КОМФОРТНО РАСПРЕДЕЛЕННОЕ СВЕТОДИОДНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ
COMFORTABLE DISTRIBUTED LED LIGHTING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к осветительной системе, содержащей множество осветительных устройств. Изобретение, далее, относится к лампе (или светильнику), содержащей такую осветительную систему, а также к применениям таких осветительных системам или ламп.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В данной области техники известна проблема дискомфортного ослепления от ламп. Например, в US2010117100 описан светоизлучающий модуль, который облегчает восприятие блеска, и который подавляет увеличение температуры микросхем светоизлучающих диодов, а также обладает стоимостным преимуществом. Этот светоизлучающий модуль обеспечен основным корпусом, сформированным с неметаллическим элементом, имеющим теплопроводность в 1 Вт/мК или менее. В этом основном корпусе на расстоянии от 10 до 30 мм друг от друга находится множество светодиодных микросхем, а температура их перехода, когда они горят в нормальном режиме, предпочтительно, установлена на 90°С или ниже. Обеспечен также полупрозрачный уплотняющий элемент, перекрывающий площадь между смежными микросхемами светоизлучающих диодов.
В US20130107530 раскрыта осветительная система, содержащая множество осветительных устройств, упорядоченных во множество решеток с кратчайшим расстоянием между ближайшими соседними решетками в около 20 мм.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится, главным образом, к светодиодным светильникам (светильникам на светоизлучающих диодах) для широкого диапазона приложений, таких как освещение дорог (включая и улицы), (открытых) спортивных арен, фасадов зданий и т.д. (см. также ниже). Кроме того, настоящее изобретение относится к освещению заливающим светом (или к зональному освещению), промышленному освещению, такому как освещение заводских площадей или фабричное (внутреннее) освещение, магазинов розничной торговли с высокими потолками и т.д. Во всех этих случаях высокая оптическая эффективность должна сочетаться с точным распределением света. Поэтому более предпочтительными по сравнению с системами, использующими отражатели, являются оптические системы, использующие коллиматоры или линзы. Оказывается, что в светильниках с диффузным или непрозрачными окнами нет ни хорошо определенного распределения света, ни высокой эффективности, поэтому их дальше и не разрабатывали (см. также далее).
Неожиданного оказалось, что, например, прямоугольная решетка светодиодов (каждый со своим собственным коллиматором), имеющая шаг около 25 мм, не обеспечивает удовлетворительных результатов с точки зрения эффективности, интенсивности и (или) блеска. Когда в этих системах используются светодиоды с мощностями от высоких до средних, то, с одной стороны, может быть получена интенсивность, но, с другой стороны, неудовлетворительным является возможность ослепления.
Проблемой, связанной с этими светильниками является то, что, например, участники дорожного движения, как водители, так и пешеходы, при этом подвергаются дискомфортному ослеплению. Дискомфортное ослепление известно уже давно, и даже "обычные" источники света могут вызывать значительное дискомфортное ослепление. Одним из примеров этого являются установленные в светильниках компактные разрядные лампы высокой интенсивности (HID-лампы), в которых излучатель находится в прямой видимости участника дорожного движения. Как специалисты светотехники, так и необученные наблюдатели сообщают, что они испытывают более дискомфортное ослепление от светодиодных решеток, чем от источников с равномерным распределением светимости по светоизлучающей поверхности.
Следовательно, аспект настоящего изобретения предназначен для обеспечения альтернативной системы и альтернативной лампы, включая такую осветительную систему, которая, кроме того, предпочтительно, по меньшей мере частично устраняет один или более из вышеописанных недостатков, но которая основана, главным образом, на твердотельном источнике света, например, основана на светодиодах.
Современные модели дискомфортного ослепления учитывают ряд факторов: (i) общую яркость источника или результирующую облученность глаза наблюдателя; (ii) размер (площадь) светоизлучающей поверхности (LES) источника ослепления, находящейся в поле зрения (эксцентриситет). Поскольку мы принимаем распределение интенсивности и эксцентриситет как фиксированные и заданные данные, определенные задачей освещения, то единственным способом уменьшения дискомфортного ослепления является увеличение размера источника света. Для (светодиодной) решетки это будет означать увеличение шага светодиодов, тем самым - увеличение "видимой" общей светоизлучающей поверхности и, таким образом, - уменьшение средней светимости источника света (см. также выше). Это отражено во всех известных моделях ослепленности, таких, как, например, показатель ослепленности или контрольные знаки ослепленности (например, для определения дискомфортного ослепления от дорожного освещения), введенные Ван Боммелем (Van Bommel) и Де Буром (De Boer) и принятые Международной комиссией по освещению (CIE) в 1976 году, или модель "вероятности зрительного комфорта" (Visual Comfort Probability; VCP), или же модель "обобщенного показателя дискомфорта" (Unified Glare Rating; UGR) (специально для внутреннего освещения), или более поздняя модель дискомфортного ослепления от внешнего освещения, разработанная Буллоу (Bullough), основанная на облученности глаза наблюдателя, не принимающая во внимание положение, размер или светимость источника света, и т.д.
Было неожиданно обнаружено, что сочетание элементов, включающих конфигурацию конкретного источника света и решетки с шагом менее около 16 мм, обеспечивает существенно меньшее ослепление, чем при большем шаге. В своем первом аспекте настоящее изобретение обеспечивает осветительную систему, содержащую по меньшей мере 16 осветительных устройств, упорядоченных в решетку с межцентровым расстояниями (d), по меньшей мере в одном направлении, между ближайшими соседними осветительными устройствами в диапазоне 4-16 мм, при этом каждое осветительное устройство содержит источник света и оптический элемент, специально выполненный с возможностью управления формой пучка света, генерируемого источником света, и каждое осветительное устройство выполнено с возможностью генерации упомянутого света, имеющего световой поток в по меньшей мере 50 люмен, более конкретно - по меньшей мере 100 лм, и при этом осветительная система содержит множество решеток в виде одной интегральной светящейся поверхности, где между двумя ближайшими соседними решетками сконфигурирована промежуточная область без осветительного устройства с минимальным расстоянием (d3) между ближайшими соседними решетками, по меньшей мере в одном направлении, составляющим по меньшей мере 35 мм.
