СВЕТОДИОДНОЕ ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к светотехнике, а именно, к осветительным устройствам на основе светодиодов, обеспечивающим создание однородно-освещаемой зоны, и может быть использовано для локального освещения рабочих зон в помещениях, в частности, в хирургии для освещения операционного поля в операционных.
Известно осветительное устройство [US 2010027277], содержащее в качестве источника света светодиодную сборку, поверх которой помещен прозрачный оптический элемент, имеющий чашеобразную форму, наличие которого обеспечивает формирование световой зоны на освещаемой поверхности.
Недостатком рассматриваемого устройства является то, что оно ввиду возникновения оптических искажений, обусловленных чашеобразной формой оптического элемента, не обеспечивает достаточной равномерности освещенности поверхности и четкости границ световой зоны. Кроме того, рассматриваемое устройство не предусматривает возможность проецирования световой зоны на освещаемый объект.
Известно осветительное устройство для создания световой зоны [JP 2009158168], содержащее источник света, выполненный в виде группы светодиодов, каждый из которых сопряжен с оптическим элементом, обеспечивающим распространение светового излучения вдоль его оптической оси, при этом светодиоды размещены таким образом, что излучаемые ими световые лучи образуют практически параллельный пучок. Источник света помещен в трубчатом корпусе, в котором перпендикулярно направлению распространения световых лучей установлена маска со сквозным отверстием, предназначенным для прохождения излучения, а также расположенная за маской проекционная оптическая система, выполненная в виде вариообъектива.
Рассматриваемое устройство обеспечивает формирование и проецирование на освещаемый объект световой зоны, которая имеет достаточно четкие границы.
Однако, за счет того, что в рассматриваемом устройстве световые лучи не смешиваются, а представляют собой практически параллельный пучок, не обеспечивается высокая равномерность освещенности поверхности световой зоны, а также однородность ее цветности, особенно в случае использования светодиодов с различным цветом излучения. Кроме того, часть излучаемого светодиодами излучения не проходит через отверстие в маске, за счет чего снижается энергетическая эффективность рассматриваемого устройства.
Известно осветительное устройство для создания светового пятна [US 2007279904], выбранное авторами в качестве ближайшего аналога.
Рассматриваемое устройство включает источник света, содержащий основание, на котором расположен один или несколько светодиодов с одним или различным цветом излучения, и концентратор, выполненный в виде изготовленного из оптически прозрачного материала, показатель преломления которого превышает показатель преломления воздуха, сплошного объемного тела, имеющего входное основание, выходное основание и боковую поверхность. Источник света размещен в теле концентратора вблизи его входного основания, геометрические размеры которого превышают геометрические размеры поперечного сечения источника света. Боковая поверхность концентратора имеет расширяющуюся в направлении от входного основания к выходному основанию форму, обеспечивающую полное внутреннее отражение световых лучей, падающих на боковую поверхность концентратора
Рассматриваемое устройство за счет наличия концентратора, с помощью которого излучаемые источником световые лучи собираются в световой пучок и смешиваются, обеспечивает формирование на освещаемой поверхности световой зоны, форма которой соответствует форме выходного основания концентратора.
Однако в рассматриваемом устройстве, в котором источник света помещен в теле концентратора вблизи его нижнего основания, геометрические размеры которого превышают геометрические размеры поперечного сечения источника света, для части периферийных лучей не соблюдается условие их полного внутреннего отражения при попадании на поверхность концентратора, что ведет к потере части излучения, и, как следствие, к снижению энергетической эффективности рассматриваемого устройства и ухудшению характеристик освещенности и цветности поверхности световой зоны.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение энергетической эффективности устройства, а также повышение равномерности освещенности и однородности цветности поверхности световой зоны.
Сущность полезной модели характеризуется следующей совокупностью существенных признаков.
Заявляемое осветительное устройство содержит источник света, выполненный в виде расположенного на основании, по меньшей мере, одного светодиода, и концентратор, выполненный в виде изготовленного из оптически прозрачного материала, показатель преломления которого превышает показатель преломления воздуха, сплошного объемного тела, имеющего входное основание, выходное основание и боковую поверхность. Источник света помещен вблизи входного основания концентратора. Боковая поверхность концентратора имеет расширяющуюся в направлении от входного основания к выходному основанию форму, обеспечивающую полное внутреннее отражение световых лучей, падающих на боковую поверхность концентратора. Согласно полезной модели геометрические размеры входного основания концентратора соответствуют геометрическим размерам основания источника света, при этом источник света и концентратор установлены с образованием воздушного зазора между ними, толщина которого не менее длины волны излучения светодиодов.
В частном случае выполнения полезной модели устройство дополнительно содержит оптическую линзовую систему, обеспечивающую проецирование сформированной световой зоны на освещаемый объект и компенсацию возникающих оптических искажений.
Благодаря тому, что в заявляемом устройстве источник света помещен вблизи входного основания концентратора, а геометрические размеры входного основания концентратора соответствуют геометрическим размерам основания источника света, излучаемые источником световые лучи попадают на вход концентратора и распространяются в нем в направлении от входного основания к выходному. Излучаемые источником световые лучи в концентраторе собираются в световой пучок, при этом на освещаемой поверхности формируется световая зона, форма которой соответствует форме выходного основания концентратора.
Поскольку оптические свойства материала концентратора и форма его боковой поверхности выбраны из условия обеспечения эффекта полного внутреннего отражения световых лучей, падающих на боковую поверхность концентратора, минимизируются световые потери при прохождении светового излучения через концентратор. При этом в концентраторе происходит смешивание световых лучей, испытывающих полное внутреннее отражение, с параксиальными лучами, распространяющимися вдоль продольной оси концентратора.
