ЛАЗЕРНОЕ ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к области светотехники, точнее к конструкциям осветительных устройств, предназначенных для использования при создании разнообразных светотехнических систем внутреннего и внешнего освещения: дорог, площадей, бытовых и производственных помещений, общегородских помещений для проведения массовых зрелищных мероприятий (стадион, театр, и т.п.), в сфере дизайнерского оформления и т.д.
Для этих целей в настоящее время наиболее перспективными являются системы освещения, создаваемые с использованием лазерных осветительных устройств, основанных на преобразовании энергии подаваемого дистанционно по воздуху или с помощью волоконно-оптических средств лазерного луча в видимый световой поток посредством люминофора, размещенного в расположенной на значительном отдалении от излучателя точке освещения. По сравнению с традиционными осветительными устройствами, в частности светодиодными, где все компоненты устройства размещены в точке освещения, они более энергоэффективны и экономичны, обладают композиционной гибкостью и простотой в эксплуатации и управлении, не требуют разветвленной сети подвода электроэнергии к осветительной части устройства (светильникам).
Известны лазерные осветительные устройства (RU 165548 U1, 20.10.2016 г и US 9611987 B2, 04.04.2017 г), содержащие источник лазерного излучения в виде, по меньшей мере, одного лазерного диода, и размещенное с дистанционным отдалением от него средство освещения с люминофором, служащим для преобразования энергии лазерного луча в видимый свет, в которых источник излучения и средство освещения соединены между собой оптоволоконным кабелем, размещенным с помощью держателей вдоль общей оси устройства с условием обеспечения расположения торцев кабеля строго перпендикулярно этой оси (RU 165548 U1), или с помощью вариантных оптоволоконных систем с произвольным размещением соединительного оптического волокна (US 9611987 B2).
Устройство по первому аналогу имеет специфическое назначение, обуславливающее целесообразность его конструктивного усложнения, связанного с заданным позиционированием оптоволоконного кабеля, в то время как устройство по второму аналогу более функционально - удаленная геометрия люминофора в сочетании с высокомощным лазером в нем демонстрирует повышенную эффективность и позволяет использовать эти устройства в различных приложениях, однако обоим этим аналогам присущ общий недостаток, заключающийся в использовании оптического волокна, что не всегда оправдано, так как приводит к конструктивному усложнению и удорожанию лазерных осветительных устройств и, соответственно, светотехнических систем освещения в целом.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является лазерное осветительное устройство (US 9574728 B2, 21.02.2017 г.), в котором лазерный луч от источника излучения передается на размещенный в осветительном модуле люминофорный преобразователь света непосредственно через атмосферу.
Устройство по прототипу включает в себя один осветительный модуль, имеющий корпус, снабженный оптически прозрачным входным /выходным окном и светоотражательными поверхностями, и дистанционно размещенный относительно него источник лазерного излучения в виде, одной подключенной к источнику электропитания лазерной головки. Осветительный модуль в нем, выполненный четырехугольной, круглой или овальной формы, имеет соответствующей формы корпус с размещенной внутри него подложкой с люминофором, нанесенным на нее посредством оптически прозрачной матрицы. Подложка выполнена по форме и размерам корпуса и, являясь носителем люминофора выполняется из теплопроводного материала для отвода тепла, а ее поверхности из полированного алюминия или слоя серебра служат отражательными поверхностями. Осветительный модуль с помощью стойки позиционирован в точке освещения с возможностью регулировки угла наклона относительно поверхности, подлежащей освещению, и может быть дополнительно снабжен направляющим свет козырьком. Лазерная головка устанавливается с помощью отдельной стойки на уровне земли или на высоте, доступной для беспроблемной ее эксплуатации и технического обслуживания, стационарно в определенном относительно соответствующего ей осветительного модуля нерегулируемом положении.
