрытия более чем полусферического телесного угла такого равномерно излучающего источника света.
Благодаря конструкции сегментированного коллиматора устраняется необходимость в длинном или глубоком теле коллиматора. Поэтому "соотношение сторон" осветительного прибора может быть спроектировано относительно небольшим. Более того, относительно большие воздушные щели могут быть спроектированы между отражающим коллиматором и корпусом, а также между соседними отражающими сегментами. Отражающие сегменты могут быть тонкими, и благодаря своей ориентации, отражающие сегменты показывают очень малое сопротивление воздушному потоку. Таким образом, теплота, генерируемая СИД в пространстве, определенном корпусом и коллиматором, может теперь относительно легко выветриваться в окружающую среду конвекционным потоком воздуха через эти щели. Таким образом, конструкция по настоящему изобретению обеспечивает много свободы для достижения малого соотношения сторон и оптимальной конструкции для рассеяния теплоты на переднем конце осветительного прибора.
Как будет более подробно показано ниже, отражающий коллиматор, имеющий конструкцию по настоящему изобретению, особенно подходит для коллимации латерально излучаемого света. Его следует понимать как свет, излучаемый под углом, превышающим приблизительно 30° от основного направления света, излучаемого СИД. Свет, излучаемый под меньшими углами - по существу именуемый центрально излучаемым светом - может оставаться неколлимированным или может быть коллимирован другими средствами. Упомянутая последняя часть излучаемого света не может быть эффективно коллимирована отражающим коллиматором, имеющим конструкцию по настоящему изобретению. Слово "приблизительно" указывает, что хотя угол 30° считается оптимальным, этот угол также может быть выбран несколько большим или меньшим. Упомянутый угол также может быть 25° или 35°, или любым углом в диапазоне от 20° до 40°. Выражение "по существу параллельный" означает, что коллимированный свет параллелен главному направлению излучаемого света с отклонением максимум 20°, предпочтительно максимум 10°, и наиболее предпочтительно, максимум 5°. Настоящее изобретение считается применимым как в осветительных приборах, постоянно содержащих один или более СИД, так и в приборах, приспособленных для ввода или замены СИД в соединителе для источника света. Упомянутый последний соединитель предусматривает электрический контакт между СИД и источником электроэнергии в осветительном приборе.
Необязательно, если смотреть на источник света в поперечном сечении, поперечно отражающим сегментам и вдоль целевого направления, двухсторонние отражающие сегменты расположены во вложенной один в другой конфигурации. Такое расположение отражающих сегментов означает, что световые лучи от источника, излучаемые под увеличивающимися межосевыми углами от целевого направления, выходят из окна светового излучения с увеличивающимся радиальным расстоянием от центра окна светового излучения. Согласно условию синусов Аббе коллиматоры, удовлетворяющие таким характеристикам, производят относительно постоянное увеличение. Условие синусов Аббе является условием, которое должно быть выполнено линзой или другой оптической системой для создания отчетливых изображений объектов, находящихся как на оси, так и вне оси в целевой области. Для осветительных приборов это транслируется в хорошую отсечку на краях рисунка.
Интересный вариант осуществления осветительного прибора по настоящему изобретению имеет признак, что соединитель для источника света выполнен с возможностью содержать множество СИД, расположенных в линию, и причем отражающие сегменты имеют продольную форму и расположены парами, которые проходят по существу параллельно линии, определенной СИД. Этот вариант осуществления особенно полезен для так называемого "линейного освещения". В таких вариантах осуществления отдельные сегменты пар отражающих сегментов расположены с обеих сторон от "оптической плоскости", определенной главным направлением световых пучков, излучаемых множеством СИД во время работы прибора.
В принципе, множество СИД может быть размещено по кривой линии, но установка по прямой линии является предпочтительной. В этой последней конструкции продольные отражающие сегменты также имеют прямую форму, которая может быть более легко изготовлена, чем изогнутые формы. Линия СИД может быть сконструирована так, чтобы иметь один СИД на одну позицию источника света, однако также возможны линии, имеющие два или более близко расположенных СИД на каждую позицию источника света. СИД, расположенные в линию, сконструированы так, чтобы соседние СИД находились близко друг к другу, но соседние СИД в линии также могут быть на некотором, предпочтительно одинаковом, расстоянии. СИД могут быть расположены на плоской поверхности, но также возможно размещение СИД и на ступенчатой поверхности.
