ОСВЕТИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР, ОСОБЕННО ДЛЯ ДОРОЖНОГО ОСВЕЩЕНИЯ
LIGHTING DEVICE, ESPECIALLY FOR ROAD LIGHTING

Область техники
Настоящее изобретение относится к осветительным приборам для дорожного освещения.
Уровень техники
Дорожные осветительные приборы конструируют так, чтобы дорога была освещена с равномерностью, требуемой правительственными спецификациями.
В этих спецификациях предъявляются особые требования к равномерности освещения в направлении дороги, в котором водитель движется по конкретной полосе. Более того, выдвигается требования, чтобы интенсивность света, который может светить непосредственно в глаза водителя, была минимальной. Слишком сильный свет, светящий непосредственно в глаза водителя, может привести к ослеплению, опасному для водителя. Поэтому в осветительном приборе для дорожного освещения тщательно поддерживается баланс распределения света в направлении дороги, который дает требуемую равномерность и ограничивает ослепление на уровне, требуемом спецификациями.
Предпочтительным источником света, в настоящее время применяемым в осветительных приборах дорожного освещения, являются светоизлучающие диоды (на практике - светодиодные матрицы), которые типично излучают свет с распределением Ламберта. Это распределение несколько отличается от требуемого распределения света.
Для генерирования требуемого распределения можно сконструировать линзу, которая помещается непосредственно на светодиод. Альтернативой осветительному прибору, состоящего из светодиода и линзы является конический отражатель, установленный вокруг светодиода плюс оптическая пластина перед отражателем для перенаправления света для получения требуемого распределения света.
Оптическая пластина может содержать призматические элементы микрометрового или миллиметрового размера с мозаичным расположением.
Однако конструирование и производство оптической пластины может быть затруднительно.
В публикациях ЕР 2690355 А1 и US 20090097248 раскрывается осветительный прибор, содержащий источник света, конструкцию отражателя и оптическую пластину с призматической структурой, в которой призматические кромки проходят в направлении от боковой стороны к боковой стороне.
Краткое описание изобретения
Изобретение определено формулой изобретения.
Согласно настоящему изобретению предлагается осветительный прибор для освещения дороги, имеющий направление (х) от одной боковой стороны к другой боковой стороне, соответствующее направлению ширины дороги при использовании, и направление (y) от одного конца к другому концу, соответствующее направлению длины дороги при использовании. Осветительный прибор содержит:
источник света;
устройство отражателя, имеющее противоположные боковые стороны и противоположные концы и образующее окно для входа света, расположенное сверху, в которое источник света подает свет, и окно для выхода света, расположенное снизу и имеющее больший размер; и
оптическую пластину на окне для выхода света, содержащую матрицу удлиненных призм, каждая из которых проходит в направлении от одной боковой стороны к другой боковой стороне, при этом каждая призма оптической пластины имеет расположенную вертикально сторону и верхнюю грань, перпендикуляр к которой образует угол (γ) призмы с вертикалью к оптической пластине.
Угол (γ) призмы увеличивается от центральной призмы на внутренней секции оптической пластины, проходящей наружу от центра, и угол призмы уменьшается на внешней секции оптической пластины, проходящей наружу к внешней кромке. Каждая призма обращена верхней гранью к источнику света.
В такой конструкции отражатель выполняет функцию перенаправления света перпендикулярно направлению дороги, а оптическая пластина перенаправляет свет в направлении дороги, поскольку она состоит из удлиненных призм, проходящих в направлении от одной боковой стороны к другой боковой стороне. Это позволяет упростить конструкцию оптической пластины, поскольку форма призматического элемента изменяется только в одном измерении. Это может привести к созданию оптической пластины более дешевой в производстве, например, способом экструзии, горячего выдавливания рельефа или другими известными способами.
Оптическая пластина может иметь конструкцию, которая может быть независимой от размера источника света в осветительном приборе (т.е., размера входного окна) в направлении дороги, и высоты отражателя. Призмы с верхней гранью, обращенной к источнику света, вместо вертикальной грани, позволяют создать менее острые кромки, тем самым снижая риск повреждения призм. Кроме того, неожиданно оказалось возможным добиться требуемого распределения света с помощью преломления (возможно, в комбинации с полным внутренним отражением) только за один этап, т.е., каждый световой луч распространяется только сквозь одну (соответствующую) оптическую пластину через один (соответствующий) оптический элемент на этой оптической пластине. Конкретная конструкция отражателя в комбинации с конкретной конструкцией оптической пластины позволяют дополнительно корректировать требуемое распределение света.
