ОСВЕТИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР СО СФЕРОПАРАБОЛОИДНЫМ РЕФЛЕКТОРОМ И ЛИНЗОЙ

Полезная модель относится к светотехнике, а именно к осветительным светоотражающим приборам, имеющим тело излучения светового потока и сферопараболический рефлектор. Сферопараболоидный рефлектор - это зеркальный отражатель, который представляет из себя фигуру вращения, состоящую из вогнутого сферического зеркала (полусфера), нераздельно сопряженного с параболическим зеркалом с отсеченным полусферой концом, находящиеся на одной оптической оси. Основа рефлектора - полусфера, а раструб рефлектора формируется параболоидом вращения, при этом точечный источник светового потока помещен в центр полусферы, совпадающий с фокусом параболоида. Все сечения фигуры, перпендикулярные оси симметрии, круглой формы.
Предложено множество вариантов конструкций источников освещения и рефлекторов. Одним из наиболее часто встречающихся рефлекторов является отражатель в виде параболического цилиндра или параболоида вращения, в которых используется свойство параболы направлять отраженные лучи от источника света, помещенного в ее фокус, параллельно оси параболы. Например:
- эллипсоидная автомобильная фара (RU 93026510 А) относится к светотехнике, в частности к конструкции автомобильных фар проекторного типа, и может быть использована в качестве фары ближнего света, противотуманной фары на различных типах легковых и грузовых автомобилей. Полезная модель обеспечивает создание автомобильной фары проекторного типа с повышенным коэффициентом полезного действия и резко очерченным световым пятном. Для этого между рефлектором и собирательной линзой располагается диафрагма-отражатель, имеющая вогнутую зеркальную поверхность, обращенную к источнику света, и выходное окно определенной формы. Световой поток от рефлектора частично попадает в выходное окно диафрагмы-отражателя, остальная его часть возвращается вогнутой зеркальной поверхностью диафрагмы на рефлектор. Эта часть потока направляется рефлектором в выходное окно и включается в создание светового потока фары;
- полезная модель (RU 95104252 А1) относится к области светотехники, в частности к конструкции автомобильных фар проекторного типа и может быть использовано в качестве противотуманной фары, а при замене наружного рассеивателя с рассеивающими линзами гладким рассеивателем в качестве фары искателя с регулируемым по ширине световым пучком. В основе изобретения лежит цель создания автомобильной фары с четко очерченным световым пучком. Цель достигается тем, что из конструкции исключены отражательные и формирующие световой пучок элементы (рефлектор, диафрагма, контротражатель), а источник света помещается вблизи фокуса собирательной линзы на ее главной оптической оси. Конструкция обеспечивает заданную интенсивность и угловые размеры светового пучка, а изготовление такой фары более просто;
- полезная модель (RU 2149307 С1) относится к светотехнике, в частности к световым приборам прожекторного типа. Оно может быть использовано при разработке подводных световых приборов, а также автомобильных фар и прожекторов иных средств передвижения. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства. Это достигается тем, что устройство содержит источник света, эллипсоидный отражатель, линзовую проекционную систему, соосную оптически с эллипсоидным отражателем, расположенную между эллипсоидным отражателем и проекционной системой диафрагму-отражатель. При этом проекционная система выполнена в виде набора линз, каждая из которых снабжена поворотным устройством, позволяющим смещать ее с оптической оси эллипсоидного отражателя, а перед проекционной системой установлено плоское зеркало под углом 45° к оптической оси эллипсоидного отражателя. Плоское зеркало снабжено поворотным устройством, позволяющим разворачивать его вокруг оптической оси эллипсоидного отражателя совместно с любой комбинацией линз проекционной системы, установленной в ход лучей устройства;
- предлагается фара транспортного средства проекторного типа (RU 94041942 А1), содержащая вогнутый отражатель со сложной формой в виде совокупности сопряженных секторов эллипсоидов с общим для всех меридиональных сечений положением первого фокуса и общей вершиной, поверхности которых описываются уравнениями, приведенными в описании, источник света с цилиндрическим телом накала, экран, частично пропускающий свет или светящийся отраженным светом, имеющий кромку, форма которого определяет форму светотеневой границы пучка фары, и двояковыпуклую линзу, формирующую изображение экрана во внешнем пространстве и световой пучок фары;
- известна автомобильная фара (CS 275194 В6), содержащая отражатель вогнутой формы, источник света с цилиндрическим телом накала, расположенным вдоль и несколько ниже оптической оси отражателя и смещенным в сторону его горловины, экран с расположенной вблизи фокуса линзы кромкой, форма которой определяет форму светотеневой границы пучка фары, и линзу, формирующую изображение экрана во внешнем пространстве. Отражатель фары имеет сложную, но гладкую, без разрывов поверхность, состоящую из верхней и нижней частей. Вертикальные сечения верхней и нижней частей отражателя имеют скорму эллипсов, а горизонтальные сечения имеют вначале форму эллипсов, а затем плавно переходят в параболы, оптические оси которых составляют угол с оптической осью системы. Кривые, получающиеся во всех меридиональных сечениях имеют общую вершину и общий первый фокус. Линза является плосковыпуклой и поэтому обладает достаточно высокими сферической и хроматической аберрациями. Для устранения негативных влияний аберраций часть линзы вверху и внизу перекрыта непрозрачными дополнительными экранами;
- автомобильная фара проекторного типа (DE 3305347 А1), содержащая отражатель сложной формы, состоящий из двух частей. Первая, верхняя часть отражателя, обеспечивающая широкое светораспределение по горизонтали, имеет поверхность, характеризующуюся тем, что во всех ее меридиональных сечениях образуются эллипсы с общей вершиной и общим первым фокусом, но эксцентриситет этих эллипсов возрастает от вертикального к горизонтальному сечению. Вторая же часть отражателя представляет собой эллипсоид вращения, обеспечивающий высокую интенсивность пучка в области, близкой к оптической оси фары. Вертикальные сечения верхней и нижней частей отражателя представляют собой эллипсы с равными эксцентриситетами.