Другой интересный альтернативный вариант осуществления осветительного прибора по настоящему изобретению имеет признак, что соединитель для источника света выполнен с возможностью содержать один или более СИД, расположенный в плотно упакованной решетке, и причем отражающие сегменты имеют кольцевую форму. Этот вариант осуществления изобретения особенно интересен для применений точечного освещения, в которых источник света по существу напоминает подобный компакт-диску источник света. Упомянутый источник света может содержать единственный СИД высокой мощности или некоторое число одинаковых СИД, расположенных близко друг к другу. В этом отношении предпочтение отдается компактным конструкциям, использующим три, четыре или семь СИД, расположенных симметрично на близком расстоянии. Эти СИД могут быть доступны в форме индивидуальных пакетов СИД, или в форме так называемых решеток «чипов на плате».
В рамках настоящего изобретения в осветительном приборе могут быть применены сегменты разных кольцевых форм. При этом возможны отражающие коллиматоры, имеющие отражающие сегменты многоугольной, прямоугольной и квадратной формы, а также отражающие коллиматоры, содержащие отражающие сегменты эллиптической формы. Однако предпочтительными являются отражающие сегменты, имеющие по существу круглую форму. Последняя конструкция осветительных приборов по настоящему изобретению наиболее близко напоминает популярные в настоящее время конструкции узконаправленных источников света. Упомянутые формы образуются контуром, полученным при поперечном сечении, сделанном через сегменты, и плоскостью, перпендикулярной средней оптической оси СИД.
Другой интересный вариант осуществления осветительного прибора по настоящему изобретению отличается тем, что соседние отражающие сегменты расположены так, что во время работы прибора свет, излучаемый источником света, по существу не может выйти между соседними сегментами, и сегмент по существу не отбрасывает тень на соседний сегмент. Нежелательные потери света присутствуют в том случае, если неотраженный свет может выходить через зазор между соседними сегментами коллиматора. Затененные области на отражающих поверхностях отражающих сегментов также нежелательны. Такие тени уменьшают функционирующую часть поверхности коллиматора. Более того, наличие таких областей снижает максимально достижимую интенсивность коллимированного светового пучка. Кроме того, такие тени свидетельствуют о неоптимальной конструкции отражающего коллиматора, ведущей к ненужному увеличению материала отражателя и уменьшению рассеяния теплоты. Также, по настоящему изобретению предусмотрен осветительный прибор, в котором отражающий коллиматор частично расположен между источником света и окном светового излучения, а также частично за источником света, наблюдая в направлении от источника вдоль оптической оси. Этот вариант осуществления имеет преимущество в том, что из осветительного прибора выходят по существу только коллимированные, дважды отраженные параллельные световые лучи.
Также интересным является осветительный прибор, который имеет признак изобретения, что отражающая поверхность отражающих сегментов является изогнутой. Следует отметить, что существенная коллимация света, излучаемого СИД, уже достигнута, когда отражающая поверхность сегментов является плоской, или, более предпочтительно, имеет многогранную структуру с плоскими гранями. Однако увеличенная коллимация достигается в случае, когда отражающая поверхность является изогнутой. Контур изогнутой поверхности может быть круглым, однако предпочтительным является параболический контур, поскольку такой контур теоретически может обеспечить максимальную коллимацию. В последнем варианте осуществления отражающие поверхности разных сегментов формируют части параболической последовательности, которые отличаются друг от друга наличием разного фокусного расстояния. Эти части сегментов расположены так, чтобы их фокальные точки (в случае кольцевых коллиматоров) или фокальные линии (в случае коллиматоров продольной формы) совпадали. В последней конструкции источник света должен быть расположен в фокальной точке или на фокальной линии расположенных таким образом сегментов отражателя.
Контуры для части отражающих сегментов в поперечном сечении, т.е., поперечно их продольному направлению, могут быть выбраны прямыми, эллиптическими или параболическими, но два асферических профиля имеют некоторые преимущества, особенно если они рассчитаны на распределенные источники. Дополнительно или альтернативно, возможно обеспечить наложенную структуру, например, зеркальную сегментацию или грани, на отражающие сегменты. Такая структура может быть отклонением от контуров каждого отражающего сегмента, или разбиением отражающих сегментов на множество граней, как в радиальном направлении, так и в направлении вращения. Следует также обратить внимание на вариант осуществления осветительного прибора по настоящему изобретению, в котором по меньшей мере часть отражающей поверхности отражающих сегментов содержит отражающие грани. Эти грани могут быть плоскими или с кривизной в одном или двух направлениях. Они также могут быть вогнутыми или выпуклыми. Такие грани могут улучшить равномерность коллимированного пучка, производимого СИД и/или выполнять тонкую настройку формы пучка и/или смешивать цвета в световом рисунке. В случае, если применяются СИД, которые испускают излучение разных длин волн, такие грани могут усилить смешивание цветов в световом пучке, излучаемом осветительным прибором. Наивысшая однородность пучка и смешивание цветов достигаются, если грани, содержащиеся на отражающих сегментах, удлинены как в радиальном направлении, так и в направлении вращения.