Такая осветительная система может использоваться, главным образом, для освещения больших и высоких внутренних помещений, а также открытых площадей. Освещаемой поверхностью, в частности, можно считать, например, пол или поле спортивной арены, стадиона, оперного театра, кинотеатра и т.д., или дорогу, пешеходная зону, тротуар, велосипедную дорожку, площадь, высокий освещаемый потолок, освещаемое внутреннее промышленное пространство, освещаемое внутреннее помещение для розничной торговли, освещаемый ангар и т.д. Освещаемой поверхностью, в частности, можно считать, например, открытое место, летную полосу, взлетно-посадочную полосу, строительную площадь. Здесь термин "дорога", относится, главным образом, к дорогам с твердым покрытием, которые предназначены для передвижения моторизованных транспортных средств, таких как легковые автомобили, автомобили, грузовики, или иных моторизованных средств. Здесь термины "летная полоса" или "взлетно-посадочная полоса" относятся, главным образом, к дорогам с твердым покрытием, предназначенным для взлета и (или) посадки самолетов или летательных аппаратов.
Посредством настоящей системы могут быть обеспечены неожиданно хорошие и мощные осветительные системы, совсем без ослепления или с относительно низким (дискомфортным) ослеплением. Это, разумеется, важно для лица, находящегося на такой поверхности, включая человека в транспортном средстве, едущего по упомянутой поверхности. Такой человек может воспринимать хорошее освещение без существенных проблем с ослеплением, что может повысить впечатление, самочувствие и (или) безопасность. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает комфортно распределенное светодиодное освещение.
Решетка может быть нерегулярной, комбинированной или регулярной и нерегулярной, но, как правило, - регулярной. Осветительная система содержит множество решеток, в которых между двумя ближайшими соседними решетками сконфигурирована промежуточная область без осветительного устройства и с минимальным расстоянием (d3) между ближайшими соседними решетками, по меньшей мере в одном направлении, составляющим по меньшей мере в 35 мм. Более короткие расстояния между этими отдельными решетками снова могут привести к увеличению ослепления. Одни и те же аспекты, связанные с направлениями, рассматриваются здесь по отношению к кратчайшему расстоянию между ближайшими соседними решетками. Однако следует отметить, что принятым во внимание расстоянием является самое минимальное расстояние, а не шаг. Следовательно, расстояние по меньшей мере в 35 мм представляет собой расстояние, в котором, в принципе, не находится ни одного источника света. Эта часть или эти части в настоящем описании определены также как промежуточные области. Выражение "одна интегральная световая поверхность" имеет целью подчеркнуть, что для повсеместно применяемых расстояний видения в по меньшей мере 3 м, решетки видятся все вместе как одна часть, излучающая когерентный свет. Расстояние между решетками, предпочтительно, не должно становиться слишком большим, например, - не более чем 85 мм или 100 мм из-за нежелательного увеличения вероятности потери "эффекта когерентности".
2
3)
Как указывалось ранее, каждый осветительное устройство имеет световой поток, главным образом, по меньшей мере 50 люмен (лм), например, главным образом, по меньшей мере в 100 лм. Более конкретно, каждое осветительное устройство имеет световой поток, главным образом, по меньшей мере 125 люмен, например, по меньшей мере 150 люмен. В принципе, осветительная система может также включать в себя осветительные устройства, которые имеют средний световой поток, по меньшей мере 50 люмен, более конкретно, главным образом, по меньшей мере 100 люмен, и еще более конкретно, главным образом, по меньшей мере 125 люмен, например, по меньшей мере 150 люмен (средний световой поток), посредством чего некоторые из них могут иметь поток ниже 50 люмен или 100 люмен, и т.д., а другие могут иметь поток выше этого. Отклонение от минимального светового потока составляет, главным образом, менее 25%. Следует отметить, что минимальный уровень, по меньшей мере в 50 люмен, и более конкретно, по меньшей мере в 100 люмен (и подобные формулировки) относятся к осветительному устройству на максимальной мощности. Когда эта мощность ниже чем около 100 люмен, главным образом, - ниже 50 люмен, интенсивность, обеспечиваемая осветительной системой, может быть слишком низкой. Кроме того, при этом могут не в полной мере использоваться преимущества такого определения решетки, которое приведено в настоящем описании. Как правило, минимальный уровень составляет около 150 люмен. Кроме того, хорошие результаты могут быть получены, когда осветительная система выполнена с возможностью обеспечения светового потока, по меньшей мере в (100 лм)/р (где р есть шаг в мм).
Осветительная система может содержать по меньшей мере 16 осветительных устройств, например, 16-256 осветительных устройств, например, по меньшей мере 32 осветительных устройств, или по меньшей мере 64 осветительных устройства, хотя возможно даже наличие более 256 осветительных устройств. Неожиданно было обнаружено, что расстояния, главным образом, - шаги в диапазоне 4-16 мм, главным образом, 4-14, в частности, главным образом, 6-14 мм, обеспечивают наилучшие результаты в том, что касается ослепления. Как показывают моделирования и измерения, наблюдается существенное увеличение ослепления выше примерно 25 мм; затем, при расстоянии менее чем примерно 14 мм имеет место значительное (дальнейшее) уменьшение ослепления. Следовательно, ослепление может быть минимальным, главным образом, при расстоянии менее 14 мм. Поэтому, в одном варианте осуществления расстояния (d) между ближайшими соседними осветительными устройствами находятся в диапазоне 6-14 мм.