Конструкцию можно оптимизировать для создания максимальной равномерности в направлении дороги, в то же время выполняя требования, относящиеся к ослеплению. В частности, осветительный прибор преобразует распределение света источника света, который может содержать светодиод или светодиодную матрицу, в распределение света, подходящее для внешнего дорожного осветительного прибора в направлении дороги.
Предпочтительно, противоположные боковые стороны и противоположные концы являются плоскими.
Предпочтительно, окно для выхода света имеет размер в направлении от одного конца к другому концу от 100 мм до 400 мм и высоту устройства отражателя в диапазоне от 50 мм до 150 мм.
Предпочтительно, концы устройства отражателя проходят под углом к вертикали, который находится в диапазоне от 40° до 70°, более предпочтительно от 45° до 65°.
Предпочтительно, источником света является по меньшей мере один светоизлучающий диод.
Предпочтительно, угол призмы к вертикали для центральной призмы равен нулю.
Предпочтительно, оптическая пластина выполнена симметричной относительно линии, проходящей от одной боковой стороны к другой боковой стороне вдоль центральной призмы.
Предпочтительно, угол призмы на внешней кромке находится в диапазоне от 0° до 25°.
Предпочтительно, угол призмы имеет максимальную величину в промежуточной секции между внутренней секцией и наружной секцией, причем максимальный угол находится в диапазоне от 15° до 40°.
Предпочтительно, промежуточная секция содержит набор призм, у которых угол призмы одинаков.
Предпочтительно, высота отражателя составляет то 0,5 до 5 размеров окна для входа света в направлении от одного конца к другому концу.
Предпочтительно, направление (х) от одной боковой стороны к другой боковой стороне и направление (y) от одного конца к другому концу определяют плоскость (xy), вертикаль к плоскости (xy) и направление от одной боковой стороны к другой боковой стороне определяют плоскости (xz), причем удлиненные призмы являются изогнутыми призмами в направлении от одной боковой стороны к другой боковой стороне, когда призмы изогнуты в плоскости (xy), при этом изогнутые призмы обращены выпуклой стороной к источнику света, когда призмы изогнуты в плоскости (xz), причем изогнутые призмы обращены вогнутой стороной к источнику света.
Предпочтительно, количество призм составляет от 20 до 2000, а ширина призм составляет по меньшей мере 20 мкм.
Предпочтительно, осветительный прибор содержит матрицу источников света, каждый из которых имеет собственное соответствующее устройство отражателя, при этом каждый источник света также имеет соответствующую оптическую пластину, или оптическая пластина является общей для источников света.
Как было указано, противоположные боковые стороны и противоположные концы могут быть плоскими. Это дает простой в конструировании и производстве отражатель.
Окно для выхода света может иметь размер в направлении от одного конца до другого конца от 100 до 400 мм, а высота конструкции отражателя может быть от 50 до 150 мм. Эти размеры в частности, подходят для дорожного освещения.
Концы устройства отражателя предпочтительно проходят под углом α к вертикали, который находится в диапазоне от 40° до 70°, более предпочтительно, от 45° до 65°. Было обнаружено, что углы, находящиеся в этих диапазонах, дают малое количество отраженного света в плоскости, проходящей поперек направления дороги и с малым отношением между максимальной и минимальной интенсивностью.
Распределение интенсивности света в плоскости, параллельной направлению от одного конца к другому концу, может, например, иметь максимум при угле в диапазоне от 60° до 75° к вертикали. Это может отличаться от собственного распределения источника света, которым может быть светодиод с ламбертовским световым потоком.
Каждая призма оптической пластины предпочтительно имеет верхнюю грань с вертикалью (т.е., с нормальным направлением к верхней грани), составляющей угол γ призмы к вертикали, при этом к вертикали для центральной призмы равен нулю или является небольшим, например, менее 10°. Оптическая пластина может быть симметричной относительно линии, проходящей от одной боковой стороны к другой боковой стороне вдоль центральной призмы.
Угол γ призмы увеличивается о центральной призмы для внутренней секции оптической пластины, проходящей наружу от центра, и угол призмы уменьшается для внешней секции оптической пластины, проходящей наружу к внешней кромке. Поэтому призмы могут иметь конкретный угол γ призмы к вертикали (т.е., нормали к оптической пластине), что является одномерной функцией относительно размера пластины в направлении дороги. Такая конструкция проста в конструировании и производстве.
Угол γ призмы у внешней кромки может быть в диапазоне от 0° до 25°. Угол γ призмы может иметь максимальную величину в пределах промежуточной секции между внутренней секцией и внешней секцией, при этом максимальный угол находится в диапазоне от 15° до 40°.
Поэтому, от центра оптической пластины и в направлении наружу (в направлении дороги) углы γ призмы увеличиваются от нуля в первой области, затем следует промежуточная область, в котором этот угол является максимальным, и углы уменьшаются в концевой области. Промежуточная область может содержать набор призм, у которых угол призмы одинаков.