Другой привлекательный вариант осуществления осветительного прибора по настоящему изобретению отличается тем, что отражающие поверхности сегментов отражателя выполнены из оптически прозрачного диэлектрического материала, который содержит радиально простирающиеся канавки полного внутреннего отражения. В такой конструкции световые лучи, падающие на отражающую поверхность, подвергаются первому преломлению на передней поверхности отражателя, затем первому полному внутреннему отражению, на поверхности канавки, затем второму полному внутреннему отражению на поверхности канавки, и, наконец, второму преломлению на повернутой передней поверхности. Если канавки полного внутреннего отражения сформированы так, чтобы каждая пара поверхностей канавки по существу формировала угол 90°, траектория пучка, описанная выше, как правило, проходит по тому же пути, как и единичное зеркальное отражение.
Как подробно описано выше, под центрально излучаемым светом следует понимать свет, излучаемый источником света под небольшим углом приблизительно 30° или менее к главному направлению. Такой свет трудно коллимировать сегментами отражателя в осветительном приборе по настоящему изобретению. Коллимация такого света подразумевает очень малые углы отражения на отражающей поверхности сегментов. Более того, расположение соседних сегментов, требуемых для отражения этой части излучаемого света должно быть очень близким друг к другу. Поэтому для коллимации центральной части света, излучаемого СИД, предпочтительно применять преломляющий элемент, например линзу. Слово "приблизительно" указывает на то, что хотя угол 30° считается оптимальным, этот угол также может также быть выбран несколько большим или меньшим. Упомянутый угол также может быть 25° или 35°, или любым углом в диапазоне от 20° до 40°. Выражение "по существу параллельный" означает, что коллимированный свет параллелен главному направлению излучаемого света с отклонением максимум 20°, предпочтительно, максимум 10°, и наиболее предпочтительно, максимум 5°.
Другой вариант осуществления осветительного прибора по настоящему изобретению, представляющий интерес, отличается тем, что по меньшей мере один СИД прибора находится в термическом соединении с отражающими сегментами через соединительные средства, и тем, что отражающие сегменты и соединительные средства содержат теплопроводный материал. Признаки этого варианта осуществления позволяют эффективный перенос теплоты, генерируемой СИД на отражающие сегменты. Эта перенесенная теплота затем может быть рассеяна конвекционными воздушными потоками, которые могут легко обтекать отражающие сегменты через открытые воздушные зазоры. Во время обтекания сегментов эти потоки могут отбирать теплоту и распределять ее во внешнее пространство.
Множество отражающих сегментов поддерживаются в правильном положении и ориентации относительно источника света посредством множества соединительных средств. На практике эти соединительные средства также поддерживают соседние отражающие сегменты во взаимно стабильном и правильном положении. Эти соединительные средства дополнительно соединяют сегменты и СИД обычно через корпус прибора, который может быть выполнен как подложка СИД, подставка СИД и/или отдельный радиатор, на котором расположен(ы) СИД. Количество и тип соединительных средств зависят от размеров продольных или кольцевых отражающих сегментов. На практике два, три или четыре симметрично расположенных соединительных средства используют в осветительных приборах, имеющих кольцевой коллиматор. Количество соединительных средств в осветительных приборах, имеющих отражающие сегменты продольной формы, зависит от длины этих сегментов. Площадь проекции, занимаемая соединительными средствами, невелика по сравнению с пространством, определенным воздушными зазорами, типично менее чем 10% и более типично, менее чем 2%. Поэтому наличие таких соединительных средств не влияет или почти не влияет на рассеяние теплоты конвекционными воздушными потоками через воздушные зазоры. Кроме того, наличие соединительных средств лишь незначительно влияет на оптическую эмиссию света.
В принципе, как для отражающих сегментов, так и для соединительных средств могут быть использованы разные типы материалов. Так, возможны сегменты из пластика. Такие материалы обычно не имеют свойств теплопереноса. Поэтому предпочтительными являются сегменты из металла, поскольку они имеют значительно лучшие свойства теплопереноса. Как правило, сегменты и соединительные средства по меньшей мере в основном состоят из меди, алюминия или их сплавов, которые очень подходят для применения в этом варианте осуществления осветительного прибора по настоящему изобретению, особенно ввиду их прекрасных свойств теплопереноса.
