ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ СВЕТОДИОДНОГО СВЕТИЛЬНИКА
OPTICAL MODULE OF LIGHT DIODE LAMP

Изобретение относится к светотехнике, в частности к световым приборам на светодиодах (СД). Данное изобретение может быть использовано в системах внешнего (подсветка улиц, автомагистралей, технических сооружений) и внутреннего (подсветка жилых, офисных и производственных помещений) освещения.
Уровень техники
Известны конструкции оптических модулей, в которых формирование требуемой индикатрисы осуществляется за счет выбора формы, размеров и материалов формирующей оптической системы (ФОС).
Наиболее близким техническим решением является светодиод с оптическим элементом (оптический модуль) (Патент РФ №2265917, МПК H01L 33/00, опубл. 10.12.2005). Оптический модуль содержит светоизлучающий кристалл с примыкающей к нему однолинзовой ФОС, которая имеет асферическую форму наружной (рабочей) поверхности, образованную вращением вокруг оси симметрии светодиода кривой, полученной с учетом оптических свойств светодиодного кристалла и материала ФОС. В рассматриваемом устройстве ФОС собирает и выводит через рабочую поверхность все излучение, испускаемое кристаллом, и осуществляет преобразование исходной индикатрисы в индикатрису требуемой формы.
Однако с помощью данного устройства можно получить индикатрису только осесимметричной формы.
Раскрытие изобретения
Задачей заявляемого изобретения является создание оптического модуля, обеспечивающего формирование требуемой индикатрисы, имеющей в общем случае асимметричную форму, для решения конкретной осветительной задачи, например для освещения участка автомобильной дороги.
Причем указанный оптический модуль является частью светодиодного светильника, состоящего из множества таких близко расположенных сонаправленных идентичных модулей, число которых определяется требованиями по светоэнергетическим параметрам разрабатываемого светильника. Поскольку все модули в дальней зоне (на расстоянии, в 10…20 раз превышающем поперечные размеры светильника) формируют одинаковое световое поле, то и весь светильник даст идентичное световое поле. То есть индикатриса всего светильника (поле в дальней зоне) практически идентична индикатрисе единичного модуля.
Сущность изобретения заключается в том, что в оптическом модуле, состоящем из светодиода (светодиодного кристалла) и примыкающей к нему ФОС, ее рабочая поверхность, через которую выводится излучение светодиода, представляет собой в общем случае асимметричную асферическую поверхность. При этом форма рабочей поверхности определена из решения системы уравнений
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>F</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>l</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>θ</mi><mi>l</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>l</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mo>|</mo><mover accent="true"><mo>∇</mo><mo>→</mo></mover><mi>F</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>l</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>θ</mi><mi>l</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>l</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>×</mo><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>→</mo></mover><mo stretchy="false">(</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>θ</mi><mi>l</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>l</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>|</mo><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow></mrow>
<mrow><mi>F</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ρ</mi><mo>,</mo><mi>θ</mi><mo>,</mo><mi>φ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>M</mi></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>K</mi></munderover><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>ρ</mi><mtext> </mtext><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mtext> </mtext><mi>θ</mi><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>φ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>i</mi></msup></mrow></mstyle></mrow></mstyle><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>ρ</mi><mtext> </mtext><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mtext> </mtext><mi>θ</mi><mtext> </mtext><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mtext> </mtext><mi>φ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>j</mi></msup><mo>−</mo><mi>ρ</mi><mtext> </mtext><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>θ</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
<mover accent="true"><mo>∇</mo><mo>→</mo></mover>
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>→</mo></mover><mi>l</mi></msub></mrow><mo>}</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mrow><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>→</mo></mover><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>θ</mi><mi>l</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>l</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>→</mo></mover><mi>l</mi></msub></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>θ</mi><mi>l</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>φ</mi><mi>l</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>}</mo></mrow><mo>;</mo></mrow>
<mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>N</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>→</mo></mover><mi>l</mi></msub></mrow>
ij
где
- уравнение рабочей поверхности в сферической системе координат с центром в геометрическом центре светодиодного кристалла;
- оператор градиента функции;
- векторного поля нормалей
к рассчитываемой рабочей поверхности в точках
N - число точек на рабочей поверхности, для которых определены нормали; C - - коэффициенты уравнения рабочей поверхности; М и К - максимальные степени полинома, а нормали
определены на основании функции преобразования индикатрис, характеризующей процесс преобразования формирующей оптической системой исходной индикатрисы светодиодного кристалла в индикатрису требуемой формы и связывающей соответствующие телесные углы указанных индикатрис (Ω и Ω') через равенство потоков излучения, распространяющегося в пределах этих углов: Ф(Ω)=Ф(Ω').
