УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ СВЕТА ИЗ ВИРТУАЛЬНОГО ИСТОЧНИКА
APPARATUS FOR RADIATING LIGHT FROM VIRTUAL SOURCE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение в целом относится к осветительным узлам, в частности, основанным на СИД (светоизлучающих диодах, LED) осветительным узлам для использования в применениях автомобильного освещения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Автомобильное освещение в значительной степени регламентировано федеральным правительством. Испускаемые картины освещения, особенно используемые в применениях наружного освещения, должны регулироваться, чтобы удовлетворять федеральным нормам. Существуют нормы для обеспечения безопасности водителей, пешеходов и других водителей в окружении транспортного средства. Технологии с источниками на СИД быстро становятся действенной альтернативой технологиям с лампами накаливания. Однако источники на СИД имеют значительный недостаток по той причине, что они создают высоконаправленный свет. Направленный характер света, вырабатываемого источниками на СИД, задержал развитие основанных на СИД осветительных узлов, которые могут удовлетворять федеральным нормам, в особенности в применениях автомобильного наружного освещения.
Источник на СИД значительно отличается от источника калильного света по форме света, который он вырабатывает. Тогда как свет исходит из лампы накаливания приблизительно на 360°, свет испускается из СИД с одной поверхности в форме конуса (телесного угла). Линзы поля в ближней зоне (NFL) сегодня используются, чтобы коллимировать конус (телесный угол) света, сформированный СИД, но немного делают для увеличения расхождения света, сопоставимого с вырабатываемым лампой накаливания. Кроме того, основанный на СИД свет, который коллимируется традиционной NFL, не обладает фокальной точкой, обычно необходимым условием для проектирования других компонентов, таких как отражатели, которые также могут применяться в применениях автомобильного наружного освещения.
Соответственно, есть необходимость в основанном на СИД осветительном узле, который может по существу воспроизводит расхождение света лампы накаливания и облегчает различную компоновку для использования в некоторых применениях, в особенности, применениях автомобильного наружного освещения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения, предусмотрен осветительный узел. Осветительный узел включает в себя источник на СИД, который формирует световой конус; и прозрачную линзу поля в ближней зоне, имеющую переднюю поверхность, коллимирующую поверхность и асферическую канавку. Коллимирующая поверхность коллимирует световой конус в пучок, который отражается от передней поверхности в направлении асферической канавки, и асферическая канавка направляет пучок прочь из линзы в качестве выходного конуса из виртуальной фокусной точки.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предусмотрен осветительный узел. Осветительный узел включает в себя источник на СИД, который формирует световой конус; и прозрачную линзу поля в ближней зоне, имеющую переднюю поверхность, коллимирующую поверхность и асферическую канавку. Коллимирующая поверхность коллимирует световой конус в пучок, который отражается от передней поверхности в направлении асферической канавки, и асферическая канавка направляет пучок прочь из линзы в качестве выходного конуса из положительного виртуального фокального кольца.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предусмотрен осветительный узел. Осветительный узел включает в себя источник на СИД, который формирует световой конус; и прозрачную линзу поля в ближней зоне, имеющую переднюю поверхность, коллимирующую поверхность и асферическую канавку. Коллимирующая поверхность коллимирует световой конус в пучок, который отражается от передней поверхности в направлении асферической канавки, и асферическая канавка направляет пучок прочь из линзы в качестве выходного конуса из отрицательного виртуального фокального кольца.
Эти и другие аспекты, цели и признаки настоящего изобретения будут поняты и оценены по достоинству специалистами в данной области техники по изучению следующего описания изобретения, формулы изобретения и прилагаемых чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На чертежах:
фиг. 1 - вид в перспективе осветительного узла с линзой поля в ближней зоне, имеющей асферическую канавку согласно одному из вариантов осуществления;
фиг. 2 - вид в перспективе осветительного узла, изображенного на фиг. 1, с отражателем согласно еще одному варианту осуществления;
фиг. 3 - схема, иллюстрирующая работу осветительного узла с линзой поля в ближний зоне, имеющей коллимирующую поверхность и асферическую канавку согласно дополнительному варианту осуществления;
фиг. 3A - увеличенное изображение осветительного узла, изображенного на фиг. 3, демонстрирующее развертывание асферической канавки с помощью алгоритма, основанного на интегральной математике, согласно дополнительному варианту осуществления;
фиг. 4A - вид в поперечном разрезе осветительного узла с линзой поля в ближней зоне, имеющей коллимирующую поверхность и асферическую канавку, выполненную с возможностью направлять выходной световой конус из виртуальной фокальной точки в по существу переднем общем направлении относительно виртуальной фокальной точки, согласно дополнительному варианту осуществления;
фиг. 4B - вид в поперечном разрезе осветительного узла с линзой поля в ближней зоне, имеющей коллимирующую поверхность и асферическую канавку, выполненную с возможностью направлять выходной световой конус из виртуальной фокальной точки в по существу заднем общем направлении относительно виртуальной фокальной точки, согласно дополнительному варианту осуществления;
фиг. 4C - вид в поперечном разрезе осветительного узла с линзой поля в ближней зоне, имеющей коллимирующую поверхность и асферическую канавку, выполненную с возможностью направлять выходной световой конус из виртуальной фокальной точки в общем направлении, которое по существу равномерно распределено в переднем и заднем направлениях относительно виртуальной фокальной точки, согласно дополнительному варианту осуществления;
фиг. 4D - вид в поперечном разрезе осветительного узла с линзой поля в ближней зоне, имеющей множество коллимирующих поверхностей и асферическую канавку, выполненную с возможностью направлять выходной световой конус из виртуальной фокальной точки в общем направлении, которое по существу равномерно распределено в переднем и заднем направлениях относительно виртуальной фокальной точки, согласно еще одному варианту осуществления;
фиг. 5 - вид в поперечном разрезе осветительного узла с линзой поля в ближней зоне, имеющей коллимирующую поверхность и асферическую канавку, выполненную с возможностью направлять выходной световой конус из положительного виртуального фокального кольца, согласно дополнительному варианту осуществления; и
фиг. 6 - вид в поперечном разрезе осветительного узла с линзой поля в ближней зоне, имеющей коллимирующую поверхность и асферическую канавку, выполненную с возможностью направлять выходной световой конус из отрицательного виртуального фокального кольца. согласно еще одному варианту осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Как требуется, в материалах настоящей заявки раскрыты детализированные варианты осуществления настоящего изобретения; однако, должно быть понятно, что раскрытые варианты осуществления являются всего лишь примером изобретения, который может быть воплощен в различных и альтернативных формах. Фигуры не обязательно предназначены для детального проектирования; некоторые схемы могут быть преувеличены или минимизированы, чтобы показывать общее функциональное представление. Поэтому специфичные конструктивные и функциональные детали, раскрытые в материалах настоящей заявки, не должны интерпретироваться в качестве ограничивающих, а только качестве представляющих основу для обучения рядового специалиста в данной области техники по-разному применять настоящее изобретение.