Еще один интересный вариант осуществления настоящего изобретения обладает признаком, что соединительные средства содержат тепловую трубку. В тепловой трубке теплота поглощается на горячем конце за счет испарения рабочей жидкости, заключенной внутри тепловой трубки. Полученный газ конденсируется на холодной стороне тепловой трубки, выделяя на нем латентную теплоту. Капиллярные силы и конвекция газа являются силами транспортировки массы, которые обеспечивают очень высокий теплоперенос, недостижимый проводниками теплоты из сплошного металла. Наличие таких тепловых трубок может существенно повысить перенос теплоты от СИД на сегменты отражающего коллиматора.
Другой, улучшенный вариант осуществления осветительного прибора по настоящему изобретению обладает признаком, что он содержит средство для генерирования принудительного воздушного потока вдоль отражающих сегментов. Такая мера может вызвать существенно усиленное рассеяние теплоты, производимой СИД в осветительном приборе. Применение такой меры может быть необходимым, если пассивный конвекционный воздушный поток, нагретый подложкой СИД и/или отражающими сегментами приводит к недостаточному рассеянию теплоты. Принудительный воздушный поток может быть сгенерирован нагнетанием или всасыванием. Поэтому нагретый воздух может быть выдуваемым из корпуса через воздушные щели между отражающими сегментами, благодаря чему забор воздуха может происходить на задней стороне осветительного прибора. В другом варианте осуществления воздушный поток может быть реверсирован, при этом воздух засасывается со стороны коллиматора, а нагретый воздух выдувается на задней стороне осветительного прибора. В еще одном варианте осуществления холодный воздух может всасываться через некоторые из воздушных щелей между отражающими сегментами, при этом нагретый воздух может выдуваться между другими отражающими сегментами. Принудительный воздушный поток предпочтительно реализуется посредством эффективного воздухоподавателя, такого как вентилятор, нагнетатель или синтетическая струя, которая может быть создана в осветительном приборе. Такой принудительный воздушный поток может рассеивать теплоту в достаточной мере, чтобы теплота, генерируемая СИД, не оказывала негативного влияния на свойства СИД и управляющей электроники.
Другой интересный вариант осуществления изобретения имеет признак, что соединитель для источника света содержит по меньшей мере один СИД. Этот СИД может быть постоянно прикреплен в соединителе для источника света или может быть съемным или сменным. Могут быть применены разные типы СИД, например, белые (покрытые люминофором) СИД или СИД, излучающие на разных длинах волн. В рамках настоящего изобретения могут быть использованы как маломощные, так и мощные СИД.
Необязательно, соседние отражающие сегменты расположены так, что во время работы по существу отсутствует свет, например, <=10%, <=5% или <=2% света, излучаемого источником света, который может проходить между упомянутыми соседними сегментами, не будучи отраженным, и по существу отсутствует часть поверхности тени, например, <=10%, <=5% или <=2% от освещенной площади сегментов, отбрасываемой от сегмента на соседний сегмент светом от упомянутого источника света. Таким образом, создается противодействие нежелательным потерям света по причине неотраженного света, выходящего через оптические зазоры между отражающими сегментами. Затененные области на отражающих сегментах соседних отражающих сегментов также нежелательны, поскольку такие тени уменьшают функциональную часть отражающих сегментов и, следовательно, коллиматора. Более того, наличие такой затененной области уменьшает максимально достижимую интенсивность коллимированного светового луча. Кроме того, такие области тени свидетельствуют о неоптимальной конструкции отражающего коллиматора, ведущей к ненужному увеличению материала отражателя.
Осветительный прибор мог бы быть интегральным осветительным прибором, содержащим заранее установленный источник света, постоянно зафиксированный на основании, и в этом случае возникает преимущество, заключающееся в том, что источник света с коллиматором заранее отъюстированы в осветительном приборе. Альтернативно, в случае легко юстируемых источников света, это мог бы быть неинтегральный осветительный прибор, в котором отдельный источник света монтируется на основание и, необязательно, также может быть извлекаемым из него.
Настоящее изобретение далее относится к светильнику, содержащему по меньшей мере один осветительный прибор по настоящему изобретению. Как правило, такой светильник содержит рядом с осветительным прибором корпус и по меньшей мере один электрический контакт как базу для соединения его с сетью. Предпочтительно, светильник содержит по меньшей мере два осветительных прибора, каждый с соответствующим целевым направлением излучения, по меньшей мере два из упомянутых соответствующих целевых направлений являются одинаковыми или разными. Когда осветительные приборы имеют одинаковое целевое направление, достижима высокая яркость пятна освещения. Когда целевые направления излучения соответствующих осветительных приборов не совпадают, достижимо требуемое распределение света или световой рисунок.
