ОСВЕТИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР
LIGHTING DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к осветительному прибору на основе светодиодных матриц.
Уровень техники
В настоящее время известны различные осветительные приборы, использующие светодиодные матрицы. Обычно светодиодная матрица представляет собой набор близко расположенных друг к другу светодиодных кристаллов, установленных на металлической или керамической основе и соединенных в одну электрическую цепь. Матрица обычно имеет правильную геометрическую протяженную форму - круг, квадрат или прямоугольник. Характерный размер (например, диаметр светящейся поверхности) стандартных мощных матричных излучателей может достигать несколько десятков миллиметров.
Для увеличения потребляемой мощности осветительных приборов часто используется несколько светодиодных матриц, которые располагаются на одной теплоотводящей основе. Потребляемая мощность таких матричных излучателей может находиться в диапазоне от десятков до сотен ватт. В этом случае возникают проблемы обеспечения эффективного теплоотвода и тепловой стабилизации светоизлучающих кристаллов. Для их решения обычно матрицы располагаются на некотором расстоянии друг от друга, что в свою очередь приводит к увеличению неравномерности яркости в габаритах светоизлучающей поверхности.
Также при использовании протяженных матричных излучателей усложняется задача формирования заданного светораспределения, которая сегодня чаще всего решается путем использования специально разработанной вторичной оптики.
Патент РФ на полезную модель №70342 (опубл. 20.01.2008) раскрывает светодиодную матрицу, покрытую прозрачной крышкой, имеющей над каждым светодиодом линзу. Такая конструкция не устраняет слепящих бликов, резких перепадов яркости поверхности излучения, что вызывает зрительный дискомфорт. Требуется применение дополнительных средств для выравнивания поверхностной яркости выходного отверстия светового прибора.
Из патента РФ №2518181 (опубл. 10.06.2014) известен источник света на светодиодах для медицинских светильников, в котором светодиодная матрица установлена под сложной линзой в вершине рефлектора. Центральные световые пучки от этой светодиодной матрицы коллимируются расщепителем пучка для проецирования наружу, а боковые преломляются и перехватываются рефлектором в направлении целевой области освещения. В такой конструкции осветительного прибора равномерное распределение яркости в выходном зрачке прибора не обеспечивается.
В патенте РФ №2468289 (опубл. 27.11.2012) охарактеризован осветительный модуль, в котором светодиодные матрицы размещены на внутренних стенках расширяющегося конического или пирамидального рефлектора, причем его стенки служат одновременно и теплоотводами. Оптическая система этого осветительного модуля содержит компоненты для сбора, перенаправления, профилирования и смешивания света, испускаемого светодиодными матрицами. Однако ее конструкция обеспечивает выравнивание интенсивности светового потока в выходном зрачке только при больших габаритах предлагаемого устройства, но исключает это выравнивание при компактных размерах.
Наиболее близким аналогом можно считать светодиодную лампу по патенту США №7237927 (опубл. 03.07.2007), в которой светодиодные излучатели установлены вокруг центрального зеркально отражающего конуса, причем они размещены на поверхности стенки основания лампы и излучают в направлении центральной оси, за счет чего отраженный от конуса световой поток распространяется параллельно оси лампы. Это излучение вводится в оптический элемент типа оптоволокна, линзы или световода. Такая конструкция лампы суммирует коллимированное узконаправленное излучение множества одиночных светодиодов. В случае же применения в качестве излучателей светодиодных матриц эта конструкция обеспечит существенное увеличение габаритной яркости выходного отверстия, но с высокой неоднородностью яркости в выходном зрачке осветительного прибора.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение решает задачу расширения арсенала технических средств с обеспечением более равномерного распределения яркости выходного отверстия осветительного прибора.
Для решения поставленной задачи и достижения указанного технического результата предложен осветительный прибор, содержащий: полый корпус, выполненный в виде осесимметричного цилиндра из теплопроводящего материала; световод, выполненный в виде осесимметричного цилиндра из оптически прозрачного материала и размещенный внутри полого корпуса соосно с ним, при этом один из торцов световода является выходным отверстием осветительного прибора, а в другом из торцов выполнено осесимметричное углубление; светодиодные матрицы, размещенные на внешней поверхности световода так, чтобы их излучение отражалось от осесимметричного углубления к выходному отверстию.
Особенность осветительного прибора по настоящему изобретению состоит в том, что углубление может иметь форму, образованную за счет вращения вокруг оси световода одной из ветвей параболы с осью симметрии, совпадающей с образующей осесимметричного цилиндра световода, причем ветвь пересекает ось световода в точке, проекция которой на ось симметрии параболы лежит по другую сторону от точки фокуса параболы относительно ее вершины, при этом основание каждой из светодиодных матриц может находиться на внутренней поверхности полого корпуса, геометрический центр каждой из светодиодных матриц может находиться в точке фокуса, а оптическая ось каждой из светодиодных матриц может быть ортогональна к оси световода.