Для целей описания в материалах настоящей заявки термины «передний», «задний», «боковой» и их производные будут относиться к осветительному узлу и компонентам, проиллюстрированным на фиг. 1. «F» и «R» на фиг. 1 указывают ссылкой на переднее и заднее направления соответственно. Однако должно быть понятно, что изобретение может допускать различные альтернативные ориентации, за исключением случаев, когда явным образом указано иное. Также должно быть понятно, что специфичные устройства и процессы, проиллюстрированные на прилагаемых чертежах и описанные в последующем описании, являются просто примерными вариантами осуществления обладающих признаками изобретения концепций, определенных в прилагаемой формуле изобретения. Отсюда, специфичные размеры и другие физические характеристики, относящиеся к вариантам осуществления, раскрытым в материалах настоящей заявки, не должны рассматриваться в качестве ограничивающих, если формула изобретения явным образом не заявляет иное.
Со ссылкой на фиг. 1, изображен соответственный вид осветительного узла 10 с линзой 1 поля в ближней зоне, имеющей асферическую канавку 14, согласно одному из вариантов осуществления. Линза 1 поля в ближней зоне имеет переднюю поверхность 4, ориентированную в переднем направлении «F», и заднюю поверхность 8, которая обращена к источнику на СИД (не показанному на фиг. 1). Как показано, линза 1 поля в ближней зоне скомпонована симметрично вокруг оси 2, которая простирается от заднего направления «R» к переднему направлению «F». Линза 1 поля в ближней зоне также имеет боковую поверхность 12, сконфигурированную вокруг оси 2 и определенную между передней поверхностью 4 и задней поверхностью 8. Боковая поверхность 12 включает в себя асферическую канавку 14.
Линза 1 поля в ближней зоне является по существу прозрачной. Предпочтительно, элемент линзы поля в ближней зоне сконструирован из стеклянного, поликарбонатного и/или полиметил-метакрилатного (PMMA) материалов. Как без труда понятно рядовым специалистам в данной области техники, эти материалы должны быть проницаемы в достаточной мере для оптической прозрачности. Вообще, источник 3 на СИД, являющийся обращенным на заднюю поверхность 8, формирует световой конус 3a (телесный угол) (не показан) в переднем направлении «F», который направляется через заднюю поверхность 8 в линзу 1 поля в ближней зоне посредством преломления. Свет из светового конуса 3a (телесного угла) затем большей частью отражается внутри линзы 1 на передней поверхности 4 в направлении боковой поверхности 12. Существенная часть отраженного света из светового конуса 3a (телесного угла) затем выходит из линзы 1 через асферическую канавку 14 в качестве выходного конуса 6. Отсюда, падающий свет из источника 3 на СИД в форме светового конуса 3a (телесного угла) направляется через линзу 1 поля в ближней зоне и перенаправляется из линзы 1 через асферическую канавку 14.
Как определено в материалах настоящей заявки, термин «асферический» ассоциативно связан с определенными поверхностями элементов линзы поля в ближней зоне, описанных в этом раскрытии. «Асферические» поверхности элементов линзы поля в ближней зоне, описанных в материалах настоящей заявки, имеют множество внешних точек с разными значениями радиуса кривизны. По существу, эти поверхности являются «асферическими» в том смысле, что они не могут быть продолжены и замкнуты для формирования идеальной сферы.
Как показано на фиг. 2, осветительный узел 10, изображенный на фиг. 1, может быть сконфигурирован отражателем 16 согласно еще одному варианту осуществления. Отражатель 16 сконфигурирован вокруг оси 2 и вокруг боковой поверхности 12 линзы 1 поля в ближней зоне. Кроме того, отражатель 16 расположен на оси 2 в точке с задней стороны от асферической канавки 14. Кроме того, отражатель 16 имеет оптически отражающую внешнюю поверхность, обращенную в переднем направлении «F», которая изготовлена из отражательных материалов, как понятно рядовым специалистам в данной области техники.
В конфигурации, изображенной на фиг. 2, осветительный узел 10 может использовать выходной конус 6 из линзы 1 и перенаправлять этот свет с отражателя 16 в переднем направлении «F». Отраженный свет из выходного конуса 6 далее исходит в переднем направлении «F» в форме картины 6a освещения. Предпочтительно, линза 1 поля в ближней зоне и отражатель 16 спроектированы для создания картины 6a освещения некоторой формы с интенсивностью и угловым расхождением, которые пригодны для применений автомобильного наружного освещения, которые удовлетворяют действующим федеральным нормам.
