ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВЕТОВЫХ ИСТОЧНИКОВ СИД
OPTICAL DEVICE FOR LIGHT-EMITTING DIODE LIGHT SOURCES

Источники света СИД (светоизлучающие диоды, LED) имеют очень широкое пространственное излучение (широкий пространственный угол излучения). Следовательно, их едва ли можно использовать на практике для задач освещения или задач украшения без оптики.
Известны разные виды оптики для источников света СИД, их цель заключается в фокусировании широко рассеянного света СИД или в преломлении света в конкретных пространственных углах. Пример этого дан в US 5349504, где в корпус помещен твердый волновод, использующий конкретную траекторию пучка света, чтобы позволить свету от двух источников света СИД, установленных параллельно, преломляться на две отдельные поверхности выхода света. Документ US 2002/080615 ссылается на модуль, включающий СИД и вращательно-симметричную чашеобразную коллиматорную линзу.
Объектом данного изобретения является оптическое устройство в соответствии с признаками п.1 формулы изобретения.
Целью данного изобретения является создание оптического устройства для источников света СИД, которое излучает сфокусированный свет, имеющий, в пределах половины угла от максимум 60° относительно определенной главной оси, ясно определенную кривую распределения интенсивности, причем можно определить количество главных осей.
1
4
у
Эта цель достигается посредством оптического устройства в соответствии с признаками п.1. Такое оптическое устройство содержит две или более отдельные части, причем одна отдельная часть (деталь) служит для подсоединения к световому источнику СИД и способна соединяться с, по меньшей мере, одной первой отдельной оптической частью. Эта, по меньшей мере, одна первая отдельная оптическая часть является твердым волноводом, продольная протяженность которого в направлении y является меньше, чем в направлении z, продольная протяженность тела в направлении z меньше или равна продольной протяженности в направлении x и огибающая кривая, проецируемая на плоскость x-y в принципе дает прямоугольник и, от плоскости x-y, тело сужается в направлении z до максимум / от наибольшей ширины в направлении у (В, max) с любым моделированием боковой поверхности y-z тела. Оптическое устройство служит для фокусирования света от источников СИД посредством тела (корпуса), которое в принципе имеет прямоугольник в плане. Это удобно, между прочим, потому что большая доля используемых сейчас форм светильников является прямоугольной.
Первая отдельная оптическая часть, и поэтому также оптическое устройство, которое содержит в своей оптически активной части, по меньшей мере, одну такую отдельную оптическую часть - имеет показатель преломления, который отклоняется от 1, по меньшей мере, на +/-0,1. Первая отдельная оптическая часть, также как и оптическое устройство, имеет/имеют боковую поверхность x-y и боковую поверхность (-x)-(-y), боковая поверхность x-z и боковая поверхность (-x)-(-z), а также боковая поверхность y-z и боковая поверхность (-y)-(-z) с боковой поверхностью (-x)-(-y) и в некоторых обстоятельствах также боковая поверхность y-z или боковая поверхность (-y)-(z), служащие основными поверхностями выхода света. Таким способом становится возможным определить для целей освещения, например, только одну главную ось (поверхность выхода у боковой поверхности (-x)-(-y) первой отдельной оптической части оптического устройства), и свет будет, в идеале, иметь прямоугольное распределение по возможности внутри половинного угла 4-40°, причем цель - создать максимум с интенсивностью света более чем 80%, распространяющегося из оптики, а также боковых поверхностей, которые по возможности наиболее крутые и по возможности минимум с интенсивностью света менее чем 10%, распространяющегося из оптики вне желаемого угла относительно главной оси. Для целей украшения, напротив, часто бывает необходимо, чтобы ряд главных осей выхода света, которые либо у боковой поверхности x-y оптического устройства из-за образования траектории пучка в устройстве или первой отдельной оптической части, или даже у боковой поверхности (-x)-(-y) и боковой поверхности y-z или боковой поверхности (-y)-(-z) его же, все эти боковые поверхности затем образовывали основные поверхности выхода для света.
Как первая отдельная оптическая часть, так и оптическое устройство ограничены рядом других поверхностей, которые предпочтительно соответственно выполняют оптическую функцию, например, в качестве отражателя, или/и линзы, или/и светоделителя пучка и т.п.