К недостаткам прототипа следует отнести то, что отсутствие в нем возможности регулировки положения лазерной головки относительно соответствующего ей осветительного модуля в двух плоскостях: горизонтальной и вертикальной, а также выполнение источника лазерного излучения, содержащим только одну лазерную головку, и принятое конструктивное решение люминофорного преобразователя света ограничивают диапазон функциональных возможностей устройства, чем снижают эффективность использования устройства в разнообразных приложениях; препятствуют упрощению и удешевлению светотехнических систем внутреннего и внешнего освещения, построенных на основе таких устройств.
Задача, решаемая полезной моделью, и технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, направлены на расширение арсенала лазерных осветительных устройств для более широкого и эффективного использования осветительных устройств с подачей энергии лазерного излучения по воздуху в различных светотехнических системах внешнего и внутреннего освещения во всех областях промышленного производства, быта, светового оформления и дизайна.
Сущность полезной модели состоит в том, что в лазерном осветительном устройстве, содержащем, по меньшей мере, один осветительный модуль, имеющий корпус, снабженный оптически прозрачным входным /выходным окном и светоотражательными поверхностями, и дистанционно размещенный относительно него источник лазерного излучения в виде, по меньшей мере, одной подключенной к источнику электропитания лазерной головки, установленной с возможностью воздействия на люминофорный преобразователь света, расположенный внутри корпуса осветительного модуля, в отличие от прототипа, каждая из лазерных головок источника лазерного излучения установлена на общей опоре с соответствующим ей осветительным модулем с обеспечением между ними дистанции h по высоте опоры, оптимальной для исключения вероятности перегрева люминофора в процессе работы устройства, и с возможностью обеспечения ее регулировочных перемещений относительно осветительного модуля в двух взаимно пересекающихся плоскостях: горизонтальной и вертикальной, осуществляемых посредством кронштейна, шарнирно установленного на плате, закрепленной на упомянутой опоре, и жестко связанных с корпусом головки поворотных штифтов, размещенных в прорезях кронштейна с возможностью продольных перемещений.
Дополнительные отличия устройства состоят в том, что светоотражательные поверхности осветительного модуля имеют форму, образующую оптическую систему с фокальной точкой F на оптической оси модуля, а носитель люминофора преобразователя света выполнен в виде оптически прозрачной пустотелой объемной геометрической фигуры, установленной в зоне фокальной точки F на оптической оси осветительного модуля.
Для пояснения сущности полезной модели представлены чертежи, где: на фиг. 1 дан пример реализации предлагаемого осветительного устройства; фиг. 2 - примеры конструктивного исполнения носителя люминофора (а - в форме шара, б - цилиндра, в - виде конуса); фиг. 3 - примеры конструктивного исполнения осветительного модуля (а - ромбовидной формы; б - в форме эллипса; в - трапециевидной формы); фиг. 4, 5 и 6 - общий вид регулировочного узла лазерной головки; фиг. 7 - пример исполнения источника лазерного излучения, состоящего из двух лазерных головок; фиг. 8 - пример реализации устройства для внутреннего освещения помещений.
Предлагаемое осветительное устройство включает в себя один или несколько осветительных модулей 1 (фиг. 1) и дистанционно размещенный относительно них в зоне эргономического удобства источник лазерного излучения 2, закрепленные на общей опоре 3 с расстоянием h между ними по высоте опоры.
Корпус 4 осветительного модуля 1 снабжен светоотражательными поверхностями 5, имеющими форму, образующую оптическую систему с фокальной точкой F на оптической оси 6 модуля, например параболическую, эллиптическую или других видов, и обращенным в сторону подачи лазерного луча 7 оптически прозрачным входным /выходным окном 8 (фиг. 3). Светоотражательными поверхностями 5 могут служить внутренние боковые поверхности корпуса 4.