Здесь используется фраза "по меньшей мере в одном направлении межцентровые расстояния (d) между ближайшими соседними осветительными устройствами". Предполагая регулярную конфигурацию решетки, она может иметь шаги в двух (как вариант, ортогональных) направлениях, которые различаются по величине, так как это может быть в случае гексагональной конфигурации. Однако при кубической конфигурации шаги во взаимно перпендикулярных направлениях одинаковы. Далее, как будет пояснено ниже, для некоторых приложений расстояния или шаги в одном из направлений могут быть более приоритетными для данного вопроса, чем шаги в других направлениях. Таким образом, изобретение обеспечивает, главным образом, осветительную систему, содержащую по меньшей мере 16 осветительных устройств, упорядоченных в решетку с шагом (по меньшей мере в одном направлении) между ближайшими соседними осветительными устройствами в диапазоне 4-16 мм, в которой каждое осветительное устройство содержит источник света и оптический элемент, как правило, выполненный с возможностью управления формой пучка света, генерируемого этим источником света, и в которой каждое осветительное устройство предназначено для генерации упомянутого света, имеющего световой поток, по меньшей мере 50 люмен, например, по меньшей мере 100 лм. Поэтому в одном варианте исполнения решетка является регулярной решеткой с одним или более шагами (р) в диапазоне 4-16 мм.
В принципе, конфигурация из по меньшей мере 16 осветительных устройств может быть также нерегулярной, или комбинацией решетки равномерного распределения с находящимися в них другими осветительными устройствами, расположенными неравномерно. В таких конфигурациях вместо термина "шаг" может быть использован термин "расстояние". По меньшей мере в одном направлении расположение осветительных устройств должно соответствовать вышеуказанным условиям для расстояния. В нерегулярной системе или в комбинации решетки регулярного распределения с находящимися в них дополнительными осветительными устройствами, расположенными неравномерно, в одном конкретном варианте осуществления средние межцентровые расстояния (d) между ближайшими соседними осветительными устройствами должны находиться в указанном диапазоне. Для регулярных решеток средние межцентровые расстояния (d) в каком-либо направлении будут такими же, что и шаг (в упомянутом направлении).
В данной области техники термин "ближайший соседний элемент" известен. Кроме того, для определения расстояний между осветительными устройствами используются межцентровые расстояния. В целом, минимальные расстояния между соседними осветительными устройствами в каком-либо направлении имеют порядок 0-90%, такой как 40-80%, от межцентровых расстояний в упомянутом направлении. Условия относительно межцентрового расстояния (d) между ближайший соседними осветительными устройствами, предпочтительно, должны применяться, как правило, к 88% всех источников света, как правило, - по меньшей мере к 94% всех источников света.
Как указано выше, каждое осветительное устройство содержит источник света и оптический элемент (как правило), выполненный с возможностью управления формой пучка света, генерируемого этим источником света. В качестве источника света может быть любой источник света, который, как правило, может содержать твердотельный светодиодный источник света (такой как светодиод или лазерный диод). Термин "источник света" может также относиться к множеству источников света, например, от 2 до 20 (твердотельным) источников света. Следовательно, термин "светодиод" может также относиться к множеству светодиодов. В осветительном устройстве, оптический элемент, который, как правило, выполнен с возможностью управления формой пучка света, сгенерированного осветительным устройством, управляет формой пучка одного или более источников света. Следовательно, когда оптический элемент содержит отражатель, то один или более источников света (по меньшей мере частично) расположены в отражателе. Когда оптический элемент содержит линзу, свет из всех этих одного или более источников света будет (по меньшей мере частично) проходить через упомянутую линзу. Оптический элемент может содержать одно или более из отражателя, линзы и комбинации отражателя и линзы. Таким образом, оптический элемент, как правило, не является ни диффузно отражающим, ни (соответственно) полупрозрачными.
В конкретном варианте осуществления источник света содержит твердотельный источник света, а также оптический элемент, выбранный из группы, состоящей из отражателя и линзы. Следовательно, в конкретном варианте осуществления каждое осветительное устройство содержит множество источников света, а упомянутый оптический элемент выполнен с возможностью управления формой пучка света, сгенерированного множеством источников света, при этом каждое осветительное устройство выполнено с возможностью генерации упомянутого света, имеющего упомянутого световой поток по меньшей мере в 50 лм, главным образом, - по меньшей мере в 100 лм.
Фраза "в которой каждое осветительное устройство содержит источник света и оптический элемент, как правило, выполненный с возможностью управления формой пучка света, сгенерированного источником света", в основном, указывает на то, что такую конфигурацию источника (источников) света имеют по меньшей мере 88%, более конкретно, главным образом, по меньшей мере 94% всех осветительных устройств, а оптический элемент, как правило, выполнен с возможностью управления формой пучка света, сгенерированного источником (источниками) света.
Как правило, источник(и) света может (могут) быть выполнен(ы) с возможностью генерации белого света. Следует отметить, что в вариантах осуществления термин "источник света" таким образом, может относиться к множеству источников света. Используемый здесь термин "белый свет" известен специалисту в данной области техники. Он, в основном, относится к свету, имеющему коррелированную цветовую температуру (КЦT) между около 2.000 и 20.000 К, как правило, - 2.700-20.000 К, для общего освещения, как правило, - в диапазоне около 2.700 К и 6.500 К, а в целях фоновой подсветки, как правило, - в диапазоне около 7000 К и 20.000 К и, главным образом, - в пределах около 15 SDCM (стандартное отклонение выравнивания цвета) от линии черного тела (BBL), главным образом, - в пределах около 10 SDCM от линии черного тела, и в большей степени, главным образом, - в пределах около 5 SDCM от линии черного тела.
Однако источник света может быть также выполнен с возможностью генерации окрашенного света. И снова, термин "источник света" может относиться к множеству источников света. В целом, каждый источник света будет сконфигурирован таким образом, чтобы обеспечивать по существу свет одного и того же типа, такой как в диапазоне 10% отклонений по координатам х и y на диаграмме цветности CIE (Международная комиссия по освещению, МКО). Однако в вариантах осуществления источники света могут быть перестраиваемыми по цвету. Как вариант, множество источников света включает в себя одну или несколько подгрупп источника (источников) света, которые являются индивидуально управляемыми по одному или большему количеству цветов и по интенсивности, в основном, - по меньшей мере по интенсивности.