Вновь со ссылкой на фиг. 2, линза 1 поля в ближней зоне осветительного узла 10 изображена с колпаком 4a передней поверхности. Так как световой конус 3a (телесный угол), исходящий из источника 3 на СИД и проходящий через линзу 1, в целом отражается внутренне от передней поверхности 4 (не показана), поверхность 4 может быть покрыта колпаком 4a передней поверхности. Колпак 4a может быть скомпонован в качестве стилистического элемента, ассоциативно связанного с осветительным узлом 10. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления, колпак 4a может иметь по существу отражательную внутреннюю поверхность, которая обращена к передней поверхности 4 линзы 1 поля в ближней зоне (не показана). Отражательная внутренняя поверхность колпака 4a, в таком случае, может отражать всякий свет из светового конуса 3a (телесного угла), который не отражен внутренне от передней поверхности 4 в пределах линзы 1. Включение в состав отражательной внутренней поверхности, ассоциативно связанной с колпаком 4a, таким образом, может улучшать эффективность собирания света осветительного узла 10.
При изображении поперечного разреза осветительного узла 10, фиг. 3 демонстрирует работу осветительного узла 10 согласно еще одному варианту осуществления. Как показано, осветительный узел 10 включает в себя источник 3 на СИД и прозрачную линзу 1 поля в ближней зоне. Источник 3 на СИД формирует световой конус 3a (телесный угол). Предпочтительно, источник 3 на СИД скомпонован поблизости от задней поверхности 8 линзы 1, из условия чтобы световой конус 3a (телесный угол) большей частью сталкивался с задней поверхностью 8. Источник 3 на СИД может содержать один или более связанных с СИД источников освещения, которые дают направленную картину освещения высокой интенсивности в форме светового конуса 3a (телесного угла). Другие компоненты (не показаны) могут быть выполнены с возможностью питать и управлять источником 3 на СИД, как понятно рядовым специалистам в данной области техники.
Линза 1 поля в ближней зоне осветительного узла 10, изображенного на фиг. 3, имеет переднюю поверхность 4, ориентированную в переднем направлении «F», и заднюю поверхность 8, которая обращена к источнику 3 на СИД. Как показано, линза 1 поля в ближней зоне скомпонована симметрично вокруг оси 2, которая простирается от заднего направления «R» к переднему направлению «F». Задняя поверхность 8 дополнительно содержит коллимирующую поверхность 5. Отметим, что, в некоторых вариантах осуществления, задняя поверхность 8 может содержать многочисленные коллимирующие поверхности (например, смотрите коллимирующие поверхности 5 и 8a, показанные на фиг. 4D). Кроме того, как показано на фиг. 3, линза 1 поля в ближней зоне также имеет боковую поверхность 12, сконфигурированную вокруг оси 2 и определенную между передней поверхностью 4 и задней поверхностью 8. Боковая поверхность 12 включает в себя асферическую канавку 14.
Со ссылкой на фиг. 3, вновь, линза 1 поля в ближней зоне осветительного узла 10 работает, как изложено ниже. Источник 3 на СИД, являющийся обращенным на заднюю поверхность 8, формирует световой конус 3a (телесный угол) в переднем направлении «F», который направляется через коллимирующую поверхность 5 в линзу 1 поля в ближней зоне. Предпочтительно, коллимирующая поверхность 5 по размеру выполнена с возможностью в основном коллимировать конус 3a (телесный угол), исходящий из источника 3 на СИД. По существу, коллимирующая поверхность 5 может быть большей или меньшей в зависимости от степени расхождения, ассоциативно связанной со световым конусом 3a (телесным углом), исходящим из конкретного источника 3 на СИД, применяемого в осветительном узле 10. Кроме того, коллимирующая поверхность 5 может иметь размеры, основанные на относительном расположении источника 3 на СИД поблизости от коллимирующей поверхности 5. Предпочтительно, коллимирующая поверхность 5 сконфигурирована непрерывно меняющимся радиусом кривизны.
Свет из светового конуса 3a (телесного угла), в таком случае, коллимируется коллимирующей поверхностью 5 в форму 5a пучка в пределах линзы 1 поля в ближней зоне к передней поверхности 4. Форма 5a пучка затем большей частью отражается внутри линзы 1 на передней поверхности 4 в направлении боковой поверхности 12. Передняя поверхность 4 предпочтительно сконфигурирована приблизительно под углом 45° в пределах линзы 1 поля в ближней зоне, чтобы обеспечивать полное внутреннее отражение формы 5a пучка в направлении боковой поверхности 12. По существу, форма 5a пучка отражается от передней поверхности 4 в качестве отраженной цилиндрической формы 5b.