Высота отражателя предпочтительно равна 0,5-5 размера окна для входа света в направлении от одного конца к другому концу.
Удлиненные призмы могут быть прямыми или изогнутыми. Количество призм предпочтительно составляет от 20 до 2000 (более предпочтительно от 20 до 400) и ширина призмы составляет по меньшей мере 20 мкм.
Осветительный прибор может содержать матрицу источников света, каждый из которых имеет собственную конструкцию отражателя, при этом каждый источник света также имеет соответствующую оптическую пластину или источники света имеют общую оптическую пластину.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1а-1с пример геометрии осветительного прибора.
Фиг. 2 - геометрия отражателя в направлении от одного конца к другому концу, параллельном направлению дороги.
Фиг. 3 - отношение интенсивности, построенное для ряда конструкций отражателя с изменяющимися углами α концов отражателя в направлении дороги.
Фиг. 4 - процент отраженного света относительно угла α концов отражателя.
Фиг. 5 - более подробна иллюстрация конструкции оптической пластины.
Фиг. 6 - сечение в направлении оси y (направление дороги) распределения света светодиода плюс отражателя (сплошная линия) и целевое распределение, генерируемое в комбинации с оптической пластиной (пунктирная линия).
Фиг. 7 - функция угла, которая определяет, как углы γ граней оптической пластины изменяются с расстоянием, для двух углов α отражателя.
Фиг. 8а-8b - система освещения, содержащая набор модулей.
Фиг. 9а-9с - конструкция с одним отражателем для каждого светодиода или для каждой группы светодиодов.
Фиг. 10 - альтернативный вариант с изогнутыми линиями разных радиусов.
Фиг. 11а-11b - другая конструкция оптической пластины.
Фиг. 12 - альтернативный вариант оптической пластины с изменяющейся толщиной.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Согласно настоящему изобретению предлагается осветительный прибор для освещения дорог, содержащий источник света, конструкцию отражателя, определяющую расположенное сверху окно для входа света, в которое источник света подает свет, и окно для выхода света, и расположенное снизу окно для выходя света, имеющее больший размер, а также оптическую пластину на окне для выхода света. Оптическая пластина содержит матрицу удлиненных призм каждая их которых проходит в направлении от одной боковой стороны к другой боковой стороне, которое соответствует направлению ширины дороги. Отражатель в первую очередь отвечает за управление световым потоком в направлении длины дороги.
Осветительный прибор по варианту настоящего изобретения показан на фиг. 1. На фиг. 1а представлен вид в перспективе, а на фиг. 1b представлен вид одного конца, если смотреть в направлении длины дороги.
Осветительный прибор содержит источник 10 света и конструкцию 12 отражателя, имеющую противоположные боковые стороны 14 и противоположные концы 16 и определяющую окно 18 для входа света, расположенное наверху и на которое источник 10 света подает свет. Внизу определено окно 20 для выхода света, имеющего больший размер.
x
y
x
y
Осветительный прибор предназначен для освещения дороги и выполнен с возможностью ориентирования определенным образом относительно дороги. Определяя ширину дороги как проходящую в направлении оси х, а длину дороги как проходящую в направлении оси y, входное окно (и источник света) имеет размер S по оси х и размер S по оси y. Выходное окно имеет размер W по оси х и размер W по оси y.
Можно считать, что ось х определяет направление от одной боковой стороны до другой боковой стороны, а ось y определяет направление от одного конца до другого конца.
Входное окно и источник света могут быть квадратными, но они могут быть и прямоугольными с не равным единице отношением сторон в направлении дороги (ось y) и перпендикулярном к нему направлении (ось х). Например, размер источника по оси х может быть больше размера источника по оси y в 5 раз или более. Типично отношение размера по оси х к размеру о оси y находится в диапазоне 0,2-10.
x
x
x
На нижней стороне отражателя 12 находится оптическая пластина 22, покрывающее выходное окно 20 и состоящая из линий призматических оптических структур, которые ориентированы по оси х или в направлении от одной боковой стороны к другой боковой стороне, а именно, перпендикулярно направлению дороги. Размер по оси х выходного окна 20 определяется размером S источника по оси х, высотой h отражателя и имеющейся геометрией дороги. Угол двух сторон 14 отражателя (которые образуют плоскости, параллельные направлению дороги) определяется геометрией дороги. Размер выходного окна по оси х, таким образом, в основном определяется высотой отражателя для данного угла сторон 14. В частности, W=2htgΘ+S, где Θ - угол к вертикали, образованный сторонами 14 (предполагая, что они симметричны).
x
y
Один пример возможной геометрии осветительного прибора для типичной геометрии дороги имеет входное окно (и размер источника) 20×20 мм в комбинации отражателем, имеющим высоту (h) 40 мм и оптической пластиной, в которой W=75 мм и W=160 мм.