Выше осветительная система была описана применительно к решетке из по меньшей мере 16 осветительных устройств. В конкретном варианте осуществления настоящее изобретение обеспечивает также осветительную систему, которая содержит множество решеток, в которых между двумя ближайшими соседними решетками сконфигурирована промежуточная область без осветительного устройства, и в ней, по меньшей мере в одном направлении, минимальное расстояние (d2) между ближайшими соседними решетками составляет по меньшей мере 50 мм. При этом в отношении минимального расстояния между ближайшими соседними решетками приложимы те же самые аспекты, касающиеся направлений. Однако следует отметить, что рассматриваемое расстояние есть минимальное расстояние, а не шаг. Следовательно, расстояние по меньшей мере в 50 мм представляет собой расстояние, в котором принципиально нет никаких источников света. Эта часть или эти части в настоящем описании называются также промежуточными областями.
Оптические элементы предпочтительно могут быть выполнены с возможностью обеспечения не ламбертовского распределения света, который выходит из осветительной системы. При этом, предпочтительно, обеспечен световой пучок с углом расходимости, который меньше 160°, в основном, - меньше 145°. В пределах этого угла расходимости может находиться существенная часть светового потока, например, по меньшей мере 75%. Для освещения спортивных событий угол расходимости, в основном, может быть (4-60)°, например, (5-20)° с интенсивностью света, как правило, составляющей по меньшей мере 75% в пределах этого угла. Для уличного освещения угол расходимости, в основном, может быть в диапазоне (145-160)° и, как правило, с интенсивностью света, по меньшей мере 75% в пределах этого угла. Для промышленного освещения угол расходимости, в основном, может находиться в диапазоне (30-160)°, как правило, с интенсивностью света, по меньшей мере 75% в пределах этого угла. Следовательно, в основном, должен быть обеспечен световой пучок с углом расходимости в диапазоне (4-160)°, как правило, с интенсивностью света по меньшей мере 75% в пределах этого угла.
В конкретном варианте осуществления по меньшей мере 16 осветительных устройств выполнены с возможностью создания пучка света осветительной системы, в котором этот пучок имеет угол θ расходимости в диапазоне (4-60)° с по меньшей мере 75% светового потока внутри упомянутого угла θ расходимости, в основном, для специальных приложений, таких как освещения спортивных событий или освещения других мест действия.
В том случае, если есть две или более (пространственно разделенные) решетки (см. выше), то образованные таким образом пучки могут быть направлены параллельно друг другу, но могут быть направлены и в разных направлениях. Это может зависеть от требуемого практического приложения. Кроме того, в зависимости от конфигурации оптических элементов (то есть, линз и (или) коллиматоров) и посредством одной решетки может быть образовано более одного пучка. Однако, как правило, каждый пучок имеет угол θ расходимости в диапазоне (5-160)°, с по меньшей мере 75% интенсивности светового потока - в пределах упомянутого угла расходимости.
Осветительная система в принципе может быть расположена везде и в любом месте. Эта осветительная система может быть частью установленной конструкции или подвесной конструкции, или напольной или наземной конструкции, или будучи частично встроенной в пол или в землю (например, для мытья стен), и т.д. В другом аспекте настоящее изобретение обеспечивает также лампу, содержащую осветительную систему, как она здесь описана, в которой лампа дополнительно содержит позиционирующий элемент, выполненный с возможностью позиционирования осветительной системы (во время использования этой осветительной системы) на расстоянии по меньшей мере 3,0 м от предназначенной для освещения поверхности, предпочтительно, - на высоте по меньшей мере 3,5 м над поверхностью. Это расстояние, в основном, может быть 4 м или даже 4,5 м или больше. Это может быть, например, стенд, столб (для осветительной системы), башня (или осветительная система) и т.д. Как вариант, позиционирующий элемент может также включать в себя элемент для подвесной конфигурации устройства освещения.
Следует отметить, что термин "осветительная система" может также относиться к множеству осветительных устройств, как это, например, обычно имеет место при освещении стадиона. Также следует отметить, что когда используется множество осветительных систем, то и в такой конфигурации, как правило, между двумя ближайшими соседними решетками сконфигурирована промежуточная область без осветительных устройств и с минимальным расстоянием (d2) между ближайшими соседними решетками, по меньшей мере в одном направлении, составляющим по меньшей мере в 35 мм. Как будет понятно специалисту в данной области техники, изобретение также обеспечивает (такую) лампу, содержащую множество осветительных систем, как они здесь определены.
В еще одном дополнительном аспекте данное изобретение обеспечивает также применение осветительной системы, как она здесь определена, или же лампы, как она здесь определена, при котором осветительная система сконфигурирована на высоте по меньшей мере 3,0 м над поверхностью, выбранной из группы, включающей в себя пол внутреннего помещения или открытую площадь. Например, в таком приложении осветительная система может быть сконфигурирована на высоте по меньшей мере 3,5 м над поверхностью дороги. В целом, высота для большинства применений будет больше, например, по меньшей мере 4,5 и даже до 50 м, или еще выше. Термин "применение", предпочтительно относится к комбинации осветительной системы и поверхности, предназначенной для освещения посредством осветительной системы, такой как пол внутреннего помещения или открытая площадь.
В одном конкретном варианте осуществления применение (таким образом) включает в себя дорогу, а дорога имеет продольную ось, при этом в решетке с межцентровыми расстояниями (d) между ближайшими соседними осветительными устройствами по меньшей мере в одном направлении в диапазоне 4-16 мм упорядочены по меньшей мере 16 осветительных устройств осветительной системы, где указанное по меньшей мере одно направление находится в плоскости, параллельной плоскости дороги, и перпендикулярной продольной оси дороги. В таких вариантах осуществления шаг решетки в направлении, параллельном продольной оси, может иметь меньшее значение, чем в направлении, перпендикулярном продольной оси, так как люди имеют тенденцию двигаться в направлении, по существу параллельном продольной оси. Таким образом, освещение на перекрестках может быть организовано по-разному, при этом по существу все минимальные межцентровые расстояния, особенно там, где играют роль все шаги решетки, находятся в соответствии с указанным здесь оптимальным(и) расстоянием (расстояниями).