Существенная часть отраженной цилиндрической формы 5b (возникающей из светового конуса 3a (телесного угла)) затем выходит из линзы 1 поля в ближней зоне через асферическую канавку 14 боковой поверхности 12 в качестве выходного конуса 6. В частности, асферическая канавка 14 направляет цилиндрическую форму 5b вдаль от линзы 1 в качестве выходного конуса 6 с виртуальной фокальной точкой 18 с помощью преломления согласно закону Снеллиуса. Хотя выходной конус 6 не проходит через виртуальную фокальную точку 18, его световые лучи могут трассироваться обратно в виртуальную фокальную точку 18. Асферическая канавка 14 в особенности спроектирована, чтобы расширять цилиндрическую форму 5b в качестве выходного конуса 6 в направлении, соответствующем виртуальной фокальной точке 18. Асферическая канавка 14 также спроектирована, чтобы гарантировать, что не нарушается угол полного внутреннего отражения, ассоциативно связанный с показателем преломления материала, выбранного для линзы 1 поля в ближней зоне. Когда рассматривается в трех измерениях, осветительный узел 10 создает выходной конус 6 в форме цилиндра (с угловыми гранями на задней стороне «R» и передней стороне «F») со светом, исходящим радиально от оси 2. Предпочтительно, асферическая канавка 14 спроектирована с непрерывно меняющимся радиусом кривизны.
lf
n
n
1
2
Как изображено на фиг. 3A, асферическая канавка 14 может быть создана с использованием алгоритма, такого как приведенный ниже посредством уравнения (1), на основании интегральной математики. Асферическая канавка 14 может быть спроектирована в показателях своей формы на основании требуемого местоположения для виртуальной фокальной точки 18 и требуемого расстояния между виртуальной фокальной точкой 18 и асферической канавкой 14. В частности, асферическая канавка 14 может быть создана в двух измерениях в координатах X и Y, как показано. Координата X находится вдоль оси 2, продолжающейся из заднего и переднего направлений, «R» и «F», соответственно. Координата Y перпендикулярна координате X. Расстояние между виртуальной фокальной точкой 18 (по выбору) и самой нижней точкой асферической канавки 14 в направлении оси 2 определено фокусным расстоянием 14a, также идентифицированным как «» в уравнении (1), приведенном ниже. Кроме того,  и  в уравнении (1), и как изображено на фиг. 3A, соответствуют значениям показателя преломления линзы 1 поля в ближней зоне и среды, окружающей линзу 1, соответственно.
n
n
lf
f(x)
f(x)
2
1
Как также изображено на фиг. 3A, линза 1 поля в ближней зоне будет окружена воздухом, а потому  будет равным 1,00029 или 1 для упрощения уравнения. Как отмечено раньше, линза 1 может быть изготовлена из прозрачного материала. В этом примере, линза 1 изготовлена из поликарбоната, придающего ей показатель преломления, , равный 1,586. Уравнение (1) может применяться для формирования кривизны, ассоциативно связанной с асферической канавкой 14. Например, когда фокусное расстояние 14a, , установлено в 10 мм, =11,7411 мм при x=5 мм. В конечном счете, асферическая канавка 14 определена согласно уравнению (1), из условия чтобы  определяла местоположение асферической канавки 14 вдоль оси Y в качестве функции расположения по оси X.
(1)
n
n
lf
f(x)
1
2
Со ссылкой на фиг. 3 и 3A, также должно быть понятно, что асферическая коллимирующая поверхность 5 может быть создана с использованием алгоритма, основанного на интегральной математике, которая подобна уравнению (1). В частности, уравнение (2), приведенное ниже, может применяться для формирования кривой, ассоциативно связанной с коллимирующей поверхностью 5. В этом примере,  будет представлять воздух с показателем преломления 1,00029 или 1 (для упрощения уравнения), а  будет представлять прозрачный материал поликарбонат с показателем преломления 1,586. Направления X и Y, используемые в уравнении (2) относительно коллимирующей поверхности 5, показанной на фиг. 3 и 3A, смещены на 90 градусов относительно применяемых в уравнении (1) для асферической канавки 14. Кроме того, член  в уравнении (2) соответствует фокусному расстоянию 5c для коллимирующей поверхности 5, определенной расстоянием в направлении оси 2 между фокальной точкой 19 СИД и центральной точкой коллимирующей поверхности 5 (не показанной на фиг. 3). По существу,  в уравнении (2) может использоваться для определения коллимирующей поверхности 5 в направлении оси 2 (по оси, сформированной направлениями «R» и «F») в качестве функции направления X, определенного перпендикулярным оси 2. Должно быть понятно, что есть много способов создавать коллимированный пучок благодаря коллимирующей поверхности 5 в линзу 1 поля в ближней зоне, посредством одиночной или многочисленных поверхностей. Отсюда, алгоритмы, примененные в уравнении (2), являются всего лишь примерными.
(2)
Дополнительные варианты осуществления осветительного узла 10 изображены на фиг. 4A-4C. На фиг. 4A, изображен поперечный разрез осветительного узла 10, в котором линза 1 поля в ближней зоне выполнена с возможностью создавать выходной конус 6 из виртуальной фокальной точки 18 в по существу переднем направлении относительно виртуальной фокальной точки 18. Как показано на фиг. 4A, асферическая канавка 14 в частности спроектирована, чтобы преломлять цилиндрическую форму 5b в переднем направлении, из условия чтобы существенная часть световых лучей в выходном конусе 6 имели составляющую переднего направления «F». Все из световых лучей, которые формируют выходной конус 6, могут трассироваться обратно в направлении виртуальной фокальной точки 18. Предпочтительно, виртуальная фокальная точка 18 остается внутри или поблизости от линзы 1 поля в ближней зоне, когда асферическая канавка 14 спроектирована для создания по существу ориентированного вперед выходного конуса 6. Кроме того, отражатель 16 может быть спроектирован и установлен в осветительный узел 10 по фиг. 4A для сбора и отражения выходного конуса 6 в качестве световой картины 6a (смотрите фиг. 2). Предпочтительно, отражатель 16 сконфигурирован в качестве параболического отражателя (например, параболоидного профиля), имеющего фокальную точку, совместимую с виртуальной фокальной точкой 18.