На фиг. 1 показаны стороны 14, расходящиеся наружу от входного окна 18 так, что входное окно расположено приблизительно (или точно) над центром выходного окна. Однако входное окно может быть смещено к одной боковой стороне структуры так, чтобы две стороны 14 отражателя были наклонены в одном общем направлении. Как показано на виде с конца на фиг. 1b, боковые стороны не обязательно должны проходить под одним и тем же углом. Альтернативные конфигурации показаны на фиг. 1с.
Оптическая пластина может иметь прямые линии призм. Такая линейная структура пластины означает, что пластину можно изготовить различными известными недорогими способами. Например, недорогим вариантом является экструзия, однако можно применять и горячее выдавливание рельефа или литье под давлением.
Оптическая пластина изготовлена, например, из прозрачного поликарбоната или полиметилметакрилата (ПММА). Для ПММА желательна дополнительная защита снаружи, и рядом с оптической пластиной или на дно осветительного прибора можно поместить лист стекла. В качестве другого примера, оптическая пластина может содержать прозрачный силикон, наклеенный на стеклянное окно.
На фиг. 2 показан вид сбоку отражателя. Важным параметром является угол концов 16 отражателя к вертикали, обозначенный позицией α. Стрелка 19 представляет направленную вниз вертикальную ось. Имеется несколько аспектов, определяющих подходящую конструкцию отражателя, в частности, угла α. Двумя важными критериями являются:
1. Количество отраженного света с торцов 16 желательно довести до минимума. Величина менее 20% считается приемлемой. Торцы 16 перенаправляют свет вертикально вниз так, чтобы свет, исходящий из источника света, перенаправлялся под меньшим углом к идущей вниз вертикали. Однако осветительный прибор предназначен для излучения света под большим углом к идущей вниз вертикали. Чем меньше угол α, тем больше света перенаправляется торцами 16 отражателя (предполагая, что источник света излучает с распределением Ламберта). Количество света, падающего от источника на две торцевые поверхности действительно можно довести до приблизительно 20% от общего количества света, излучаемого источником, и это можно видеть на фиг. 4, представленной ниже.
Перенаправление света рефлектором, таким образом, следует компенсировать оптической пластиной, но за счет преломление в оптической пластине можно перенаправлять лишь ограниченное количество света. Поэтому угол α не должен быть слишком малым и его можно выбирать в соответствии с количеством отраженного света.
Оптическую пластину можно конструировать исходя из того, что свет проходит только непосредственно от источника к выходному окну. Тогда распределение света от ламбертовского источника необходимо преобразовать в распределение света, требуемое для наружного освещения. Однако отражатель перенаправляет свет так, что он падает на оптическую пластину под разными углами, что необходимо принимать во внимание.
Кроме того, для освещения большого отрезка дороги (в направлении оси y) с умеренной установочной высоты свет должен идти от источника под большими углами к нормали. Например, длина освещенного участка дороги должна быть в 2-2,5 раза больше установочной высоты, что требует большого угла α. Отраженный свет образует гораздо меньший угол к этой нормали. Поэтому отраженный свет следует вновь перенаправить под большими углами.
2. Отношение интенсивностей освещения, создаваемого на оптической пластине, имеет требуемую величину. Это отношение интенсивностей является отношением между освещением наибольшей и наименьшей интенсивности на оптической пластине, создаваемого светодиодным источником (возможно, через отражатель). Это отношение не должно быть слишком большим, поскольку иначе на пластине возникнут практически не освещенные части и такие части пластины нет смысла изготавливать.
Если используется светодиодный источник, он излучает с ламбертовским распределением света, которое имеет меньшую интенсивность на больших углах относительно нормали к светоизлучающей поверхности. Область максимальной интенсивности, находится, однако, непосредственно под источником света, а области минимальной интенсивности находятся на кромке, наиболее удаленной от источника. Чем больше угол α отражателя, тем меньше будет минимальная интенсивность на оптической пластине. Площадь поверхности оптической пластины с нежелательно большим отношением интенсивностей следует ограничить. Приемлемым считается отношение интенсивностей меньше 20.
Имея в виду эти две цели, было выполнено оптическое моделирование на разных геометриях отражателя для определения двух критериев для каждой конструкции.
x
y
Конструкции моделировались на основе высот отражателя в диапазоне 50-150 мм, размера W выходного окна по оси х в диапазоне 60-150 мм, и размера W выходного окна по оси y в диапазоне 100-400 мм. Оказывалось влияние на отношение интенсивностей, поскольку области минимальной интенсивности возникали в углах оптической пластины.