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлены индикатрисы излучения: а) ламбертовая и б) требуемая;
На фиг.2 представлен ход луча в ФОС;
На фиг.3 представлены аксонометрические проекции (виды спереди и сзади) оптического модуля с ФОС с рассчитанной рабочей поверхностью.
Осуществление изобретения
Работает устройство следующим образом. Световой поток от светоизлучающего кристалла поступает на однолинзовую ФОС, преобразующую световой поток с ламбертовой индикатрисой в поток, преобразованный ФОС. Принципиально важной особенностью заявляемого изобретения является то, что рабочая поверхность ФОС представляет собой в общем случае асимметричную асферическую поверхность, форму которой получают непосредственно из решения системы нелинейных уравнений.
<mrow><mi>I</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo>,</mo><mi>φ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mover><mo>→</mo><mrow><mi>Ф</mi><mi>П</mi><mi>И</mi></mrow></mover><msup><mi>I</mi><mo>′</mo></msup><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>θ</mi><mo>′</mo></msup><mo>,</mo><msup><mi>φ</mi><mo>′</mo></msup><mo stretchy="false">)</mo><mo>:</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>θ</mi><mo>'</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msup><mi>φ</mi><mo>'</mo></msup></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>Ф</mi><mi>П</mi><mi>И</mi><mtext></mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mi>θ</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>φ</mi></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo></mrow>
<mrow><mi>Φ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>Ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munder><mo>∬</mo><mi>Ω</mi></munder><mrow><mi>I</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo>,</mo><mi>φ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>sin</mi><mi>θ</mi><mtext></mtext><mtext> </mtext><mi>d</mi><mtext></mtext><mtext> </mtext><mi>θ</mi><mi>d</mi><mi>φ</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><mi>Φ</mi><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>Ω</mi><mo>′</mo></msup><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munder><mo>∬</mo><msup><mi>Ω</mi><mo>′</mo></msup></munder><mrow><msup><mi>I</mi><mo>′</mo></msup><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mtext></mtext><mo>,</mo><mi>φ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>θ</mi><mi>d</mi><mtext> </mtext><mtext></mtext><mi>θ</mi><mtext></mtext><mtext> </mtext><mi>d</mi><mi>φ</mi></mrow></mrow></mstyle><mo>.</mo></mrow>
Форма поверхности рассчитана с учетом оптических свойств и габаритных характеристик светодиодного кристалла, материала оптической системы и требований к формируемой индикатрисе. Для того чтобы входящая в состав оптического модуля ФОС формировала требуемую индикатрису излучения, на первом этапе расчета ее рабочей поверхности определяют функцию преобразования индикатрис (ФПИ) - зависимость угловых сферических координат выхода луча из ФОС (θ', φ') от угловых сферических координат выхода луча (θ, φ) со светоизлучающей площадки светодиода (СД), характеризующая требуемое преобразование индикатрис
Причем при определении ФПИ используется закон сохранения энергии Φ(Ω)=Φ(Ω'), где Φ(Ω) и Φ(Ω')- потоки излучения от СД до и после ФОС в пределах телесных углов Ω, и Ω' соответственно. Потоки излучения при известных индикатрисах I(θ,φ) и I'(θ',φ') определяются по формулам
и
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>→</mo></mover><mi>l</mi></msub></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>θ</mi><mi>l</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>φ</mi><mi>l</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>}</mo></mrow><mo>:</mo><msub><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>→</mo></mover><mi>l</mi></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>→</mo></mover><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>θ</mi><mi>l</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>φ</mi><mi>l</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>:</mo></mrow>
ФПИ необходима для определения векторного поля нормалей
(фиг.2) к рассчитываемой рабочей поверхности в точках:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>→</mo></mover><mi>l</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>l</mi><mo>'</mo></msubsup><mo>−</mo><mfrac><mi>n</mi><mrow><mi>n</mi><mo>'</mo></mrow></mfrac><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>l</mi></msub></mrow><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>l</mi><mo>'</mo></msubsup><mo>−</mo><mfrac><mi>n</mi><mrow><mi>n</mi><mo>'</mo></mrow></mfrac><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>l</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
,
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>l</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>l</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>θ</mi><mi>l</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>l</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mrow><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mtext> </mtext><msub><mi>θ</mi><mi>l</mi></msub><mtext> </mtext><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mtext> </mtext><msub><mi>ϕ</mi><mi>l</mi></msub><mo>;</mo><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mtext> </mtext><msub><mi>θ</mi><mi>l</mi></msub><mtext> </mtext><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><msub><mi>ϕ</mi><mi>l</mi></msub><mo>;</mo><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mtext> </mtext><msub><mi>θ</mi><mi>l</mi></msub></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>l</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>l</mi><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>θ</mi><mi>l</mi><mo>'</mo></msubsup><mo>,</mo><msubsup><mi>φ</mi><mi>l</mi><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mrow><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mtext> </mtext><msubsup><mi>θ</mi><mi>l</mi><mo>'</mo></msubsup><mtext> </mtext><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mtext> </mtext><msubsup><mi>φ</mi><mi>l</mi><mo>'</mo></msubsup><mo>;</mo><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mtext> </mtext><msubsup><mi>θ</mi><mi>l</mi><mo>'</mo></msubsup><mtext> </mtext><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><msubsup><mi>φ</mi><mi>l</mi><mo>'</mo></msubsup><mo>;</mo><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mtext> </mtext><msubsup><mi>θ</mi><mi>l</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow><mo>}</mo></mrow><mo>;</mo></mrow>
<mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>N</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>,</mo></mrow>
l
l
l
l
где n - показатель преломления материала ФОС (2); n' - показатель преломления воздуха, n'=1,0;
- направляющий вектор луча, выходящего с поверхности светоизлучающей площадки СД (1), проходящего в ФОС и приходящего в точку (θ,φ),
;
- направляющий вектор луча, выходящего из ФОС в точке (θ, φ),
l - точки,
N - число точек.
