ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ СХЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВЕТА

Область техники
Полезная модель относится к осветительной технике. Более конкретно, она относится к оптическому устройству для модифицирования светового паттерна источника света, например такого, как светодиод (СД).
Уровень техники
Распределение света, излучаемого источником света, в некоторых применениях может быть важным или даже критичным. Примерами источников света могут служить светодиод, лампа накаливания и газоразрядная лампа. На фиг. 1а схематично иллюстрируется уличное освещение, более конкретно, освещение дороги 120 лампами 122 и 123. На фиг. 1b и 1с система освещения по фиг. 1а показана соответственно в сечениях плоскостями А1-А1 и А2-А2 (см. фиг. 1а). Каждая из уличных ламп 122 и 123 может содержать, например, осветительный прибор, который содержит множество источников света, например светодиодов (СД), и оптические устройства, каждое из которых сконфигурировано так, чтобы модифицировать световой паттерн одного или более источников света. На фиг. 1е и 1f проиллюстрировано оптическое устройство 101, известное из уровня техники, причем на фиг. 1f оно показано в разрезе плоскостью А-А (см. фиг. 1е). Источник 102 света выполнен с возможностью излучать первые световые пучки в первый воображаемый пространственный сектор 103 и вторые световые пучки во второй воображаемый пространственный сектор 104. Первый и второй воображаемые пространственные секторы заданы взаимно перпендикулярными первой и второй плоскостями 105 и 106 таким образом, что плоскость 105 образует границу между первым и вторым воображаемыми пространственными секторами 103 и 104. На фиг. 1е и 1f некоторые из первых световых пучков проиллюстрированы штрихпунктирными стрелками, а некоторые из вторых световых пучков - штриховыми стрелками. Следует отметить, что вышеупомянутые первая и вторая плоскости 105 и 106 - это чисто геометрические концепты, используемые только в иллюстративных целях, но не физические элементы оптического устройства 101 или источника 102 света. Плоскость 105 параллельна плоскости yz, а плоскость 106 - плоскости ху координатной системы 199. Оптическое устройство 101 содержит линзовую часть 107 для модифицирования светового паттерна первых световых пучков. У оптического устройства 101 имеется также отражающая поверхность 108 для отражения по меньшей мере части вторых световых пучков в первый пространственный сектор 103, как это проиллюстрировано на фиг. 1е и 1f. Отражающая поверхность 108 является поверхностью полости 109. Геометрическая форма полости 109 и показатель преломления прозрачного материала оптического устройства 101 выбраны такими, что на отражающей поверхности 108 имеет место полное внутреннее отражение.
1
2
3
4
На фиг. 1d представлены, в полярных координатах, графики, иллюстрирующие промоделированные распределения освещенности на поверхности дороги 120 для случая, когда оптические устройства описанного типа используются в рассматриваемой в качестве примера ситуации, в которой расстояние D между смежными уличными лампами примерно в 4,5 раза превышает высоту Н столбов светильника уличного освещения, а ширина W полосы 121 движения равна примерно половине высоты Н столбов светильника. На фиг. 1d сплошными линиями иллюстрируется распределение освещенности вдоль линии А1-А1, отмеченной на фиг. 1а, а штриховыми линиями - распределение освещенности вдоль линии А2-А2, которая проходит посередине полосы 121 движения. Углы ϕ и ϕ проиллюстрированы на фиг. 1с, а углы ϕ и ϕ - на фиг. 1b. В идеальной ситуации освещенность имела бы приемлемый уровень и была бы однородной по всей поверхности дороги. На фиг. 1d дуга 124 иллюстрирует область, в которой освещенность распределена однородно.
Очевидно, что по мере увеличения расстояния D между смежными уличными лампами достижение достаточно однородного распределения освещенности по длине дороги 120 становится все более и более проблематичным. С другой стороны, сокращение затрат на уличное освещение может быть достигнуто за счет увеличения расстояния D. Таким образом, существуют очевидные экономические стимулы для увеличения расстояния D между смежными уличными лампами.
Раскрытие полезной модели
Далее приводится упрощенное изложение сущности полезной модели, чтобы обеспечить базовое понимание некоторых аспектов различных ее вариантов. Данное изложение не содержит подробного описания полезной модели и не направлено ни на идентификацию ее ключевых (критических) элементов, ни на определение объема ее защиты. В данном изложении, в качестве введения к приводимому далее подробному описанию неограничивающих вариантов полезной модели, просто поясняются, в упрощенной форме, некоторые ее базовые концепции.