В этих моделях источник размещался в центре над входным оптическим окном.
На фиг. 3 показано отношение интенсивностей света, исходящего из выходного окна как функция угла α. Отношение интенсивностей, равное 20 было достигнуто при угле до приблизительно 65°.
На фиг. 4 показан процент отращенного света из выходного окна как функция угла α. Процент снижается ниже 20% при угле больше приблизительно 45°.
Это дает диапазон углов α отражателя, равный 45°-65°. Однако можно использовать небного большие или меньшие (±5°) углы, если определены менее жесткие отношения, что дает диапазон от 40° до 70°.
На фиг. 5 более подробно показан пример конструкции оптической пластины.
Оптическая пластина такой конструкции имеет прямые линии призм. Конструкция зеркально симметрична в плоскости z-x. Оптическая пластина имеет центральную призму 52 во внутренней секции 54, промежуточную секцию 56 между внутренней секцией и внешней секцией 58, при этом внешняя секция ограничена границей 50 (или внешней кромкой 50).
y
Показанная пластина состоит из 80 линий и размер каждой призмы по оси y зависит от общего размера W выходного окна по оси y, и показан позициями dy1-dy40. Зеркальная симметрия означает, что имеется 40 возможных разных размеров.
Каждая призма состоит из верхней грани, которая образует угол γ1-γ40 к вертикали, как показано на детали В. Нумерация начинается с элемента 1, расположенного в центре пластины, и заканчивается элементом 40 на краю. Каждый элемент может иметь уникальный угол γ1-γ40, но углы элементов связаны друг с другом и представляют непрерывную функцию по оси y. Эта функция позволяет конструкции правильно преобразовывать распределение света от светодиода (плюс отражатель).
Одна призма в показанном примере состоит из верхней грани с углом γn, (где n - номер грани, т.е., с γ1 по γ40) к вертикали, и вертикальную кромку, тем самым образуя пилообразную форму. Однако вертикальная кромка не должна быть точно вертикальной. Например, вертикальная кромка может иметь наклон приблизительно 2° и будет получено приблизительно такое же распределение света.
Углы верхней грани призм затем можно немного скорректировать для компенсации этого угла. Угол наклона выступов пилообразного профиля позволяет облегчить литье под давлением, поскольку пластину приходится извлекать из формы.
На фиг. 5 также показано, что вокруг пластины может проходить граница 50, которая не является частью линии призмы. Она может быть трудна в изготовлении процессом экструзии, но очень просто реализуется при литье под давлением или при горячем выдавливании рельефа.
Эту границу можно, например, использовать для уплотнения внутреннего пространства осветительного прибора относительно окружающей среды, зажимая проходящее вокруг пластины резиновое/силиконовое кольцо, проходящее между пластиной и корпусом отражателя, например, с помощью зажима.
Интенсивность света светодиода плюс отражатель показана на фиг. 6 сплошной линией, а целевое распределение света, генерируемого в комбинации с оптической пластиной, показано пунктирной линией. По оси y показана нормализованная интенсивность в канделах для источника мощностью 1000 люмен (кд/клм) для плоскости в направлении дороги, т.е., плоскости zy, и относительно угла к вертикали, отложенного по оси x. Сплошная линия имеет наивысшую интенсивность в области угла в 0° (свет, направленный непосредственно вниз от источника света), а целевое распределение, показанное пунктирными линиями при 0°, имеет минимальную интенсивность. Целевое распределение имеет более высокую интенсивность при больших углах и показывает относительно резкое падение в области между 70° и 90°. Распределение интенсивности света в этой плоскости zy, параллельной направлению от одного конца к другому концу имеет максимум при угле от 60° до 75° к вертикали. Этому благоприятствует конструкция отражателя, имеющего меньший угол.
Такое распределение света приводит к высокой равномерности и имеет величину ослепления, которая отвечает требованиям спецификаций для дорог высшего класса. Дороги высшего класса являются наиболее требовательными к интенсивности (высокая), равномерности (высокая) и ослеплению (низкое). В частности, целевое распределение характеризуется плавной функцией с пиком в области 65°-70° и резким падением при больших углах вплоть до 90°. Под большими углами свет излучаться не должен, поскольку этот свет будет потерян в результате ухода в небо. Этому способствует конструкция отражателя, имеющая меньший угол.
Функция, которая определяет углы γ1-γ40 индивидуальных граней, показана на фиг. 7 для двух углов отражателя, α=50 ° (кривая 70) и α=60 ° (кривая 72). Эти две функции описываются линейной интерполяцией между 6 точками, и для каждой кривой имеется всего 40 точек, представляющих 40 граней на каждой стороне от центра.