В конкретном варианте осуществления изобретения полость или ряд полостей любой желаемой формы имеется/имеются в, по меньшей мере, одной отдельной оптической части, и таким образом также в оптическом устройстве. Каждая полость имеет граничные поверхности полости, которые ограничивают полость и действуют как зеркала, или/и линзы, или/и светоделители пучка внутри отдельной части или оптического устройства. Конкретное выполнение и размещение полости/полостей позволяют адаптировать траекторию пучка для соответствующих требований. Предпочтительно полости проходят параллельно направлению у в своей продольной протяженности, особенно, будучи выполненными как непрерывные полости от боковой поверхности x-z до боковой поверхности (-x)-(-z). Это последнее позволяет особенно просто осуществлять выполнение полостей.
Полости можно производить особенно экономично посредством лазерной резки, причем лазер предпочтительно действует по нормали к плоскости x-z или (-x)-(-y). В конкретном варианте осуществления поверхности с границами из гладкого стекла полостей действуют таким образом, что свет передается практически без преломления или иначе фактически полностью отражается.
Ряд отдельных частей можно собрать особенно легко, когда они выполнены так, что ряд этих отдельных частей можно собрать закрытым образом или можно соединить (сцепить) друг с другом. Пригнанные друг к другу отдельные части дополняют друг друга по своей оптической функциональности таким образом, что целевой конечный результат в виде подлежащего описанию и запланированного распределения излучения получается в смысле местонахождения, направления и интенсивности. Кроме того, части дополняют друг друга механически, так что в собранном виде они дают общую картину, запланированную инженером/дизайнером, которая представляет собой одну часть в отношении визуального впечатления.
Можно получить много вариантов образования оптического устройства, где ряд отдельных частей объединены с образованием такого оптического устройства, и в процессе сборки отдельные части, в частности, собираются взаимно вращающимся образом, так что их оси x, y, z кажутся взаимозамененными в конечном оптическом устройстве. Например, для целей оформления или специальных решений это также приводит к «светильникам со светоделителем пучка», которые имеют ряд главных осей излучения, по которым свет излучается с определенной кривой интенсивности в пределах конкретного угла. При таких требованиях существуют ограничивающие углы вовне, которые не требуют света. Однако, поскольку нулевое излучение физически невозможно, ограничиваются возможным минимумом. Описанная здесь технология, в частности, позволяет получить ярко выраженную плоскую оптику, а также оптику очень сложной формы - трехмерную - например, в виде снежинки, или в виде имитации кварца, или в виде других желаемых форм кристалла (ежи, морские ежи, деревья, листья), в каждом случае адаптированные к малому размеру источника света.
Оптическое устройство имеет отдельную часть (деталь), которая служит для соединения с СИД. Она предпочтительно выполнена так, что отдельную часть можно просто навинтить на печатную плату с СИД или соединить каким-то иным образом с печатной платой подгонкой по форме или закрытием с усилием. Кроме того, отдельная деталь предпочтительно выполнена так, что оптически активную часть (части) оптического устройства можно соединить с отдельной частью просто, например, надавливанием. В еще одном конкретном варианте осуществления отдельная часть, служащая для соединения с источником СИД, выполнена как отдельная оптическая часть и может интегрироваться в оптическое устройство, так что траекторию пучка можно направлять через эту отдельную часть.
Отдельная часть (деталь), служащая для соединения с источником СИД, выполнена так, что она фиксирует источник света как раз в точке, предусмотренной для этой цели, так что она может перемещаться только в пределах данных допусков, то есть в диапазоне, например, 5/100-1/10 мм, и тем самым обеспечивает излучение света полностью целевым образом в оптическое устройство, и свет, таким образом, излучается желаемым образом в окружающее пространство.
Дальнейшие варианты осуществления данного изобретения и отдельных оптических частей описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение объясняется ниже в виде примера со ссылкой на чертежи. На чертежах тождественные объекты принципиально обозначены тождественными позициями.
Фиг.1 демонстрирует первую отдельную оптическую часть с видом на боковую поверхность x-z;
фиг.2 демонстрирует вторую отдельную оптическую часть с видом на боковую поверхность y-z;
фиг.3 демонстрирует оптическое устройство, собранное из трех отдельных оптических частей, установленное на печатной плате с источником света СИД с видом на боковую поверхность y-x и
фиг.4 демонстрирует оптическое устройство фиг.3 в перспективе.
