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 для создания светового пятна [US 2007279904].
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 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 не предусмотрена возможность переноса сформированного светового пятна на заданную дистанцию.
Известны осветительные устройства, которые обеспечивают проецирование создаваемого осветительным устройством изображения на освещаемую поверхность, что позволяет создавать на ней локальную световую зону. Такая возможность является важной в случае, когда требуется осветить рабочее место, в частности, операционное поле при проведении хирургических манипуляций.
Известен хирургический светодиодный светильник [RU 100180], который выбран в качестве ближайшего аналога.
Рассматриваемое устройство содержит светодиодный источник света, выполненный в виде расположенной на пластинчатом основании светодиодной сборки, концентратор, выполненный в виде изготовленного из оптически прозрачного материала сплошного объемного тела, имеющего входное основание, выходное основание и боковую расширяющуюся в направлении от входного основания к выходному основанию поверхность, а также оптическую систему, обеспечивающую проецирование сформированной концентратором световой зоны на освещаемый объект. Указанная оптическая система содержит расположенные последовательно за концентратором первую, вторую и третью линзы, оптические оси которых совпадают с оптической осью концентратора. Геометрические размеры входного основания концентратора соответствуют геометрическим размерам пластинчатого основания источника света, при этом источник света помещен вблизи входного основания концентратора.
Наличие в данном устройстве сопряженного с концентратором светодиодного источника света и указанной выше проекционной оптики, обеспечивают замешивание световых лучей в концентраторе и проецирование их на освещаемую поверхность и, тем самым, позволяет создавать на освещаемом рабочем поле однородную по цветности и освещенности локальную световую зону.
Однако, как показывают исследования, в рассматриваемом устройстве в недостаточной степени скорректированы оптические искажения, в том числе, хроматическая аберрация.
Между тем, наличие в осветительных устройствах, содержащих проекционную оптику, хроматической аберрации, обусловленной дисперсией среды, то есть зависимостью коэффициента преломления оптического материала входящих в проекционную систему линз от длины световой волны, для полихроматического светодиодного источника, содержащего светодиоды белого света с широким спектром излучения или светодиоды различных цветов излучения, может привести к постороннему окрашиванию создаваемого светового пятна.
В частности, в хирургических светильниках это может помешать созданию освещения требуемого цвета, выбираемого в зависимости от вида биологических тканей, с которыми работает хирург, с целью улучшения контраста их визуализации при проведении хирургических манипуляций.
Проблемой, решаемой при реализации заявляемой полезной модели, является снижение оптических искажений создаваемой световой области.
1
2
1
0
2
Сущность полезной модели заключается в том, что в осветительном устройстве, включающем светодиодный источник света, содержащий расположенную на пластинчатом основании светодиодную сборку, концентратор, выполненный в виде изготовленного из оптически прозрачного материала сплошного объемного тела, имеющего входное основание, выходное основание и боковую расширяющуюся в направлении от входного основания к выходному основанию поверхность, а также оптическую систему, обеспечивающую проецирование сформированной концентратором световой зоны на освещаемую поверхность, содержащую расположенные последовательно за концентратором первую, вторую и третью линзы, оптические оси которых совпадают с оптической осью концентратора, при этом источник света помещен вблизи входного основания концентратора, а геометрические размеры входного основания концентратора соответствуют геометрическим размерам пластинчатого основания источника света, согласно полезной модели первая и третья линзы выполнены из материала, имеющего одинаковый показатель преломления по, вторая линза выполнена склеенной и содержит первый и второй линзовые элементы, изготовленные из оптических материалов, имеющих отличающиеся показатели преломления соответственно n и n, при этом показатели преломления первой и третьей линз, а также первого и второго линзового элемента второй линзы выбраны в соответствии с соотношением n > n > n.
Благодаря наличию в заявляемом устройстве совмещенного со светодиодным источником концентратора, изготовленного из оптически прозрачного материала, имеющего расширяющуюся в направлении хода световых лучей форму, входное основание которого согласовано по размерам с размерами основания источника света, излучаемые светодиодами световые лучи в концентраторе собираются в световой пучок и смешиваются с образованием на выходе концентратора светового пятна, форма которого соответствует форме выходного основания концентратора.
Расширяющаяся форма концентратора способствует достижению эффекта полного внутреннего отражения световых лучей, падающих на его боковую поверхность, что является важным для минимизации в нем потерь световых лучей.
При этом для изготовления концентратора целесообразным является использование такого оптически прозрачного материала, показатель преломления которого превышает показатель преломления воздуха, что также способствует достижению эффекта полного внутреннего отражения световых лучей боковой поверхностью концентратора.