Другая особенность осветительного прибора по настоящему изобретению состоит в том, что он может дополнительно содержать светоотражающий диффузно рассеивающий экран, примыкающий к торцу световода с углублением так, чтобы отражать падающий свет в сторону выходного отверстия.
Еще одна особенность осветительного прибора по настоящему изобретению состоит в том, что светоотражающий диффузно рассеивающий экран прибора может быть выполнен с применением в качестве рассеивающего элемента порошкообразных материалов диоксида титана, оксида цинка или их различные смеси.
Еще одна особенность осветительного прибора по настоящему изобретению состоит в том, что световод может быть выполнен в виде правильной призмы, на каждой грани которой размещена соответственная светодиодная матрица. При этом правильная призма с торцами может быть выполнена полой.
Еще одна особенность осветительного прибора по настоящему изобретению состоит в том, что правильная призма может быть изготовлена из УФ-стабилизированных органических полимерных материалов. В частности, правильная призма может быть изготовлена из поликарбоната.
Еще одна особенность осветительного прибора по настоящему изобретению состоит в том, что правильная призма может быть изготовлена из термически стойкого стекла на основе неорганических материалов с высокой оптической прозрачностью. В частности, правильная призма может быть изготовлена из боросиликатного стекла.
Еще одна особенность осветительного прибора по настоящему изобретению состоит в том, что на торце световода, являющемся выходным отверстием, может быть выполнено плотноупакованное множество выпуклых полушарий одинакового диаметра, выбранного близким к геометрическим размерам светодиодных матриц.
Еще одна особенность осветительного прибора по настоящему изобретению состоит в том, что все светодиодные матрицы могут иметь одинаковый спектр излучения.
Еще одна особенность осветительного прибора по настоящему изобретению состоит в том, что по меньшей мере одна из светодиодных матриц может иметь спектр излучения, отличный от спектра излучения других светодиодных матриц.
Еще одна особенность осветительного прибора по настоящему изобретению состоит в том, что в по меньшей мере часть материала световода может быть включен по меньшей мере один фотолюминофор для конверсии излучения светодиодных матриц в другой диапазон спектра излучения.
Наконец, еще одна особенность осветительного прибора по настоящему изобретению состоит в том, что полый корпус может быть выполнен шестигранным для использования в качестве типового элемента плотно-упакованной модульной конструкции светодиодного оптического прибора.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется примерами его осуществления с помощью приложенных чертежей, на которых одинаковые или сходные элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.
На Фиг. 1 показан вид сверху осветительного прибора по одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 2 показано вертикальное сечение осветительного прибора по Фиг. 1.
Фиг. 3 поясняет формирование углубления в осветительном приборе по Фиг. 2.
На Фиг. 4 показан вид сверху осветительного прибора по другому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 иллюстрирует распространение световых лучей в осветительном приборе по Фиг. 4.
На Фиг. 6 представлены диаграммы распределения светового потока в вариантах осуществления настоящего изобретения по Фиг. 1 и 4.
На Фиг. 7 показана пространственная диаграмма распределения яркости в выходном отверстии осветительного прибора по варианту осуществления настоящего изобретения по Фиг. 2.
Фиг. 8 представляет вариант компоновки осветительного прибора плотно упакованной модульной конструкции на основе варианта осуществления по Фиг. 1.
Фиг. 9 показывает сопоставительную таблицу основных показателей оптического прибора для вариантов реализации по Фиг. 1 и Фиг. 4.
Подробное описание вариантов осуществления
На Фиг. 1 показан вид сверху осветительного прибора по одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 1 ссылочной позицией 1 обозначен световод в виде осесимметричного цилиндра из оптически прозрачного материала. В данном варианте осуществления световод 1 выполнен в виде правильной призмы (частный случай цилиндра - см. https://ru.wikipedia.org/wiki/Цилиндр). Специалистам понятно, что изображенная на Фиг. 1 шестигранная призма представляет собой частный случай многогранной призмы с практически любым числом граней не менее трех.
На гранях призматического световода 1 (в общем случае - на внешней поверхности цилиндрического световода 1) размещены светодиодные матрицы 2, причем их излучающие поверхности направлены внутрь световода 1. При этом вся получившаяся конструкция помещена в полый корпус 3, выполненный в виде осесимметричного цилиндра из теплопроводящего материала. Специалистам понятно, что форма полого корпуса 3 не обязательно повторяет форму световода 1, важно лишь, чтобы световод 1 со светодиодными матрицами 2 мог разместиться внутри полого корпуса 3. Однако предпочтительно, чтобы неизлучающие поверхности светодиодных матриц 2 контактировали с внутренней поверхностью полого корпуса 3 для обеспечения теплоотвода от светодиодных матриц 2.