Настоящее изобретение также относится к способу изготовления осветительного прибора. Это способ содержит этапы: 1) изготовления отражающих сегментов отражающего коллиматора, соединительных средств и, необязательно, преломляющего коллиматора; 2) расположения и соединения отражающих сегментов, соединительных средств и, необязательно, преломляющего коллиматора как части коллиматора; и 3) юстировки и соединения части коллиматора с СИД. Эти разные детали могут быть изготовлены как отдельные детали, которые впоследствии соединяются и юстируются. Так, преломляющий коллиматор может быть изготовлен как линза Френеля из стекла или пластика, например, литьем под давлением. Соединительные средства могут быть изготовлены в форме ребер крестовины из пластика, например, литьем под давлением или, предпочтительно, из теплопроводного материала, например, литьем или штампованием толстого листового металла. Сегменты отражающего коллиматора могут быть изготовлены из пластика, например, литьем под давлением с последующей металлизацией отражающей поверхности, например, таким металлом как алюминий или серебро. Сегменты предпочтительно изготавливают из металла, такого как алюминий или алюминиевый сплав штампованием или глубокой вытяжкой из отражающих листов или пластин. Эти три типа деталей коллиматора могут быть впоследствии соединены через защелкивающиеся соединители и оптически отъюстированы вместе с СИД для формирования осветительного прибора по настоящему изобретению.
Предпочтительный способ изготовления осветительного прибора по настоящему изобретению обладает признаком, что сегменты отражающего коллиматора, соединительные средства и, необязательно, преломляющий коллиматор изготавливают на одном этапе посредством литья под давлением. Такое изготовление части коллиматора на одном этапе как единой детали особенно полезно при массовом производстве оборудования. Эти три (или две, если преломляющий коллиматор не предусмотрен в осветительном приборе) одновременно формируемых элемента коллиматора не требуется впоследствии юстировать относительно друг друга, но их все же приходится юстировать относительно СИД для изготовления законченного осветительного прибора. Литье под давлением может быть выполнено, применяя оптически прозрачный диэлектрический материал, такой как пластик. Отлитую деталь нужно металлизировать, например, осаждением паров металла, такого как алюминий или серебро, особенно на отражающие поверхности сегментов отражающего коллиматора. Во время металлизации важно не допустить металлизации преломляющего коллиматора (например, сформированного как линза Френеля), например, маскируя этот элемент коллиматора. Также допустимым выбором является изготовление сегментов отражающего коллиматора и соединительных средств на одном этапе и добавление к изготовленной части коллиматора преломляющего коллиматора. Указанными способами могут быть изготовлены части коллиматора разных размеров.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее следует более подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где:
Фиг. 1 показывает трехмерное представление первого варианта осуществления осветительного прибора по настоящему изобретению;
Фиг. 2 показывает трехмерное представление второго варианта осуществления осветительного прибора по настоящему изобретению;
Фиг. 3 показывает поперечное сечение по оптической оси осветительного прибора согласно второму варианту осуществления;
Фиг. 4 показывает то же поперечное сечение с указанием циркуляции нагретого воздуха;
Фиг. 5 показывает поперечное сечение еще одного варианта осуществления осветительного прибора по настоящему изобретению;
Фиг. 6 показывает поперечное сечение другого варианта осуществления осветительного прибора по настоящему изобретению.
Следует подчеркнуть, что эти фигуры являются схематическими и не в масштабе. Идентичные элементы осветительного прибора, представленные на разных фигурах, являются идентичными насколько это возможно и обозначены одними и теми же позициями.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На фиг. 1 изображен первый вариант осуществления осветительного прибора 1 по настоящему изобретению с очень компактной конструкцией. Осветительный прибор имеет соединитель для источника света, содержащий множество СИД (подробно не показаны), которые расположены по прямой (штрихпунктирной) линии 2. Во время работы осветительного прибора множество СИД излучают свет в главном направлении, определяющем оптическую плоскость (не показана), которая простирается перпендикулярно подложке 8, на которой расположены СИД. В этом варианте осуществления подложка 8 представляет корпус осветительного прибора. При необходимости подложка также может быть выполнена в форме чаши или короба. Необходимые провода и управляющая электроника, необходимые для возбуждения СИД, для упрощения не показаны. Они могут быть прикреплены к подложке 8 или инкорпорированы в нее или находиться на основании, на котором может быть расположена подложка 8.