В еще одном отдельном варианте осуществления осветительная система выполнена с возможностью создания пучка света осветительной системы, в которой пучок имеет угол θ расходимости в диапазоне (4-160)° с по меньшей мере 75% светового потока (см. также выше), и в которой лампа, в основном, выполнена с возможностью обеспечения упомянутого пучка в пределах угла (0-90)° по отношению к вертикали к поверхности земли, в основном, - (0-80)° по отношению к вертикали к поверхности земли, в основном, - более (0-60)° по отношению к вертикали к поверхности земли. Как вариант, как уже было указано выше, лампа может быть выполнена с возможностью обеспечения двух (или, опционально, более) таких пучков, направленных в разные направления, однако оба из них, например, - с оптической осью в плоскости, перпендикулярной дороге и параллельной продольной оси дороги. В других вариантах осуществления пучок может быть круговым или эллиптическим пучком, с более низкой интенсивностью в середине. Следовательно, пучок может иметь (овало-) кольцеобразную форму, при этом кольцо имеет, например, круговую или эллиптическую форму.
Следовательно, изобретение позволяет использовать осветительное устройство, как оно здесь описано, или лампу, как она описана, для освещения поверхности при уменьшении ослепления человека, находящегося на упомянутой поверхности. Это может относиться к человеку, стоящему или идущему по такой поверхности, а также и к человеку на или в транспортном средстве, таком как велосипед, моторное средство, легковой автомобиль, грузовик, автобус и т.д.
Зрительная система человека развивалась в естественной среде, где высокие локальные перепады яркости очень редки. Но мы должны быть способны видеть контрасты яркости, отличающиеся почти более чем на 5 порядков. Для достижения этого нервная система в наших глазах организована особым образом. Глазная колбочка подает в зрительную систему сигнал, зависящий от локальной освещенности. Для каждой колбочки или для небольшой группы соседних колбочек, этот сигнал усиливается в зависимости от освещенности окружающих колбочек. Сетчатка содержит множество типов нейронов. Один из этих типов, так называемые межцентровые ганглионарные М-клетки, отвечает за этот механизм. Каждая из этих ганглионарных клеток собирает сигнал от одной колбочки или от небольшой группы колбочек - от центра, и от кольца колбочек, окружающих центр - от окружения. Если на окружение падает мало света, то это является знаком ганглионарным клеткам, что общий световой уровень является низким, и что сигнал центра следует усилить. Если окружение освещено сильно, то это означает, что сигнал центра следует "приглушить". Этот механизм прекрасно работает до тех пор, пока освещенность по всей системе центр-окружение не изменяется слишком сильно, а также тогда, когда пространственная частота изменений освещенностью высока по отношению к размеру системы центр-окружение, - и это воспринимается как равномерное освещение окружения. Однако, если в освещенности на сетчатке проявляются градиенты, которые приводят к сильной засветке центра при относительно "темном" окружении, в этой системе возникает проблема: низкая освещенность окружения сигнализирует о низком общем уровне освещенности и вынуждает ганглионарные клетки усиливать сигнал центра. Но этот сигнал и так уже был высоким из-за высокой локальной освещенности. Такой очень высокий уровень сигнала приводит к тому, что зрительная зона коры головного мозга становится очень активной, но без какого бы то ни было реально значимого "визуального содержания". У большинства людей это вызывает чувство дискомфорта и, спустя некоторое время - усталости. У более восприимчивых людей этот эффект может вызвать мигрень или даже эпилептические припадки.
При рассматривании с определенного расстояния решетки световых точек с относительно большим шагом между светодиодами рецепторные поля будут освещены более или менее случайно. Когда шаг уменьшается, то при определенной величине шага зрительный угол между изображениями отдельных светодиодов на сетчатке совпадает со зрительным углом центров рецепторных полей. Если размер изображений светодиодов - того же порядка величины, что и размер центров рецепторных полей, но гораздо меньше, чем окружение рецепторного поля, то это вызовет вышеупомянутый эффект дискомфорта. Дальнейшее уменьшение шага световых точек приведет к тому, что центры рецепторных полей и окружения будут становиться освещенными все более и более равномерно, уменьшая дискомфорт. Таким образом, будет существовать "средний" диапазон зрительных углов, который будет порождать самый сильный дискомфорт. В психологии для описывания распределения картины освещения на сетчатке глаза, вместо зрительных углов, как правило, используют пространственную частоту (1/зрительный угол).
Был проверен ряд конфигураций с различными шагами, оптикой (или без оптики), интенсивностью и т.д. Наши эксперименты показали, что самый большой дискомфорт ощущается при пространственных частотах от 3 до 8 циклов на градус с максимумом между 4 и 7 циклов на градус. В практике освещения дороги подавляющее большинство столбов являются 4 метровыми и выше. Иногда, особенно в старых осветительных установках городских или торговых площадей, все еще встречаются столбы высотой в 3,5 метра. В темных местах, подобных тем, где можно найти соответствующие осветительные установки, взгляд наблюдателя неизбежно бессознательно, притягивается к точкам высокой освещенностью. Исходя из нашего опыта, этот эффект ограничен зрительным углом, меньшим 45 градусов над горизонтом. При типичном распределении освещения от дорожных или уличных осветительных устройств максимальная интенсивность и поэтому самое сильное ощущение дискомфорта чувствуется при угле около 20 градусов ниже горизонта.