Принципиально важным в заявляемом устройстве является то, что источник света и концентратор установлены с образованием воздушного зазора между ними.
За счет наличия указанного воздушного зазора излучаемые источником световые лучи из воздушной среды, имеющей более низкий показатель преломления, входят в концентратор, материал которого имеет более высокий показатель преломления. На границе раздела указанных сред происходит преломление световых лучей, распространяющихся под углом к продольной оси концентратора, при этом изменяется угол ввода световых лучей в концентратор, в результате чего излучаемые источником периферийные лучи вводятся в концентратор под углом, обеспечивающим их полное внутреннее отражение боковой поверхностью концентратора. Минимальная толщина указанного воздушного зазора должна быть не менее длины волны световых лучей, излучаемых источником света (в случае использования светодиодов с различным цветом излучения - не менее длины волны, соответствующей максимальному значению в спектра излучения светодиодов), так как в противном случае световые лучи будут поступать в концентратор, не испытывая преломления на входе в концентратор.
Максимальная толщина указанного воздушного зазора выбирается из условия минимизации световых потерь на входе в концентратор.
Благодаря вышеуказанным особенностям заявляемого устройства практически все излучаемые источником света лучи поступают в концентратор, где они собираются в световой пучок и смешиваются.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого устройства, является минимизация потери периферийных лучей на входе в концентратор, что способствует повышению энергетической эффективности устройства, а также повышению равномерности освещенности и однородности цветности формируемого с помощью заявляемого устройства поверхности светового пятна.
Боковая поверхность концентратора может иметь форму боковой поверхности усеченной пирамиды или усеченного конуса. При этом предпочтительной является форма боковой поверхности усеченной пирамиды, так как в противном случае могут наблюдаться краевые концентрические блики у световой зоны. Кроме того, концентратор с конической формой боковой поверхностью является более сложным в изготовлении.
В случае, когда заявляемое устройство дополнительно содержит оптическую линзовую систему с указанными выше функциями, оказывается возможным перенести световую зону на требуемое расстояние, а также компенсировать возникающие оптические искажения, что способствует повышению равномерности освещенности и однородности цветности поверхности световой зоны.
На фигуре представлен чертеж заявляемого устройства.
Устройство содержит источник света, включающий основание 1, на котором расположены светодиоды 2, в частности, светодиоды с различным цветом излучения, выбранные из группы: синий, зеленый, красный, оранжевый, за счет смешения излучений которых обеспечивается суммарное излучение желаемой цветности.
Устройство также содержит концентратор 3, выполненный в виде сплошного объемного тела, изготовленного из оптически прозрачного материала, показатель преломления которого превышает показатель преломления воздуха. Концентратор 3 имеет входное основание 4, выходное основание 5 и расширяющуюся в направлении от входного основания 4 к выходному основанию 5 боковую поверхность 6, форма которой выбрана из условия обеспечения полного внутреннего отражения падающих на нее световых лучей (на чертеже не обозначены). Входное основание 4 имеет, в частности, форму квадрата, выходное основание 5 имеет, в частности, форму прямоугольника, а боковая поверхность 6 имеет, в частности, форму боковой поверхности усеченной четырехугольной призмы.
Геометрические размеры входного основания 4 концентратора 3 соответствуют геометрическим размерам основания 1 источника света. При этом источник света и концентратор 3 установлены с образованием воздушного зазора A между ними, а именно, между излучающей поверхностью светодиодов 2 (на чертеже не обозначена) и входной поверхностью 4 концентратора 3.
Кроме того, устройство содержит оптическую линзовую систему, обеспечивающую проецирование световой зоны на освещаемый объект. Указанная линзовая система, в частности, включает расположенные последовательно за концентратором 3 первую линзу 7, вторую линзу 8 и третью линзу 9, оптические оси (на чертеже не обозначены) которых совпадают с оптической осью концентратора 3 (на чертеже не обозначена). При этом линза 7 является рассеивающей, а линза 8 и 9 являются собирающими.
Устройство работает следующим образом.
Световые лучи, излучаемые светодиодами 2, проходят через воздушный промежуток A и входят в концентратор 3 через его входное основание 4. При этом параксиальные лучи, распространяющиеся вдоль продольной оси концентратора 3, входят в него, не преломляясь. Периферийные лучи при входе в концентратор 3 испытывают преломление на границе раздела двух сред, одной из которых является воздушная среда, а другой - материал концентратора 3, имеющий показатель преломления, больший, чем показатель преломления воздуха. Наличие указанного воздушного промежутка A способствует тому, что практически все излучаемые светодиодами 2 световые лучи вводятся в концентратор 3.
Световые лучи, распространяющиеся вдоль продольной оси концентратора 3, проходят через него напрямую, а световые лучи, падающие на его боковую поверхность 6, распространяются в концентраторе 3, испытывая полное внутреннее отражение.
Излучаемые источником света лучи в концентраторе 3 собираются в световой пучок, при этом в концентраторе 3 происходит полное смешение распространяющихся в нем световых лучей.
Выходящее из концентратора 3 световое излучение обеспечивает формирование на освещаемой поверхности световой зоны, имеющей, в частности, форму прямоугольника.
С помощью линзовой системы, включающей линзы 7, 8 и 9, осуществляется проецирование сформированной на выходе концентратора 3 световой зоны на удаленный от концентратора 3 на требуемое расстояние освещаемый объект (на чертеже не обозначен). При этом указанная линзовая система позволяет компенсировать возникающие оптические искажения.