Осветительный прибор 1 далее содержит отражающий коллиматор 3, состоящий из множества отражающих сегментов 4, 4', 5, 5', 6, 6', 7 и 7'. Эти восемь отражающих сегментов имеют продольную форму и в осветительном приборе расположены четырьмя парами (4, 4'), (5, 5'), (6, 6') и (7, 7'). Два сегмента каждой пары расположены симметрично на противоположных сторонах оптической плоскости. Сегменты, кроме того, проходят по существу параллельно линии 2, определенной СИД. Поверхности сегментов, обращенные к оптической плоскости, являются отражающими и изогнуты так, что они имеют параболический контур. Продольные сегменты расположены так, что они взаимно разнесены и что они также разнесены с подложкой 8, на которой расположены СИД. Таким образом, между соседними сегментами, а также между корпусом (в данном случае - подложкой 8), содержащим источник света (в данном случае множество СИД), и сегментом, являющимся ближайшим к источнику света, присутствуют воздушные щели. Сегменты изготовлены из пластмассового материала, который снабжен металлизированным слоем алюминия на отражающих поверхностях. В альтернативном варианте осуществления сегменты также могут быть изготовлены из теплопроводного металла или металлического сплава.
Осветительный прибор 1 также содержит преломляющий коллиматор, сконструированный как линза 9 Френеля продольной формы. Оптическая плоскость линзы 9 по существу совпадает с вышеописанной оптической плоскостью, определенной множеством СИД. Линза 9, отражающие сегменты 4, 4', 5, 5', 6, 6', 7, 7' и подложка 8 с СИД взаимно соединены изображенными схематически соединительными средствами 10, которые расположены на обоих концах осветительного прибора 1. Преломляющий коллиматор изготовлен из диэлектрического материала. Соединительные средства изготовлены из листового металла, пластика или другого подходящего материала.
Во время работы осветительного прибора свет, генерируемый СИД, коллимируется отражающим коллиматором 3 и преломляющим коллиматором 9. Более конкретно, часть света, генерируемого СИД, который излучается под углом более чем приблизительно 30° к главному направлению излучаемого света (латерально излучаемый свет), отражается сегментами отражающего коллиматора в направлении, по существу параллельном упомянутому главному направлению. С другой стороны, часть света, генерируемого СИД, которая излучается под углом менее чем приблизительно 30° к главному направлению излучаемого света (центрально излучаемый свет), преломляется линзой Френеля в направлении, по существу параллельном упомянутому главному направлению. Обе части коллимированного света соединяются в единый пучок коллимированного света, видимый как единая световая линия. Было показано, что с помощью описанного здесь компактного осветительного прибора может быть получена хорошо коллимированная световая линия.
Теплота, генерируемая СИД во время работы осветительного прибора, может быть рассеяна СИД и корпусом (в данном случае подложкой 8) в пространство, окруженное подложкой 8 и обоими коллиматорами 3 и 9. Благодаря наличию воздушных щелей между соседними отражающими сегментами и между источником света и ближайшим к нему отражающим сегментом, может быть сгенерирован пассивный воздушный поток, который может входить в это пространство и выходить из него через упомянутые выше воздушные щели. В результате, в этом варианте осуществления осветительного прибора по настоящему изобретению осуществляется удовлетворительное рассеяние теплоты.
На фиг. 2 показан второй вариант осуществления осветительного прибора 1 по настоящему изобретению, который также имеет небольшое соотношение сторон. Осветительный прибор имеет источник света 11, содержащий три СИД (подробно не показаны), которые расположены в конструкции компактного пакета. Во время работы осветительного прибора эти три СИД излучают свет в главном направлении, определенном оптической осью 12. Необходимые провода и управляющая электроника, требуемые для возбуждения СИД, для упрощения не показаны. Они могут быть расположены на или в подложке, на которой расположены три СИД, или на основании, к которому может быть прикреплена подложка.
Осветительный прибор 1 дополнительно содержит отражающий коллиматор 3, состоящий из множества отражающих сегментов 4, 5, 6 и 7. Эти четыре отражающих сегмента имеют круглую форму и расположены симметрично вокруг оптической оси 12 осветительного прибора. Поверхности сегментов, обращенные к оптической оси 12, являются отражающими и изогнуты так, чтобы они имели параболический контур. Эти кольцевые сегменты расположены так, что они взаимно разнесены и также разнесены с СИД. Поэтому между соседними сегментами присутствуют вентиляционные воздушные щели. Между корпусом (не показан) и сегментом, расположенным ближайшим к корпусу, на котором или в котором расположен источник света, имеется в наличии дополнительная воздушная щель. Сегменты изготовлены из теплопроводного материала, типично алюминия или алюминиевого сплава, посредством штампования или глубокой вытяжки из металлического листа. Изготовленные таким способом отражающие сегменты дополнительно могут быть снабжены отражающим покрытием, если применяемый материал не проявляет достаточной отражающей способности.