При этом для достижения желаемого распределения света используют оптический элемент, предпочтительно, коллиматор или линзу или комбинацию двух или более из них (например, первичную и вторичную оптику). Данное изобретение, предпочтительно, не использует полупрозрачный герметизирующий элемент, перекрывающий область между соседними кристаллами светоизлучающих диодов. Следовательно, после оптического элемента, как он определен в настоящем документе, тем более нет никакого полупрозрачного герметизирующего элемента или другого полупрозрачного окна. Термины "до" и "после" относятся к расположению элементов или конструктивных признаков относительно направления распространения света от средства излучения света (в данном случае, предпочтительно, - первичного источника света), при этом по отношению к какому-либо первому положению внутри пучка света от средства излучения света второе положение в этом пучке света, более близкое к средству излучения света является положением "до", а третье положение в этом луче света, отстоящее дальше от средства излучения света, является положением "после".
Далее, может быть использован термин "световая точка". Световая точка есть светоизлучающая поверхность оптического элемента, перекрывающая или частично заключающая в себе одну или несколько светодиодных сборок. В тех системах, где под одним или в одном оптическом элементе расположено несколько светодиодных кристаллов, на практических расстояниях (по меньшей мере в несколько метров) эти кристаллы наблюдателем различимы не будут, а светоизлучающая поверхность отдельной точки в решетке будет видна или будет рассматриваться как световая точка. Как было указано выше, шаг представляет собой межцентровое расстояние между двумя соседними световыми точками. Таким образом, термин "световая точка" может относиться к осветительному устройству.
Далее, поперечное направление в применениях, связанных с дорогой, есть боковое (слева направо, горизонтальное) направление или ось, как она видна при взгляде вниз на дорогу (как правило, параллельное продольной оси дорожных светильников); продольное направление - ось, параллельная оси дороги. В большинстве имеющихся в настоящее время на рынке дорожных светильников с распределенными световыми точками светодиоды установлены в регулярной квадратной решетке с шагом 25 мм. Таким образом, участник дорожного движения (водитель или пешеход), перемещающийся и смотрящий вдоль дороги, будет видеть поперечный шаг решетки 25 мм. Вследствие наличия угла, под которым участник дорожного движения с некоторого расстояния видит светильник, продольный шаг между поперечными рядами будет выглядеть меньшим. В светильниках, где нет превалирующего направления взгляда, как, например, в обычных городских "верхних" светильниках на столбах или в архитектурных прожекторах, различие между поперечным и продольным направлением не имеет значения. Модель, построенная на основе нашего определяющего понимания и обоснованная нашими экспериментами, предсказывает, что с уменьшением шага решетки дискомфорт будет уменьшаться.
Световые точки светильника или осветительной системы расположены, главным образом, с шагом, меньшим, чем около 16 мм, например, 15 мм, предпочтительно - даже меньшим, чем 12 мм. В соответствии с сегодняшним общим пониманием, уменьшение шага при равном общем световом потоке уменьшает светоизлучающую поверхность, что при равном общем потоке увеличивает ослепление. В соответствии с нашими исследованиями на основе нашего нового понимания, упомянутое уменьшение шага значительно уменьшит, а не увеличит восприятие дискомфортного ослепления.
Кратковременное воздействие источника достаточно высокой яркости вызывает формирование остаточного изображения, которое является одновременно и блокирующим, и дискомфортным. После взгляда на слепящий источник света на сетчатке формируется остаточное изображение размером почти с размер источника. Взглад на ослепляющий источник света дает остаточное изображение в форме линии, которая следует траектории источника света по сетчатке. Очевидно, что больший источник вызывает большее остаточное изображение.
2
Рассмотрим в качестве образца следующую светодиодную решетку со световым потоком на каждый светодиод в 100 лм и с шагом в 25 мм, что соответствует светимости 160 клм/м, создающую значительное дискомфортное ослепление. В нашей работе предполагается, что дискомфортное ослепление может быть уменьшено посредством уменьшения шага между светодиодами. В настоящее время это может быть достигнуто двумя способами. Сохраняя неизменным общий световой поток системы, мы можем увеличить количество светодиодов, расположенных на той же самой светоизлучающей поверхности. По мере уменьшения светимости источника света уменьшение дискомфортного ослепления находится в соответствии с существующими моделями и пониманием. Действительно, восприятие дискомфортного ослепления людьми, останавливающими свой взгляд на источнике света, линейно уменьшается с шагом решетки. Альтернативно, мы можем сохранять неизменным и общий световой поток, и количество светодиодов, просто уменьшая шаг решетки и, таким образом, уменьшая размер светоизлучающей поверхности. В этом случае уменьшение шага решетки наполовину уменьшит светоизлучающую поверхность с коэффициентом 4, увеличивая с таким же коэффициентом светимость. В отличие от текущих представлений, в этом случае дискомфортное ослепление также будет значительно уменьшено.
Как уже упоминалось ранее, размер светоизлучающей поверхности определяет размер остаточного изображения. Если наблюдатель не фиксирует свой взгляд на источнике света, а позволяет своему взгляду лишь скользнуть по нему, то дискомфорт, вызванный остаточным изображением, становится еще большим. Поэтому в практических условиях восприятие дискомфортного ослепления меньшего источника света даже ниже, чем при показанном здесь статическом тесте. Таким образом, из-за сочетания обоих эффектов последний вариант приведет к гораздо меньшему, а не к большему дискомфортному ослеплению.
2
2
2
2
Первоначальные тесты показывают, что если мы сравним восприятие дискомфортного ослепления от нашей образцовой решетки с восприятием от решетки со светимостью (M), по меньшей мере в 500 клм/м и с максимальным шагом в 14 мм, то восприятие дискомфортного ослепления будет по меньшей мере на 16% ниже. Уменьшение шага до величины менее 12,5 мм при М≥640 клм/м уменьшает восприятие дискомфортного ослепления по меньшей мере на 20%. Максимальный шаг в 10 мм и М≥l Mлм/м уменьшат восприятие дискомфортного ослепления более чем на 28%. Уменьшение шага до величины менее 8 мм при М≥1,5 Mлм/м уменьшит восприятие дискомфортного ослепления по меньшей мере на 35%.