На фиг. 7 на оси x отложено расстояние от центра оптической пластины до внешней кромки (в направлении оси y) как дробная величина, поэтому 1 представляет кромку, а 0 представляет середину. По оси y отложен угол γ1-γ40 локальной грани.
Эта функция применима к любому количеству граней. Типично, минимальное количество элементов составляет приблизительно 20. Дальнейшее уменьшение этого количества приведет к снижению равномерности, вызванному эффектом пикселизации. Максимального количества элементов не существует, но максимум определяется дифракцией. Ширина каждого элемента может, например, быть больше длины волны в 25 раз. При свете с длиной волны 750 нм, ширина элемента должна быть больше 20 мкм. Это дает минимальный размер пластины в 400 мкм (20 элементов по 20 мкм). Для пластины размером 100 мм это даст 5000 линий (100 мм/20 мкм). Более практичный вариант будет иметь элементы призм большего размера, например, шириной от 50 до 100 мкм, что снижает количество линий до 1000-2000.
Угол наклона в этом примере равен нулю для центральной призмы в середине оптической пластины, а именно, расположенной непосредственно под источником света, хотя в более общем виде можно использовать небольшой угол наклона, например, менее 10°.
Две показанные функции характеризуются линейным увеличением угла γ для первых 20% пластины от середины. На фиг. 8 показано линейное увеличение вплоть до элемента 8 из 40. Очевидно, для пластины с удвоенным количеством линий призм, т.е. по 80 на каждой стороне, для получения той же функции линейное увеличение будет продолжаться до элемента 16.
На 20% пластины (элемент 8 в показанном примере) угол γ увеличивается до приблизительно 20° ±5°. Допуск зависит от расстояния между кромкой источника света и кромкой отражателя. Идеально, отражатель плотно прилегает к светоизлучающей области светодиода. В этом случае 20° дают хороший результат.
Для того чтобы можно было выбирать различные источники света, можно сконструировать крепежное приспособление, которое позволяет устанавливать источники света разного размера с одинаковой оптической конфигурацией. Это приводит к образованию зазора между источником света и рефлектором, который приводит к сдвигу в положении света, падающего на оптическую пластину, что можно исправить, немного изменив углы.
Элементы между 20% и 60% пластины характеризуются 20% периодом приблизительно нулевого изменения наклона.
Это возникает при отражателе с углом 50° (кривая 70) после следующего 20% периода увеличения угла, а для отражателя с углом 60° (кривая 72) диапазон 20%-40% имеет приблизительно постоянный угол.
Затем, наклон увеличивается до величины у кромки от 0° до 25°. Угол γ равный 0° на кромке предназначен для отражателей с большими углами (α=65° до α=70°). Максимальный угол γ выше для отражателя с меньшим углом, как показано на фиг. 7 кривой 70.
Можно упростить функцию угла γ по пластине. По существу угол γ, как функция части пластины, начинаясь с нулевого наклона, увеличивается почти линейно для первых 20%-40% от середины пластины. Затем наблюдается период почти постоянного угла γ, а затем - почти линейное уменьшение до угла на кромке от 0° до 25°.
Верхняя и нижняя границы функции угла γ показаны на фиг. 7 как кривые 74 и 76. Нижняя граница 76 необходима для больших углов α отражателя (65°-70°), а верхняя граница 74 нужна для меньших углов α (40°-45°) отражателя.
x
y
Размер W выходного окна по оси х масштабируется вместе с углом α отражателя, размером S источника и высотой h отражателя.
y
y
y
y
y
y
Так же, как описано выше, размер W по оси y оптической пластины равен тангенсу угла α (на фиг. 2), умноженному на высоту отражателя, и удвоенному для охвата обоих концов, а размер S источника по оси y суммируется с этой шириной для получения полного размера W по оси y оптической пластины. Так, W=2htgα+S. Типичная высота h отражателя до источника, например, составляет 0,5-5 величины размера S по оси y.
Этот коэффициент отношения высоты отражателя и длиной источника (вдоль направления дороги) выведен из угла раскрытия для прямого и не прямого (отраженного) света, который падает на одну призму. Он представляет диапазон углов падения света, которые должна обрабатывать призма.
Для 20 мм источника и 40 мм высоты отражателя максимальный угол раскрытия равен приблизительно 26° (обратный тангенс 0,5) для света, исходящего непосредственно от источника в элемент призмы под источником. Угол раскрытия меньше для больших углов, но это упрощает проектирование оптики. В этом простом расчете размером линии призмы пренебрегают, но это увеличивает максимальный угол раскрытия до приблизительно 30°-35°. Кроме того, не учитывается отраженный свет, который также увеличивает угол раскрытия.