Осветительный прибор 1 также содержит преломляющий коллиматор, сконструированный как осесимметричная линза 9 Френеля. Эта линза изготовлена из прозрачного диэлектрического материала. Оптическая ось линзы 9 по существу совпадает с оптической осью 12, описанной выше. Различные компоненты осветительного прибора, а именно линза 9, отражающие сегменты 4, 5, 6, 7 и подложка, на которой расположены СИД (не показаны), взаимно соединены тремя соединительными средствами 10, которые осесимметрично расположены вокруг СИД. Соединительные средства 10 изготовлены из теплопроводного материала, типично алюминия или алюминиевого сплава. Подложка также обладает металлическим слоем для транспортировки теплоты, генерируемой СИД 11.
Во время работы осветительного прибора свет, генерируемый СИД, коллимируется отражающим коллиматором 3 и преломляющим коллиматором 9. На чертеже показана серия световых пучков 13 (все в одной плоскости Х, проходящей через оптическую ось 12). Часть света, генерируемая СИД, которая излучается под углом более чем приблизительно 30°, к главному направлению излучаемого света (латерально излучаемый свет) отражается круглыми сегментами отражающего коллиматора в направлении, по существу параллельном упомянутому главному направлению. С другой стороны, часть света, генерируемого СИД, которая излучается под углом менее чем приблизительно 30° к главному направлению излучаемого света (центрально излучаемый свет), преломляется линзой Френеля в направлении, по существу параллельном упомянутому главному направлению. Обе части коллимированного света соединяются в единый пучок коллимированного света, сформированный в виде единого светового пучка. Выше было показано, что с помощью описанного здесь компактного осветительного прибора может быть произведен хорошо коллимированный световой пучок.
Теплота, генерируемая СИД во время работы осветительного прибора, будет отводиться от СИД через теплопроводный слой на подложке и соединительные средства 10 на сегменты отражающего коллиматора 3. Благодаря наличию воздушных вентиляционных щелей между соседними отражающими сегментами и между источником света и ближайшим к нему отражающим сегментом может быть создан пассивный воздушный поток вследствие разности температур, причем поток может входить в это пространство и выходить из него через описанные воздушные щели. В результате в этом варианте осуществления осветительного прибора по настоящему изобретению достигается удовлетворительное рассеяние теплоты.
На фиг. 3 показано поперечное сечение осветительного прибора 1, показанного на фиг. 2. Более конкретно, поперечное сечение совпадает с плоскостью Х, описанной выше. Это поперечное сечение показывает источник света, состоящий из трех СИД 11, которые расположены в конструкции компактного пакета на подложке 8. Последняя подложка (которая формирует корпус прибора) снабжена теплопроводным металлическим слоем для отвода теплоты, генерируемой СИД 11. Осветительный прибор также содержит отражающий коллиматор 3, имеющий круглую форму и содержащий отражающие сегменты 4, 5, 6 и 7, а также преломляющий коллиматор 9. Четыре отражающих сегмента изогнуты и, более точно, имеют параболический контур. Фактически эти четыре сегмента являются частями, вырезанными из параболоидов, имеющих взаимно разные фокусные расстояния. Специалисты могут выбрать фокусные расстояния так, чтобы получить щели оптимальной ширины между соседними сегментами.
На фиг. 3 ясно показано, что соседние отражающие сегменты расположены так, что по существу отсутствует свет, излучаемый источником света, который может проходить между соседними сегментами, и что по существу отсутствуют области тени на любом из сегментов. Так, сегменты 4 и 5 расположены так, чтобы световой пучок 13 касался нижнего края сегмента 5 и верхнего края сегмента 4. Благодаря этому точному позиционированию отсутствует свет, который может проходить между сегментами 4 и 5, и отсутствуют области тени на верхнем краю сегмента 4. Смещение сегмента относительно других в направлении оптической оси 12 привело бы к выходу света или появлению областей тени.