Внутри корпуса 4 в зоне фокальной точки F с помощью держателя 9 размещен люминофорный преобразователь света 10, носитель люминофора в котором выполнен в виде оптически прозрачной объемной пустотелой геометрической фигуры (фиг. 2): шара, конуса, цилиндра, вогнутой или выпуклой пластины и т.п. фигур. Люминофор 11 нанесен на наружные поверхности носителя и благодаря выполнению носителя из оптически прозрачного материала в преобразовании излучения участвуют верхние и нижние слои люминофора - это способствует повышению КПД преобразования энергии лазерного излучения в световой поток, либо позволяет использовать лазерные головки с меньшей мощностью для генерации заданного светового потока; или при малых габаритах преобразователя света 10 добиваться эффекта точечного светильника, что в совокупности с исключением необходимости подвода электроэнергии к осветительному модулю 1 и выбранным диапазоном h между ним и источником 2, предотвращающим перегрев люминофора 11, позволяет в предлагаемом устройстве отказаться от средств охлаждения люминофора, усложняющих устройство. (К примеру, в прототипе из-за плоской формы носителя люминофора при его выполнении по размеру и форме корпуса осветительного модуля люминофор наносится с использованием специальной матрицы на теплоотводящую подложку из дорогостоящего материала.)
Источник излучения 2, предназначенный для передачи энергии лазерного излучения на люминофор 11 преобразователя света 10 одного или нескольких осветительных модулей 1, состоит, соответственно, из одной или нескольких лазерных головок 12.
Головки 12 могут быть выполнены на базе диода. Их работа основана на возникновении инверсии населенностей в области p-n перехода при инжекции носителей заряда. Основной функционал: эффективно удерживать свет, выделяя сгусток энергии в строго прямом направлении, с определенной длинной волны λ в диапазоне 400-760 нм.
При этом каждая из головок 12 закреплена на опоре 3 посредством платы крепления 13, несущей шарнирно закрепленный на ней с помощью шарнира 14 кронштейн 15, в прорезях которого установлены с возможностью продольных перемещений штифты 16, жестко связанные с корпусом этой головки (фиг. 4, 5, 6). Такое крепление лазерной головки 12 обеспечивает возможность ее регулировочных перемещений относительно соответствующего ей осветительного модуля 1 в двух взаимно пересекающихся плоскостях: горизонтальной и вертикальной - этим обеспечивается возможность юстировки выхода работающей лазерной головки 12 относительно люминофорного преобразователя света 10 модуля 1 под технологическим углом для получения максимального КПД преобразования энергии лазерного излучения в видимый свет, а также исполнения основного указанного выше функционала относительно строго прямолинейного направления луча 7 (без использования корректирующих направление луча оптических средств).
Лазерная головка 12 генерирует лазерный луч с заданной длиной волны, управляемый драйвером (условно не показан), входящим в состав источника лазерного излучения 2. Драйвер через кабель 17 питается от источника электрической энергии. В отдельных случаях, например при работе в экстремальных условиях или при удаленности от электрических сетей могут использоваться автономные источники электроэнергии (батареи и т.п.).
Варьированием типов лазера и/или вида люминофора достигается возможность получения любого частотного излучения видимого света.
Окно 8 модуля 1 и носитель люминофора преобразователя света 10 выполняются из оптически прозрачного материала.
Материал и конструкция опоры 3 могут быть самыми разнообразными. В зависимости от назначения предлагаемого осветительного устройства и потребностей дизайна опоры 3 могут иметь как простую, так и сложную геометрическую форму. При использовании предлагаемого осветительного устройства для освещения улиц, площадей и т.д. опорами могут служить, например, столбы наружного освещения, как показано на фиг. 1. При использовании для освещения внутренних помещений, в частности производственных, - стена 18 и потолок 19 помещения (фиг. 8).
Описание работы предлагаемого устройства дано на примере работы устройства в соответствии с фиг. 1, имеющего два осветительных модуля 1: правый и левый и источник 2 лазерного излучения в виде двух лазерных головок 12: правой и левой, установленных рядом друг с другом в одном месте на опоре 3 так, чтобы выход правой головки 12 был направлен в сторону оптической оси 6 правого модуля 1, а выход левой головки 12 - в сторону оптической оси 6 соответственно левого модуля 1.