Наличие в заявляемом устройстве описанной выше проекционной оптической системы позволяет передать изображение выходного основания концентратора на заданную дистанцию и устранить при этом неравномерность светового потока по углу излучения.
В результате на освещаемой поверхности удается создать световую зону с равномерным распределением света по цвету и интенсивности.
Принципиально важным в заявляемом устройстве является то, что вид и оптические свойства компонентов оптической системы были выбраны авторами расчетно-экспериментальным путем, исходя из условия снижения возникающих в устройстве аберраций.
Как показали исследования авторов, при использовании оптической системы, в которой показатели преломления линз соответствуют указанному выше соотношению, а центральная линза представляет собой склейку из двух отдельных линзовых элементов с отличающимися коэффициентами преломления, удается значительно снизить оптические искажения (дисторсию, ширину пятна рассеяния), а также исправить хроматическую аберрацию.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого устройства, является снижение оптических искажений создаваемой световой области.
На фигуре представлен общий вид заявляемого устройства.
Устройство включает светодиодный источник 1 света, выполненный в виде расположенной на плоском основании светодиодной сборки, содержащей один или более светодиодов белого света или один или более светодиодов с одним или различным цветом излучения.
Устройство также содержит расположенный последовательно за источником 1 света концентратор 2, выполненный в виде объемного тела, изготовленного из оптически прозрачного материала, показатель преломления которого превышает показатель преломления воздуха.
Концентратор 2 имеет входное основание 3, выходное основание 4 и расширяющуюся в направлении от входного основания 3 к выходному основанию 4 боковую поверхность. Входное основание 3 имеет, в частности, форму квадрата, выходное основание 4 имеет, в частности, форму прямоугольника, а боковая поверхность имеет, в частности, форму боковой поверхности усеченной четырехугольной призмы.
Входное основание 3 концентратора 2 помещено вблизи источника 1 света, а его оптическая ось ориентирована перпендикулярно излучающей поверхности светодиодов.
Геометрические размеры входного основания 3 концентратора 2 соответствуют геометрическим размерам основания источника 1 света.
На выходе концентратора 2 установлена проекционная оптическая система, содержащая последовательно расположенные первую линзу 5, вторую линзу 6 и третью линзу 7, оптические оси которых совпадают с оптической осью концентратора 2.
1
2
1
0
3
Первая и третья линзы соответственно 5 и 7 выполнены из материала, имеющего одинаковый показатель преломления по, вторая линза 6 выполнена склеенной и содержит первый и второй линзовые элементы соответственно 8 и 9, изготовленные из оптического материала, имеющего отличающиеся показатели преломления соответственно n и n. При этом показатели преломления первой и третьей линз 5 и 7 соответственно, а также первого и второго линзового элемента 8 и 9 соответственно второй линзы 6 выбраны из соотношения n > n > n.
В частности, оптическая система содержит:
первую линзу 5 собирающую, показатель преломления по которой составляет величину 1,61;
1
2
вторую линзу 6, включающую первый линзовый элемент 8, выполняющий функцию рассеивающей линзы, показатель преломления n которой составляет величину 1, 76; второй линзовый элемент 9, выполняющий функцию собирающей линзы, показатель преломления n которой составляет величину 1,54;
0
третью линзу 7 собирающую, показатель преломления n которой составляет величину 1, 61.
Указанная линзовая система представляет собой объектив с телецентрическим ходом лучей на входе и обеспечивает проекцию выходного основания концентратора 2 на рабочее поле 10 с увеличением.
Устройство работает следующим образом.
При подаче питания светодиоды, входящие в состав источника 1 света, излучают свет.
Световые лучи проходят через концентратор 2, в котором достигается смешение световых лучей и уменьшение ширины углового спектра исходящего излучения. При этом световые лучи, распространяющиеся вдоль его продольной оси, проходят через него напрямую, а световые лучи, падающие на его боковую поверхность, распространяются в концентраторе 2, испытывая полное внутреннее отражение.
В результате световые лучи в концентраторе 2 смешиваются и собираются в световой пучок с получением результирующего излучения требуемого цвета.
Выходящее из концентратора 2 световое излучение с помощью линзовой системы, содержащей линзы 5, 6 и 7 проецируется на поверхность рабочего поля 10.
При этом на указанной поверхности формируется равномерная по освещенности и однородная по цветности световая зона (световое пятно).
При этом благодаря выбранной конструкции объектива удается минимизировать оптические искажения получаемого изображения, в частности, исправить хроматическую аберрацию.