В данном документе слово "воображаемый" ("воображаемая"), приводимое перед соответствующим термином, означает, что речь идет о геометрическом концепте, который не является обязательной частью какого-либо физического объекта. Таким концептом может быть, например, геометрическая точка, прямая или кривая, плоскость, не планарная геометрическая поверхность, геометрическое пространство или любой другой геометрический объект нулевой размерности или имеющий одно, два или три измерения.
В соответствии с полезной моделью предлагается новое оптическое устройство для модифицирования светового паттерна источника света, излучающего первые световые пучки в первый воображаемый пространственный сектор и вторые световые пучки во второй воображаемый пространственный сектор. Первый и второй воображаемые пространственные секторы заданы взаимно перпендикулярными первой и второй плоскостями таким образом, что первая плоскость образует границу между первым и вторым воображаемыми пространственными секторами. Оптическое устройство содержит:
линзовую часть, способную функционировать в качестве линзы для модифицирования светового паттерна первых световых пучков, и
отражающую поверхность для отражения по меньшей мере части вторых световых пучков из второго воображаемого пространственного сектора в первый воображаемый пространственный сектор таким образом, чтобы при падении по меньшей мере части вторых световых пучков изнутри прозрачного материала оптического устройства на отражающую поверхность углы между по меньшей мере частью вторых световых пучков и нормалями к отражающей поверхности превышали угол полного внутреннего отражения.
Указанной отражающей поверхности придана такая форма, что:
каждая криволинейная линия пересечения отражающей поверхности с плоскостью, параллельной второй плоскости, имеет клиновидную форму с вершиной, обращенной к первому воображаемому пространственному сектору, и
у отражающей поверхности имеются один или более участков, на которых проекции углов падения на воображаемую плоскость проекции, перпендикулярную первой и второй плоскостям, меньше, чем угол полного внутреннего отражения, причем проекция каждого угла падения соответствует углу между проекцией одного из соответствующих вторых световых пучков и проекцией соответствующей нормали к отражающей поверхности на воображаемую плоскость проекции.
На указанных одном или более участках отражающей поверхности полное отражение достигается благодаря приданию отражающей поверхности клиновидной формы и, как следствие, отражению вторых световых пучков в большей степени в боковых направлениях (а не вниз), чем, например, в случае, проиллюстрированном на фиг. 1f, где полное отражение достигнуто за счет выполнения отражающей поверхности 108 наклонно по отношению к координате z координатной системы 199. Упомянутые участки могут покрывать, например, по меньшей мере 50% отражающей поверхности.
Тот факт, что световой паттерн отраженных вторых световых пучков сформирован описанным образом, облегчает, например, обеспечение достаточно однородного распределения освещенности в продольном направлении дороги, когда в целях уличного освещения применяется описанное оптическое устройство.
Таким образом, оптическое устройство в соответствии с полезной моделью позволяет обеспечить достижение технического результата, заключающегося в получении однородного распределения освещенности, подходящего для случаев увеличенного расстояния между источниками света в продольном направлении дороги. Кроме того, для многих приложений оптическое устройство в соответствии с полезной моделью представляет собой устройство для модификации схемы распределения света, альтернативное по отношению к известным решениям.
Предлагается также новый осветительный прибор, содержащий по меньшей мере один источник света и по меньшей мере одно оптическое устройство согласно предложенной полезной модели. При этом по меньшей мере один источник света может содержать, например, один или более СД.
Далее, предлагается также новая система, содержащая дорогу и по меньшей мере один светильник уличного освещения, содержащий по меньшей мере один осветительный прибор, причем каждое оптическое устройство согласно предложенной полезной модели по меньшей мере в одном осветительном приборе расположено относительно дороги так, что воображаемая линия пересечения первой и второй плоскостей, ассоциированных с указанным оптическим устройством, по существу, параллельна продольному направлению дороги.
Предлагается также новая пресс-форма, имеющая форму, пригодную для изготовления, методом фасонного литья, прозрачной детали, образующей одно или более оптических устройств согласно предложенной полезной модели.
Различные неограничивающие варианты полезной модели описаны в зависимых пунктах прилагаемой формулы.
Конструктивные и функциональные особенности различных вариантов полезной модели, а также ассоциированных с ней дополнительных объектов станут полностью понятны из нижеследующего описания конкретных примеров, которые рассматриваются со ссылками на прилагаемые чертежи.