Однако процент отраженного света удерживается на минимуме и, поэтому, им можно пренебречь. Большие углы раскрытия позволяют меньше контролировать свет, который можно перенаправить к требуемым целевым углам и, таким образом, представляют больше трудностей. Углы раскрытия, таким образом, ограничены путем задания подходящей высоты отражателя и размеров источника.
Осветительный прибор может содержать множество модулей, например, от 1 до 20 (более предпочтительно, от 1 до 5) для создания увеличенного диапазона светового потока.
На фиг. 8а показан пример, в котором два модуля 80а, 80b установлены рядом друг с другом в направлении ширины (по оси х). Вертикальные оси этих двух модулей наклонены относительно друг друга. Первый модуль 80а имеет диапазон направлений эмиссии света по ширине дороги, как описано выше, а второй модуль 80b находится под углом Θ наклона наружу (т.е., наклонен к противоположной стороне дороги относительно положения осветительного прибора) относительно первого модуля в плоскости, перпендикулярной направлению дороги.
Вместо единственного модуля с большим световым потоком (напр., более 10000 люмен) Осветительный прибор может быть собран из модулей с меньшим световым потоком, например, 3500-7000 люмен. Это снижает требования к теплоотводу, поскольку между модулями можно создать воздушный зазор. Кроме того, это позволит повысить характеристики осветительного прибора в отношении обшей равномерности или перпендикуляра к направлению дороги, когда модули наклонены относительно друг друга, как показано на фиг. 8а. Практические величины угла Θ наклона составляют 1°-15°, предпочтительно, 5°-10°. Например, таким образом модули могут быть выровнены по нескольким рядам.
Модули не обязательно должны быть наклонены и возможны матрицы большего размера, если, например, для освещения одной точки требуется более 100 килолюмен (10-20 модулей).
На фиг. 8b показано, как можно сформировать большие матрицы модулей, например, матрицу 3×6.
В вышеописанном примере для источника света используется большая оптическая пластина (размерами в десятки миллиметров). Однако размеры отражателя и оптической пластины можно масштабировать до размеров единственного светодиода (приблизительно 1×1 мм). В результате можно использовать матрицу светодиодов и отражателей с интервалами между светодиодами, определенными размерами отражателей.
Такой подход показан на фиг. 9. Вид сверху на фиг. 9а показывает светодиоды 90, каждый из которых имеет собственный отражатель 92. На фиг. 9b приведен вид сбоку.
Такая конструкция позволяет точно выбирать общий световой поток осветительного прибора, используя единую конструкцию источника света, например, излучающего от 50 до 100 люмен.
Для каждого отражателя может быть единственный светодиод, или, как показано на фиг. 9с, для каждого отражателя 92 может применяться группа светодиодов, например, 90а, 90b, 90c, являющиеся RGB светодиодами, что дает простой способ регулирования цвета.
Такие конструкции можно реализовать пакетным способом. Например, на печатной плате можно сформировать светодиодную матрицу, или матрицу из групп светодиодов. Затем в пластиковом листе можно изготовить множество отверстий для отражателя методом литья под давлением, а на отражатель можно нанести отражающее серебряное покрытие. Затем сверху можно установить оптическую пластину с линиями призм, чтобы оптическая пластина была общей для всех светодиодов.
Такая конструкция требует меньше регулировок положения деталей и будет генерировать распределенный свет, что может быть более благоприятно с точки зрения теплоотвода. Концентрированный источник генерирует значительное количество теплоты на небольшой площади и требует тщательной проработки теплоотвода. Для распределенных источников эта проблема стоит не так остро.
В вышеописанных примерах используются прямые линии призм. Эти линии не обязательно должны быть прямыми (т.е., линейными), они могут иметь радиус в плоскости xy выходного окна и/или в плоскости yz.
На фиг. 10 показан вариант с изогнутыми линиями 100 разного радиуса в плоскости xy, удлиненные призмы являются изогнутыми призмами в направлении от одной боковой стороны к другой боковой стороне, изогнутые призмы обращены выпуклостью кривизны к источнику света. Функция угла, описанная выше (для углов граней) может быть определена для сечения оптической пластины, такого как по центральной линии 102 по оси y. Однако, положение линии по оси x может находиться в другом положении, например, в зависимости от положения источника относительно выходного оптического окна.
Кривые линии 100 не обязательно должны иметь фиксированный радиус и центр радиуса может быть смещен по координате х, или можно использовать эллиптические формы. Сечение в плоскости yz где-то покажет требуемую функцию угла, которая относится к углам отдельных граней (α1-α40).