На Фиг. 2 показано вертикальное сечение осветительного прибора по линии А-А на Фиг. 1. Как видно из Фиг. 2, один из торцов световода 1 (верхний на чертеже) выполнен плоским; этот торец является выходным отверстием осветительного прибора. В другом торце световода 1 (нижнем на чертеже) выполнено осесимметричное углубление, так что в теле световода 1 образуется пустота. При этом светодиодные матрицы 2 размещены на внешней поверхности световода 1 так, чтобы их излучение отражалось от осесимметричного углубления к выходному отверстию (т.е. вверх на чертеже).
В принципе это углубление может представлять собой конус, вершина которого обращена к выходному отверстию осветительного прибора. Однако предпочтительно, чтобы углубление имело форму параболоида 4 вращения, причем в этом случае центр каждой светодиодной матрицы 2 помещен в фокусе 5 параболы, формирующей этот параболоид 4. На Фиг. 2 ссылочной позицией 6 обозначен дополнительный светоотражающий диффузно рассеивающий экран, примыкающий к торцу световода 1 с углублением так, чтобы отражать падающий свет в сторону выходного отверстия осветительного прибора. Специалистам понятно, что этот экран 6 является опциональным и что он может присутствовать и в иных вариантах осуществления осветительного прибора по настоящему изобретению. Этот светоотражающий диффузно рассеивающий экран 6 может быть выполнен по любой известной специалистам технологии, к примеру, с применением в качестве рассеивающего элемента порошкообразных материалов диоксида титана, оксида цинка или их различных смесей.
На Фиг. 3 показан чертеж, поясняющий формирование углубления в осветительном приборе по Фиг. 2. Параболоид 4 вращения образован за счет вращения одной из ветвей параболы 7, ограниченной световодом 1, вокруг оси 8, которая является осью симметрии световода 1 и которая коллинеарна оси 9 симметрии параболы 7. Специалистам понятно, что на Фиг. 3 ось 8 вращения параболы, совпадающая с осью симметрии оптического прибора, смещена относительно оси 9 симметрии параболы 7 на расстояние D/2, равное радиусу окружности, вписанной в основание шестигранной прямоугольной призмы, в виде которой выполнен в данном случае световод 1. В случае использования иной цилиндрической формы для световода 1 параболоид 4 вращения будет ограничен наименьшим поперечным размером D соответствующего цилиндра. Отметим также, что ветвь параболы 4, участвующая в формировании параболоидного углубления, пересекает ось 8 световода в точке, проекция которой на ось 9 симметрии параболы лежит по другую сторону от точки 5 фокуса параболы относительно вершины этой параболы 4. Как уже отмечено, основание каждой из светодиодных матриц 2 находится на внутренней поверхности полого корпуса 3, геометрический центр каждой из светодиодных матриц 2 находится в точке 5 фокуса, а оптическая ось каждой из светодиодных матриц 2 ортогональна к оси 8 световода.
На Фиг. 4 показан вид сверху осветительного прибора по другому варианту осуществления настоящего изобретения. Как видно из этого чертежа, на торце световода 1, являющемся выходным отверстием оптического прибора, выполнено плотно упакованное (в данном случае упаковка гексагональная) множество выпуклых полушарий 10 одинакового диаметра, выбранного близким к геометрическим размерам светодиодных матриц 2. Множество полушарий 10 влияет на возрастание однородности распределения яркости на выходе оптического прибора, т.к. полушария 10 обеспечивают перераспределение лучевого потока в горизонтальной плоскости.
Фиг. 5 иллюстрирует распространение световых лучей в осветительном приборе по Фиг. 4. Оптические лучи, исходящие от светодиодной матрицы 2, испытывают полное внутреннее отражение, когда угол падения на поверхность параболоида 4 вращения превышает угол α полного внутреннего отражения. Лучи с углом падения меньше угла α преломляются на поверхности параболоида 4, рассеиваются и отражаются от зеркала 6 в направлении выходного отверстия.
Лучи 11-12, исходящие из центральной части светодиодной матрицы, геометрический центр которой совпадает с фокусом 6 параболы, после полного внутреннего отражения распространяются в направлении, параллельном оси 8 параболоида вращения. Эта группа лучей определяет величину и равномерность яркости в центральной части выходного отверстия
В значительной степени рассеиванию на диффузно рассеивающем и отражающем экране 6 подвергаются лучи 13-14, излучаемые частью светодиодной матрицы 2, расположенной ближе к основанию параболоида 4 вращения. Эта группа лучей способствует выравниванию светового потока в периферийной части выходного отверстия осветительного прибора.