На фиг. 4B, изображен поперечный разрез осветительного узла 10, в котором линза 1 поля в ближней зоне выполнена с возможностью создавать выходной конус 6 из виртуальной фокальной точки 18 в по существу заднем направлении относительно виртуальной фокальной точки 18. Как показано на фиг. 4B, асферическая канавка 14 в частности спроектирована, чтобы преломлять цилиндрическую форму 5b в заднем направлении, из условия чтобы существенная часть световых лучей в выходном конусе 6 имели составляющую заднего направления «R». Все из световых лучей, которые формируют выходной конус 6, могут трассироваться обратно в направлении виртуальной фокальной точки 18. Предпочтительно, виртуальная фокальная точка 18 остается спереди от передней поверхности 4 линзы 1 поля в ближней зоне, когда асферическая канавка 14 спроектирована для создания по существу ориентированного назад выходного конуса 6. Кроме того, отражатель 16 может быть спроектирован и установлен в осветительный узел 10 по фиг. 4B для сбора и отражения выходного конуса 6 в качестве световой картины 6a (смотрите фиг. 2). Предпочтительно, отражатель 16 сконфигурирован в качестве параболического отражателя (например, параболоидного профиля), имеющего фокальную точку, совместимую с виртуальной фокальной точкой 18.
Со ссылкой на фиг. 4C, изображен поперечный разрез осветительного узла 10, в котором линза 1 поля в ближней зоне выполнена с возможностью создавать выходной конус 6 из виртуальной фокальной точки 18 в общем направлении, который по существу равномерно распределен в переднем и заднем направлениях «F» и «R» относительно виртуальной фокальной точки 18. Как показано на фиг. 4C, асферическая канавка 14 в частности спроектирована, чтобы преломлять цилиндрическую форму 5b по существу равномерным образом, из условия чтобы приблизительно равные части световых лучей в выходном конусе 6 имели составляющую заднего направления «R» или составляющую переднего направления «F» соответственно. Все из световых лучей, которые формируют выходной конус 6, могут трассироваться обратно в направлении виртуальной фокальной точки 18. Предпочтительно, виртуальная фокальная точка 18 остается расположенной по центру цилиндрической формы 5b линзы 1 поля в ближней зоне. Кроме того, отражатель 16 может быть спроектирован и установлен в осветительный узел 10 по фиг. 4C для сбора и отражения выходного конуса 6 в качестве световой картины 6a (смотрите фиг. 2). Предпочтительно, отражатель 16 сконфигурирован в качестве параболического отражателя (например, параболоидного профиля), имеющего фокальную точку, совместимую с виртуальной фокальной точкой 18.
Со ссылкой на фиг. 4D, изображен поперечный разрез осветительного узла 10, в котором линза 1 поля в ближней зоне сконфигурирована многочисленными коллимирующими поверхностями, коллимирующей поверхностью 5 и коллимирующей поверхностью 8a, для создания выходного конуса 6 из виртуальной фокальной точки 18 в общем направлении, который по существу равномерно распределен в переднем и заднем направлениях «F» и «R» относительно виртуальной фокальной точки 18. В частности, источник 3 на СИД, являющийся обращенным на заднюю поверхность 8, формирует световой конус 3a (телесный угол) в переднем направлении «F», который направляется через коллимирующую поверхность 5 и коллимирующую поверхность 8a в линзу 1 поля в ближней зоне. Кроме того, внутренняя сторона коллимирующей поверхности 8a также коллимирует некоторую часть света, который преломился через другую область коллимирующей поверхности 8a. Предпочтительно, коллимирующие поверхности 5 и 8a по размеру выполнены с возможностью в основном коллимировать конус 3a (телесный угол), исходящий из источника 3 на СИД. По существу, коллимирующие поверхности 5 и 8a могут быть большими или меньшими в зависимости от степени расхождения, ассоциативно связанной со световым конусом 3a (телесным углом), исходящим из конкретного источника 3 на СИД, применяемого в осветительном узле 10. Кроме того, коллимирующие поверхности 5 и 8a могут иметь размеры, основанные на относительном расположении источника 3 на СИД поблизости от коллимирующий поверхностей 5 и 8a.
Свет из светового конуса 3a (телесного угла), в таком случае, коллимируется коллимирующими поверхностями 5 и 8a в форму 5a пучка в пределах линзы 1 поля в ближней зоне к передней поверхности 4. Форма 5a пучка затем большей частью отражается внутри линзы 1 на передней поверхности 4 в направлении боковой поверхности 12. Передняя поверхность 4 предпочтительно сконфигурирована приблизительно под углом 45 в пределах линзы 1 поля в ближней зоне, чтобы обеспечивать полное внутреннее отражение формы 5a пучка в направлении боковой поверхности 12. По существу, форма 5a пучка отражается от передней поверхности 4 в качестве отраженной цилиндрической формы 5b.
Как дополнительно показано на фиг. 4D, асферическая канавка 14 в частности спроектирована, чтобы преломлять цилиндрическую форму 5b по существу равномерным образом, из условия чтобы приблизительно равные части световых лучей в выходном конусе 6 имели составляющую заднего направления «R» или составляющую переднего направления «F» соответственно. Все из световых лучей, которые формируют выходной конус 6, могут трассироваться обратно в направлении виртуальной фокальной точки 18. Предпочтительно, виртуальная фокальная точка 18 остается расположенной по центру цилиндрической формы 5b линзы 1 поля в ближней зоне. Кроме того, отражатель 16 может быть спроектирован и установлен в осветительный узел 10 по фиг. 4D для сбора и отражения выходного конуса 6 в качестве световой картины 6a (смотрите фиг. 2). Предпочтительно, отражатель 16 сконфигурирован в качестве параболического отражателя (например, параболоидного профиля), имеющего фокальную точку, совместимую с виртуальной фокальной точкой 18.