На фиг.1 изображена первая отдельная часть (деталь) 10 в соответствии с данным изобретением на виде сбоку, со стороны боковой поверхности x-z, которая в этом случае имеет в принципе плоскую внешнюю поверхность 14, лежащую в плоскости x-z декартовой системы координат. Эта плоская поверхность 14 параллельна плоскости x-z с отверстиями, созданными полостям 1, 2, которые проходят в направлении y и выполнены так, что они являются непрерывными от боковой поверхности x-z до боковой поверхности (-x)-(-z). Боковая поверхность (-x)-(-z) отдельной части 10 имеет те же размеры, что и боковая поверхность x-z и выполнена аналогично, как в принципе плоская внешняя поверхность, лежащая в плоскости x-z, с соответствующими отверстиями, ведущими к полостям 1, 2. Первая отдельная оптическая часть 10 имеет продольную протяженность в направлении y, которая меньше ее продольной протяженности в направлении z, а ее продольная протяженность в направлении z меньше или равна ее продольной протяженности в направлении x. В случае представленной здесь оптики отношения длин составляют, например, x=35 мм, y=17,8 мм, z=27 мм. Однако также можно себе представить вариант осуществления, в котором внешние размеры дают куб, и отношения длин, таким образом, составляют x:y:z=1:1:1.
В этом примере первая отдельная оптическая часть 10 образована из РММА, полости 1, 2 получены лазерной резкой, причем лазер воздействовал на поверхность нормально плоскости x-z для получения полостей 1, 2.
Боковая поверхность y-z и боковая поверхность (-y)-(-z) отдельной части 10 оформлены взаимно симметричным образом как в принципе выпукло изогнутые внешние поверхности 7. Их радиус выпуклости уменьшается от боковой поверхности x-y к боковой поверхности (-x)-(-y) и наконец соединяется с плоской поверхностью без изгиба. В первой трети этих боковых поверхностей, которая обращена к боку x-y, имеется в каждом случае выступ 5, который проходит по всей длине в направлении у и с помощью которого отдельная часть 10 может соединяться с еще одной отдельной частью 10" посредством механизма защелки, как показано на фиг.3 и 4. Однако такое соединение могло бы быть наверняка также реализовано посредством другого типа защелки или зажимного соединения, винтового соединения или, если соединение не нужно разъединять, также посредством связанного соединения. В зависимости от выполнения полостей 1, 2 и образования остальной формы первой отдельной оптической части 10, участки внешних поверхностей 7, которые лежат в направлении (-x)-(-y), могут служить целевыми поверхностями выхода для света. Однако, если это не так, только минимальная доля рассеянного света затем выйдет через всю внешнюю поверхность 7.
Боковая поверхность (-x)-(-y) выполнена как в принципе плоская внешняя поверхность 16, лежащая в плоскости x-y. Она имеет щелеобразные отверстия 18, проходящие в направлении y, и через которые полости 2 открываются в направлении боковой поверхности (-x)-(-y). Учитывая фактическую внешнюю поверхность (называемую ниже огибающей), которая содержит внешнюю поверхность 16 с ее отверстиями 18, эта огибающая дает прямоугольник при проецировании на плоскость x-y, как можно легко понять из фиг.4. Боковая поверхность x-y, противоположная поверхности (-x)-(-y), имеет внешнюю поверхность (20), чья огибающая аналогично дает прямоугольник при проецировании на плоскость x-y. В соответствии с изгибом внешних поверхностей 7 протяженность этого прямоугольника в направлении x-y, однако, меньше, чем протяженность внешней поверхности 16. Внешняя поверхность 20 является слегка выпуклой и имеет в середине вырез 22 для удержания второй отдельной оптической части 10' или/и источника 6 света СИД. Источник света СИД показан здесь в качестве примера. Вырез 22 занимает примерно две трети первой отдельной оптической части 10 в направлении z и по всей протяженности в направлении у. Он имеет днище 3 и боковые стенки 23, которые выполнены в соответствии с требованиями для оптического преломления, отражения и оптической дифракции. В этом примере боковые стенки 23 отступают от середины, так что вырез 22 проходит от внешней поверхности 20 во внутреннюю часть тела первой отдельной оптической части. В этом примере днище 3 сформировано так, что оно изогнуто в виде свода в сторону выреза 22.