Сечение линии призмы проходит перпендикулярно ее локальному направлению. Фактический угол γ в этом сечении соответствует требуемым правилам конструкции, например, как показано на фиг. 7. Угол грани (в этом перпендикулярном сечении) является, например, постоянным по всей длине линии призмы, даже если линия призмы изогнута. Поэтому конструкция оптической пластины остается простой.
Геометрию призмы можно регулировать для изменения оптических характеристик осветительного прибора. Например, как показано на фиг. 11а, в большей степени направленные вверх стороны призмы не обязательно должны быть вертикальными.
На фиг. 11а каждая грань содержит относительно направленную вверх сторону, которая, однако, наклонена под углом β к вертикали, и относительно плоскую верхнюю сторону, нормаль к которой проходит под углом γ к вертикали. Дополнительный угол β наклона позволяет создать увеличенный угол γ верхних граней, что позволяет в большей степени преломлять свет под большими углами относительно идущей вниз вертикали на выходе из оптической пластины.
Угол β наклона типично составляет 15°-35°, а угол α верхней грани типично составляет 0°-55°.
На фиг. 11b показана функция для углов, как функция положения на пластине. На оси х показано положение как часть расстояния от центра (как и на фиг. 7). Кривая 110 показывает угол γ, а кривая 112 показывает угол β.
На фиг. 10 показан вариант с линиями, изогнутыми в плоскости xy. Радиус также может находиться в плоскости XZ на оси x или параллельно ей. Это также дает линейный лини призм, хотя высота будет другой.
Как показано на фиг. 12, где радиус в плоскости xz приводит к изменению толщины оптической пластины (т.е. величины оси z), в разных положениях на оси х, как показано на чертеже, призмы изогнуты в плоскости xz и обращены вогнутой стороной кривой к источнику света.
Таким образом, хотя описанная выше оптическая пластина по существу является плоской, с призматическими структурами, выступающими из этой плоскости, аналогичную функцию можно найти и для изогнутой оптической пластины.
Настоящее изобретение может применяться при конструировании наружных дорожных осветительных приборов.
Выше в качестве источника света указан светодиод или светодиодная матрица. Однако можно использовать и другие источники света, такие как газоразрядные ртутные лампы высокого давления или галогеновые лампы накаливания. Источник света генерирует видимый белый свет, хотя он может иметь и цветной выходной световой поток.
Светодиодная матрица может содержать множество светодиодов, например, от 2 до 200.
Отражатель может быть сформирован из литого алюминия или из поликарбоната методом литья под давлением. Для усиления/генерирования требуемого зеркального отражения можно применять физическое осаждение алюминия или другого отражающего материала, такого как серебро, из газовой фазы, и для защиты такого покрытия от коррозии можно использовать прозрачное покрытие из оксида кремния. Альтернативно, отражатель можно изготовить из одной вырезанной детали или материала отражателя, вставленного в корпус осветительного прибора.
Типично осветительные приборы устанавливают с интервалами вдоль направления дороги, равными 2,5-5 высотам, на которых они смонтированы. Коэффициент 5, разумеется, является наиболее требовательным к продольной однородности. Более того, чем больше этот коэффициент, тем больше наклон элементов призм, как показано на фиг. 7. Нижняя кривая 76, например, соответствует меньшему отношению (приблизительно 3,5), а верхняя кривая 74 соответствует коэффициенту 5.
Выше описана оптическая пластины имеющая матрицу призм. Это означает наклонные поверхности верхних граней, преломляющих свет. По существу, одна сторона оптической пластины является плоской, а другая имеет граненую поверхность. Однако грани могут находиться на обеих сторонах.
В вышеприведенном примере отражатель имеет концы, наклоненные под одинаковым углом к вертикали (α), а это значит, что оптическая пластина может иметь симметричную конструкцию, и осветительный прибор обеспечивает одинаковое освещение вперед и назад. Это позволяет эффективно использовать источники света, поскольку используется максимальное расстояние, на котором можно получить требуемый световой поток и в направлении вперед, и в направлении назад.
Однако это несущественно и отражатель может иметь асимметричные концы.
Из изучения чертежей, описания и приложенной формулы специалистам понятны и другие варианты настоящего изобретения, которые они могут создать при внедрении настоящего изобретения. В формуле изобретения термин "содержащий" не исключает наличия других этапов или элементов, а элемент или этап, представленный в единственном числе, не исключает наличия множества таких элементов или этапов. В пунктах формулы, относящихся к устройству и перечисляющих несколько средств, некоторые из этих средств могут быть реализованы одним и тем же аппаратным средством. Один только факт того, что некоторые признаки представлены в разных зависимых пунктах, не означает, что эти признаки нельзя комбинировать.