Со ссылкой на фиг. 5, осветительный узел 50 изображен согласно еще одному варианту осуществления на виде в поперечном разрезе. В особенности, осветительный узел 50 имеет линзу 41 поля в ближней зоне, имеющую коллимирующую поверхность 45 и асферическую канавку 54, выполненную с возможностью направлять выходной световой конус 46 с положительного виртуального фокального кольца 58a. Уравнения (1) и (2) могут применяться для создания асферической канавки 54 и коллимирующей поверхности 45, соответственно. Как показано, осветительный узел 50 включает в себя источник 43 на СИД и прозрачную линзу 41 поля в ближней зоне. Источник 43 на СИД формирует световой конус 43a (телесный угол). Предпочтительно, чтобы источник 43 на СИД был скомпонован поблизости от задней поверхности 48 линзы 41, из условия чтобы световой конус 43a (телесный угол) большей частью сталкивался с задней поверхностью 48. Источник 43 на СИД может содержать один или более связанных с СИД источников освещения, которые дают направленную картину освещения высокой интенсивности в форме светового конуса 43a (телесного угла). Как понятно рядовым специалистам в данной области техники, другие компоненты (не показаны) могут быть выполнены с возможностью питать и управлять источником 43 на СИД.
Линза 41 поля в ближней зоне осветительного узла 50, изображенного на фиг. 5, имеет переднюю поверхность 44, ориентированную в переднем направлении «F», и заднюю поверхность 48, которая обращена к источнику 43 на СИД. Как показано, линза 41 поля в ближней зоне скомпонована симметрично вокруг оси 42, которая простирается от заднего направления «R» к переднему направлению «F». Задняя поверхность 48 дополнительно содержит коллимирующую поверхность 45. В дополнение, линза 41 поля в ближней зоне также имеет боковую поверхность 52, сконфигурированную вокруг оси 42 и определенную между передней поверхностью 44 и задней поверхностью 48. Боковая поверхность 52 включает в себя асферическую канавку 54.
Со ссылкой на фиг. 5, вновь, линза 41 поля в ближней зоне осветительного узла 50 работает, как изложено ниже. Источник 43 на СИД, являющийся обращенным на заднюю поверхность 48, формирует световой конус 43a (телесный угол) в переднем направлении «F», который направляется через коллимирующую поверхность 45 в линзу 41 поля в ближней зоне. Предпочтительно, коллимирующая поверхность 45 по размеру выполнена с возможностью в основном коллимировать световой конус 43a (телесный угол), исходящий из источника 43 на СИД. Коллимирующая поверхность 45, поэтому, может быть большей или меньшей в зависимости от степени расхождения, ассоциативно связанной со световым конусом 43a (телесным углом), исходящим из конкретного источника 43 на СИД, применяемого в осветительном узле 50. В дополнение, коллимирующая поверхность 45 может быть наделена размерами на основании ее расположения поблизости от местоположения источника 43 на СИД.
Свет из светового конуса 43a (телесного угла), в таком случае, коллимируется коллимирующей поверхностью 45 в форму 45a пучка в пределах линзы 41 поля в ближней зоне к передней поверхности 44 в переднем направлении «F». Форма 45a пучка затем большей частью отражается внутри линзы 41 на передней поверхности 44 в направлении боковой поверхности 52. Передняя поверхность 44 предпочтительно сконфигурирована приблизительно под углом 45 в пределах линзы 41 поля в ближней зоне, чтобы обеспечивать полное внутреннее отражение формы 45a пучка в направлении боковой поверхности 52. По существу, форма 45a пучка отражается от передней поверхности 44 в качестве отраженной цилиндрической формы 45b.
Существенная часть отраженной цилиндрической формы 45b (возникающей из светового конуса 43a (телесного угла)) затем выходит из линзы 41 поля в ближней зоне через асферическую канавку 54 боковой поверхности 52 в качестве выходного конуса 46. В частности, асферическая канавка 54 направляет цилиндрическую форму 45b вдаль от линзы 41 в качестве выходного конуса 46 с виртуальной фокальной точкой 58 с помощью преломления согласно закону Снеллиуса. Хотя выходной конус 46 не проходит через виртуальную фокальную точку 58, его световые лучи могут трассироваться обратно в виртуальную фокальную точку 58. В частности, асферическая канавка 54 спроектирована, чтобы расширять цилиндрическую форму 45b в качестве выходного конуса 46 в направлении, соответствующем виртуальной фокальной точке 58. Асферическая канавка 54 также спроектирована, чтобы гарантировать, что не нарушается угол полного внутреннего отражения, ассоциативно связанный с показателем преломления материала, выбранного для линзы 41 поля в ближней зоне.
Кроме того, виртуальная фокальная точка 58 расположена выше оси 42 и асферической канавки 54. Как следствие, каждый вид в поперечном разрезе осветительного узла 50 и линзы 41 поля в ближней зоне будет изображать виртуальную фокальную точку 58 в разном местоположении в пространстве. Вместе, эти виртуальные фокальные точки 58 трассируют положительное виртуальное фокальное кольцо 58a, обозначенное в перспективе в качестве пунктирного эллипса на фиг. 5. Отсюда, множество выходных конусов 46 исходят из положительного виртуального фокального кольца 58a, когда осветительный узел 50 обозревается в перспективе в трех измерениях.