Однако во всех перечисленных устройствах существует проблема паразитного рассеяния света от источника, которое уменьшает КПД приборов. На фиг. 1 приведена иллюстрация этого эффекта. Предположим, что В - вершина параболы, которая представляет собой центральное сечение параболического зеркала, OY - главная ось параболоида, F - фокус параболоида, в который помещен точечный источник света. Для произвольной длины раструба параболического зеркала существует телесный угол 2α, под которым лучи от источника претерпевают рассеяние в виде расходящегося конуса. Для решения этой проблемы предложены многочисленные системы фокусировки и рассеяния, которые, тем не менее, не способны утилизировать 100% светового потока.
Таким образом, существует потребность в новом устройстве для обеспечения полного использования энергии светового потока от точечного источника без паразитного рассеяния.
Целью настоящей полезной модели является создание осветительного прибора, конструкция которого позволяет утилизировать максимальную долю световой энергии точечного источника света, направляя ее параллельно главной оптической оси прибора. Доля эффективно использованной световой энергии от источника в реальных приборах будет расти в перспективе при увеличении точности и качества обработки материалов. Упомянутая цель достигается посредством использования в приборе отражателя определенной формы и оптического элемента для фокусировки света из точечного источника. Все конструктивные элементы прибора находятся на главной оптической оси, а главные фокусы их совпадают. Поскольку плоская геометрическая схема прибора абсолютно идентична объемной схеме, в дальнейшем все построения будем проводить для двумерного случая.
2
На фиг. 2 приведена схема расположения основных элементов конструкции прибора. Отражатель формируется комбинацией двух фигур: параболы X=2pY с директрисой, совпадающей с осью абсцисс, и фокусом в точке F, и окружности с центром в этой же точке F и радиусом r, равным фокальному параметру параболы p=FR=OF (по определению параболы). Точка F является главным фокусом отражателя. Для того чтобы сфокусировать лучи от точечного источника, распространяемые в прямом направлении (на фиг. 2 вверх) необходимо использовать собирающую линзу (оптический центр линзы пересекает главную ось фигуры в точке L) с фокусным расстоянием LF=р/2 и имеющую радиус, равный радиусу окружности r. Луч FM из главного фокуса к касательной крайней точки линзы определяет длину раструба ОС отражателя, проходящую через точку М пересечения луча и параболы.
Физически отражатель предлагаемого осветительного прибора (фиг. 3) представляет собой фигуру, состоящую из нижней полуокружности и верхней части параболы, выходящей из точек их пересечения. Лучи обратного хода (е, направление вниз) от точечного источника света, помещенного в точку F, отразятся от нижней полусферы, вернутся в точку F (по закону отражения в сферическом зеркале) и пройдут дальше, вместе с лучами прямого хода, где попадут на собирающую линзу, которая направит их параллельно главной оси (а, b, направление вверх). Та часть лучей, которая будет распространятся от источника F в угле от 0° до β (касательная из фокуса к краю линзы), попадет на параболический отражатель и также отразится параллельно главной оси по закону отражения от параболического зеркала (c, d, направление вверх).
Таким образом, в предложенном приборе практически 100% светового потока от точечного источника света будут отражены или сфокусированы параллельно главной оси прибора.
2
Минимальная длина раструба рефлектора ОС - это ордината точки М, которая может быть оценена, исходя из величины фокального параметра р следующим образом. В выбранной декартовой системе координат OXY уравнение прямой FM Y=X/2+p, уравнение параболы, с которой она пересекается в точке М, Y=Х/(2р)+р/2. Выразив X через Y и приравняв выражения, получим уравнение для нахождения Y:  Решая уравнение, находим
Таким образом, целью настоящей полезной модели является создание оптического элемента, конструкция которого уменьшает одну из проблем известного уровня техники.
Прибор может быть использован в различных сферах промышленности: автомобильная фара-искатель, наружное освещение, подсветка зданий и т.п.