Глагол "содержать" используется в данном описании как не исключающий, но и не требующий присутствия также признаков, не поименованных явным образом. Если не оговорено обратное, признаки, включенные в зависимые пункты, могут свободно комбинироваться друг с другом. Упоминание объекта или его части в единственном числе не исключает присутствия и других подобных объектов (частей).
Краткое описание чертежей
Приводимые в качестве примеров неограничивающие варианты полезной модели и их преимущества поясняются далее со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1а-1с представлена схематичная иллюстрация известной схемы уличного освещения.
На фиг. 1d представлены, в полярных координатах, графики, иллюстрирующие промоделированные распределения освещенности на поверхности дороги (показанной на фиг. 1а-1с) при использовании известных оптических устройств.
Фиг. 1е и 1f иллюстрируют оптическое устройство согласно уровню техники.
Фиг. 2a-2d иллюстрируют оптическое устройство согласно неограничивающему варианту полезной модели.
На фиг. 3 иллюстрируется оптическое устройство согласно другому неограничивающему варианту полезной модели.
Фиг. 4а и 4b иллюстрируют осветительный прибор с устройством согласно неограничивающему варианту полезной модели.
Фиг. 5а-5с иллюстрируют уличное освещение с применением неограничивающего варианта полезной модели.
Фиг. 1a-1f уже рассмотрены выше, в разделе "Уровень техники".
Осуществление полезной модели
Конкретные примеры, приводимые далее в описании, не должны рассматриваться как ограничивающие объем защиты, определяемый прилагаемой формулой. Упоминающиеся и рассматривающиеся в описании примеры не являются исчерпывающими (если не оговорено обратное).
На фиг. 2а и 2b представлены перспективные изображения оптического устройства 201 согласно неограничивающему варианту полезной модели, предназначенной для модифицирования светового паттерна источника 202 света. Таким источником может быть, например, СД, лампа накаливания или газоразрядная лампа. Характер представленных на фиг. 2а и 2b видов поясняется координатной системой 299. На фиг. 2с оптическое устройство 201 показано на виде вдоль положительного направления координаты z системы 299. На фиг. 2d устройство показано в разрезе показанной на фиг. 2 с плоскостью А-А, параллельной плоскости xz координатной системы 299. Как показано на фиг. 2с и 2d, источник 202 света выполнен с возможностью излучать первые световые пучки в первый воображаемый пространственный сектор 203, а вторые световые пучки - во второй воображаемый пространственный сектор 204. Первый и второй воображаемые пространственные секторы заданы взаимно перпендикулярными первой и второй плоскостями 205 и 206 таким образом, что первая плоскость 205 образует границу между первым и вторым воображаемыми пространственными секторами 203 и 204. На фиг. 2с и 2d некоторые из первых световых пучков проиллюстрированы штрихпунктирными стрелками, а некоторые из вторых световых пучков - штриховыми стрелками. Следует отметить, что вышеупомянутые первая и вторая плоскости 205 и 206 - это чисто геометрические концепты, используемые только в иллюстративных целях, но не физические элементы оптического устройства 201 или источника 202 света. Первая плоскость 205 параллельна плоскости yz, а вторая плоскость 206 - плоскости xy координатной системы 299. Оптическое устройство 201 выполнено из прозрачного материала, показатель преломления которого превышает единицу. Прозрачным материалом может быть, например, акриловый пластик, поликарбонат, оптический силикон или стекло. Способом изготовления оптического устройства 201 может быть, например, фасонное литье.
Оптическое устройство 201 содержит линзовую часть 207 для модифицирования светового паттерна первых световых пучков. У оптического устройства 201 имеется также отражающая поверхность 208 для отражения по меньшей мере части вторых световых пучков из второго воображаемого пространственного сектора 204 в первый воображаемый пространственный сектор 203 так, чтобы при падении по меньшей мере части вторых световых пучков изнутри прозрачного материала оптического устройства на отражающую поверхность 208 углы между по меньшей мере частью вторых световых пучков и нормалями к отражающей поверхности 208 превышали угол полного внутреннего отражения. В дополнение ко вторым световым пучкам, которые отражаются отражающей поверхностью 208, источник 202 света может излучать во второй воображаемый пространственный сектор 204 световые пучки, которые не падают на отражающую поверхность 208. Отражающей поверхности 208 придана такая форма, что каждая криволинейная линия пересечения этой поверхности с плоскостью, параллельной плоскости xy координатной системы 299, имеет клиновидную форму с вершиной, обращенной к первому воображаемому пространственному сектору 203. Пример криволинейной линии 231 пересечения отражающей поверхности 208 (изображенной штриховой линией) с плоскостью, параллельной плоскости xy координатной системы 299, представлен на фиг. 2с. Данная криволинейная линия 231 пересечения также является чисто воображаемым концептом, используемым только в иллюстративных целях, а не физическим элементом оптического устройства 201 или источника 202 света.