Из наших наблюдений мы можем заключить, что если рассматривать решетки высокомощных светодиодов, то дискомфортное ослепление может быть уменьшено уменьшением шага между светодиодами при сохранении при этом того же самого светового потока светодиодов, тем самым, одновременно соответственно увеличивая светимость. Это может иметь дополнительные преимущества при разработке продукта и по стоимости, поскольку позволяет уменьшить светоизлучающую поверхность. Однако в области шага в 8 мм существует нижняя граница, обусловленная минимально возможным размером оптики и управлением тепловым режимом. При ожидаемом увеличении светового потока и плотности тока светодиодных кристаллов, в ближайшие годы этот предел может сместиться до 6 мм.
2
2
10)
Помимо прочего, мы предлагаем здесь наращивание осветительной системы до по меньшей мере 16 отдельных различимых световых точек, непосредственно видимых для людей, находящихся вблизи системы, при этом каждая световая точка состоит из коллимирующего оптического элемента (линзы или коллиматора), перекрывающего один или более высокомощных светодиодов и, кроме того, как правило, имеет по меньшей мере один из следующих признаков: (i) номинальное потребление электрической мощности - 0,5 Вт на светодиод; (ii) световой поток, испускаемый одной световой точкой, составляет по меньшей мере 50 лм, в основном, - более чем по меньшей мере 100 лм; (iii) полный поток осветительной системы составляет по меньшей мере 1600/2000 лм; (iv) средняя светимость источника света по меньшей мере 0,5, предпочтительно - 0,64/1/1,5 Млм/м и шаг между соседними световыми точками - максимум в 14, предпочтительно - в 12,5; 12 или 10 мм, но больше 8 мм, предпочтительно, - 6 мм; (v) шаг между соседними световыми точками - максимум в 14, предпочтительно - 12,5; 12 или 10 мм, но больше 8 мм, предпочтительно, - 6 мм; (vi) светимость, - по меньшей мере, в (100/р (где р есть шаг в мм); (vii) максимум светимости находится в угле между 60 и 90 градусами к оси, перпендикулярной к осветительной системе; (viii) световые точки упорядочены в квадратную решетку, или световые точки упорядочены в квадратную решетку, в которой соседние ряды (или столбцы) смещены на половину размера шага (так называемый шахматной рисунок), или, альтернативно, в - решетку, в которой световые точки распределены полуслучайным образом с расстоянием между отдельным светодиодом и всеми другими светодиодами либо между 6 и 14/12/8 мм, либо большим, чем 50/60/75 мм (светодиодные кластеры с малым шагом, с бóльшими расстояниями между кластерами).
Здесь термин "по существу", например, в таком выражении как "по существу весь свет" или в выражении "по существу состоит из" специалисту в данной области техники будет понятен. Термин "по существу" может также включать в себя варианты с "полностью", "совершенно", "все" и т.д. Следовательно, в вариантах осуществления настоящего изобретения, определение "по существу" может также быть удалено. Там, где это применимо, термин "по существу" может также означать 90% или больше, например, 95% или больше, в основном, - 99% или больше, в еще большей степени, в основном, 99,5% или больше, включая 100%. Термин "содержит" включает также варианты, в которых термин "содержит" означает "состоит из". Термин "и/или" в частности, относится к одной или к нескольким из позиций, упомянутых до и после "и/или". Например, фраза "позиция 1 и/или позиция 2" и ей подобные фразы могут относиться к одной или нескольким из позиций 1 и позиций 2. Термин "содержащий" в каком-либо варианте употребления может означать "состоящий из", но в другом варианте может означать "содержащий, по меньшей мере определенные элементы и, как вариант, один или более других элементов".
Кроме того, термины "первый", "второй", "третий" и им подобные в описании и в пунктах формулы изобретения, используются для ввода различия между подобными элементами и не обязательно для описания последовательного или хронологического порядка. Следует понимать, что используемые таким образом термины при соответствующих обстоятельствах являются взаимозаменяемыми, и что описанные здесь варианты осуществления изобретения способны работать в иных последовательностях, чем здесь описанные или проиллюстрированные.
Устройства, системы, модули и т.д., как и другие, описаны здесь во время их работы. Как будет понятно специалисту в данной области, изобретение не ограничено способами работы или работающими устройствами.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают изобретение, и что специалисты в данной области техники будут способны разработать множество альтернативных вариантов осуществления, не выходя за рамки объема приложенных пунктов формулы изобретения. В этих пунктах любые ссылочные позиции, помещенные в круглых скобках, не должны истолковываться как ограничивающие данный пункт. Использование глагола "содержать" и форм его спряжения не исключает наличия элементов или этапов, отличных от указанных в пункте формулы изобретения. Предшествующий какому-либо элементу признак единственного числа не исключает наличия множества таких элементов. Изобретение может быть реализовано посредством аппаратных средств, содержащих несколько отдельных элементов, а также посредством должным образом запрограммированного компьютера. В пункте формулы устройства, перечисляющем несколько средств, некоторые из этих средств могут быть воплощены одним и тем же элементом аппаратных средств. Сам по себе тот факт, что некоторые размеры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что для получения положительного эффекта не может быть использована комбинация этих мер.
Изобретение далее относится к устройству, содержащему один или несколько отличительных признаков, описанных в описании и/или показанных на приложенных чертежах. Кроме того, изобретение относится к способу или процессу, содержащему один или несколько отличительных признаков, описанных в описании и/или показанных на приложенных чертежах.