1
2
1
2
1
2
1
1
2
1
2
3
4
3
3
1
2
2
4
1
2
2
3
В качестве примера на правой стороне фиг.1 показано несколько световых пучков 8, траектория которых исходит из источника 6 света СИД. Как можно понять из чертежа, полости со своими граничными поверхностями и отверстие с его боковыми стенками 23 и днище 3 действуют на световые пучки 8 так, что они частично передаются, преломляются, дифрагируются или полностью отражаются. Однако можно также получить комбинации этих эффектов на этих граничных поверхностях, таких как частичная передача и частичное отражение. Световые пучки 8 и 8, например, большей частью попадают на днище 3, так что они выходят из внешней поверхности 16 фактически параллельно световым пучкам 8, 8. Отраженная часть, возникающая по законам оптики, пучков 8, 8 входит в тело первой отдельной оптической части через боковую стенку 23. Световой пучок 8 наконец достигает полости 1 и выходит из тела первой отдельной оптической части 10 в виде рассеянного луча 8' на выступ 5. Такие рассеянные лучи (пучки) можно элиминировать при необходимости посредством конкретных и известных покрытий (оптических покрытий). В показанном здесь примере рассеивание света задано и используется целевым образом. Световой пучок 8' отражается у граничной поверхности полости 1 и выходит через внешнюю поверхность 16 приблизительно параллельно пучкам 8, 8. Световые пучки 8, 8 поступают в тело первой отдельной оптической части 10 непосредственно через боковую стенку 23, световой пучок 8 изнутри отражается у боковой стенки 23 и у граничной поверхности полости 2, так что он в конце концов выходит из внешней поверхности 16 как направленный пучок 8 фактически параллельно пучкам 8, 8, 8'. Попадая в тело первой отдельной оптической части 10, световой пучок 8 отражается у граничной поверхности полости 1 и аналогично выходит из внешней поверхности 16 приблизительно параллельно 8, 8, 8', 8. Это показывает, что полости 1, 2 с их граничными поверхностями, отверстие 22 с его днищем 3 и боковые стенки 23 и все внешние поверхности 16, 7, 20 выполняют оптическую функцию и, с учетом соответствующего выполнения, могут действовать как на отражение, так и на передачу, а также на преломление или/и дифракцию.
На фиг.2 показана вторая отдельная часть 10' согласно изобретению на боковую поверхность y-z. В принципе, вторая отдельная оптическая часть 10' имеет то же строение, что и первая отдельная оптическая часть 10. Ее продольная протяженность в направлении z меньше, чем ее продольная протяженность в направлении y, а ее продольная протяженность в направлении y меньше или равна ее продольной протяженности в направлении x. Например, размер отдельной части 10' в показанном примере составляет x=27 мм, y=10,9 мм, z=8,9 мм. Ее боковая поверхность (-y)-(-z) и ее боковая поверхность y-z образованы как в принципе плоские внешние поверхности 14, которые размещаются в плоскости y-z декартовой системы координат и пронизаны отверстиями непрерывных полостей 2, проходящих в направлении x, и вырезами 22. В свою очередь, полости 2 открыты в направлении боковой поверхности (-x)-(-y) посредством щелевидных отверстий 18. Полости 1, которые открыты только к боковой поверхности (-x)-(-z) или/и боковой поверхности x-z, отсутствуют.
Если фактическая огибающая поверхности 16 боковой поверхности (-x)-(-y) второй отдельной оптической части 10' проецируется на плоскость x-y, в свою очередь, получается прямоугольник. Это же относится к противоположной боковой поверхности x-y и ее огибающей, причем получающийся прямоугольник имеет, в свою очередь, более короткое протяжение в направлении y. Выполнение боковой поверхности x-y и поверхности 16 (-x)-(y) иначе адаптировано к требованиям к оптическим функциям, в этом случае поверхность 16 (-x)-(-y) выполнена в середине в принципе изогнутым вовне в виде свода.