Кроме того, со ссылкой на фиг. 5, выходной конус 46 осветительного узла 50 находится в форме цилиндра (с угловыми гранями на задней стороне «R» и передней стороне «F») со светом, исходящим радиально от оси 42, когда конус 46 рассматривается в трех измерениях. Предпочтительно, асферическая канавка 54 спроектирована с непрерывно меняющимся радиусом кривизны, чтобы создавать виртуальные фокальные точки 58 и положительное виртуальное фокальное кольцо 58a. Должно быть понятно, что выходной конус 46, ассоциативно связанный с осветительным узлом 50 с положительным виртуальным фокальным кольцом 58a, имеет большое угловое расхождение, предпочтительно большее чем 45. По существу, цилиндрическая форма выходного конуса 46 (в качестве рассматриваемой в трех измерениях) является цилиндром с большим размером высоты по оси 42. Должно быть понятно, что технологии для смещения выходного конуса 5 в осветительных узлах 10, изображенных на фиг. 4A и 4B, также могут применяться для смещения выходного конуса 46 осветительного узла 50, изображенного на фиг. 6.
Кроме того, отражатель 16 (смотрите фиг. 2) может быть спроектирован и установлен в осветительный узел 50 по фиг. 5, чтобы собирать и отражать выходной конус 46 в качестве картины освещения, направленной по существу в переднем направлении «F» (не показано). Предпочтительно, отражатель 16, применяемый в связи с осветительным узлом 50, сконфигурирован в качестве апараболического отражателя (например, по существу параболообразного профиля, использующего параболическую кривую, построенную от виртуальной фокальной точки и обращенную вокруг центральной оси 42), имеющего множество фокальных точек, соответствующих виртуальному фокальному кольцу 58a. При условии относительно большого углового расхождения выходного конуса 46, отражатель 16 должен быть достаточно большим, чтобы отражать весь свет из выходного конуса 46. Картина освещения с большим угловым расхождением, формируемая осветительным узлом 50, могла бы применяться в определенных применениях автомобильного наружного освещения, чтобы поддерживать такие функции, как фара для движения в светлое время суток (DRL), стоп-сигнал, сигнал поворота и т.д.
Со ссылкой на фиг. 6, осветительный узел 90 изображен согласно дополнительному варианту осуществления на виде в поперечном разрезе. Осветительный узел 90 имеет линзу 81 поля в ближней зоне, имеющую коллимирующую поверхность 85 и асферическую канавку 94, выполненную с возможностью направлять выходной световой конус 86 с отрицательного виртуального фокального кольца 98a. Уравнения (1) и (2) могут применяться для создания асферической канавки 94 и коллимирующей поверхности 85, соответственно. Как показано, осветительный узел 90 включает в себя источник 83 на СИД и прозрачную линзу 81 поля в ближней зоне. Источник 83 на СИД формирует световой конус 83a (телесный угол). Предпочтительно, источник 83 на СИД скомпонован поблизости от задней поверхности 88 линзы 81, из условия чтобы световой конус 83a (телесный угол) большей частью сталкивался с задней поверхностью 88. Источник 83 на СИД может содержать один или более связанных с СИД источников освещения, которые дают направленную картину освещения высокой интенсивности в форме светового конуса 83a (телесного угла). Как без труда понятно рядовым специалистам в данной области техники, другие компоненты (не показаны) могут быть выполнены с возможностью питать и управлять источником 83 на СИД.
Линза 81 поля в ближней зоне осветительного узла 90, изображенного на фиг. 6, имеет переднюю поверхность 84, ориентированную в переднем направлении «F», и заднюю поверхность 88, которая обращена к источнику 83 на СИД. Как показано, линза 81 поля в ближней зоне скомпонована симметрично вокруг оси 82, которая простирается от заднего направления «R» к переднему направлению «F». Задняя поверхность 88 дополнительно содержит коллимирующую поверхность 85. В дополнение, линза 81 поля в ближней зоне также имеет боковую поверхность 92, сконфигурированную вокруг оси 82 и определенную между передней поверхностью 84 и задней поверхностью 88. Боковая поверхность 92 включает в себя асферическую канавку 94.
Вновь со ссылкой на фиг. 6, линза 81 поля в ближней зоне осветительного узла 90 работает, как изложено ниже. Источник 83 на СИД, являющийся обращенным на заднюю поверхность 88, формирует световой конус 83a (телесный угол) в переднем направлении «F», который направляется через коллимирующую поверхность 85 в линзу 81 поля в ближней зоне. Предпочтительно, коллимирующая поверхность 85 по размеру выполнена с возможностью в основном коллимировать конус 83a (телесный угол), исходящий из источника 83 на СИД. Коллимирующая поверхность 85 поэтому может быть наделена размерами на основании степени расхождения, ассоциативно связанной со световым конусом 83a (телесным углом), исходящим из конкретного источника 83 на СИД, применяемого в осветительном узле 90. В дополнение, коллимирующая поверхность 85 может быть наделена размерами на основании ее расположения поблизости от местоположения источника 43 на СИД.
Свет из светового конуса 83a (телесного угла), в таком случае, коллимируется коллимирующей поверхностью 85 в форму 85a пучка в пределах линзы 81 поля в ближней зоне к передней поверхности 84 в переднем направлении «F». Форма 85a пучка затем большей частью отражается внутри линзы 81 на передней поверхности 84 в направлении боковой поверхности 92. Передняя поверхность 84 предпочтительно сконфигурирована приблизительно под углом 45° в пределах линзы 81 поля в ближней зоне, чтобы обеспечивать полное внутреннее отражение формы 85a пучка в направлении боковой поверхности 92. По существу, форма 85a пучка отражается от передней поверхности 84 в качестве отраженной цилиндрической формы 85b.