Различные аспекты, описанные в этом патенте, могут быть объединены для того, чтобы обеспечить дополнительные преимущества. Кроме того, некоторые из признаков могут служить основой для одной или нескольких выделенных патентных заявок.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Теперь лишь в качестве примеров будут описаны варианты осуществления изобретения со ссылками на приложенные схематичные чертежи, на которых соответствующие ссылочные позиции обозначают относящиеся к ним части, и на которых:
фиг.1а, 1b схематично изображают некоторые варианты осуществления и аспекты изобретения, и
фиг.2а-2d схематично изображают некоторые и варианты изобретения,
2
фиг.3 схематично показывает некую среднюю светимость в лм/м в функции от шага решетки в мм. Заштрихованная область между шагом в 6-14 мм является наиболее желательной.
Чертежи не обязательно выполнены в масштабе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 схематично изображает вариант выполнения лампы 1000, содержащей осветительную систему 1, в котором лампа 1000 дополнительно содержит установочный элемент 1100, выполненный с возможностью позиционирования осветительной системы 1 на некотором расстоянии, здесь - высота h, например, по меньшей мере 3,5 м от предназначенный для освещения поверхности 7. Поверхностью 7 в этом варианте осуществления является дорога 17. Поскольку осветительная система 1 содержит регулярную решетку 2 осветительных устройств 100, то межцентровые расстояния d являются такими же, что и шаг р. В принципе, может быть два (или более) межцентровых расстояния d, и, таким образом, - шагов р. Это обозначено, соответственно d1, d2 и pl, р2. В регулярной кубической структуре d1=d2=pl=р2=d=p. Вместе весь свет, сгенерированный осветительными устройствами 100, создает свет 111 осветительной системы. Этот свет может быть использован для того, чтобы освещать поверхность 7.
Фиг.1b схематично изображает следующий вариант выполнения лампы 1000, теперь - на виде сбоку. Здесь в качестве примера лампа содержит (по меньшей мере) две осветительные системы 1, каждая из которых имеет решетку 2. Обе осветительные системы могут быть сконфигурированы для обеспечения двух или более световых пучков, как вариант, - в разных направлениях. В данном случае одна из осветительных систем 1 создает два пучка 111 света осветительной системы, каждый из которых имеет угол расходимости тэта (θ). Величина θ для световых пучков может различаться. Предпочтительно, угол θ расходимости находится в диапазоне (4-160)° с по меньшей мере 75% светового потока в пределах упомянутого угла θ расходимости; здесь, в этом схематичном чертеже угол θ значительно меньше, такой как в диапазоне 25°.
Следовательно, независимо от того, имеется ли один или более различимых световых пучков, в пределах угла θ, как правило, может присутствовать по меньшей мере 75% светового потока.
Далее, лампа 1000 может быть выполнена с возможностью обеспечения упомянутого пучка 111, например, в пределах угла α 0-90° относительно вертикали V к упомянутой дороге 17. И снова, в пределах упомянутого угла α может присутствовать по меньшей мере 75% светового потока. В одном варианте осуществления световой пучок может быть сконфигурирован в виде круга или эллипса (то есть на поверхности 7 можно будет видеть окружность или эллипс света) с относительной темной центральной частью. Следовательно, фиг.1 может также схематично изображать осветительное устройство 1, обеспечивающее овальный или круговой световой пучок (на виде сбоку). Здесь в качестве примера угол α находится в диапазоне 30-60°.
Фиг.2а, схематично более подробно изображает вариант выполнения осветительной системы 1, содержащей осветительные устройства 100, расположенные в решетке 2 с межцентровым расстоянием d (по меньшей мере в одном направлении) между ближайшими соседними осветительными устройствами, при этом каждое осветительное устройство 100 содержит источник 110 света и оптический элемент 20 (здесь по меньшей мере коллиматоры), выполненные с возможностью управления формой пучка света 101, созданного источником 110 света. Каждое осветительное устройство 100, как правило, может быть настроено таким образом, чтобы испускать упомянутый свет 101, имеющий световой поток, например, по меньшей мере в 100 лм.
Фиг.2b очень схематично изображает ряд не ограничивающих вариантов выполнения осветительных устройств 100 с одним (I, II) или более (III, IV) источниками 110 света и с коллиматором (I, III) или линзой (II, IV), соответственно. Могут быть использованы также комбинации и других оптических элементов. Как правило, когда в осветительном устройстве 100 используется более одного источника 110 света, свет 101 из всех этих источников света посредством оптического элемента формируется в пучок. Следовательно, имеется по меньшей мере один оптический элемент, посредством которого в осветительное устройстве 100 из всех источников 110 света формируется световой пучок, при этом источники света не должны иметь отдельных коллиматоров или линз. Однако, как вариант, может быть и такой случай.
Фиг.2c и 2d схематично изображают некоторые варианты решеток 2, при этом фиг.2с схематично в качестве примера показывает осветительную систему 1, содержащую три различные решетки. Левая решетка (2') имеет кубическую конфигурацию осветительных устройств 100; средняя решетка (2'') представляет собой решетку 2 с двумя различными взаимно перпендикулярными межцентровыми расстояниями или шагами, а правая решетка 2''' представляет собой гексагональное упорядочение с межцентровыми расстояниями или шагами d1, d2 и р1, р2, соответственно. Расстояния между решетками указываются ссылочной позицией d3 (это, как правило, есть не межцентровое расстояние, а кратчайшее расстояние между осветительными устройствами 100 из двух разных решеток 2). Между решетками 2 существуют промежуточные области 300 без осветительных устройств (или, возможно, с осветительными устройствами с интенсивностями ниже 25% от интенсивностей осветительных устройств в решетках). Между двумя ближайшими соседними решетками 2 могут быть сконфигурированы промежуточные области 300 без осветительных устройств 100 с кратчайшим расстоянием d3 (по меньшей мере в одном направлении) между ближайшими соседними решетками 2, по меньшей мере в 35 мм. Фиг.2d схематично более подробно изображает некоторые варианты выполнения решеток 2, при этом I показывает кубическую решетку с одним межцентровым расстоянием или шагом (то есть, d1=d2=p1= р2=d=p), II показывает шестиугольное упорядочение, III показывает решетку с взаимно перпендикулярными шагами, а IV показывает нерегулярную решетку, с межцентровыми расстояниями d.