Внешние поверхности 7 боковой поверхности (-y)-(-z) и y-z опять же образованы взаимно симметричными, конкретно таким образом, что тело второй отдельной оптической части 10' сужается от боковой поверхности (-x)-(-y) в направлении z до боковой поверхности x-y. Даже если конусность намного меньше в показанном здесь примере, очевидно можно понять, что можно выполнить тело отдельной части изобретения так, чтобы начиная от боковой поверхности (-x)-(-y), конусность в направлении z до максимума четверти наибольшей ширины (Вх, max), измеренной вдоль x. Боковая поверхность (-x)-(-y), в свою очередь, имеет вырез 22 для удержания источника 6 света СИД. Вырез 22 проходит в этом случае в направлении (-z), но только приблизительно на четверть проходит в тело второй отдельной оптической части 10'. Днище 3, в свою очередь, имеет такую форму, что изгибается в вырез 22 в форме свода. Боковые стенки 23 прежде всего сжимают вырез 22, а затем расширяют его снова в направлении днища 3. Форма выреза 22 или выполнение его боковых стенок 23 и его днища 3 выбираются в соответствии с требованиями к оптическим функциям.
Фиг.3 и 4 отображают оптическое устройство 30 согласно изобретению, которое содержит две отдельные оптические части, первую и вторую оптические части 10 и 10'. Отдельные оптические части 10, 10' образованы аналогично таким частям на фиг.1 и 2. Отдельные оптические части 10, 10' помещены внутри друг друга с усилием, причем оси x, y и z второй отдельной части 10' вращаются относительно осей x, y и z отдельной оптической части 10, так что оси z идентично выровнены, но оси x и у двух отдельных частей 10, 10' вращаются перпендикулярно по отношению друг к другу на 90°. Однако первая отдельная оптическая часть 10 соединена через свои выступы 5 механизмом защелкивания к еще одной отдельной части 10", которая выполнена в принципе в форме буквы С. Подобно двум отдельным оптическим частям 10, 10', С-образная отдельная часть 10" является отдельной оптической частью, сделанной из РММА. Имея два свободных конца 31, С-образная отдельная часть перекрывает первую отдельную оптическую часть 10 и захватывает выступы 5 сзади с помощью носиков 32, размещенных в концевой области свободных концов 31. Поскольку свободные концы взаимодействуют слегка упруго с носиками 32, вместе с аналогично слегка упругими выступами 5 они образуют замок-защелку, посредством которого отдельная часть 10 с вставленной в нее отдельной частью 10' могут легко соединяться с отдельной частью 10", но могут снова отделяться от последней.
В середине своей торцевой области 9 С-образная отдельная часть 10" имеет отверстие 34 для удержания корпуса источника 6 света СИД. Кроме того, отверстия 36 для удерживающих винтов 38 имеются в задней области, при этом они отстоят от отверстия 34. Указанные винты можно использовать для крепления еще одной отдельной части 10" к печатной плате 40, на которой закреплены источники света СИД. На фиг.3 с правой стороны показаны разные световые пучки 8, исходящие из источника света СИД. Пучок 8а демонстрирует, что С-образная отдельная часть 10" является также оптически активной. Пучок 8а проходит через отдельную часть 10" и попадает в днище первой отдельной оптической части 10. Там он частично дифрагируется и передается через тело первой отдельной оптической части 10 так, что выходит из оптического устройства 30 у внешней поверхности 16. Внешняя часть пучка 8а отражается у днища 3 первой отдельной оптической части 10 и, пройдя снова через вторую отдельную оптическую часть 10', входит в тело первой отдельной оптической части 10 через боковую стенку 23. Он пересекает полость 1 и снова выходит из тела первой отдельной оптической части 10, после чего входит в С-образную оптическую часть, выходит из нее снова после множественного отражения через свободный конец 31 еще одной оптической части 10" и, наконец, аналогично выходит из оптического устройства 30 через внешнюю поверхность 16 после дополнительного прохождения через первую отдельную оптическую часть 10 и ее разные полости 1, 2.
Как показано на этом примере для траектории пучка, можно уменьшить потери посредством рассеянного света благодаря выполнению С-образной отдельной части 10" как отдельной оптической части. Однако в показанном здесь примере это приводит к тому, что выходящий свет уже не направлен однородно, поскольку пучок 8а не выходит из поверхности 16 параллельно другим пучкам.
Ясно, что варианты осуществления, показанные на чертежах, служат для объяснения изобретения с помощью примеров. Для специалиста ясно, что существуют дополнительные возможности выполнить изобретение. То, как можно объединить элементы, показанные на разных чертежах рациональным образом, ясно для специалиста с тем результатом, что примеры, приведенные на чертежах, ни коим образом, не ограничивают изобретения.