Существенная часть отраженной цилиндрической формы 85b пучка (возникающей из светового конуса 83a) затем выходит из линзы 81 поля в ближней зоне через асферическую канавку 94 боковой поверхности 92 в качестве выходного конуса 86. В частности, асферическая канавка 94 направляет цилиндрическую форму 85b вдаль от линзы 81 в качестве выходного конуса 86 с виртуальной фокальной точкой 98 с помощью преломления согласно закону Снеллиуса. Хотя выходной конус 86 не проходит через виртуальную фокальную точку 98, его световые лучи могут трассироваться обратно в виртуальную фокальную точку 98. В частности, асферическая канавка 94 спроектирована, чтобы расширять цилиндрическую форму 85b в качестве выходного конуса 86 в направлении, соответствующем виртуальной фокальной точке 98. Асферическая канавка 94 также спроектирована, чтобы гарантировать, что не нарушается угол полного внутреннего отражения, ассоциативно связанный с показателем преломления материала, выбранного для линзы 81 поля в ближней зоне.
Кроме того, виртуальная фокальная точка 98 расположена ниже оси 82 и за пределами линзы 81 поля в ближней зоне и асферической канавки 94. Как следствие, каждый вид в поперечном разрезе осветительного узла 90 и линзы 81 поля в ближней зоне будет изображать виртуальную фокальную точку 98 в разном местоположении в пространстве. Вместе, эти виртуальные фокальные точки 98 трассируют отрицательное виртуальное фокальное кольцо 98a, обозначенное в перспективе в качестве пунктирного эллипса на фиг. 6. Отсюда, множество выходных конусов 86 исходят из отрицательного виртуального фокального кольца 98a, когда осветительный узел 90 обозревается в перспективе в трех измерениях.
Кроме того, со ссылкой на фиг. 6, выходной конус 86 осветительного узла 90 находится в форме цилиндра (с угловыми гранями на задней стороне «R» и передней стороне «F») со светом, исходящим радиально от оси 82, когда конус 86 рассматривается в трех измерениях. Предпочтительно, асферическая канавка 94 спроектирована с непрерывно меняющимся радиусом кривизны, чтобы создавать виртуальные фокальные точки 98 и отрицательное виртуальное фокальное кольцо 98a. Должно быть понятно, что выходной конус 86, ассоциативно связанный с осветительным узлом 90 с отрицательным виртуальным фокальным кольцом 98a, имеет небольшое угловое расхождение, типично меньшее, чем 45°. По существу, цилиндрическая форма выходного конуса 86 (в качестве рассматриваемой в трех измерениях) является цилиндром с малым размером высоты по оси 82. Должно быть понятно, что технологии для смещения выходного конуса 6 в осветительных узлах 10, изображенных на фиг. 4A и 4B, также могут применяться для смещения выходного конуса 86 осветительного узла 90, изображенного на фиг. 6.
Кроме того, отражатель 16 (смотрите фиг. 2) может быть спроектирован и установлен в осветительный узел 90 по фиг. 6, чтобы собирать и отражать выходной конус 86 в качестве картины освещения, направленной по существу в переднем направлении «F» (не показано). Предпочтительно, отражатель 16, применяемый в связи с осветительным узлом 90, сконфигурирован в качестве апараболического отражателя (например, по существу параболообразного профиля, использующего параболическую кривую, построенную от виртуальной фокальной точки и обращенную вокруг центральной оси 82), имеющего множество фокальных точек, соответствующих виртуальному фокальному кольцу 98a. При условии относительно малого углового расхождения выходного конуса 86, отражатель 16 может быть упакован с сравнительно небольшими размерами, достаточными для отражения всего света из выходного конуса 86. Результирующим эффектом является преимущественно узкое угловое расхождение (по сравнению с широкой картиной, создаваемой осветительным узлом 50) в прямом направлении «F», значительно большее по угловому расхождению, чем световой конус 83a (телесный угол), который исходит из источника 83 на СИД. Интенсивная картина освещенности с относительно узким угловым расхождением, формируемая осветительным узлом 90, могла бы применяться в некоторых применениях автомобильного наружного освещения для поддержки таких функций, как DRL, стоп-сигнал, сигнал поворота и т.д.
Варианты осуществления осветительного узла, описанные в вышеизложенном, в том числе, осветительные узлы 10, 50 и 90, преимущественно используют преимущества основанных на СИД источников освещения (например, потребляемую мощность) наряду с обеспечением угловых расхождений, типично ассоциативно связанных с применениями ламп накаливания. Кроме того, эти осветительные узлы применяют линзы поля в ближней зоне с одной или более коллимирующих поверхностей и элементами асферической канавки, которые преимущественно используют технологию NFL с боковым излучением, но кроме того, обеспечивают точное управление оптической конструкцией, ассоциативно связанное с виртуальными фокальными точками и виртуальными фокальными кольцами. С известными и точными виртуальными фокальными точками и виртуальными фокальными кольцами, в зависимости от применяемого типа осветительного узла, можно проектировать другие компоненты наружного освещения (например, отражатели), чтобы эффективно использовать свет, исходящих из NFL, ассоциативно связанных с этими осветительными узлами. Одним из значимых преимуществ, ассоциативно связанным с этими спроектированными осветительными узлами, является способность уменьшать общее форматное соотношение осветительного узла для наружного освещения или иным образом оптимизировать компоновку узла по сравнению с традиционной светотехникой.
Должно быть понятно, что варианты и модификации могут быть произведены над вышеупомянутой конструкцией, в том числе, но не в качестве ограничения, коллимирующей поверхностью или поверхностями и ассоциативно связанными алгоритмами, не выходя из концепций настоящего изобретения, а кроме того, должно быть понятно, что такие концепции подразумеваются покрытыми следующей формулой изобретения, если эта формула изобретения явным образом не заявляет иное своим языком.