У отражающей поверхности 208 имеются участки, на которых проекции вышеупомянутых углов падения на воображаемую плоскость проекции, перпендикулярную первой и второй плоскостям 205 и 206, меньше, чем угол полного внутреннего отражения. На фиг. 2d устройство показано в разрезе именно плоскостью, соответствующей данной воображаемой плоскости проекции. Проекция каждого угла падения соответствует углу между проекцией одного из соответствующих вторых световых пучков и проекцией соответствующей нормали к отражающей поверхности 208 на вышеупомянутую воображаемую плоскость проекции. На увеличенном частичном изображении 220 показана проекция ар угла падения одного из вторых световых пучков на отражающую поверхность 208 и, соответственно, проекция 221 воображаемой нормали к отражающей поверхности и проекция одного из вторых световых пучков (представленная штриховой линией). Видно, что проекция ар угла падения меньше, чем угол полного внутреннего отражения, т.е. полное отражение достигнуто благодаря клиновидной форме отражающей поверхности 208. Таким образом, по сравнению с ситуацией, проиллюстрированной на фиг. 1f, когда полное отражение достигнуто расположением отражающей поверхности 108 наклонно по отношению к координате z координатной системы 199, здесь отраженные вторые световые пучки ориентированы в большей степени в боковых направлениях, чем вниз. Участки, на которых проекции угла падения меньше, чем угол полного внутреннего отражения, могут составлять, например, по меньшей мере 30% или по меньшей мере 50%, или по меньшей мере 70% отражающей поверхности 208.
Как проиллюстрировано на фиг. 2b и 2с, отражающая поверхность 208 рассматриваемого оптического устройства 201, по существу, симметрична относительно третьей плоскости 230, которая параллельна плоскости xz координатной системы 299. В результате у отражающей поверхности 208 имеются первая часть 208а и вторая часть 208b, которые являются, по существу, зеркальными изображениями одна другой. Возможны, однако, и другие профили отражающей поверхности. Упомянутая третья плоскость 230 - это просто геометрический концепт, введенный только для иллюстративных целей, но не физический элемент оптического устройства 201 или источника 202 света. Как показано на фиг. 2а-2с, представленный вариант оптического устройства 201 в целом также является, по существу, симметричным относительно упомянутой третьей плоскости.
В варианте по фиг. 2a-2d оптическое устройство 201 представляет собой цельный элемент из прозрачного материала. У оптического устройства 201 имеются первая полость 215, образующая пространство для установки источника 202 света (как это проиллюстрировано на фиг. 2b-2d), и вторая полость 209, поверхность которой образует отражающую поверхность 208 таким образом, что при падении световых пучков изнутри прозрачного материала на отражающую поверхность 208 второй полости 209 имеет место полное внутреннее отражение. Первая и вторая полости 215, 209 образованы путем выполнения углублений в первой поверхности 216 оптического устройства 201, которая в областях, окружающих эти углубления, является, по существу, планарной. Второй поверхности 217 оптического устройства придан профиль, способствующий достижению желательного распределения света. Если источник 202 света установлен на поверхность печатной платы, первая поверхность 216 может находиться, например, в контакте с этой печатной платой.
На фиг. 3 показано, в разрезе плоскостью, параллельной плоскости xz координатной системы 399, оптическое устройство 301 согласно другому неограничивающему варианту полезной модели для модифицирования светового паттерна источника 302 света. Источник 302 света выполнен с возможностью излучать первые световые пучки в первый воображаемый пространственный сектор 303 и вторые световые пучки во второй воображаемый пространственный сектор 304. Указанные воображаемые секторы заданы взаимно перпендикулярными первой и второй плоскостями 305 и 306 таким образом, что первая плоскость 305 образует границу между первым и вторым секторами. Первая плоскость 305 параллельна плоскости yz, а вторая плоскость 306 - плоскости xy координатной системы 399. На фиг. 3 некоторые из первых световых пучков проиллюстрированы штрихпунктирными стрелками, а некоторые из вторых световых пучков - штриховыми стрелками. Оптическое устройство 301 содержит линзовую часть 307 для модифицирования светового паттерна первых световых пучков. У оптического устройства 301 имеется отражающая поверхность 308 для отражения по меньшей мере части вторых световых пучков в первый воображаемый пространственный сектор 303 так, чтобы при падении по меньшей мере части вторых световых пучков изнутри прозрачного материала оптического устройства на отражающую поверхность 308 углы между по меньшей мере частью вторых световых пучков и нормалями к отражающей поверхности 308 превышали угол полного внутреннего отражения. В дополнение ко вторым световым пучкам, которые отражаются отражающей поверхностью 308, источник 302 света может излучать во второй воображаемый пространственный сектор 304 световые пучки, которые не падают на отражающую поверхность 308.