Лучи 15, излучаемые частью матрицы, удаленной от основания параболоида 4 вращения, падающие на его поверхность под углом, превышающим угол α полного внутреннего отражения, полностью отражаются и обеспечивают увеличение яркости центрального участка выходного отверстия.
Лучи 16-17, исходящие из верхней на чертеже части светодиодной матрицы 2 и находящиеся на периферии ее углового распределения, попадая в область полушарий 10, выходят за пределы выходного отверстия или испытывают полное внутреннее отражение на поверхности полушария 10 и далее подвергаются диффузному рассеиванию на экране 6.
Следует отметить, что на форму кривой силы света и однородность яркости на выходе оптического прибора оказывают влияние также лучи, не указанные на Фиг. 5. К ним следует отнести часть исходящих от светодиодной матрицы лучей, которые не находятся в меридиональной плоскости, проходящей через оптическую ось 8 прибора. Эти лучи, падая на поверхность второго порядка (гиперболоида 4 вращения) и выходя за пределы меридиональной плоскости, будут полностью отражаться, поскольку их угол падения по мере роста экваториального угла будет превышать угол α полного внутреннего отражения.
Можно отметить, что световод 1 в виде рассмотренной призмы или иного цилиндра может быть выполнен полым внутри.
Независимо от того, выполнен ли световод 1 полым или сплошным, призма (в общем случае цилиндр) может быть изготовлена из УФ-стабилизированного органического полимерного материала, например из поликарбоната. В другом случае, призма (цилиндр) может быть изготовлена из термически стойкого стекла на основе неорганических материалов с высокой оптической прозрачностью, например из боросиликатного стекла.
Используемые в настоящем изобретении светодиодные матрицы 2 могут все иметь одинаковый спектр излучения. С другой стороны, по меньшей мере одна из светодиодных матриц 2 может иметь спектр излучения, отличный от спектра излучения других светодиодных матриц 2. Возможен также вариант, когда в по меньшей мере часть материала световода 1 включен по меньшей мере один фотолюминофор для конверсии излучения светодиодных матриц 2 в другой диапазон спектра излучения, как это известно специалистам.
На Фиг. 6 представлены диаграммы распределения светового потока в вертикальной плоскости в вариантах осуществления настоящего изобретения по Фиг. 1 (пунктирная кривая) и по Фиг. 4 (сплошная кривая).
На Фиг. 7 показана пространственная диаграмма распределения яркости в выходном отверстии осветительного прибора по варианту осуществления настоящего изобретения, показанному на Фиг. 1.
Можно отметить, что в том случае, когда полый корпус 3 выполнен шестигранным, как показано на Фиг. 1, его (с размещенными в нем световодом 1 и светодиодными матрицами 2) можно использовать в качестве типового элемента плотно упакованной модульной конструкции светодиодного оптического прибора, как показано на Фиг. 8.
В приложенной на Фиг. 9 таблице приведены основные показатели оптического прибора по двум вариантам реализации данного изобретения.
В первом варианте реализации изобретения с конструкцией выходного отверстия в виде плоскости (Фиг. 1) угол раскрытия светового потока составляет 120°, коэффициент формы кривой силы света (отношение максимальной силы света в данной меридиональной плоскости к среднеарифметической силе света светового потока для этой плоскости) равен 1,9, кривая силы света близка к типу «полуширокая» (Л). Осветительный прибор такого типа рекомендуется применять для освещения производственных и общественных помещений.
Во втором варианте реализации конструкции (Фиг. 4) угол раскрытия светового потока составляет 80°, коэффициент формы кривой силы света равен 2,1, тип кривой силы света - «глубокая» (Г). Область рекомендуемого применения - освещение автострад, улиц, автотранспортных туннелей, надземных и подземных пешеходных переходов. В обоих рассмотренных вариантах осуществления настоящего изобретения реализуется относительно низкий яркостной контраст выходного отверстия осветительного прибора.
Отметим, что приведенные выше типы кривой силы света взяты из ныне действующего ГОСТ Р 54350-2015 «Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний».
Из данных, приведенных в таблице, следует, что осветительный прибор по настоящему изобретению на основе светодиодных матриц, расширяя арсенал технических средств, обеспечивает более равномерное распределение яркости выходного отверстия осветительного прибора. Кроме того, имеется возможность изменять неравномерность яркости выходного отверстия осветительного прибора и формировать различные варианты светораспределения для различных практических применений. Помимо этого, данное техническое решение позволяет улучшить теплоотвод и оптимизировать тепловой режим работы светодиодных матриц за счет увеличения площади поверхности теплопроводящего корпуса, на котором закреплены светодиодные матрицы, сохраняя при этом простоту сборки и обслуживания, а также ремонтопригодность прибора в процессе эксплуатации.