На втором этапе расчета определяют собственно саму рабочую поверхность ФОС. Для этого сначала выбирают вид уравнения рабочей поверхности ФОС. В частности, уравнение может быть представлено в виде степенного полинома (в сферической системе координат с центром в геометрическом центре светодиодного кристалла):
<mrow><mi>F</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ρ</mi><mo>,</mo><mi>θ</mi><mo>,</mo><mi>φ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>M</mi></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>K</mi></munderover><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>ρ</mi><mtext> </mtext><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mtext></mtext><mtext> </mtext><mi>θ</mi><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>φ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>i</mi></msup></mrow></mstyle></mrow></mstyle><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>ρ</mi><mtext> </mtext><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mtext></mtext><mtext> </mtext><mi>θ</mi><mtext> </mtext><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mtext> </mtext><mi>φ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>j</mi></msup><mo>−</mo><mi>ρ</mi><mtext> </mtext><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>θ</mi><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo></mrow>
где (ρ,θ,φ) - сферических координаты точек рабочей поверхности ФОС; М и К - максимальные степени полинома.
00
ij
Коэффициент С есть толщина ФОС вдоль оптической оси, которая определяется из конструктивных и технологических соображений (в том числе габаритных ограничений на ФОС). Остальные коэффициенты уравнения поверхности C неизвестны и определяются в процессе расчета.
Далее составляют и решают систему уравнений для совокупности нормалей к поверхности:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>F</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>l</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>θ</mi><mi>l</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>l</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mo>|</mo><mover accent="true"><mo>∇</mo><mo>→</mo></mover><mi>F</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>l</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>θ</mi><mi>l</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>l</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>×</mo><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>→</mo></mover><mo stretchy="false">(</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>θ</mi><mi>l</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>l</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>|</mo><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow></mrow>
,
<mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>N</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>,</mo></mrow>
<mover accent="true"><mo>∇</mo><mo>→</mo></mover>
где
N - число точек на рабочей поверхности, для которых определены нормали;
- оператор градиента функции.
l
Сферические координаты ρ, неизвестны и их определяют в процессе расчета.
l
ij
При этом для N нормалей получается 2N уравнений с N+M·K неизвестными ({ρ}, {C}). Для получения качественного решения необходимо, чтобы N≥(1,5…2,5)М·К.
ij
Искомым решением системы уравнений для всех нормалей являются коэффициенты C уравнения рабочей поверхности ФОС.
2
В качестве примера был разработан оптический модуль, используемый в светодиодном светильнике, предназначенном для равномерной подсветки участка двухполосного дорожного полотна размером 30×5,6 м при расположении светильников на столбах высотой 10 м с углом наклона гусака 15°, расстояние между столбами 30 м вдоль полотна дороги.
<mrow><mi>F</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ρ</mi><mo>,</mo><mi>θ</mi><mo>,</mo><mi>φ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mn>1</mn><mn>0</mn></mrow></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mn>1</mn><mn>0</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>ρ</mi><mtext> </mtext><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mtext> </mtext><mi>θ</mi><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>φ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>i</mi></msup></mrow></mstyle></mrow></mstyle><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>ρ</mi><mtext> </mtext><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mtext> </mtext><mi>θ</mi><mtext> </mtext><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mtext> </mtext><mi>φ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>j</mi></msup><mo>−</mo><mi>ρ</mi><mtext> </mtext><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>θ</mi><mo>,</mo></mrow>
Уравнение рабочей поверхности ФОС оптического модуля представляет собой степенной полином двух переменных:
2ij
Значения коэффициентов C, полученных в результате решения, приведены в таблице.
Две аксонометрические проекции (виды спереди и сзади) оптического модуля с ФОС с рассчитанной в примере рабочей поверхностью представлены на фиг.3.