Р1
р2
p1
р2
Отражающей поверхности 308 придана такая форма, что каждая криволинейная линия пересечения этой поверхности с плоскостью, параллельной плоскости xy координатной системы 399, имеет клиновидную форму с вершиной, обращенной к первому воображаемому пространственному сектору 303. В рассматриваемом варианте на отражающей поверхности 308 сформированы волнистые участки, имеющие протяженность в направлении, параллельном второй воображаемой плоскости 306. Проекции вышеупомянутых углов падения на воображаемую плоскость проекции, перпендикулярную первой и второй плоскостям 305 и 306, меньше, чем угол полного внутреннего отражения. На фиг. 3 устройство показано в разрезе именно плоскостью, соответствующей данной воображаемой плоскости проекции. Проекция каждого угла падения соответствует углу между проекцией одного из соответствующих вторых световых пучков и проекцией соответствующей нормали к указанной воображаемой плоскости проекции. На увеличенном частичном изображении 320 показаны проекции α и α углов падения и, соответственно, проекции 321 и 322 нормалей к отражающей поверхности 308, а также проекции соответствующих световых пучков (представленные штриховыми линиями). В рассматриваемом варианте проекция αпревышает угол полного внутреннего отражения, а проекция α меньше, чем данный угол. На участках, где проекции углов падения меньше, чем угол полного внутреннего отражения, полное отражение достигнуто благодаря клиновидной форме отражающей поверхности 308. Таким образом, по сравнению с ситуацией, проиллюстрированной на фиг. 1f, световые пучки, отраженные на этих участках, направлены в большей степени в боковых направлениях, чем вниз.
Фиг. 4a и 4b иллюстрируют осветительный прибор согласно неограничивающему варианту полезной модели. На фиг. 4b прибор показан в сечении плоскостью А-А (см. фиг. 4а), которая параллельна плоскости xz координатной системы 499. Осветительный прибор содержит четыре источника света и четыре оптических устройства 401а, 401b, 401с и 401d. Каждое оптическое устройство выполнено согласно неограничивающему варианту полезной модели. На фиг. 4b показаны также два источника 402а и 402b света. Каждое из оптических устройств 401a-401d может быть таким же, как, например, устройство, проиллюстрированное на фиг. 2a-2d. Каждый источник света может содержать по меньшей мере один светодиод. В варианте по фиг. 4а и 4b осветительный прибор дополнительно содержит печатную плату 418. В этом примере оптические устройства 401a-401d являются частями единого элемента 419, выполненного из прозрачного материала. Источники света расположены на поверхности печатной платы 418. Как это проиллюстрировано на фиг. 4b, источники излучения находятся в полостях оптических устройств 401а-401d.
На фиг. 5а иллюстрируется схема уличного освещения применительно к ситуации, когда уличные лампы 522 и 523 используются для освещения дороги 520. Та же схема показана на фиг. 5b в сечении плоскостью А1-А1 (см. фиг. 5а), а на фиг. 5с -в сечении плоскостью А2-А2. Каждая из уличных ламп 522 и 523 содержит один или более осветительных приборов, каждый из которых содержит один или более источников света (например СД) и одно или более оптических устройств для модифицирования светового паттерна одного или более источников света. Каждое оптическое устройство (которое может быть подобно устройству, проиллюстрированному на фиг. 2a-2d или на фиг. 3) расположено относительно дороги 520 так, что воображаемая линия пересечения первой и второй плоскостей, ассоциированных с предложенным оптическим устройством, по существу, параллельна продольному направлению дороги. Указанные первая и вторая плоскости заданы так, как это было описано со ссылками на фиг. 2с и 2d и на фиг. 3.
Описанные конкретные примеры полезной модели не должны интерпретироваться как ограничивающие объем и/или область применения, определяемые прилагаемой формулой. Приведенные в описании примеры не являются исчерпывающими.