Хотя параболические сегменты являются оптимальной формой для небольшого источника в приближении точечного источника, или для распределенного источника, когда основной целью является интенсивность, а не эффективность, для оптимизаций распределенного источника может быть применен базовый параболический контур, чтобы избежать потерь света и затенения между отражающими сегментами. Такие модификации формы могут быть применены на верхней и нижней кромке каждого сегмента. Верхняя кромка отражающих сегментов может быть модифицирована и удлинена, чтобы гарантировать, что захватывается весь свет от распределенного источника, который проходит под нижней кромкой предыдущего внутреннего сегмента, и избежать потерь. Такое удлинение может иметь другой параболический профиль с фокальной точкой на нижней кромке предыдущего внутреннего сегмента. На нижней кромке отражающего сегмента может быть применена эллиптическая секция, где одной фокальной точкой является кромка распределенного источника света, а другой фокальной точкой является верхняя кромка предыдущего внутреннего сегмента.
На фиг. 4 схематически изображен воздушный поток в осветительном приборе по настоящему изобретению после его нагрева подложкой 8, на которой расположены СИД 11. Таким образом, нагретый воздух может выходить из пространства, окруженного корпусом (в данном случае подложкой 8), отражающим коллиматором 3 и преломляющим коллиматором 9, через вентиляционные воздушные щели. Циркуляция воздуха будет вызывать выход горячего воздуха из упомянутого пространства и вход холодного воздуха в упомянутое пространство за счет конвекционного потока. В этом варианте осуществления отсутствует воздушная щель между сегментом 4 и корпусом. Однако такая щель может быть легко обеспечена за счет соответствующего углубления в корпусе.
На фиг. 5 показано поперечное сечение другого варианта осуществления осветительной системы по настоящему изобретению, спроектированной для улучшенной активной циркуляции воздуха. Подложка 8 в этом варианте осуществления расположена на корпусе 14 для хранения проводов и управляющей электроники (подробно не показаны). Непосредственно под подложкой 8 установлен воздухоподаватель, в данном случае вентилятор. Упомянутый вентилятор содержит двигатель 16, рычаги 17 и две или более лопасти 18. При включении вентилятора рычаги и лопасти начинают вращаться и вызывают воздушный поток.
Согласно этой улучшенной конструкции в подложке 8 выполнены сквозные отверстия 15 в пределах внешней области, определенной максимальными размерами отражающего коллиматора 3. Поскольку сквозные отверстия 15 находятся на разных расстояниях от источника света, может быть рассчитан оптимальный воздушный поток, создаваемый вентилятором. Этот воздушный поток может удалять горячий воздух, накопившийся в пространстве между корпусом 14 (включая подложку 8) и обоими коллиматорами 3 и 9. Он также может эффективно охлаждать отражающие сегменты коллиматора 3. Это особенно интересно, когда эти сегменты должны работать как радиатор. Это очень полезно в случае, когда отражающие сегменты и соединительные средства выполнены из теплопроводного материала, и когда они находятся в теплопроводном контакте с СИД 11 (напр., через подложку 8).
На фиг. 6 схематически изображен другой вариант осуществления осветительного прибора по настоящему изобретению. В этом варианте осуществления корпус 14 снабжен каналами. Эти каналы содержат по меньшей мере один воздухоподаватель, например, нагнетатель, вентилятор или синтетическую струю. В этом варианте осуществления вентилятор установлен на дне корпуса 14. Упомянутый вентилятор содержит двигатель 16, рычаги 17 и две или более лопасти 18. При включении вентилятора рычаги и лопасти начинают вращаться и вызывают воздушный поток. Хотя стрелками показан принудительный воздушный поток, направленный от дна корпуса к вершине, противоположно направленный воздушный поток также работает хорошо. Во многих вариантах применения представляется практичным выводить воздушный поток на переднюю часть прибора, как показано стрелками на фигуре. Воздухоподаватель мог бы, например, создавать избыточное давление внутри пространства, определенного подложкой 8 и обоими коллиматорами 3 и 9 так, чтобы воздух мог выходить через воздушные щели, расположенные между соседними отражающими сегментами. Такая конструкция эффективно охлаждала бы управляющую электронику, которая интегрирована в корпус 14.
Хотя настоящее изобретение было проиллюстрировано на чертежах и подробно описано в вышеприведенном описании, эти иллюстрации и описание следует считать иллюстративными или примерными, но не ограничивающими; изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Из изучения приведенных чертежей, раскрытия и приложенной формулы специалистам понятны и могут быть реализованы другие изменения раскрытых вариантов осуществления. В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, а единственное число не исключает множественного числа. Простой факт того, что определенные признаки изложены во взаимно разных пунктах формулы не указывает на то, что их комбинация не может быть использована для получения положительного эффекта. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем защиты.