Преобразование энергии лазерного излучения в видимый свет осуществляется известным для лазерных осветительных устройств образом: под действием энергии лазерного излучения, подаваемого снизу через окно 8, люминофор 11 преобразователя света 10 возбуждается и излучает видимый световой поток, поступающий через окно 8 вниз на подлежащую освещению поверхность.
Перед началом работы устройства целесообразно провести регулировку положения каждой лазерной головки 12 относительно соответствующего ей осветительного модуля 1 с тем, чтобы обеспечить юстировку выхода головки относительно оптической оси 6 модуля 1 для оптимальной передачи энергии лазерного излучения от источника 2 на люминофорный преобразователь 10.
Конструктивное решение узла крепления головки 12 на опоре 3 позволяет осуществлять комплексную регулировку в двух взаимно пересекающихся плоскостях:
- в горизонтальной плоскости корректировка положение головки 12 достигается за счет поворота шарнира 14 и жестко связанного с ним кронштейна 15, а также продольным перемещением штифтов 16 внутри прорезей в кронштейне 15;
- в вертикальной плоскости корректировка положение головки 12 обеспечивается поворотом штифтов 16.
В последующем при работе устройства по мере необходимости можно тем же образом осуществлять дополнительную поднастройку лазерной головки 12 по оптической оси 6 для получения максимального КПД преобразования энергии лазерного излучения в видимый свет.
Юстировкой выхода лазерной головки обеспечивается механическая целостность работающей системы «лазерный луч - люминофор», необходимая, в частности, для предупреждения смещения лазерного луча относительно люминофора под воздействием возможных внешних помех.
В эксперименте, проведенном авторами, в качестве осветительного модуля был использован типовой светильник промышленного освещения с отражательными внутренними поверхностями корпуса, в котором на месте патрона была размещена прозрачная пластина из оргстекла размером 5×5 см с нанесенным на одной из ее сторон люминофором марки ФЛЗ-8. Светильник был подвешен к потолку лабораторного помещения на высоте 8 м от пола без подвода к нему электропитания. Внизу на стене помещения на высоте 1,7 м от пола была укреплена лазерная головка, длина волны излучения которой составляла 405 Нм. Мощность лазерной головки при этом составляла около 1 Вт. При направлении луча лазера на пластину светильника был получен световой поток белого света сравнимый с излучением 100-ватной лампы накаливания, чем подтверждается, что при выполнении люминофорного преобразователя света 10, расположенного в фокусе осветительного модуля 1, с малыми размерами возникает полная аналогия с точечным источником света нужной силы и направления в зависимости от мощности источника лазерного излучения и светоформирующих элементов осветительного модуля 1.
К преимуществам предлагаемого устройства относится следующее:
- устройство обладает повышенным КПД преобразования энергии лазерного излучения в световой поток - это позволяет использовать лазерные головки с меньшей мощностью для генерации сравнимого светового потока и дает возможность использовать автономные источники энергии (батарей и т.д.);
- в устройстве могут применяться лазерные головки различных длин волн (от ИК до УФ диапазонов) и различные люминофорные покрытия, и варьированием типов лазера и/или видов люминофоров достигается возможность получения широкого диапазона частотного излучения видимого света и возможность получать источники света широкой световой гаммы;
- устройство позволяет получать световой поток нужной силы и направления в зависимости от мощности лазерного модуля и отражательных элементов осветительного модуля, формы люминофорных преобразователей, при наличии или в отсутствии рассеивателей, линз и т.п. оптических средств;
- удобство обслуживания отражающих светильников, так как к ним не подходит электрический кабель, они не портятся и не греются; и предельно низкая стоимость обслуживания светильников в виду увеличения интервалов технического обслуживания лазерных осветительных устройств.